培养“模型认知”核心素养的教学设计与实践

诸佳丹 朱康

摘要： “金属腐蚀”是原电池原理的实际应用部分。以该主题为背景，以环环相扣的问题情境为认知脚手架，建立金属腐蚀与原电池模型之间的关联，学习从模型的两个维度（装置和原理）分析问题。旨在培养学生应用模型解决复杂真实问题的能力，提升“模型认知”的化学学科核心素养。

关键词： 金属腐蚀; 原电池; 模型认知; 教学设计

文章编号： 10056629（2022）04006106

中图分类号： G633.8

文献标识码： B

1 问题背景

“金属腐蚀”这一主题是高中电化学知识体系的重要组成部分，与日常生活和社会发展紧密相连，是原电池知识的实际应用部分。

常见的教学思路是以实验活动提供事实支持，从宏观现象、微观认识与符号表达几方面分析金属的两种电化学腐蚀过程及原因[1]。目前开展的实验活动中，逐渐从传统定性实验装置转变为应用数字化传感器研究金属腐蚀过程，如绘制压强曲线[2]技术的创新有助于学生更真实、更微观地认识反应过程。但是，这些教学过程缺乏学生自主地从真实问题情境关联原电池的过程。有研究表明，金属的电化学腐蚀问题与原电池不能准确建立关联是学生的思维障碍点，原因在于学生对原电池模型的理解过于死板，不能从实际环境中抽离原电池模型以形成有序、系统的分析思路[3]。

《普通高中化学课程标准（2017年版）》（简称“新课标”）提出了“模型认知”核心素养，具体要求如下： 知道可以通过分析、推理等方法认识研究对象的本质特征、构成要素及其相互关系，建立认知模型，并能运用模型解释化学现象，揭示现象的本质和规律[4]。新课标强调建立模型，学会从研究对象中提取本质、关键的元素，并能关联实际问题，应用模型解释现象、解决问题。

金属的电化学腐蚀问题是一个蕴含原电池原理的非常实际且比较复杂的问题，也是一个很好的情境素材。教学中可充分利用这一内容，建立电化学过程的系统分析思路，应用模型解决实际问题，深化学生对电化学本质的认识，落实“模型认知”的核心素养。

2 教学思路

金属腐蚀的现象十分广泛且真实可见，但学生对如何解释这些现象存在一定的障碍。解释金属的电化学腐蚀现象时，一方面需要识别其中存在的电化学行为，另一方面需抽象出原电池模型，用模型寻找、比对、分析、解释现象。

基于上述分析，设计如下教学思维路径（见图1）。从问题情境导入，通过提示与原电池相关的特征现象，引导学生识别电化学行为并关联原电池知识。然后从装置维度与原理维度建构原电池模型，形成有效的分析思路与方法以阐述与解释问题。最后，将建构的模型迁移应用到新的问题情境，达成知识的巩固与内化。

2.1 创新的原电池模型建构

张丽华等对“原电池”教学演进进行研究，发现其核心内容相对稳定，主要以“Zn|稀H2SO4|Cu”为基本认识模型，通过改变电极材料、溶液以及线路是否闭合来探究原电池的构成条件，最终得出4个构成条件： （1）活泼性不同的2个电极;（2）电解质溶液;（3）闭合电路;（4）自发进行的氧化还原反应[5]。但是上述条件容易让学生产生迷思概念，如学生认为2个电极必须不同，并且易混淆电极材料和电极反应物。此外，强调自发的氧化还原反应会导致学生在原电池原理分析时形成从总反应出发分析电极反应的固化思维，这不利于分析一些总反应复杂的原电池问题。

新课标优化了电化学分析模型，强调电极反应、电极材料、离子导体、电子导体是电化学体系的基本要素[6]。其中电极材料、离子导体和电子导体是原电池的装置要素，电极反应是原电池的化学原理。

基于上述分析，构建原电池模型（见图2），意在帮助学生形成原电池的认识角度和分析思路。在教学中，基于问题情境，引导学生先确立原电池的装置，寻找到相应的电极材料、电子导体与离子导体。然后根据实验现象或是已有经验判断各电极的反应物与生成物，继而写出电极反应。最终确认整个电池的总反应。这里涵盖装置和原理两个维度的内容，这两个维度并不割裂。通过提取装置要素，学生可以避免被问题情境中的无关信息干扰，进而更容易分析反应原理。在原理分析的过程中，有助于确认装置中的正极与负极材料判断是否正确。

