应用传感器技术开展实验探究教学的创新研究

张海若 王祖浩 迟少辉 唐增富

摘要： 在传感器技术支持下，从创设真实化学情境、提炼核心探究问题、运用技术揭示原理、直观呈现实验结果、回归情境解决问题五个方面设计并实施技术支持下问题情境导向的探究教学模式，有利于提高教学效果，促进教学变革与创新。教师团队结合港珠澳大桥建设和防腐蚀的实际问题情境，开展“钢铁的腐蚀与防护”单元教学，引导学生探究钢铁电化学腐蚀的影响因素，提高了学生的实验设计、实践探究、观察分析、证据推理等多种能力，增强了学生运用化学知识解决实际问题的能力和用化学服务于社会发展的责任感。

关键词：传感器技术;实验探究;情境创设;钢铁的腐蚀与防护

对于化学探究实验，学生在“做中学”特别是在信息技术支持下动手、动脑探究，比传统教学更有利于发展学生的科学思维能力。如何发挥数字化实验的直观观察现象和定量揭示本质的优势，用内容线索引领学生探究，并简化呈现方式，构建教学情境、传感器技术、实验探究有效融合的新模式？笔者以化学选择性必修《化学反应原理》中“钢铁的腐蚀与防护”单元的教学设计为例，结合港珠澳大桥建设和防腐蚀的实际问题情境，运用信息技术手段揭示钢铁吸氧腐蚀的化学原理，引导学生探究钢铁电化学腐蚀的影响因素，为教师开展数字化实验教学提供理论与实践参考。

一、技术支持下问题情境导向的探究教学模式

《普通高中化学课程标准（2017年版）》指出：“有条件的地方和学校应逐步引进一些现代化仪器设备，并向学生或学生课外兴趣小组开放，在教师或实验员指导下开展实验探究活动。” 先进仪器与技术在化学课堂教学中大有用武之地，教师使用先进的数字化手持技术（传感器等设备）能够直观地展现实验结果，帮助学生理解相关化学现象，有助于学生从观察实验现象向基于定量数据揭示实验本质转化。教师开展实验探究教学的目的并不是让学生机械重复实验操作，而是激发学生“做中学”，提高其思维能力。

（一）融合应用的原则与模式

教师在学科核心素养导向下开展化学教学，需要做好情境创设工作。情境应当与教学目标高度匹配，与教学主题紧密关联，适切于学生发展，用于启发学生、帮助学生理解化学知识。同时，情境应当具有正确的价值导向，有助于培育学生的爱国主义情怀，体现学科育人价值。如何将教学情境、传感器技术、实验探究三者有机融入化学教学中？笔者认为，教师应遵循以下两条原则。

一是用内容线索引领。教师利用单元内容线索可将教学情境、传感器技术、实验探究三者有机结合，帮助学生多角度认识主题。

二是简化呈现方式。在教学设计中，教师必须明晰情境、技术、探究三者在单元教学设计中的地位，以简明的语言向学生展示核心知识教学的哪一阶段需借助何种技术、方法或情境的支持以实现教学目标，以避免学生因不熟悉技术、方法或情境而导致削弱核心知识的落实。

结合上述思考，笔者从创设真实化学情境、提炼核心探究问题、运用技术揭示原理、直观呈现实验结果、回归情境解决问题五个方面提出技术支持下问题情境导向的探究教学模式（如图1），并以此为指导，有助于改进“钢铁的腐蚀与防护”单元的探究实验教学。

