基于“科学态度与社会责任”素养下的问题导学策略——以“金属的腐蚀与防护”为例

化学教与学2019年第3期基于“科学态度与社会责任”素养下的问题导学策略*——以“金属的腐蚀与防护”为例宗国平1刘文兵2（1江苏省海州高级中学江苏连云港222062；2江苏省连云港市教育局教研室江苏连云港222000）摘要：科学态度与社会责任是高中化学核心素养之一，科学态度的核心是尊重实证、尊重生命环境的觉悟；社会责任的关键是具备社会责任的意识和行为。文章以“金属的腐蚀与防护”一课为例，针对现阶段高中生的心理身心特点，以培养学生“科学态度与社会责任”素养为核心，以“问题”为主线，探索高中化学课堂教学中的问题导学策略。关键词：科学态度；社会责任；问题导学文章编号：1008-0546（2019）03-0039-04中图分类号：G632.41文献标识码：Bdoi：10.3969/j.issn.1008-0546.2019.03.0112017版高中化学新课程标准中，明确了高中化学学科核心素养包括“科学态度与社会责任”等五个方面。现阶段的高中生，绝大多数都是独生子女，备受宠爱，具有自由精神和开放的思想，自我意识比较突出，也是常常做出意外之举的“熊孩子”，他们的合作意识，大局意识和遇到问题的责任担当意识比较薄弱。最近几年食物安全、危险品保存和运输、防火救火、环境污染等重大的社会问题频繁出现在网络中、电视新闻中甚至就发生在我们身边，而这些又都是与化学学科有着密切关系的问题，在教学中如何将学科的知识教学融入社会责任教育，培养学生科学的态度与社会责任是新课标下教师开展“素养为本”课堂实践的重点之一。本人以“问题导学”为主线，以培养学生“求真、实证、创新”的科学态度和社会责任为核心，开设了“金属的腐蚀与防护”研讨课，现对课堂教学谈谈具体的做法和反思。一、设计思路“问题导学”是将学习置于有意义的化学情境中，引导学生积极主动地参与问题的发现、提出与解决，在探索问题解决的过程中，获得新知，提升化学核心素养。问题导学的核心在于让学生在学习过程中通过问题来引导自己的学习过程；问题导学的要义在于以一种新的视角来研究化学教学，让学生在每一次学习活动中，针对学习内容，在教师的引导下提出具体的问题，这些具体问题的解决也一步步地实现了教学的总目标，也是实现由问题引向化学核心素养培养。二、教学主要环节1.创设真实情境，渗透安全、节约、环保的责任意识许多化学原理的发现常常是源于生活生产实践，而学习科学的真正目的也是来解决真实的问题，绝不是“纸上谈兵”，更不是死记硬背化学方程式。运用真实的生活情景创设情境，让学生感受化学知识学习的意义与作用，增强学习化学的兴趣和动机，为将来遇到突发事件模拟场景，寻找解决问题的办法。教学环节一：金属腐蚀的危害视频引入：目前当代社会使用量最大，使用范围最广的金属就是钢铁，工业上冶炼钢铁要消耗大量能源，钢铁的锈蚀会使机器设备、仪表仪器精密度和灵敏度降低，影响使用甚至损坏整个设备，会引起输液管道渗漏，输气管道和锅炉爆炸，它还会使车船飞机失事，发生灾难性事故。问题1：看到一张张熟悉的图片，不禁产生这样的疑问：是什么原因使金属失去了往日的风采？金属腐蚀的本质是什么？学生1：金属与氧气反应了、还有水蒸气或者其他物质。【小结】金属腐蚀是指金属或合金与周围接触到的气体或液体进行化学反应而腐蚀消耗的过程。本质是金属失去电子生成阳离子。·课堂教学研究··课堂教学研究·*江苏省中小学教学研究课题“指向中学生化学核心素养的问题引导学习实践研究”（编号：2017JK12-L150）研究成果之一。——39化学教与学2019年第3期问题2：金属腐蚀分为化学腐蚀与电化学腐蚀，同学们可以讨论分析两种腐蚀方式有什么不同？哪种腐蚀是主要腐蚀方式？学生：两种腐蚀在金属的构成、金属所处的环境、腐蚀的快慢这三个方面有不同，因为生产、生活中常用的是金属合金，而且是处于有水蒸气的空气中，所以金属腐蚀以电化学腐蚀为主。