《金属腐蚀与防护》教学设计.docx

基于学科核心素养的《金属腐蚀与防护》教学设计冯志国1 教学背景分析1.1 教材地位与内容“金属的腐蚀与防护”是人教版高中化学选修4《化学反应原理》第四章第四节的内容本节内容在原电池和电解池原理的基础上展开，揭示了金属腐蚀的本质及其防护的科学方法从学科知识体系看，本节是电化学理论的重要应用场景，通过分析腐蚀原理（析氢腐蚀与吸氧腐蚀）和防护方法（牺牲阳极法、外加电流法），将抽象的化学原理与实际问题解决紧密结合金属腐蚀问题具有重大社会经济意义，据统计数据显示，发达国家每年因金属腐蚀造成的直接损失可达国民生产总值的2%-4%，远超自然灾害损失总和这一真实数据体现了化学知识在解决社会问题中的核心价值1.2 学情分析学生在知识基础上已具备以下条件：初中阶段：通过铁钉锈蚀实验，建立了金属腐蚀需要水、氧气的基本认识，但停留在宏观现象层面高中必修：已掌握氧化还原反应的本质和原电池工作原理，能分析简单原电池的电极反应认知特点：高中生抽象思维能力逐步成熟，但对微观过程的理解仍需借助直观实验和模型演示学生普遍对生活相关现象（如暖宝宝发热、铁锅生锈等）充满好奇，但缺乏科学解释能力主要学习障碍在于：理解金属在中性环境中的吸氧腐蚀过程时，难以建立氧气作为氧化剂的微观模型；对电化学防护方法中“阴极保护”概念的理解存在困难。

1.3 学科核心素养目标根据课程标准，结合教学内容，设定以下素养目标：表1：教学目标与核心素养对应关系核心素养维度具体教学目标宏观辨识与微观探析辨识金属腐蚀的宏观现象，分析析氢腐蚀与吸氧腐蚀的微观本质，书写电极反应方程式变化观念与平衡思想理解腐蚀过程中的电子转移与能量变化，认识防腐措施中的平衡控制原理证据推理与模型认知通过实验证据构建腐蚀原电池模型，设计实验验证氧气在腐蚀中的作用科学探究与创新意识利用传感器定量探究腐蚀过程，设计创新性防腐方案科学态度与社会责任评估金属腐蚀的经济与环境影响，设计社会情境中的防护方案，形成可持续发展观2 教学思路与方法2.1 整体设计思路本教学设计采用“真实情境-问题驱动-实验探究-模型构建-社会应用”的主线展开：1.情境式教学：以“4S店新车生锈纠纷”新闻案例和“暖宝宝煮鸡蛋”现象导入，激发认知冲突2.探究式学习：通过对比实验（析氢腐蚀 vs 吸氧腐蚀）和数字化实验（氧气传感器监测），引导学生收集证据、推理本质3.项目式学习：以“船舶设计师”角色任务，设计防护方案，深化工程思维2.2 教学方法创新1.数字化实验与传统实验融合：使用氧气传感器定量测定吸氧腐蚀过程中氧气浓度的变化，将抽象的微观过程转化为可视化的数据曲线，帮助学生理解氧气作为氧化剂的角色。

2.模型建构层层递进：从初中“水氧共存”的宏观模型→高中原电池的微观模型→防护方法中的控制模型，逐步提升思维层次表2：核心实验设计与教学功能实验名称操作要点素养发展重点暖宝宝发热探因分析暖宝宝成分(Fe/C/盐)，设计实验验证O₂消耗证据推理、模型认知吸氧腐蚀可视化铁粉-炭粉-NaCl体系连接导管，观察液柱上升现象宏观辨识、变化观念数字化实验用O₂传感器监测密闭容器中氧气浓度随时间的变化科学探究、创新意识不同环境腐蚀对比设置酸性/中性/含杂质条件，观察腐蚀速率差异控制变量思维、科学方法3 教学过程设计（2课时）第一课时：金属腐蚀的原理探究环节一：真实情境导入（10分钟）情境1：播放新闻视频《发霉生锈的新车》顾客新购汽车被4S店露天停放于梅雨季，导致发动机生锈4S店辩解：“是铁就会生锈问题链设计：Q1：“是铁就会生锈”是否科学？其他车辆为何未生锈？Q2：梅雨天气中哪些因素加速了生锈？Q3：金属腐蚀的本质是什么？情境2：展示暖宝宝煮鸡蛋的趣味实验（将打开的暖宝宝包裹生鸡蛋，20分钟后鸡蛋变熟）探究问题：暖宝宝不含可燃物，为何能持续发热？其原理与金属腐蚀有何关联？学生活动：分析暖宝宝成分表（铁粉、活性炭、食盐），推测发热本质为铁的氧化反应，初步形成“腐蚀过程伴随能量变化”的观念。

