基于學科核心素養(yǎng)的《金屬腐蝕與防護》教學設計馮志國1教學背景分析1.1教材地位與內容“金屬的腐蝕與防護”是人教版高中化學選修4《化學反應原理》第四章第四節(jié)的內容。本節(jié)內容在原電池和電解池原理的基礎上展開，揭示了金屬腐蝕的本質及其防護的科學方法。從學科知識體系看，本節(jié)是電化學理論的重要應用場景，通過分析腐蝕原理（析氫腐蝕與吸氧腐蝕）和防護方法（犧牲陽極法、外加電流法），將抽象的化學原理與實際問題解決緊密結合。金屬腐蝕問題具有重大社會經濟意義，據統(tǒng)計數據顯示，發(fā)達國家每年因金屬腐蝕造成的直接損失可達國民生產總值的2%-4%，遠超自然災害損失總和。這一真實數據體現了化學知識在解決社會問題中的核心價值。1.2學情分析學生在知識基礎上已具備以下條件：初中階段：通過鐵釘銹蝕實驗，建立了金屬腐蝕需要水、氧氣的基本認識，但停留在宏觀現象層面。高中必修：已掌握氧化還原反應的本質和原電池工作原理，能分析簡單原電池的電極反應。認知特點：高中生抽象思維能力逐步成熟，但對微觀過程的理解仍需借助直觀實驗和模型演示。學生普遍對生活相關現象（如暖寶寶發(fā)熱、鐵鍋生銹等）充滿好奇，但缺乏科學解釋能力。主要學習障礙在于：理解金屬在中性環(huán)境中的吸氧腐蝕過程時，難以建立氧氣作為氧化劑的微觀模型；對電化學防護方法中“陰極保護”概念的理解存在困難。1.3學科核心素養(yǎng)目標根據課程標準，結合教學內容，設定以下素養(yǎng)目標：表1：教學目標與核心素養(yǎng)對應關系核心素養(yǎng)維度具體教學目標宏觀辨識與微觀探析辨識金屬腐蝕的宏觀現象，分析析氫腐蝕與吸氧腐蝕的微觀本質，書寫電極反應方程式變化觀念與平衡思想理解腐蝕過程中的電子轉移與能量變化，認識防腐措施中的平衡控制原理證據推理與模型認知通過實驗證據構建腐蝕原電池模型，設計實驗驗證氧氣在腐蝕中的作用科學探究與創(chuàng)新意識利用傳感器定量探究腐蝕過程，設計創(chuàng)新性防腐方案科學態(tài)度與社會責任評估金屬腐蝕的經濟與環(huán)境影響，設計社會情境中的防護方案，形成可持續(xù)發(fā)展觀2教學思路與方法2.1整體設計思路本教學設計采用“真實情境-問題驅動-實驗探究-模型構建-社會應用”的主線展開：1.情境式教學：以“4S店新車生銹糾紛”新聞案例和“暖寶寶煮雞蛋”現象導入，激發(fā)認知沖突。2.探究式學習：通過對比實驗（析氫腐蝕vs吸氧腐蝕）和數字化實驗（氧氣傳感器監(jiān)測），引導學生收集證據、推理本質。3.項目式學習：以“船舶設計師”角色任務，設計防護方案，深化工程思維。2.2教學方法創(chuàng)新1.數字化實驗與傳統(tǒng)實驗融合：使用氧氣傳感器定量測定吸氧腐蝕過程中氧氣濃度的變化，將抽象的微觀過程轉化為可視化的數據曲線，幫助學生理解氧氣作為氧化劑的角色。2.模型建構層層遞進：從初中“水氧共存”的宏觀模型→高中原電池的微觀模型→防護方法中的控制模型，逐步提升思維層次。表2：核心實驗設計與教學功能實驗名稱操作要點素養(yǎng)發(fā)展重點暖寶寶發(fā)熱探因分析暖寶寶成分(Fe/C/鹽)，設計實驗驗證O?消耗證據推理、模型認知吸氧腐蝕可視化鐵粉-炭粉-NaCl體系連接導管，觀察液柱上升現象宏觀辨識、變化觀念數字化實驗用O?傳感器監(jiān)測密閉容器中氧氣濃度隨時間的變化科學探究、創(chuàng)新意識不同環(huán)境腐蝕對比設置酸性/中性/含雜質條件，觀察腐蝕速率差異控制變量思維、科學方法3教學過程設計（2課時）第一課時：金屬腐蝕的原理探究環(huán)節(jié)一：真實情境導入（10分鐘）情境1：播放新聞視頻《發(fā)霉生銹的新車》顧客新購汽車被4S店露天停放于梅雨季，導致發(fā)動機生銹。4S店辯解：“是鐵就會生銹?！眴栴}鏈設計：Q1：“是鐵就會生銹”是否科學？其他車輛為何未生銹？

Q2：梅雨天氣中哪些因素加速了生銹？

Q3：金屬腐蝕的本質是什么？情境2：展示暖寶寶煮雞蛋的趣味實驗（將打開的暖寶寶包裹生雞蛋，20分鐘后雞蛋變熟）探究問題：暖寶寶不含可燃物，為何能持續(xù)發(fā)熱？其原理與金屬腐蝕有何關聯？學生活動：分析暖寶寶成分表（鐵粉、活性炭、食鹽），推測發(fā)熱本質為鐵的氧化反應，初步形成“腐蝕過程伴隨能量變化”的觀念。設計意圖：通過兩個對比情境，既揭示腐蝕的普遍性（新車生銹），又展示腐蝕的可控性（暖寶寶利用腐蝕發(fā)熱），引發(fā)認知沖突。培養(yǎng)學生從生活現象提出科學問題的能力，滲透“科學態(tài)度與社會責任”。