运用手持技术对钢铁的腐蚀进行四重表征教学小探

倪霞

摘要：以钢铁的腐蚀为教学内容，通过对传统析氢、吸氧腐蚀的实验装置进行了改进获取宏观实验现象，并运用手持技术采集钢铁腐蚀过程中的压强和氧气浓度变化的数据，引导学生分析压强和氧气浓度变化曲线，从四重表征模式的4个维度深入认识钢铁的腐蚀实质，对运用手持技术和四重表征相结合的教学模式进行了小探。同时应用课堂互动反馈系统对教学效果进行即时反馈，提高教学效率，构建智慧课堂。

关键词：手持技术；钢铁腐蚀；四重表征；课堂互动反馈系统

一、问题的提出

1.理论背景

2009年，钱扬义等人基于手持实验即时收集数据和自动生成曲线的技术背景，首次提出“曲线表征”的定量分析方法，并将化学“三重表征”教学模式发展为“四重表征”教学模式（Tetra-Representaion Teaching Model，简称TRTM见表1）。

四重表征教学模式是在课堂教学中创设驱动学生进行“四重表征”转换的问题情境，引导学生观察实验现象、测量反应过程中的相关数据，理解微观层面的信息，并落实符号表征，从“四重表征”水平思考问题，尤其是提高对曲线图像的理解能力。从而使学生通过四重表征间的相互转换理解化学概念、反应本质和实验原理。

2.教材分析

钢铁的腐蚀是我们现实生活中常见的腐蚀形式。这部分知识在日常生产和生活中的应用非常广泛，所涉及的化学知识主要是原电池和电解池的基本原理。人教版、鲁科版和苏教版的教材均在原电池后这一章节中介绍这一知识点。苏教版选修《化学反应原理》教材中先给出析氢和吸氧腐蚀实验，然后从微观角度分析钢铁电化学腐蚀原理，再落实电极方程式。但在具体教学中，铁的析氢腐蚀实验操作不确定影响因素多、现象不明显，导致这种教学方法更多关注的是对钢铁电化学腐蚀原理的微观解释。而学生在思维上延续着宏观思维的方式，从微观层面上理解铁的腐蚀尚显不足，更谈不上在曲线图像层面的能力提高了。

3.研究的问题

本节课运用数字化手持技术对钢铁的腐蚀进行四重表征教学，主要解决4个问题：（1）使用铁的析氢和吸氧腐蚀的改进实验装置；（2）引导学生分析手持实验所得的实验数据曲线图；（3）对钢铁电化学腐蚀进行四重表征；（4）實现良好的课堂互动，及时反馈并了解学生的学习效果。

二、教学设计

1.教学目标的设计

通过对钢铁的析氢、吸氧腐蚀实验现象的观察并对手持技术实验所得的实验数据进行分析，掌握钢铁的析氢、吸氧腐蚀原理，提升实验操作能力和数据分析能力以及化学研究的热情。

2.教学内容的设计

整合本课时教学内容之间的内在联系，注重学生的认知和情感的阶段性发展，设计了有助于本节课顺利实施的进阶学习任务（见表2）。

三、教学方法和教学问题的解决

1.运用改进后的实验装置，放大宏观现象

实验操作：将铁粉15.5g，碳粉0.2g，混合均匀后，分成两份分别倒入用氯化钠溶液润湿过的小试管和稀醋酸润湿过的大试管中，按图安装好仪器。观察、比较与大试管相连的U型管a和与小试管相连的u型管b中水柱（蓝色的CuSO4溶液）的变化和试管中的现象。取反应后的物质，向其分别滴加铁氰化钾、酚酞溶液。

实验现象：随着反应的进行，u型管a中蓝色液面先是左低右高，后慢慢变成左高右低；U型管b中蓝色液面一直为左高右低。在大小试管中都有红棕色物质生成。取大试管反应后的物质，向其滴加铁氰化钾出现蓝色，滴有酚酞的部位无颜色变化。取小试管中物质，向其滴加铁氰化钾出现蓝色，滴有酚酞的部位呈微红。

