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《化学与生活》模块教学中学生核心素养的培养 ——以“金属的腐蚀和防护”为例

一、问题的提出

化学新课程标准提出了培养学生的核心素养,我们教师更多地是研究如何在高一教学或高二选修化学的教学中培养学生的核心素养,其实对于高考没有选修化学的学生而言,化学核心素养的培养也是不容忽视的,因为化学几大核心素养对于“帮助学生形成未来发展所需的正确价值观念、必备品格和关键能力”也是至关重要的。下面以“金属的腐蚀和防护”一课为例,谈谈具体做法。

二、教学过程

1.在培养“科学态度和社会责任”中引入

【情境1】播放新闻视频《发霉生锈的新车》:有一位顾客买的新车,放在4S店,当时是要求4S店的工作人员将车停在展厅,顾客过两天再来提车,可4S店的工作人员却将车露天停放,因为当时正是梅雨天,所以等顾客去提车时,发现新车的发动机已经发霉生锈了。顾客要求4S店给个说法。4S店工作人员只答应将生锈的部分擦干净。理由是:“是铁就会生锈。”

【问题1】你怎么看4S店工作人员给顾客的解释“是铁就会生锈”这句话?

【学生】发表自己的看法,最后得出结论:“是铁就会生锈”这句话本身没有错,但不能作为借口。其它车并没有发霉生锈,我们可以采取保护措施。

【情境2】投影资料:

哥伦比亚本国没有官方药典,其官方认可《美国药典》[3]、《欧洲药典》[4]和《英国药典》[5],所有涉及的物料,包括制药用水(纯化水和注射用水)和原辅料等,都需要执行其官方认可的药典。

图1 金属腐蚀的资料

【问题2】金属腐蚀造成的危害是重大的,通过这节课的学习,我们来进一步了解金属腐蚀知识,看能不能用我们所学知识解决一些问题?

设计意图:我们每天都会接触新闻,如何看待其中的观点,学过化学的人应该要通过专业的化学知识进行判断。在问题的讨论中培养学生的科学态度。每年因为金属腐蚀造成的损失以客观的数据呈现出来,进一步激发学生的社会责任意识。

大泽山葡萄是平度市大泽山镇特产,中国国家地理标志产品,有上百年栽培史。该地区的葡萄风味独特、品质优良、穗大粒饱、色泽鲜艳、皮薄肉嫩、口味宜人。2017年,大泽山葡萄种植面积高达3.5万亩,其中玫瑰香葡萄种植面积最大。

2.在“宏观辨识与微观探析”中推进学习

【情境3】展示图片:生活中的金属腐蚀现象

图2 金属腐蚀现象图片

【问题3】生活中我们看到金属被腐蚀后现象不一样,那金属被腐蚀的本质一样吗?

【学生】观察图片,发表自己对金属腐蚀的看法:金属的腐蚀本质都是指金属发生变化了;金属的腐蚀是金属被氧化了;是金属损耗了。

【追问1】那金属被腐蚀过程中跟什么因素有关呢,我们再回到开头看的那则新闻中,你知道消费者为什么要强调在梅雨天里把车停在展厅吗?

以上是在没有加入不平顺的情况下分析得到的结果,而实际情况,道路是存在不平顺的,因此,在动力仿真时加入一定的不平顺更符合实际情况,具体仿真结果如图8所示。

一是重塑城乡关系,走城乡融合发展之路。这就需要坚决破除城乡二元结构的体制机制弊端,要充分发挥“市场”决定性作用与“政府”调节作用,推动城乡要素自由流动、平等交换,改变长期以来农村人才、土地、资金等要素单向流向城市的状况,激励资本、智力、技术、管理进乡入村,鼓励更多资源投入乡村振兴,加快形成工农互促、城乡互补、全面融合、共同繁荣的新型工农城乡关系。

由表3可知,随着毛管力的增加,产油量及采出程度减小,与水驱相比,二元驱采出程度增加幅度为17%~19%,增幅不大,说明毛管力对驱油效果的影响较小,并且毛管力作为一种微观作用力,仅在驱替压差未建立起之前发挥作用,一旦外加驱替压差大于毛管力,此时毛管力的作用可以忽略。

【学生】停在露天,湿气重,有水,会加速生锈。

【追问2】你知道为什么有水存在会加速铁的生锈吗?