设计意图：通过两个对比情境，既揭示腐蚀的普遍性（新车生锈），又展示腐蚀的可控性（暖宝宝利用腐蚀发热），引发认知冲突培养学生从生活现象提出科学问题的能力，渗透“科学态度与社会责任”环节二：实验探究腐蚀本质（30分钟）任务1：探究不同环境中腐蚀差异学生分组完成对比实验：A组：铁粉+醋酸（模拟酸性环境）B组：铁粉+NaCl溶液（中性环境）C组：铁粉+炭粉+NaCl溶液（含杂质条件）观察重点：A组是否有气泡产生？（析氢腐蚀特征）B、C组导管液面是否上升？（吸氧腐蚀证据）数字化补充：在C组装置中接入氧气传感器，实时监测容器内氧气浓度下降曲线任务2：建立腐蚀微观模型基于实验现象，引导学生推理：Q4：A组产生气泡的成分是什么？写出电极反应式Q5：B组液面上升说明什么？C组为何反应更快？模型建构：展示钢铁表面微原电池模型（铁为负极，碳为正极）对比析氢腐蚀（酸性）与吸氧腐蚀（中性/碱性）的电极反应：**析氢腐蚀**（酸性环境） 负极：Fe - 2e⁻ → Fe²⁺ 正极：2H⁺ + 2e⁻ → H₂↑ 总反应：Fe + 2H⁺ → Fe²⁺ + H₂↑ **吸氧腐蚀**（中性/碱性环境） 负极：2Fe - 4e⁻ → 2Fe²⁺ 正极：O₂ + 2H₂O + 4e⁻ → 4OH⁻ 总反应：2Fe + O₂ + 2H₂O → 2Fe(OH)₂深化认知：讨论Fe(OH)₂进一步氧化为铁锈（Fe₂O₃·xH₂O）的过程。

设计意图：通过对比实验凸显介质环境对腐蚀类型的影响；数字化传感器使不可见的氧气消耗可视化，为微观探析提供证据支持引导学生从宏观现象（气泡、液面变化）推理微观本质（电极反应），培养“证据推理与模型认知”素养第二课时：金属防护方法与社会应用环节三：从腐蚀原理到防护方法（25分钟）任务1：分析防护思路问题引导：回顾电化学腐蚀本质→活泼金属作负极被腐蚀→如何保护目标金属？Q6：能否让被保护金属成为原电池正极或电解池阴极？任务2：学习电化学防护方法案例1：牺牲阳极法展示船体镶嵌锌块的图片实验模拟：将锌片与铁钉连接后置于NaCl溶液中，对比铁钉腐蚀情况原理建构：锌作阳极（负极）：Zn-2e⁻→Zn²⁺；铁作阴极（正极）受保护案例2：外加电流法视频演示：港口钢闸门连接电源负极，辅助阳极（废钢）接正极原理对比：电解池原理 vs 原电池原理（如表3所示）表3：两种电化学防护方法的对比防护方法牺牲阳极法外加电流法原理依据原电池原理电解池原理阳极材料活泼金属（如Zn、Mg）惰性电极（如石墨）电流来源自发电流外加电源适用场景小型设备、管道大型工程（桥梁、码头）优缺点比较安装简单但阳极需定期更换保护效果精确但成本高任务3：归纳传统防护方法学生根据生活经验补充其他方法：隔离法（刷漆、镀铬、涂油脂）改变金属组成（制成不锈钢）改善环境（干燥剂、缓蚀剂）设计意图：从腐蚀原理逆向推导防护思路，体现“变化观念”；通过真实工程案例将抽象原理具体化，培养“模型认知”素养；对比两种电化学防护法强化辩证思维。

环节四：项目任务——船舶设计师（15分钟）情境任务：某远洋公司货轮面临严重腐蚀问题，聘请你为防腐工程师，设计综合防护方案分组方案设计：1.船体材料选择（耐腐蚀合金）2.电化学防护（牺牲阳极区块划分）3.涂层技术（新型自修复涂料）4.维护策略（定期检测与阳极更换）评价标准：科学性：是否符合电化学原理可行性：成本与施工难度环保性：是否产生重金属污染设计意图：通过角色扮演将知识应用于工程实践，体会化学对社会的贡献评估防护方案需权衡经济、环境因素，强化“科学态度与社会责任”4 教学评价与反思4.1 多维度评价设计表4：教学评价方案评价维度诊断方式素养指向概念理解课堂练习：析氢/吸氧腐蚀区分宏观辨识与微观探析模型应用实验报告：设计O₂验证实验证据推理与模型认知社会决策船舶防腐方案评价表科学态度与社会责任创新思维课后探究：地下管道防杂散电流科学探究与创新意识4.2 教学反思创新亮点：1.真实情境贯穿始终：从“4S店纠纷”到“船舶设计”，使抽象原理生活化、社会化2.实验探究层层深入：传统实验（液柱上升）与数字化实验（O₂传感器）结合，突破吸氧腐蚀认知难点3.素养培养结构化：五大素养目标在教学环节中有机融合，避免生硬贴标签。

注意事项：1.吸氧腐蚀实验中需提前检查装置气密性，避免液柱变化不明显2.部分学校若无传感器设备，可用焦性没食子酸显色法间接验证O₂消耗3.船舶设计项目需提供脚手架资料（如海水电阻率、常见阳极材料成本表），避免学生决策脱离实际4.3 课后延伸1.基础作业：教材课后习题（辨析腐蚀类型、书写电极反应）2.拓展探究：城市地下管道存在“杂散电流腐蚀”（如图3所示）：泄露电流经土壤→管道→返回电源，加速局部腐蚀任务：(1) 绘制电流流向图，标出腐蚀严重部位2) 提出三种防护策略并说明原理通过延伸问题将学习从课堂引向社会大课堂，深化“化学服务社会”的学科价值观本教学设计以核心素养发展为导向，通过情境驱动、实验探究与项目实践，实现从知识理解到社会决策的能力跃迁，充分体现化学学科的育人价值与应用魅力。