第三单元 金属的腐蚀与防护教学设计一等奖

《铁的吸氧腐蚀》实验教学设计

1 教学分析

1.1 教学内容分析

在上教版《化学》“金属的防护和回收”中，通过实验探究铁锈蚀的条件，要求学生掌握使铁发生锈蚀的主要因素有哪些，哪些因素会加速铁生锈的进程，了解铁锈蚀的最终产物。苏教版《化学2》“化学能转化为电能”中以资料卡形式出现了“钢铁的电化学腐蚀”，通过示意图和文字描述实验介绍了钢铁在潮湿环境中如何形成原电池，正负极分别发生什么反应及最终形成铁锈的原理过程。苏教版《化学反应原理》“金属的电化学腐蚀”中，从电化学的角度去分析铁腐蚀的原因，“活动与探究”中编排了实验探究钢铁的吸氧腐蚀，并通过理论分析了铁的吸氧腐蚀原理。但教材实验方案的表述不明确，实验现象不理想，故有必要重新设计实验以更有效地解释吸氧腐蚀的原理。

1.2 学生学情分析

学生已经知道铁生锈是铁与氧气、水等物质相互作用的结果，但对该现象是吸氧腐蚀、发生原电池反应却不易理解。高一时虽曾接触过电化学腐蚀的概念和吸氧腐蚀原理解释，但当时未提及此概念。学生有了铁及其化合物、氧化还原反应、离子反应、原电池工作原理等理论基础，具备一定的分析问题能力、实验探究能力，但对数字实验技术接触较少，教学中需要进行这方面知识的铺垫。

2 教学目标

2.1 知识与技能

（1）理解吸氧腐蚀的概念和原理。

（2）学会吸氧腐蚀的电极反应式及电池反应方程式。

2.2 过程与方法

（1）通过宏观的实验现象联系微观的理论分析等方式学习吸氧腐蚀的概念和原理。

（2）运用数字实验系统和假设验证探究的思维方式，认识铁的吸氧腐蚀发生的电极反应。

2.3 情感、态度与价值观

（1）从能量视角认识对吸氧腐蚀原理的应用，在认识吸氧腐蚀带来危害时，学会辩证的思维看问题。

（2）关注与生活有关的吸氧腐蚀现象，增强联系实际学习化学并将化学知识应用于生活的意识。

3 教学策略

（1）从能量的视角选择探究情境来学习吸氧腐蚀。本课题在苏教版《化学反应原理》中所属专题是“化学反应与能量变化”，对于金属的电化学腐蚀与能量变化有何关系？似乎以往的教学缺少这样的关注。但在课程标准中就有“查阅资料并交流化学暖炉、热敷袋的构造和发热原理”的活动与探究建议。为此，笔者以探究暖宝宝的发热原理为情境，从能量及其转化方式学习吸氧腐蚀的原理。

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[1]

（2）通过“实验—预测—观察—解释—再观察—质疑”的实验探究教学主线，由“发现问题→猜想和假设→设计方案并验证→得出结论”的探究性学习过程，得出吸氧腐蚀的原理和概念，使教学过程环环相扣，层层深入，突出原理性和过程性。

（3）宏观现象与微观原理相联系。现象不同的背后隐含着原理不同，促使学生学会从“宏观现象→微观解释→符号表达”三个层面和水平理解化学知识，并建立三者之间的内在联系，构建化学学习特有的思维方式。这样就容易让学生运用原电池工作原理建立吸氧腐蚀理论模型，突破教学难点。