实验分析：在相同pH条件下（包含强酸性环境中），铁的吸氧腐蚀的正极电势始终大于析氢腐蚀的正极电势，即铁发生吸氧腐蚀的热力学趋势大于析氢腐蚀。因此铁的吸氧腐蚀在自然界中更普遍，在实验演示中也更容易成功，析氢腐蚀的实验往往无明显现象。这套装置将析氢腐蚀实验与吸氧腐蚀放在套管中进行，收到不一样的效果。用小试管插入大试管中，排走空气，尽量降低氧气含量。在氧气量较少的情况下，酸性环境中，析氢腐蚀暂时占了上风。能观察到析氢腐蚀现象：液柱向外、气压增大的明显宏观现象。而明显的宏观现象为引导学生探究钢铁腐蚀的原理本质以及四重表征奠定了基础。

2.利用数字化手持技术绘制曲线，提升学生分析曲线能力

手持技术设备简单，具有便捷、实时检测、准确、直观显示、综合测定等突出的优点。手持技术是数字化实验实施的有效手段。本节课应用手持技术使得一些原本不显现的现象更加明显和可测。本节课利用手持技术分别测定在密闭体系中中性条件和酸性条件下压强、氧气含量随时间的变化曲线（如图2、3、4、5）。

从图3可以观察到中性条件下氧气含量一直在减小，同时观察图2中随着反应的进行密闭体系中气压也是相应减小，说明中性条件下主要为氧气参与铁的腐蚀反应。

从图5可以观察到酸性条件下氧气含量一直在减小；同时观察图4中随着反应的进行密闭体系中气压是先增大，说明在酸性条件下酸和氧气均参与铁的腐蚀；密闭体系中气压后减小，说明随着酸性的减弱铁的腐蚀以吸氧为主。

利用手持技术绘制气压和氧气含量随时间变化的曲线，并引导学生理解和分析，得出中性条件和酸性条件下铁的腐蚀的实质。这样不仅直观有效理解铁的腐蚀的实质，而且可以提升学生分析图像能力，更为对铁的腐蚀进行微观、符号表征打下基础。

3.基于四重表征模式分析原理，培养学生四重表征的思维

在宏观现象的基础上，以实验曲线为抓手分析相关变量的变化，同时紧密联系“宏观-曲线-符号-微观”的四重表征，再从微观角度分析其主要粒子变化，最后落实符号信息（见表3）。

4.利用课堂互动反馈系统进行教学效果测查，即时反馈学生思维状态

课堂互动反馈系统是一种以多媒体、计算机网络等现代化信息技术为基础的网络平台，在课堂中通过电子载具Pad，全班学生可以记录、互动、即时反馈信息给老师的一种教学应用系统。本节课利用课堂互动反馈系统，将课堂互动贯穿于整节课中。学生利用Pad对实验现象、板书和学案进行拍照保存，对上课内容有选择的进行记录。当堂进行检测时，快速得到反馈数据。从反馈数据可知，学生对曲线的分析能力明显提高，甚至个别题的正确率高达100%。

四、教学反思与建议

1.手持技术实验教学与四重表征教学模式相结合

相对于传统实验注重从对宏观现象的观察来分析其实验原理，手持实验更注重从实验曲线的角度去分析反应原理。本节课紧密联系“宏观-曲线-微观-符号”四重表征，通过手持技术实验形式，探究宏观现象背后的微观本质，再从微观角度分析其主要粒子的实质变化，最后落实符号表述。在课堂教学中创设促进学生“四重表征”转换的问题情境，引导学生从“四重表征”水平思考问题，尤其是提高学生对曲线图像的理解能力。

2.课堂互动反馈系统与课堂教学相结合

基于Pad课堂互动反馈系统可以对学生的选择做出即时统计，并将结果以视觉化图表等多种形式反馈在Pad上。在实际课堂中，教师可以设计前测，学生通过Pad参与测试，让教师快速了解全班学生的基本情况。上课时，简单的习题检测让教师随时掌握学生对所学内容的理解程度的反馈信息，从而及时调整教学方式和进度。课后可以进行习题的发布。课堂互动反馈系统与课堂教学相结合的教学方式，让学生和教师充分互动，凸显了教学的有效性，建构了智慧课堂。

从研究结果可以看出，采用手持技术实验教学与四重表征教学模式相结合的教学模式，并借助课堂互动系统及时反馈教学有效性，对提高学生知识的掌握程度、落实化学学科素养、提升四重表征思维都有很好的效果。