【学生】一层水膜吸附在铁的表面,水膜溶解空气中的CO2、O2、一些盐类等,形成了电解质溶液,与铁、碳构成了原电池,加速了腐蚀的速度。

【小结】这种情况下发生的腐蚀我们称为电化学腐蚀。影响因素有:水、电解质溶液。

图3 铁被腐蚀过程中构成的原电池图

设计意图:金属腐蚀从宏观现象来看,是不同的,有的是红色的绣,有的是变绿,有的是发黑。情境3引出的任务就是如何透过宏观现象找出金属腐蚀的微观本质。再结合铁被腐蚀构成原电池的微观示意图,更进一步从宏观和微观相结合的视角分析、解决实际问题。

3.在“变化观念与平衡思想”、“证据推理与模型认知”中深化学习

【情境4】投影网络帖子

图4 网络帖子截图

【问题4】说到与水接触比较多的家里的金属制品,就是烧水壶了。我们能否帮网络上求助的韩女士解决这一个问题。为什么加醋后水锈反而更多了?烧水壶未加醋酸前是如何生锈的?

【学生】讨论分析,得出:加醋酸后电解质溶液中H+浓度增大了。未加醋之前电解质溶液中溶解的是O2

【小结】投影图片

苏婷婷走出来,杰克忙迎上去,问:怎么样,成功了没有?苏婷婷得意地:你应该说,恭喜选手,你成功了!杰克瞪大眼睛:真的?苏婷婷点点头,杰克摇摇头:我不信,你是怎么成功的?苏婷婷骄傲地:这很容易,中国人都好面子,我把这张诊断书给他们看,告诉他们我怀孕了,如果不同意我们结婚,就生一个小黄毛给他们看,他们就同意了。杰克认真地:不是说好了,咱们不生小孩吗?苏婷婷嗔他一眼:看你,也当真了?我骗他们的。说着苏婷婷把诊断书撕成长条,朝空中抛去。杰克恍然地:哇,中国人这么好骗,怪不得外国人都愿到中国做生意。苏婷婷:胡说什么?这是两码事。

日常要加强饲养管理,科学配制日粮,确保日粮中各个营养元素配比科学,逐渐改变单一饲喂饲料的饲养模式,增强牛体质,及时发现患病牛,采取措施进行对症治疗。另外,为牛群提供充足的清洁饮用水,在冬春季节应该注意增添容易消化的青绿多汁饲料,或投喂青干草,牛群禁食发霉变质的饲料。同时还要确保牛舍布局合理,强化牛舍通风换气,做好牛舍环境卫生,定期消毒,确保圈舍清洁干燥卫生。在选用上述中药进行治疗时一定要耐心,对于病情较为严重的患病牛可能治疗周期较长,多数病例在治疗时由于中药剂量较大,使用次数较多,会出现腹泻症状,这是患病牛胃部内容物排出过程,禁止使用止泻剂,待内容物排干净后,患病牛腹泻症状就会停止。

图5 铁在两种不同电解质溶液中构成的原电池示意图

【追问1】两种情况下,Fe转化为什么?第一种情况下H+转化为什么?第二种情况下O2转化为什么?【学生】Fe转化为Fe2+,H+转化为H2;O2转化为OH-。【小结】投影图片

图6 铁的析氢腐蚀和吸氧腐蚀示意图

【追问2】Fe在此过程中作哪一极?

【学生】铁失去电子,是电子流出的一极,作负极。

【小结】第一种情况是析出了氢气,故称为析氢腐蚀。第二种情况是吸收了氧气,故称为吸氧腐蚀。分别写出析氢腐蚀和吸氧腐蚀的正负极反应和总反应。

【学生】书写电极反应及总反应。

作者的回复——我们感谢P.Molnar对我们工作(Parker et al,2011)的兴趣,并客气地(相当正确地)指出地壳均衡在龙门山造山带长期物质方量平衡中的潜在作用。然而,他的观点并没有影响我们的文章的主要思想,即评估与地震相关的侵蚀过程与构造过程之间的瞬时竞争。而地壳均衡又是另一个原因,除了前面我们提出的,为什么我们描述的这种瞬时不平衡可能不会保持长的时间尺度,即超过多个地震周期和黏弹性响应时间(>1 000年)。确实,我们在我们的文章中提出,长期的岩石抬升不可能是2008年同震位移的简单函数;它是由构造活动与弯曲均衡变形的组合产生的,但每个分量的相对重要性并不是我们研究的重点。

析氢腐蚀 吸氧腐蚀负极反应 Fe-2e-=Fe2+ Fe-2e-=Fe2+=H2↑ O2+4e-+2H2O=4OH-总反应 Fe+2H+正极反应 2H++2e-=Fe2++H2↑ 2Fe+O2+2H2O=2Fe(OH)2 4Fe(OH)2+O2+2H2O=4Fe(OH)3 Fe(OH)3 Fe2O3·xH2O发生条件 水膜的酸性较强 水膜的酸性很弱或呈中性

【追问3】我们知道了酸性条件下,铁会腐蚀得更严重。除水壶中水锈,加醋不行,能否加盐?