为了让学生形成对原电池的科学认识，须借助多样的电池原型。本课例中，以学生熟悉的Zn|稀H2SO4|Cu原电池建立认知角度与思路。钢铁的析氢腐蚀和吸氧腐蚀分别对应Fe|稀H2SO4|C原电池与Fe|NaCl溶液|C原电池。通过对这两个电池原型的分析，让学生巩固和内化模型与思路，同时也有助于学生跳脱出Zn|稀H2SO4|Cu原电池的拘囿，学会区分电极材料与电极反应物、认识电极反应物不一定来源于电极材料或离子导体等。

从单一原型中形成的认识往往是刻板的、固化的，学生容易产生错误认识。科学的认识需要利用多个原电池原型，在教学过程中需要更换电极、电解质，变通连接方式，提供符合科学发展的实际场景[7]。

2.2 基于原电池模型的问题情境设计

根据奥苏贝尔的认知同化理论，学习一个新知识需要适当的先行组织者寻找新旧知识的联系，产生新概念的增长点[8]。在教学中要利用学生原有的知识创设情境，促发学生主动学习。

图3展示了整个教学过程中的问题情境设计，主要分为三个教学阶段。在学习钢铁腐蚀之前，学生已有的知识储备是Zn|稀H2SO4|Cu原电池。因而，在阶段一，选择与该原电池相关情境“在纯锌与稀硫酸的反应中，滴入几滴硫酸铜溶液”，提问“现象差异”，引导学生依据原电池的特性（形成原電池可以加快化学反应），将问题与原电池建立关联。然后利用“实验室制取氢气，往往使用粗锌”这一更贴合实际的情境进行迁移应用，激发学生的思维活动。

阶段二和阶段三的问题情境紧紧围绕钢铁的腐蚀进行设计。阶段二重点学习析氢腐蚀，对比阶段一，问题情境设计主要改变了电极材料，学生很容易分析出其中蕴含的原电池模型，使析氢腐蚀的学习水到渠成。阶段三重点学习吸氧腐蚀。前两个阶段主要围绕“电极材料”设计问题，阶段三则以“离子导体”为变量设问，对比海边和内陆的钢铁腐蚀问题，以此为载体学习吸氧腐蚀。从其他变量设问可防止学生对原电池模型的理解过于死板。最后结合“食品脱氧剂”巩固吸氧腐蚀原理。