（二）应用传感器促进实验教学创新的关键

传感器具有采集大量数据、实时呈现图像的功能，其应用有效地改变了化学实验教学现状，拓宽了实验活动的视野。实践证明，传感器技术助力教学的关键在于融合应用。

1.基于传感器实验的创新教学设计

手持传感器技术用于化学教学相关研究众多，主要是应用传感器改进实验、表征实验数据、开发慕课微课教学案例、评价实验，出现了一系列的教学设计。针对“钢铁的腐蚀与防护”相关内容，孙慧玲等人运用氧气传感器对钢铁的吸氧腐蚀速率进行探查，指出钢铁腐蚀是一个缓慢的氧化过程;袁振东等人利用氧气传感器探究中性、弱酸性条件下钢铁的吸氧腐蚀，结合“暖宝宝”发热原理培养学生辩证看待化学反应的意识;郑华将传统实验与现代实验相结合，运用氧气传感器探究钢铁吸氧腐蚀的速率。已有的教学案例侧重单一描述具体实验的过程，对传感器技术在实验教学中的功能、传感器实验与其他教学环节如何有效融合较少阐述。笔者根据“钢铁的腐蚀与防护”单元教学目标进行“港珠澳大桥钢铁的防腐蚀”教学设计，将创新点放在融合情境创设、传感器技术和化学实验探究以提升教学效果上。

2.传感器技术与情境创设、实验探究的融合

创设情境、运用传感器技术和探究实验的最终目的都是解决化学教学中的实际问题，但三者之间并非相互独立，而是相辅相成的。“钢铁的腐蚀与防护”单元教学过程包含“一个情境、两个探究实验、两处传感器技术运用”，教师将三者融合最终解决钢铁腐蚀及防腐蚀问题。

笔者以港珠澳大桥的建设作为首尾遥相呼应的情境，开头引出大桥如何防腐蚀的探究问题;中间设置探究钢铁吸氧腐蚀的原理、钢铁腐蚀的影响因素两处实验;在情境和实验探究中均应用传感器技术，在教学过程中将三者融为一体。具体而言，笔者借鉴模型研究的思路，将复杂的钢铁腐蚀过程通过简单的铁-碳原电池模型进行实验探究，提出假设并设置两个实验观察现象。但宏观现象难以揭示钢铁腐蚀的原理，于是笔者引导学生用温度、压强传感器精确测量，获得吸氧腐蚀更为清晰、准确的结论。为进一步探索钢铁腐蚀的影响因素，笔者又设置学生实验让他们分组探究。上述设计中教学情境、传感器应用和实验探究环环相扣，有机融合，有利于学生圆满完成预设的探究任务。

二、技术支持下问题情境导向探究教学的创新设计

钢铁腐蚀现象在生活中十分常见，其原理涉及电化学知识，“钢铁的腐蚀与防护”知识在高中化学中占有重要的地位，在必修课程教学基础上，选择性必修课程《化学反应原理》对相关内容又有拓展。下面以“钢铁的腐蚀与防护”为例，阐述技术支持下问题情境导向探究教学的设计方案和思路分析。

（一）教学目标和教学思路

基于多方面的考察和考虑，笔者将该单元课例的教学目标设计如下。其一，让学生知道常见的金属腐蚀现象及其危害，能从电化学角度认识金属腐蚀原理。 其二，设计数字化实验和常规实验探究钢铁吸氧腐蚀原理及其影响因素，发展学生实验设计、变量控制和证据推理的能力。其三，利用吸氧腐蚀原理设计港珠澳大桥的钢铁防腐方案，结合实际问题讨论方案的合理性，感受化学在解决工程技术问题和可持续发展中的重要作用。

根据上述目标，依据技术支持下问题情境导向的探究教学模式，结合具体的化学知识内容，笔者将单元内容进行整合，转化为“港珠澳大桥钢铁的防腐蚀”课题并建构了具体的教学思路（如图2）。

此单元教学思路是：教师从创设港珠澳大桥如何防腐的真实问题情境出发，驱动探究实验;指导学生深入探究电化学腐蚀的原理，围绕问题对防腐提出设想，设计验证方案;充分运用传感器技术引导学生观察和讨论，揭示吸氧腐蚀的化学原理;利用实验探究和控制变量方法，组织学生进一步探究反应物配比、电解质溶液浓度与pH对钢铁腐蚀的影响;依据实验结果，讨论不同条件下钢铁的腐蚀类型，培养学生的辩证思维能力;最后让学生学以致用，解决问题，即从吸氧腐蚀原理出发，综合考虑多方面因素，提出具体防腐方案，体现化学学科的价值。