设计意图：通过真实情境，让学生感受金属腐蚀在社会生活和生产中的巨大危害，彰显化学科学的社会价值，以“故事”引发学生探求科学秘密的情感，培养分析和解决与化学有关的现实问题的能力，潜移默化中渗透了安全意识、节约意识和环保意识。2.观察生活，亲历科学发现的过程，培养探索科学未知的意识教学环节二：钢铁腐蚀的电化学验证问题3：我们身处海港城市，每年都会去海滨浴场游玩，有时会看到停泊在码头的轮船（见图1），同学们仔细观察，不同部位生锈的情况不一样，为什么？图1停泊在码头的轮船学生：钢铁为铁碳合金，水面处的铁链腐蚀严重，轮船与水交接处也腐蚀严重，说明铁在氧气和电解质水溶液接触的地方腐蚀的速率更快，所以推测钢铁的腐蚀以电化学腐蚀为主。问题4：如何通过实验证明大家的推测呢？提供的药品：酚酞、铁氰化钾溶液、双氧水、二氧化锰、铁钉（丝）、碳棒等。已知：铁氰化钾与亚铁离子反应产生蓝色沉淀小组讨论并设计实验1：如图2观察电流计是否发生偏转。图2实验1小组质疑：水中的氧气含量太少了，怎么办？反应后两端各自生成什么物质呢？如何证明？小组讨论并改进实验2（如图3）。铁棒NaCl溶液H2O2MnO2碳棒图3实验２师生配合按照图3设计共同实验：观察到电流计发生了偏转确定为电化学反应。然后再在铁棒端溶液中加入铁氰化钾溶液，碳棒端溶液中加入酚酞，观察溶液变化。经过约三个小时后出现图中现象（图4）。图4实验2现象学生板书：根据实验现象写出电极反应式：负极：2Fe-4e-=2Fe2+正级：O2+2H2O+4e-=4OH-总反应式：2Fe+2H2O+O2=2Fe（OH）2设计意图：从学生熟悉的生活场景开始问题导学，充分调动学生的主体性，由细致观察到猜测原理，最后模拟环境实验验证，让学生经历真实的科学探究历程，由现实环境到实验室环境，以解决问题的教学指向，强化学生的探究精神和责任意识。3.小组合作，培养实验设计、探究与科学创新精神教学环节三：实验验证钢铁腐蚀的类型教师：在生产生活中钢铁不一定只存在于氯化钠的中性环境中，它还可以处于酸性条件下，或者是碱性条件下，结合课本实验，请同学们设计实验进行对比“钢铁在不同环境下的腐蚀方式”。表1学生设计方案1铁粉与碳粉液体1蒸馏水2饱和食盐水3醋酸4氢氧化钠溶液·课堂教学研究··课堂教学研究·——40化学教与学2019年第3期教师引导：醋酸的酸性比较低，可以选用强酸再对比。一般化学实验中还有对照实验，也就是什么都不加时，观察现象。请各小组完善实验方案。表2学生改进方案2铁粉与碳粉液体注意事项1无1.装置的气密性2.观察的位置3.小组间注意出现现象的时间。2蒸馏水3饱和食盐水40.2mol·L-1稀硫酸53mol·L-1醋酸61mol·L-1氢氧化钠溶液小组实验汇报交流：1.稀硫酸对应的第四组，导管口产生小气泡；很快结束，液面又开始上升了。2.第2、3、6组导管处液面上升，3组上升所用的时间更短。3.第1组，液面也开始上升，但是经过的时间较长教师引导：通过实验现象，你的结论是什么？小组交流反馈：1.钢铁在强酸性溶液中产生了氢气。2.钢铁在非强酸性的环境中，发生的是吸收氧气的腐蚀。3.在酸性溶液中，H+和氧气都具有氧化性，存在竞争关系，H+浓度大时，表现为析出氢气的腐蚀，当H+浓度逐渐减小后，表现为吸收氧气的腐蚀。负极正级环境析氢腐蚀Fe-2e-=Fe2+2H++2e-=H2↑酸性较强的环境吸氧腐蚀（主要）Fe-2e-=Fe2+O2+2H2O+4e-=4OH-弱酸或其他非酸性环境表3学生板书问题5：铁锈是如何生成的？学生：电化学反应生成的氢氧化亚铁在空气中遇到水和氧气，又会被氧化为氢氧化铁。氢氧化铁一段时间后分解为铁锈。4Fe（OH）2+2H2O+O2=4Fe（OH）32Fe（OH）3=Fe2O3·nH2O+（3-n）H2O教学环节四：铁制品中的镀层研究问题6：铁合金都容易发生腐蚀吗？请同学们联系生活讨论，并用常见的两种铁制品进行腐蚀实验。学生实验探究：1.在铁片和铁盖上，分别在表面划出网形，露出里面的金属铁。2.再分别滴加饱和氯化钠溶液，浸没网线，放置（课前准备）。3.