環(huán)節(jié)二：實驗探究腐蝕本質（30分鐘）任務1：探究不同環(huán)境中腐蝕差異學生分組完成對比實驗：A組：鐵粉+醋酸（模擬酸性環(huán)境）B組：鐵粉+NaCl溶液（中性環(huán)境）C組：鐵粉+炭粉+NaCl溶液（含雜質條件）觀察重點：A組是否有氣泡產生？（析氫腐蝕特征）B、C組導管液面是否上升？（吸氧腐蝕證據）數字化補充：在C組裝置中接入氧氣傳感器，實時監(jiān)測容器內氧氣濃度下降曲線。任務2：建立腐蝕微觀模型基于實驗現象，引導學生推理：Q4：A組產生氣泡的成分是什么？寫出電極反應式Q5：B組液面上升說明什么？C組為何反應更快？模型建構：展示鋼鐵表面微原電池模型（鐵為負極，碳為正極）對比析氫腐蝕（酸性）與吸氧腐蝕（中性/堿性）的電極反應：**析氫腐蝕**（酸性環(huán)境）負極：Fe-2e?→Fe2?正極：2H?+2e?→H?↑總反應：Fe+2H?→Fe2?+H?↑**吸氧腐蝕**（中性/堿性環(huán)境）負極：2Fe-4e?→2Fe2?正極：O?+2H?O+4e?→4OH?總反應：2Fe+O?+2H?O→2Fe(OH)?深化認知：討論Fe(OH)?進一步氧化為鐵銹（Fe?O?·xH?O）的過程。設計意圖：通過對比實驗凸顯介質環(huán)境對腐蝕類型的影響；數字化傳感器使不可見的氧氣消耗可視化，為微觀探析提供證據支持。引導學生從宏觀現象（氣泡、液面變化）推理微觀本質（電極反應），培養(yǎng)“證據推理與模型認知”素養(yǎng)。第二課時：金屬防護方法與社會應用環(huán)節(jié)三：從腐蝕原理到防護方法（25分鐘）任務1：分析防護思路問題引導：回顧電化學腐蝕本質→活潑金屬作負極被腐蝕→如何保護目標金屬？Q6：能否讓被保護金屬成為原電池正極或電解池陰極？任務2：學習電化學防護方法案例1：犧牲陽極法展示船體鑲嵌鋅塊的圖片實驗模擬：將鋅片與鐵釘連接后置于NaCl溶液中，對比鐵釘腐蝕情況原理建構：鋅作陽極（負極）：Zn-2e?→Zn2?；鐵作陰極（正極）受保護案例2：外加電流法視頻演示：港口鋼閘門連接電源負極，輔助陽極（廢鋼）接正極原理對比：電解池原理vs原電池原理（如表3所示）表3：兩種電化學防護方法的對比防護方法犧牲陽極法外加電流法原理依據原電池原理電解池原理陽極材料活潑金屬（如Zn、Mg）惰性電極（如石墨）電流來源自發(fā)電流外加電源適用場景小型設備、管道大型工程（橋梁、碼頭）優(yōu)缺點比較安裝簡單但陽極需定期更換保護效果精確但成本高任務3：歸納傳統(tǒng)防護方法學生根據生活經驗補充其他方法：隔離法（刷漆、鍍鉻、涂油脂）改變金屬組成（制成不銹鋼）改善環(huán)境（干燥劑、緩蝕劑）設計意圖：從腐蝕原理逆向推導防護思路，體現“變化觀念”；通過真實工程案例將抽象原理具體化，培養(yǎng)“模型認知”素養(yǎng)；對比兩種電化學防護法強化辯證思維。環(huán)節(jié)四：項目任務——船舶設計師（15分鐘）情境任務：某遠洋公司貨輪面臨嚴重腐蝕問題，聘請你為防腐工程師，設計綜合防護方案。分組方案設計：1.船體材料選擇（耐腐蝕合金）2.電化學防護（犧牲陽極區(qū)塊劃分）3.涂層技術（新型自修復涂料）4.維護策略（定期檢測與陽極更換）評價標準：科學性：是否符合電化學原理可行性：成本與施工難度環(huán)保性：是否產生重金屬污染設計意圖：通過角色扮演將知識應用于工程實踐，體會化學對社會的貢獻。評估防護方案需權衡經濟、環(huán)境因素，強化“科學態(tài)度與社會責任”。4教學評價與反思4.1多維度評價設計表4：教學評價方案評價維度診斷方式素養(yǎng)指向概念理解課堂練習：析氫/吸氧腐蝕區(qū)分宏觀辨識與微觀探析模型應用實驗報告：設計O?驗證實驗證據推理與模型認知社會決策船舶防腐方案評價表科學態(tài)度與社會責任創(chuàng)新思維課后探究：地下管道防雜散電流科學探究與創(chuàng)新意識4.2教學反思創(chuàng)新亮點：1.真實情境貫穿始終：從“4S店糾紛”到“船舶設計”，使抽象原理生活化、社會化。2.實驗探究層層深入：傳統(tǒng)實驗（液柱上升）與數字化實驗（O?傳感器）結合，突破吸氧腐蝕認知難點。3.素養(yǎng)培養(yǎng)結構化：五大素養(yǎng)目標在教學環(huán)節(jié)中有機融合，避免生硬貼標簽。注意事項：1.吸氧腐蝕實驗中需提前檢查裝置氣密性，避免液柱變化不明顯。2.部分學校若無傳感器設備，可用焦性沒食子酸顯色法間接驗證O?消耗。3.船舶設計項目需提供腳手架資料（如海水電阻率、常見陽極材料成本表），避免學生決策脫離實際。4.3課后延伸1.基礎作業(yè)：教材課后習題（辨析腐蝕類型、書寫電極反應）。2.拓展探究：城市地下管道存在“