（二）教学的关键环节分析

以下，对课题教学设计和教学过程中的关键环节进行深入分析。

1.结合真实情境引出探究问题

《普通高中化学课程标准（2017年版）》指出，创设真实情境、结合学科知识、解决实际问题是培育学生核心素养不可或缺的组成部分。笔者以“新世界七大奇迹”之一的港珠澳大桥建设为情境引入课题，具有一定的新颖性、时代性。而大桥钢铁腐蚀防护是一项复杂的、综合性的工程，探究其中奥秘能激发学生学习化学、了解高超桥梁建造技术的兴趣。

【创设情境】港珠澳大桥于2018年10月24日开通运营，大桥连接了香港、珠海、澳门三地人民的幸福生活。作为中国桥梁史上里程最长、投资最多的大桥，港珠澳大桥因超大的设计规模、超高的施工难度、超长的使用寿命闻名世界，成为中国制造、中国创新的又一张名片。

在港珠澳大桥建设中，设计钢铁防腐方案是一项富有挑战性的工作。根据生活经验和化学知识，设想如何保护大桥钢铁免遭腐蚀（见表1）。

上述预测是否合理？教师将引导学生结合原电池反应、氧化还原反应等知识，在实验中探寻钢铁腐蚀的化学原理及其影响因素，为港珠澳大桥的钢铁防腐蚀设计合理的方案。

2.预测腐蚀原理设计验证方案

学生在必修学习期间已学铜-锌原电池、铅蓄电池等类型的原电池反应，初步掌握原电池结构及反应式书写规律，但对铁-碳原电池模型，特别是电解质氯化钠溶液的作用较为陌生。这些是讨论跨海大桥防腐蚀时必须涉及的外部环境，也是教师设计探究实验的必须考虑的因素。

教师采用饱和氯化钠溶液模拟海水，以铁粉、碳粉混合物模拟钢铁，让学生预测铁-碳合金在氯化钠溶液中可能发生的电化学反应，并提出可能的验证方案（见表2）。针对钢铁腐蚀的实验，教师引导学生从反应物、生成物角度对原电池的电极反应进行预测，学生能提出与钢铁接触的氧气、水也参与原电池反应，这是一个重要的突破口。根据已有知识，学生运用离子检验等知识提出了电极反应产物检验定性方案。教师在肯定学生设计的检验方案基础上，提出了从压强变化进行定量分析的方法，引入了传感器用以收集实验数据，拓宽学生实验研究的视野。

3.应用传感器技术揭示反应本质

传感器使用便捷，教师用其能将物理、化学参数转化为对应电信号并实现数据输出，在计算机的配合下进行数据采集与分析，以图表形式呈现实验现象或数据，引导学生从定量角度研究化学反应。教师在教学中，使用传感器技术有利于开展实验探究活动。传感器实验耗时较短，能较为精准地测量，帮助学生快速认识物理化学性质。传感器能够探测到传统实验仪器难以观察到的化学事实，并以图表呈现。传感器实验能够发展学生结合图文分析实验数据的能力。在笔者设计的“钢铁电化学腐蚀原理”的实验探究中，传感器发挥了重要的作用（见实验1）。

【实验1】应用传感器探究钢铁电化学腐蚀的原理。

实验药品：铁粉、碳粉、饱和食盐水、红墨水。

实验仪器：铁架台（带铁夹）、三颈烧瓶、U形管、导管、温度传感器、压强传感器。

实验用品：胶塞、胶头滴管、滤纸条。

实验步骤：首先，搭建实验装置，将三颈烧瓶固定在铁架台上，并将干燥的滤纸条、铁粉与碳粉加入烧瓶中。然后，将装有红墨水的U形管与烧瓶相连，分别将温度传感器、压强传感器与电脑连接，打开软件记录数据。最后，用胶头滴管向三颈烧瓶内滴加饱和食盐水，用橡胶塞迅速密封烧瓶，观察实验现象。

学生观察实验现象：U形管内红墨水向左移动，说明瓶内压强减小。学生读取数据：在0～200 s内，三颈烧瓶内温度从30.8 ℃升高到32.0 ℃，压强从99.4 kPa降低到98.8 kPa。