三个阶段的问题情境有联系、有区别、有梯度。为降低学生的认知负荷，采用纯金属与合金放入离子导体

中的反应现象差异作为问题情境，在对比中激活学生的原电池知识。在逐个递进环节中，学生原先难以从真实情境还原出电化学模型的学习障碍便可得到解决。

3 教学过程

教学中不断从问题情境入手，与原电池模型关联，回归模型分析问题，最后完成迁移应用、解决实际问题，多个循环层层递进。

3.1 阶段一： 以Zn|稀H2SO4|Cu为电池原型建立分析思路

[问题情境]在纯锌与稀硫酸的反应中，滴入几滴硫酸铜溶液，氢气的生成速率会有何变化，请解释原因。

[学生1]氢气的生成速率减慢，因为锌与硫酸铜反应生成铜，单质铜附着在锌表面，锌与稀硫酸的接触面积减小。

[学生2]氢气的生成速率加快，因为锌会与硫酸铜溶液发生置换反应，锌表面有铜单质析出，在稀硫酸溶液中形成了原电池，加快反应速率。

[实验探究]取两块相同的锌片分别放入试管A和B中，加入适量稀硫酸，并向B试管滴加几点硫酸铜溶液，两支试管中溶液体积相等。

[实验现象与结论]B试管中氢气的生成速率较快，说明形成了原电池。

[提问]我们知道构成原电池必须要有正极、负极、离子导体与电子导体，请问上述过程是如何构成原电池的？

[学生]分析、对比、找到要素： （1）正极—Cu;（2）电子导体： Zn和Cu直接接触;（3）负极—Zn;（4）离子导体—稀硫酸。

根据图2中原电池模型的构成思路，从电极反应物与生成物→电极反应→电池总反应，完成工作原理的分析（见图4）。

[迁移应用]实验室制取氢气，往往使用粗锌。请解释这样做的原因？（粗锌中含有少量Pb、 Cu、 Sn等金属。）

[学生]实验室制取氢气常用稀硫酸，将粗锌放入稀硫酸中，Zn与所含杂质金属接触，放入稀硫酸后即可构成原电池，从而加快发生反应的速率。

设计意图： 学生已学的原电池是Zn|稀H2SO4|Cu，用此原型有关的问题作为情境导入，在建模与分析的过程中降低学生的认知负荷。利用“现象差异”，让学生意识到形成了原电池，从问题情境中提取要素，构建原电池模型的分析思路。

3.2 阶段二： 以Fe|稀H2SO4|C为电池原型巩固分析思路

[问题情境]将一块纯铁和一块钢铁分别放入相同体积相同浓度的稀硫酸溶液中，实验现象有何差异，请解释原因。

[学生]钢铁与稀硫酸产生氢气速率更快。这与前面粗锌的道理是一样的。钢铁中含有碳，放入稀硫酸中，可形成原电池（见图5）。

[联系实际]在酸雨多发地区，钢铁的腐蚀问题尤为突出。

[任务]绘制硫酸型酸雨多发地区中钢铁腐蚀的示意图，要求在图中标出电极材料、离子导体、电子导体（电子转移）、电极反应物和生成物。

[学生]对比前面的原电池模型，绘制示意图（见图6）。

[讲述]當水膜酸性较大时，形成“原电池”，溶液中的氢离子得到电子，析出氢气的过程，叫钢铁的析氢腐蚀。

设计意图： 阶段二的问题情境与阶段一差异不大，且阶段二中相关的反应原理都是学生的已学知识，学生能自主完成解释与分析。因此，阶段二的目的就是借助析氢腐蚀这一教学内容巩固如何用原电池模型解决电化学问题的思路。

3.3 阶段三： 以Fe|NaCl溶液|C为电池原型内化分析思路

[问题情境]在日常的中性环境中，也有许许多多的钢铁腐蚀现象，一般海边的钢铁腐蚀比内陆的钢铁锈得快，这是什么原因呢？表1是某内陆地区和某临海地区的环境数据。

[学生]海边湿度大，附着在钢铁表面的水膜含有较多Cl-，这层水膜的导电性更强，更容易形成原电池。

[继续分析]根据前几个模型以及已有知识（铁生锈的三个必要条件： 铁、氧气、水分），能确定该原电池的构成要素和电极反应物，但是不太确定正负极的产物，猜测正负极产物可能是Fe3+、 Fe2+、 OH-……初步形成一个未完善的原电池模型（见图7）。

[提供资料]刚才大家对电极反应产物进行了猜测，接下来通过实验来探究产物。

[实验方案与现象]表2所示为实验报告。

[实验结论]确定负极产物是Fe2+，正极产物是OH-。

[学生]补充完善该原电池模型（见图8）。

[学生]为什么铁锈的主要成分是Fe2O3，铁元素最终呈现+3价？

[讲解]电池总反应为2Fe+O2+2H2O2Fe（OH）2，Fe（OH）2极易被氧化，因此进一步反应： 4Fe（OH）2+O2+2H2O4Fe（OH）3， 2Fe（OH）3-nH2OFe2O3·nH2O+（3-n）H2O。当水膜的酸性较弱或呈中性时，形成“原电池”，水膜中的氧气得到电子生成OH-的过程叫钢铁的吸氧腐蚀。

[迁移应用]食品包装中常见的脱氧剂组成为还原性铁粉、氯化钠、碳粉等，请问脱氧剂是如何起效的？请画出相应的示意图。

[学生]同样形成原电池，类似于钢铁的吸氧腐蚀（见图9）。

设计意图： 钢铁的吸氧腐蚀问题相对较复杂，学生通过自主构建原电池模型，在分析过程中遇到了障碍点，这就是问题解决所需的知识与学生原有的认知之间存在差距。这个差距或是障碍点，亦是后续教学内容的生长点。借助实验探究，从事实中推理出反应原理，完善模型的建构。情境难度升级，需要学生有清晰的分析思路，在思路的指导下有方向地寻找信息。通过这个过程，学生不仅积极主动吸收了新的知识，还内化了原电池模型的分析思路。

