禹圆圆 杨林 毕淑娴

宁夏大学化学化工学院 银川 750021

1 议题的提出

普通高中化学课程标准强调“结合学生已有的经验，引导学生关注人类面临的与化学有关的社会问题，培养学生的社会责任感、参与意识和决策能力”。而社会性科学议题（SSI）是以社会热点科学问题为研究情境，让学生运用已有知识，探究分析并逐步解决科学议题的过程[1]。所以，将社会性科学议题融入实际教学中不仅为化学教学提供了契合实际的教学情境，而且可以有针对性地引导学生去关注社会性问题，提升学生核心素养，培养学生的社会责任感和爱国情怀。

项目式学习是以驱动性问题为核心，对基于真实问题情境所创设的一系列问题进行有效设计与组织，使学生进行有意义的探究性学习的教学方式[2]。项目式学习有利于落实“素养为本”的化学课堂教学。NB 虚拟实验是一款化学虚拟实验教学软件，该软件涵盖了人教版初高中化学教材中的全部经典实验，该虚拟实验软件提供与实际实验操作方法类似的操作体验，实现了化学实验教学的资源共享、绿色化、安全化。因此，以社会性科学议题作为主要驱动性问题展开借助NB虚拟实验的项目式学习是行之有效的，能够提升学生的必备化学知识水平和关键实验技能，能够促进学生探究能力、决策能力、素养水平的发展，能够推动中学化学教学情境化、信息化、现代化的实现。

在2022年的北京冬季奥运会中，自由式滑雪和单板滑雪比赛的场地为首钢滑雪大跳台，北京冬奥会的成功举办首钢滑雪大跳台功不可没。大跳台主体结构用钢共4 100 吨，99.55%采用高强度钢。但是，钢铁很容易生锈而被腐蚀，每年因腐蚀而损失的钢材占世界钢铁年产量的四分之一，如此看来，钢铁腐蚀的防护就显得尤为重要。“金属的腐蚀与防护”是人教版高中化学选择性必修一化学反应原理第四章第三节的内容。本节内容一方面让学生体会到电化学知识在生活中的重要作用，另一方面是对学生原电池和电解池知识的深化和拓展。

2 设计思路与亮点

本研究基于社会性科学议题进行中学化学知识的项目式教学，以“冬奥会滑雪大跳台的建设”为社会性议题背景，以“金属的腐蚀与防护”为具体项目案例，借助NB虚拟实验展开教学研究。在此过程中，通过驱动性问题的引导，让学生在逐步思考探索中寻找社会性议题的答案，掌握科学知识的同时培养学生运用科学知识关注社会问题、解决社会问题的能力。

1）以社会性议题“冬奥会滑雪大跳台的建设”作为教学情境引入“金属的腐蚀与防护”的教学，能够激发学生的学习热情，引导学生关注社会、关注生活，并善于从生活情境中发现科学问题，应用所学知识为社会问题出谋划策，解决实际问题。这有利于培养学生的科学态度与社会责任，并激发学生的爱国情怀。

2）NB 虚拟仿真实验提供与实际操作相类似的体验还原了真实的实验过程，改变了学生做实验只能去实验室的现状，且提供了理想的实验环境，避免了实验的不安全因素，同时引发学生好奇，激发学习热情。借助NB 实验让学生自主尝试模拟钢铁被腐蚀和被保护的过程，能够拓展学生视野，开拓学生创新思维，让学生感受化学实验与信息技术结合的魅力。

3 项目目标

1）以“防止冬奥会滑雪大跳台钢体结构腐蚀”为议题背景，开展“金属的腐蚀与防护”知识内容的学习，让学生知道金属腐蚀的原因以及如何防止金属腐蚀[3]。以国之大事为基，开展化学教学，引导学生关注社会、关注生活，让学生善于从生活中发现科学问题，并联系所学知识内容解决社会性科学议题，以此培养学生的科学意识和社会责任。

2）将整体知识内容作为总项目，再将总项目细化为多个子项目[4]，并以驱动性问题作为研究主线展开探究性学习，在此过程中，锻炼学生的逻辑思维能力、探究能力和问题解决能力。

3）借助NB 虚拟仿真实验软件进行探究性教学，让学生感受化学实验与信息技术结合的奇妙与乐趣，以此提升学生对于化学学科的喜爱和热情，培养学生的学科兴趣，推动信息技术与化学教学的高度融合。