学生结合实验现象和数据的变化曲线进行讨论，很快得出有关结论：反应过程中有热量放出，并且瓶内压强下降，说明有气体被消耗了，证实发生了之前预测的正极反应②。教师则在学生讨论基础上进行总结：在中性或很弱的酸性条件下，当钢铁表面的氯化钠溶液中溶有氧气时，钢铁电化学腐蚀发生了化学反应。方程式如下：

负极：Fe-2e^-=Fe²⁺

正极：O₂+2H₂O+4e^-=4Oh^-

总反应：2Fe+O₂+2H₂O=2Fe（OH）₂

生成的氢氧化亚铁不稳定，容易被氧气氧化为红褐色的氢氧化铁，因反应中氧气有所消耗，故该反应被称为钢铁的吸氧腐蚀。

在上述过程中，教师将原理探究实验与传感器技术相结合，借助数字化传感器设备，从实验现象宏观表征、实验数据曲线变化的解读、吸氧腐蚀微观实质的讨论和电化学方程式书写多个方面，对钢铁吸氧腐蚀的本质进行阐释。宏观表征和图像解读给予学生直观、感性认识。学生通过红墨水的移动、传感器图像数据变化，将不易观察到的实验现象转化为可量化的数据，可以更好地理解金属腐蚀的化学原理。钢铁吸氧腐蚀的微观实质是原电池反应，教师借助传感器实验证实氧气消耗，引导学生从反应物及其常见化合价推断可能发生的化学反应，并以书写化学方程式完成符号表达。可见，应用传感器能帮助学生多角度认识化学现象背后的规律。

4.探究钢铁腐蚀可能的影响因素

上述实验中，师生利用传感器技术对钢铁腐蚀中温度与气压变化进行监测，直观地观察了钢铁吸氧腐蚀的现象。教师进一步提出问题：在大桥建设中，哪些因素可能影响钢铁的腐蚀速率，请以铁-碳原电池为例，用氯化钠溶液模拟海水，探究影响钢铁腐蚀速率的因素。教师对学生提出的三种情况进行总结（见表3）。

根据以上讨论，教师将学生分成三个小组，分别设计实验方案，并完成实验：①探究反应物铁碳比对钢铁的腐蚀速率的影响;②探究氯化钠溶液浓度对钢铁腐蚀速率的影响;③探究电解质溶液pH对钢铁腐蚀速率的影响（见实验2）。

【实验2】实验探究：钢铁腐蚀的影响因素。

实验药品：铁粉、碳粉、红墨水、饱和食盐水、0.1 mol/L氯化钠溶液、1 mol/L 氯化钠溶液、0.1 mol/L盐酸溶液、0.1 mol/L氢氧化钠溶液、pH为3的醋酸溶液。

实验仪器：铁架台（带铁夹）、三颈烧瓶、滤纸、U形管。

实验用品：胶塞、胶头滴管、滤纸条。

实验步骤：将三颈烧瓶固定，加入一定比例的铁粉、碳粉，并连接装有红墨水的U形管;用胶头滴管滴加少量电解质溶液，迅速以胶塞密封三颈烧瓶;观察实验现象（红墨水向左移动说明有气体被吸收，向右移动则说明放出气体）。

三个小组通过控制有关变量，分别形成各自的实验探究方案（见表4、表5、表6）。

在化学教学中，教师通过实验探究活动，引导学生认识到变量控制是一种重要的思想方法，对复杂问题进行分解、提出假设、合理验证，获得一系列探究结论。实验完成后，各组分别汇报了探究结果（见表7）。

对上述实验结果进行提炼后，教师进一步引导学生讨论不同pH下钢铁的腐蚀类型是否一致。学生通过分析和比较，对钢铁腐蚀有了更为全面的认识：化学腐蚀、析氢腐蚀、吸氧腐蚀都存在且互为竞争反应，随着电解质溶液酸碱性的不同，呈现此消彼长的趋势。当铁粉与盐酸直接接触时，发生化学腐蚀;当钢铁表面形成酸性较强的水膜时，通常发生析氢腐蚀，同时可能伴有吸氧腐蚀;而钢铁表面水膜酸性较弱或呈中性时，腐蚀类型以吸氧腐蚀为主。以全面、辩证的视角观察并分析金属的电化学腐蚀现象，有助于学生认识化学反应的本质。