[3][2]4 实验内容

【实验探究1】验证是否有空气中的某种成分参与反应

1.实验器材

暖宝宝、红墨水、剪刀、具支试管、胶塞、直角导管、小试管、计算机、数据采集器、氧气传感器

2.装置（附照片或图片）

暖宝宝【实验探究2】验证生成物酸碱性

1.实验器材

暖宝宝、剪刀、培养皿、滤纸、水、酚酞

2.装置（附照片或图片）

培养皿

滤纸

暖宝宝混合物【实验探究3】数字实验探究铁的吸氧腐蚀

1.实验器材

仪器：计算机、数据采集器、溶解氧传感器、电流传感器、自制吸氧腐蚀实验器、磁力搅拌器（带磁子）、碳棒、铁钉、带鳄鱼夹的导线

药品：2.0mol/LNaCl溶液、酚酞试液、0.1mol/L KSCN溶液、0.1mol/L K3〔Fe(CN)6〕溶液

2.装置（附照片或图片）

2

K3〔Fe(CN)6〕溶液

滴有KSCN溶液和铁钉

导线

碳棒

滴有酚酞试液

NaCl溶液

溶解氧传感器

磁子

接计算数机据采集器

磁力搅拌器

3.主要实验材料的准备

自制吸氧腐蚀实验器：中间设计成球体是便于放入磁子以搅拌溶液，为使检验正负极产物的特征试剂加入后不被搅拌混合，故而需要有独立的正负极室。a管用作插入铁钉（φ70

φ18 a 50 φ18 25

b φ25

φ30

5mm×100mm）做负极室，其高度是根据所用铁钉的长度来设计的。b管用作插入碳棒（φ8mm×90mm）做正极室，其高度要低些，原因有二：一是消耗DO的反应是发生在碳棒正极上，就需要让碳棒伸入球体，以靠近从c管插入的溶解氧传感器的探头，因而所用碳棒的长度也限制了b管的高度；二是让产生的c

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OH浓度尽快使酚酞变色，也需要碳棒在正极室内其周围溶液量少些。

-5 教学过程

教学环节

教师活动

【导入】在近期热播的电视节目《爸爸去哪儿》中有这样一段视频（主要情节是kimi将创设情境，引入课题

观看视频

学生活动

设计意图

用学生熟悉的生活用品，激暖宝宝贴在胸前，将其作为超级装备……）。

将暖宝宝作为御寒保暖的超级装备。请看暖【设问】暖宝宝为何会发热？

【过渡】用实验验证是否有空气中的某种成分参与反应。

【指导】学生实验探究1 了解其成分。

应并放出热量。

【实验探究1】验证是否有空气中的某种成分参与反应

剪开暖宝宝外包装，将其卷放进具支试管内，塞紧橡胶塞，暖宝宝【过渡】在寒冷的冬季，很多人和kimi一样，思考，看暖宝宝包装背面的说明，发求知欲望，从生宝宝成分介绍。使用时打开包装就开始发热。

推测是空气中的某种成分参与反活走进化学。

通过实验激发学生的探究精神和学习实验探究，吸氧腐蚀

将导管插入盛有红墨水的小试管中，组装成图1装置。

汇报：导管内水柱上升，说明具兴趣。

支试管内有气体参加反应，由于【设问】请描述你看到的实验现象，并解释。

是空气，反应的气体很可能是O2。

图1 暖宝宝实验装置图

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【设问】猜测是什么物质参与反应？怎么用实验验证？

打开橡胶塞，将燃着的木条伸入具支试管内，如看到木条熄灭，氧气。

培养假设【点评】传统的验证方法不严谨，操作繁琐。

说明具支试管内减少的气体就是【介绍】一种方便快捷的现代化测量仪器：氧气传感器，用于测量O2含量。（展示氧气传感器及使用、测量学生实验后的具支试管内O2含量）

【板书】O2

【指导】学生实验探究2 理论分析，实验验证

培养皿

滤纸

暖宝宝混合物图2

实验示意图

获取信息，对数字实验技术有初步认识。

实验事实1：O2参与反应

验证的探究思维方式。

【实验探究2】验证生成物酸碱性

以实验事剪开暖宝宝内包装，倒出少量混合物在培养皿内湿润的滤纸上，在混合物的周边滴加酚酞。观察现象，并解释。

滴有酚酞的滤纸部位出现红色

实为支撑，突破吸氧腐蚀正极反应学习难点。

【设问】请描述你看到的实验现象，并解释。

实验事实2：生成物为碱性

【板书】OH

【设问】O2如何发生反应？请回忆所学知识，回忆：反应类似于碱性氢氧燃料有没有相似反应？

【设问】有得必有失，是谁失去电子？生成什么？

【信息提示】Fe与K3〔Fe(CN)6〕溶液生成蓝色沉淀可检验Fe。

【投影】铁粉和活性炭混杂在溶解有氧气的盐溶液中，flash动画展示吸氧腐蚀微观反应过程，分析出原电池工作原理。

【投影】吸氧腐蚀的原电池模型

2+2+-

炭粉

电池的正极反应

书写：O2+2H2O+4e=4OH。

交流后认为：2Fe-4e-=2Fe

获取信息，为后续实验验证做知识铺垫。

听讲，观看、思考，形成理性认识。

从微观视角运用原电池原理建立吸氧腐蚀理论模型，培养学生抽象思维能2+--引导学生分析出吸氧腐蚀负极反应。

微观解释，建立模型

铁粉

NaCl 铁钉

碳棒

H2O(O2) NaCl溶液(O2) 力。

[4]图3 吸氧腐蚀的原电池模型

【质疑】这样真能形成原电池吗？

数字实验，【实验探究3】数字实验探究铁的吸氧腐蚀

实验数据与分析：

析疑解惑

组装成如图4的实验装置。滴加10滴酚酞4

引导学生通过数字接上电流传感器测量到电流，即

试液，塞紧插有碳棒的橡胶塞，继续加入NaCl溶液后滴入10滴K3〔Fe(CN)6〕溶液，塞紧插有铁钉的橡胶塞，用带鳄鱼夹的导线连接两电极，分别采集电流、溶解氧含量。同时注意观察实验现象。