4 项目具体实施

环节一：科学议题，项目引入

【情境】教师带领学生观看冬奥会滑雪比赛，滑雪包括自由式滑雪、高山滑雪、跳台滑雪、单板滑雪和越野滑雪5 个分项，其中自由式滑雪最引人瞩目，运动员们在专门的钢体滑雪场的斜坡上展翅高飞、自由降落，尽情地展示华丽的技巧和高超的技术（注：让学生在观看视频的过程中寻找与化学有关的科学问题，并查阅资料）。

【学生交流】滑雪大跳台的主体结构是各种合金，合金各项性能优于金属单质。滑雪大跳台的合金以钢为主，大跳台主体结构用钢共4 100 吨，99.55%采用高强度钢。但是钢铁容易腐蚀，不仅造成了经济上的损失，而且对于安全构成威胁，需要采取措施防止钢铁的腐蚀。

【设计意图】培养学生的爱国情怀和民族自信心，培养学生的社会责任感和科学意识，让学生有意关注社会和生活，落实立德树人的教育理念，将学生培养成为德、智、体、美、劳全面发展的全能型人才。

环节二：项目开展，问题驱动

【问题1】钢铁腐蚀的原因是什么？如何防止钢铁的腐蚀？

【探究活动】取两支试管，分别向其中加入5 ml 稀硫酸，然后在试管1 中加入1 g 纯铁粉，在试管2 中加入1 g 纯铁粉和0.5 g 碳粉，观察实验现象并思考以下问题。

1）哪一支试管中产生气泡的速度快？

2）联系原电池的知识分析试管1 和试管2 中气泡产生差异的原因？

【学生交流】两支试管中均产生了气泡，但是试管2 中比试管1 中产生的气泡速度快，这是因为试管1 中发生的是铁与硫酸的置换反应。而试管2加入碳粉后，具备了铁和碳两个活泼性不同的电极，且浸泡在硫酸溶液中，因此形成了原电池，发生了氧化还原反应，加快了该反应的化学反应速率。

【教师讲解】置换反应属于氧化还原反应，可知，两支试管中都发生了氧化还原反应，我们将金属或合金与接触的气体发生氧化还原反应而腐蚀损耗的过程叫作金属的腐蚀。其本质是金属失去电子转变为金属离子的过程，即M-ne-==Mn+。

1）金属的腐蚀：金属或合金与接触的气体发生氧化还原反应而腐蚀损耗的过程。金属腐蚀主要分为以下两种。

a.化学腐蚀：金属与接触的干燥气体或液体等直接发生氧化还原反应而引起的腐蚀（试管1）。

b.电化学腐蚀：不纯金属与电解质溶液接触，形成原电池，使金属失去电子被氧化而引起的腐蚀（试管2）。

【学生探究】根据试管2 中发生的化学反应绘制原电池的电化学反应装置图，并用NB 化学实验进行实践，如图1所示。

图1 电化学腐蚀装置图

【实验分析】通过分析该实验过程发现，铁在较强的酸性环境中能发生反应，且产生氢气，我们将这类反应叫作析氢腐蚀。

①析氢腐蚀：金属在较强的酸性溶液中发生腐蚀并有氢气产生的电化学腐蚀。

负极：Fe-2e-===Fe2+；正极：2H++2e-===H2；总反应：Fe+2H+===Fe2++H2

【问题2】从析氢腐蚀的角度说明钢铁在潮湿的空气中是如何发生腐蚀的？

【学生交流】钢铁在潮湿的空气中表面会形成一层水膜，水膜又溶解了CO2、SO2、H2S 等气体，使水膜中含有一定的H+，导致水膜呈酸性。钢铁是合金，与酸性溶液形成了原电池，发生了电化学腐蚀。

【问题3】还有一些金属处于弱酸性或者中性的环境中，仍然会被腐蚀，是什么原因呢？

【探究活动】将经过酸洗除锈的铁钉，用食盐水浸泡下，放入如图2所示的具支试管中，观察水柱的变化。

图2 铁钉的吸氧腐蚀

【学生交流】导管中水柱上升，铁钉生锈，表明空气中有气体参与了铁的腐蚀反应。

②吸氧腐蚀：金属在酸性弱或者中性溶液里，空气中的氧气溶解于金属表面的水膜中，发生的电化学腐蚀。

正极：2Fe-4e-===2Fe+； 负极：O2+2H2O+4e-===4OH-；总反应：2Fe+O2+2H2O===2Fe(OH)2

【视频动画】播放金属表面发生吸氧腐蚀的微观反应视频，学生从微观反应角度感受吸氧腐蚀的原理。

【原理深析】吸氧腐蚀的产物Fe(OH)2，Fe(OH)2不稳定，会与空气中的O2和H2O 反应生成Fe2O3，即铁锈的主要成分。

【设计意图】通过设计铁粉生锈的对比小实验，让学生理解金属腐蚀的概念和分类，明白化学腐蚀和电化学腐蚀对于钢铁材料的危害。接着，借助两个小实验来学习析氢腐蚀和吸氧腐蚀的相关概念，让学生明白常见的金属被腐蚀的原理，为后期学习金属的防护打下扎实基础，确保学生能够完成科学议题的解决。