5.服务国家建设，凸显化学学科价值

笔者在“钢铁的腐蚀与防护”单元教学中以港珠澳大桥建设为情境，在实验探究钢铁腐蚀原理及影响因素的基础上，引导学生将探究结果和相关知识回归于解决钢铁防腐的实际问题上，提出钢铁防腐措施，并加以总结和概括（见表8）。

在港珠澳大桥建设中，我国科技工作者利用铝合金材料重量轻、电容量大、工作电流稳定、电流效率高、寿命长及造价便宜等特点，大胆创新，研制出 Al-Zn-In-Mg-Ti高效铝合金牺牲阳极材料对大桥进行保护^[1]。不仅如此，大桥的主体混凝土结构安装了ECI-2耐久性监测传感器，可实时、定量地监测混凝土结构中氯离子浓度、混凝土的电阻率和钢筋的腐蚀速率^[2]。

三、创新数字化实验教学，体现化学学科育人价值

在“港珠澳大桥钢铁的防腐蚀”教学中，教师结合真实情境引出探究问题，引导学生用手持传感器技术对金属腐蚀原理进行探究，充分发挥了化学实验探究的教学功能，将“教学情境—传感器技术—实验探究”融为一体，揭示了钢铁腐蚀现象背后的化学本质，培养了学生设计实验、基于实验结果进行证据推理和辩证思维的能力。

该课例，教师从五个方面对教学过程进行了创新设计，充分体现了化学学科的育人价值。一是选择了反映我国重大科技成就、体现时代性与先进性的港珠澳大桥建设项目为情境，涉及的钢铁防腐蚀问题与本单元的核心知识紧密关联，又是学生生活中熟悉的现象。教师通过情境激发学生的学习兴趣，引出单元探究的核心问题。二是合理应用数字化传感器技术对金属腐蚀原理进行探究，充分发挥其相对传统实验仪器的优势，实现精准测量并以曲线方式清晰呈现实验数据的变化，弥补了传统实验在观察现象上的不足。三是根据变量控制的研究思路，引导学生提出钢铁腐蚀影响因素的多种假设，并设计分组探究实验，鼓励学生多角度揭示钢铁腐蚀现象背后的化学本质，很好发挥了实验探究的教学功能，培养了学生设计实验、动手操作、观察分析和证据推理的能力。四是引导学生对“异常”实验现象进行分析和讨论，使他们深刻认识到铁-碳原电池上发生的两类腐蚀反应同时存在，互为竞争关系，不仅使学生对金属腐蚀概念的理解更为完整，同时发展了学生的辩证思维能力。五是围绕如何解决港珠澳大桥钢铁的防腐蚀问题，引导学生多角度思考，从化学原理、工程技术、施工成本等方面综合运用知识进行设计，选出恰当的防腐蚀方案，使学生进一步体会到化学知识对我国工程建设和科技创新的重要性，弘扬了大桥建设者坚持不懈、创新研发抗腐蚀材料的精神，培养学生的创新意识和爱国主义情怀，增强学生为建设祖国努力学好化学的信心。

参考文献

[1]刘俊利，徐振山.港珠澳大桥钢管复合桩牺牲阳极保护施工技术[J].价值工程，2019（9）：96-98.

[2]汤雁冰，熊建波，方翔，等.港珠澳大桥主体混凝土结构耐久性实时监测设计[J].中国港湾建设，2014（2）：29-32.

（作者张海若系华东师范大学教师教育学院研究生;王祖浩系华东师范大学教师教育学院教授、博士生导师，教育部化学课程标准研制组组长;迟少辉系华东师范大学教师教育学院副教授、硕士生导师;唐增富系华东师范大学附属东昌中学化学特级教师）

责任编辑：祝元志