【学生】加盐不行,电解质浓度大,会加快腐蚀。

萧红是我国二十世纪三十年代的斐声文坛的作家。也是一位有独特创作风格的著名的青年女作家。她的创作风格与艺术特色无不渗透着东北文学的乡土色彩。

【模拟实验】金属在海水中腐蚀:“暖宝宝”中成分有Fe、碳、食盐。我们加些水即可。

图7 暖宝包包装及其成分说明

图8 实验原理示意图

【学生】分组实验:(1)取两药匙暖宝宝中的粉末置于具支管中,加约为试管1/3体积的水,迅速塞紧试管口的塞子。振荡试管。(2)将与具支试管相连的导管放入小烧杯中,静置,观察导管内液柱的变化。

【追问4】通过实验我们又进一步感受了铁的吸氧腐蚀。那我们回到网络上韩女士求助的问题,铁壶烧水后如何防锈?

【学生】擦干、盖子盖好、不用时涂上一层油(隔绝水、空气)。

【追问5】家里的铁锅不用时也可以利用刚刚大家说的方法来防锈。说到铁锅,有个现象就是会越用越薄,你知道原因吗?

【学生】是因为Fe与O2直接发生反应。金属也可以和接触到的物质直接发生反应。这种腐蚀称为化学腐蚀。

【追问6】家用燃气灶中心部分和放在南极差不多90年的未生锈的铁罐。你知道为什么两者差别那么大吗?

图9 不同温度下铁腐蚀情况对比

【学生】温度不同。温度还是影响金属腐蚀的主要因素。

【追问7】刚才是从外界影响因素考虑防锈措施,我们还可以建议韩女士换一个烧水壶,换什么材质的?

【学生】不锈钢的。

主要是掌握语法规则,理解语言逻辑,遵守交际规则,从而形成准确而规范的表达能力。建议普通高中每周开设一节语法或逻辑课,授课内容主要包括古代汉语语法规则,如通假字、古今异义、词类活用、特殊句式等;现代汉语语法规则,重点是句法、修辞和应用文写作,等等。

【小结】影响金属腐蚀的因素有外因和内因。

In her speech,Margaret Thatcher used the concept of political philosophy instead of political system to expand their common sense and decrease disagreement.

设计意图:“用铁壶烧水怎样才能不生锈”这一真实的任务情境驱动知识的深化,由吸氧腐蚀到析氢腐蚀,由家用燃气灶与南极的铁罐对比,让学生建立一种变化的观念,“化学变化需要一定条件,并遵循一定的规律,金属所处的环境不同,所发生的腐蚀类型不同,腐蚀速率也不同。”“加酸除水锈反而锈更多了”是因为氢离子浓度增大引起的吗,需要进行证据的推理,从原电池的正极发生反应的物质分析,到对比两种情况下腐蚀的微观示意图,再到电极反应式的书写,“运用模型解释了化学现象,揭示了现象的本质和规律”。除水壶中水锈加盐不行,提出可能的假设后,分组实验的设计和操作完成了证实。

4.在激发“科学探究与创新意识”中结束学习

【情境5】链接网页:中国科学院重点实验室:金属腐蚀与防护研究实验室。

图12 中科院金属研究所网页截图

图13 开设金属防腐专业的部分大学

【小结】今天我们为水壶防锈支招,希望有一天我们可以攻克更高领域的金属防护问题。以后能有同学成为这方面研究的院士、专家。

设计意图:最后的金属腐蚀防护的前景展望,中科院的重点实验室、各高校的金属腐蚀与防护专业的开设介绍都激发着学生在金属防腐课题中进行思考。高中没有选修化学的学生有可能大学会学与化学相关的专业,因此本节课最后“科学探究与创新意识”的渗透也许在不久的将来就会体现出来。

三、教学后思考

“倡导真实问题情境的创设,重视教学内容的结构化设计,激发学生的学习兴趣,开展素养为本的教学”,在本节课中得到了充分地体现。只要我们用心设计,深刻挖掘真实的情境素材,《化学与生活》模块的教学也可以很好地培养学生的核心素养,而这对于非化学选修班的学生来说是终身受益的。

参考文献

[1] 中华人民共和国教育部制定.普通高中化学课程标准(2017年版)[M].北京:人民教育出版社,2018

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