一段时间后滴加铁氰化钾溶液，观察现象。学生反馈：图5铁盖先出现蓝色，证明铁先腐蚀，推测铁片表面覆盖着比铁活泼的金属，铁盖表面覆盖着比铁不活泼的金属。图5问题6实验探究教师揭秘：左边的铁片是镀锌的白口铁，而铁盖是镀锡的马口铁。设计意图：通过实验方案的设计，增强学生团队意识和协作互助的能力，“对照实验与对比实验”是科学实验中常用的方法，本节课的运用有助于提升学生科学实验的严谨性，培养科学的态度，“铁片和铁盖”实验进一步强化了电化学的知识。4.学以致用，推进绿色化学、健康生活的可持续发展意识教学环节五：知识的综合运用问题7：钢铁的吸氧腐蚀能否为我所用呢？你使用过这样的产品吗？学生讨论：“暖宝宝”里的主要成分就是铁粉和碳粉，贴在身上，可以持续发热。教师：这里有几片暖宝宝，各个小组可以阅读它的说明。除了暖宝宝，还有目前比较流行的自发热食品。若想把这个原理转化成产品的话，你觉得你要从哪几个方面来实践呢？学生1：成本。学生2：安全性。学生3：铁粉与碳粉的配比。学生4：材料的耐热程度等等。教师小结：一个化学原理要想最后转化为造福人类的产品，需要无数次的实验，才能够成功，因此我们要尊重知识产权，购买正规的商品。在使用的时候，一定要注意说明书，安全地使用这些产品。设计意图：化学原理的使用具有两面性，可能引发灾难（开头视频），也可以造福生活，关键在于是否科学地运用了化学知识。本节内容正处于寒冷的冬季，学生使用过暖宝宝，有的学生也撕开过暖宝宝，观察过它的成分，思考过它的原理，这段学习恰好解决了学生当时的疑惑。同时教师介绍了正在流行的自发热食品说明书，引发学生深层次的思考，同样的原·课堂教学研究··课堂教学研究·——41化学教与学2019年第3期理产生的热量不同，产品不同，价格不同，体会知识转化为生产力的艰辛，间接普及知识产权、安全、法律等意识。问题8：铁生锈了怎么办？学生1：扔掉。学生2：摩擦。学生3：醋酸。教师：如果家里的锅或菜刀锈蚀严重的话，你把它放在分类垃圾桶的哪个图标里？学生1：可回收垃圾。教师：家庭中常用钢丝球将表面的锈斑打磨掉，或者用磨刀石，在一些电视剧里还会听到“磨剪子嘞，呛菜刀！”这样的吆喝声，还有砂纸或者工业上的机器打磨，这是常见的物理方法。而常见的化学方法主要是利用酸与氧化物的反应，例如连云港特产“汪恕有”滴醋，工业除酸剂，柠檬酸等多种方法。设计意图：引导学生要有责任意识，当困难出现后，应积极应对，处理的方法也要遵循“节约和资源再利用”的原则，所选用的试剂尽量环保，过程中产生的废弃物进行处理。教学环节六：金属的防护问题9：如何进行金属的防护？以自行车为例，小结金属防护的常见方法。学生1：涂机油、涂凡士林、油漆、镀锌、镀锡等覆盖。学生2：钝化、烤蓝等表面反应。学生3：改变结构，制成不锈钢。教师：牺牲阳极的阴极保护法（图6），外加电流的阴极保护法。图6牺牲阳极的阴极保护法问题10：金属的腐蚀可以为社会创造价值吗？（课后查阅资料、小组交流。）三、教学反思1.实验设计是化学课堂的核心，实验的设计要以解决实际问题为前提。本节课通过游玩时的轮船场景引发学生思考，由学生自己讨论设计实验，进行实验改进，既回顾了原电池构成的要素，又增加了气体制备和离子检验等内容，学生在小组实验中不断地设计、讨论和改进，是对所学知识的巩固和提升。随后的对照实验和对比实验以及生活中铁制品的实验等等，充分挖掘实验的功能，操作简单，现象明显，整个过程和结论水到渠成，较好地完成了教学目标。2.问题设计是课堂教学的关键。问题的设计要以学生的“最近发展区”为中心。问什么才能激发学生的探究兴趣？怎么问才能让学生跟紧教师的教学思路？先问什么后问什么才能让学生层层深入？本节课特别设置了十个问题，环环紧扣，难易适度，学生经过努力和小组合作探究都能一一解决，特别是“铁的吸氧腐蚀的应用”和“金属腐蚀”引导迁移应用、激发生成、创新的问题。3.体验科学是课堂教学的升华。本节课的教学设计最终教学目标是让学生领会科学研究的一般过程，体会科学研究的艰辛，尊重科技成果。而许多问