环节三：项目深入，议题剖析

2）金属的防护。在实际生活中，根据金属的腐蚀的原理，常采用以下措施进行金属的防护：

①改变金属的内部结构；

②形成保护层；

③改善腐蚀环境。

【问题1】改变金属内部结构依据什么原理？

【问题2】形成保护层依据什么原理？

【问题3】改善腐蚀环境依据什么原理？

【学生交流】依次利用了合金具有良好的抗腐蚀性；将金属与腐蚀介质隔离开；创造不利于金属腐蚀的环境条件。

【思考探讨】联系冬奥会滑雪大跳台的钢体建设，给出具体防止钢铁腐蚀的方案。

【学生探究】1 组：上网查阅资料，了解合金常加入哪些物质可以提高金属的耐腐蚀性，并根据已有知识判断资料的科学性和合理性。

2 组：采用涂抹非金属物质的形式，如油漆、塑料等物质，使金属形成一层致密的氧化膜，防止金属继续反应；给金属表面镀一层纯金属，采用电解池的原理，给铁金属上镀铜（利用NB 化学实验进行电镀，实验过程分解如图3所示）。

图3 电镀反应历程

【问题4】从电化学腐蚀的原理出发，思考如何实现冬奥会滑雪大跳台主体结构钢的防护？

【学生探究】将需要保护的一极作为原电池中的正极，选择比铁活泼的金属作为负极去失电子。通常在钢铁设备上装上若干镁合金或者锌，利用它们的活泼性比铁强设计原电池，防止钢铁腐蚀（使用NB 化学实验进行操作，如图4所示）。

图4 牺牲阳极保护法

图5 外加电流阴极保护法

利用电解池原理，在外加直流电的作用下，将需要被保护的钢铁连接负极作阴极，将附加电极连接正极作阳极去失电子，形成电解池，防止钢铁被腐蚀（电镀利用这一原理，实验操作如5所示）。

【设计意图】通过一连串的问题，引发学生思考，让学生借助各种教学资源获取可能解决问题的答案，培养学生善于利用身边资源解决实际问题的能力。之后，在教师的帮助下，学生借助NB 化学虚拟实验软件设计实验，达到防止钢铁腐蚀的目的。

环节四：项目成果，议题解决

【交流展示】学生将可以实现金属的防护的方法整理汇总，以思维导图的形式展示。结合冬奥会的真实情境，选择合适的方式防止钢铁结构的腐蚀，给出合理科学的建议。

冬奥会滑雪大跳台的钢体保护可选用以下方式：

1）非金属涂层；

2）金属的氧化处理；

3）电镀保护层；

4）牺牲阳极的阴极保护法（在钢铁上装比铁活泼的金属）。

【优化方案】优化方案，设计实现冬奥会滑雪大跳台的海报设计，最后小组互评，展示成果。

【设计意图】通过课后知识内容的整理汇总，帮助学生形成良好的学习习惯，帮助学生梳理课堂知识结构，清晰知识内容。同时，让学生根据所掌握的知识内容，给出具体的合理的防止冬奥会滑雪大跳台的钢体结构腐蚀的方法，在这一过程中，培养学生利用科学知识解决社会性议题的主动意识和社会责任感。通过绘制海报的形式，促进学生德、智、体、美、劳全面发展，培养社会型创新型人才。

5 结束语

将社会性科学议题作为一种特殊的教学情境引入教学中，能够引发学生对于社会科学问题的关注，激发学生对于化学学科的兴趣，让学生主动参与课堂议题的探究学习，真实的议题情境能够引发学生的爱国情怀和社会责任感，这有利于落实立德树人的教育理念。基于社会性科学议题且以驱动性问题为研究主线的项目式学习形式，有利于学生把握课堂教学的重难点，有利于锻炼学生的思考探究能力、分析交流能力，有利于提升学生的科学探究能力。将NB 化学实验融入基于社会性科学议题的项目式学习中，丰富了教学形式，开拓了学生的视野，实现了信息技术与化学教学的融合，有利于推动化学课程教学改革。