[问题思考]请大家对比钢铁的析氢腐蚀和吸氧腐蚀的原理，两者的差异在哪里呢？

[学生]正极反应不一样。一个是H+得电子，一个是O2得电子。

[追问]中性环境中，水也能电离出氢离子，为何正极反应得电子的是氧气？说明什么问题？

[学生]H+浓度会影响它得电子的能力（氧化性）。

[归纳小结]在这节课中，我们对比了纯金属、合金与相应溶液反应时的腐蚀现象。这是两种不同的金属腐蚀类型，我们把纯金属发生氧化还原反应的过程称为化学腐蚀，不纯的金属（合金）在电解质溶液中形成原电池的过程称为电化学腐蚀。我们日常生活中的金属腐蚀绝大多数都是电化学腐蚀。此外，钢铁在不同情况下又可分为析氢腐蚀和吸氧腐蚀。原电池模型的建构对于分析电化学腐蚀有着至关重要的作用。

4 教学反思

4.1 巧设问题情境，促进思路形成

金属的电化学腐蚀是电化学知识的实际应用部分，需要学生建立金属的电化学腐蚀和原电池模型之间的关联，对学生模型抽象能力的要求较高。从学生的思维障碍出发，在问题情境部分，本课例中设计了几个复杂性不高的问题（将纯金属和合金分别放入指定溶液中的现象差异）为脚手架，联结原电池相关内容;同时设计问题情境时也将真实情况中钢铁的析氢腐蚀和吸氧腐蚀问题简化，去除一些干扰因素，降低学生建构原电池模型的难度。

整个教学过程中，问题情境有联系、有梯度，目的是引导学生运用习得的思路与方法以达成知识的巩固与内化。

4.2 融入模型建构与应用，培养模型认知

模型认知是重要的思维方式，科学家们往往是通过直接研究模型而间接研究现实世界的[10]。本课例中用“问题情境—原电池模型—问题情境”的思路贯穿整个教学过程，用三个对比式的问题情境，引导学生研究其中的原电池模型，形成稳定有效的分析思路与方法，让学生体会用模型研究与解决问题的过程。

本课例用学生熟悉的Zn|稀H2SO4|Cu原电池作为阶段一的素材，虽然Zn|稀H2SO4|Cu原电池容易让学生对原电池形成刻板印象，但是这里的目的在于希望借助熟悉的模型，让学生建立起電化学问题的分析思路。在后续的教学阶段中，转换不同的问题情境，利用Fe|稀H2SO4|C和Fe|NaCl溶液|C原电池不断打破原先Zn|稀H2SO4|Cu原电池的刻板印象，体验认知模型的拓展与发展。

参考文献：

[1]何彩霞， 莘赞梅. 围绕化学概念本质的理解设计实验活动——以《金属的电化学腐蚀和防护》教学为例[J]. 教学仪器与实验， 2011， （5）： 6～19.

[2]庄严， 刘蕊. 整合多种教学手段的“金属腐蚀与防护”教学[J]. 中学化学教学参考， 2017， （4）： 31～35.

[3]牛彩霞， 邹映波. 走向核心素养的化学深度学习——以“保护海洋平台——金属电化学腐蚀与防护”为例[J]. 化学教学， 2020， （8）： 39～43.

[4][6]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）[S]. 北京： 人民教育出版社， 2018.

[5]张丽华， 杨玉琴. “原电池”教学30年演进研究[J]. 化学教育（中英文）， 2019， （15）： 41～47.

[7]单世乾， 倪娟. 基于探究实验建构认知模型的化学教学研究——以“原电池的工作原理”教学为例[J]. 化学教学， 2018， （12）： 61～66.

[8]王秀红， 李艳梅. 中学化学教学情景的创设技术[J]. 现代中小学教育， 2005， （10）： 23～26.

[9]崔梦晨， 穆志纯， 付冬梅. 大气环境中碳钢腐蚀速率推测方法[J]. 腐蚀与防护， 2016， 37（6）： 503～507.

[10]陈进前. “模型认知”是重要思维方式[J]. 化学教学， 2020， （5）： 9～15.