K3〔Fe(CN)6〕溶液

滴有KSCN溶液和铁钉

导线

碳棒

滴有酚酞试液

NaCl溶液

溶解氧传感器

形成原电池。

DO-t曲线呈逐渐下降的趋势，说明溶液中的O2参与反应。

实验现象与解释：

铁钉的上部逐渐出现蓝色絮状物，未见到血红色，证明没有Fe3+生成，即铁失电子后生成Fe2+；碳实验，展示知识获得的全过程，使该部分的教学生动易懂，同时能激发学兴趣。

磁子

接计算数机据采集器棒周围上部溶液有粉红色出现，-说明是O2在水中得电子生成0H。

生的学习

磁力搅拌器

图4 实验装置示意图

【介绍】实验装置设计

【投影】较长时间后的实验照片、完整的溶解氧随时间变化曲线。

【归纳】吸氧腐蚀概念、两极的电极反应式知识梳理，及相关方程式。

符号表达

【提醒】学生看实验探究2滤纸上是否出现锈斑。

【设问】解释暖宝宝发热原理？

学以致用，提升认识

【过渡】暖宝宝的发热是铁吸氧腐蚀原理的负极：2Fe-

4e= 2Fe2－＋

感性知识正极：O2+2H2O+4e- = 4OH- 内化为认总反应：2Fe+O2+2H2O=2Fe(OH)2

知结构。

4Fe(OH)2+O2+2H2O=4Fe(OH)3

利用铁氧化反应放热，根据吸氧腐蚀原理（铁粉、活性炭、水和食盐形成原电池）来加速氧化，将化学能转化为可利用的热能。

听讲，认识到要用所学的知识使从能量视角认识吸氧腐蚀原理应用。

以往的教学忽略了学生辩证思维的培养。这也是本实验教学设计的一个亮点。

应用，但实际上铁吸氧腐蚀更多的是危害。

其趋利避害，朝着对人类有利的【投影】4幅图片展示金属的腐蚀非常普遍。

方向发展。

趋利避害，辩证看待

生产设备的腐蚀会导致工厂停产，桥梁会因腐蚀而损坏报废等，还有其他金属腐蚀，如铜制品表面产生铜绿。讲述金属腐蚀造成的惊人损失。我们学习和研究金属的腐蚀要趋利避害，学会用辩证的思维看问题。

6 特色

1.使宏观的实验现象与微观的原理解释一致。吸氧腐蚀正极反应的理解是难点，此实验设计突破了这一教学难点。氧气传感器和溶解氧传感器可分别测出空气和溶液中的氧气含量变化，使学生真正“看到”了铁吸氧腐蚀的发生，使学生对吸氧腐蚀本质的认识和理解由抽象到直观、从肤浅到深刻，既让学生经历5

了获取知识的过程又学到了科学探究的方法，推动了吸氧腐蚀实验教学的创新和完善。

2.用自制的实验仪器与数字化实验技术合作。数字实验技术能方便快捷的验证学生的猜想，推进实验向着本质原理靠近，能够更快地揭示实验基本原理，提升了学生对实验技术的认识。但此实验的成功设计，仅有传感器是不够的，没有自制的吸氧腐蚀实验器，就等于没有可供溶解氧传感器采集的信号源。没有测量对象和研究模型，再好的测量工具也只能是无本之木。数字化实验技术作为一种现代化定量分析实验工具，存在着与传统实验仪器如何配合使用的问题。故依据传感器本身的特点，基于教学和实验要求研发配套的实验器材，是进一步释放数字化实验巨大教学效用的关键。

3.从能量视角设计教学并引导学生辩证看待。以往的教学设计很少关注吸氧腐蚀与能量变化之间的关系，本设计巧妙利用暖宝宝发热是吸氧腐蚀的原理，让学生从能量及其转化方式学习吸氧腐蚀，但也让学生认识到吸氧腐蚀带来的危害，学会辩证地看问题，要用所学的知识使其趋利避害。

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