优秀课例 | 数字化技术赋能初中化学实验教学——以高铁建设中金属材料的腐蚀与防护为例

“怎样上好一堂课？什么样的课算好课？什么样的课堂会影响孩子一辈子？”带着这些问题，“五有四化”主题式教学创立者刘玉岳老师历经二十五年一线教学实践，从农村到城市、从薄弱学校到百年名校，讲授14000多节课、教过近5000名学生，不断探索实践“怎么样上好一堂课”；2012年担任教研员，深入课堂观摩1000多节，带领区域学科团队开展课例研究、课程开发及技术融合等教研活动，不断研究提炼“什么样的课算好课”即好课的标准。经过三十余年不断自觉完善及与时俱进深化，最终凝练出“五有四化”主题式教学，其主要思想内涵：基于教学大主题，以落实立德树人根本任务为中心，课堂教学顶层设计体现“有趣、有用、有理、有魂、有效”的“五有”教学思想，课堂教学结构优化凸显“知识结构化，结构问题化，问题情境化，情境生活化”的“四化”教学策略。该成果荣获2022年基础教育国家级教学成果奖一等奖、第六届中国教育创新成果公益博览会最高奖SERVE奖，为课程教学改革提供了可复制、可推广的成功典范，在基础教育新课程改革中具有里程碑意义。2023年11月长沙市教育局下文将成果在全市各学科推广应用，建立了首批实验区实验校。2024年4月24日经长沙市教育局批准“五有四化”主题式教学研究中心挂牌成立。2024年11月教育部将该成果列入新一轮国家级优秀教学成果推广应用项目在全国推广应用。成果在近三年的再实践、再研究、再创新过程中，形成了一批各地不同学段不同学科的优秀课例与案例，为全国课改带来了新气象，营造出蓬勃向上的教学生态。现推出系列优秀课例与案例，以供大家借鉴。

教育部国家级教学成果“五有四化”主题式教学研究中心首席专家，正高级教师，湖南省特级教师，教育部全国中小学科学教育专家委员会委员，中国教育学会地理教学专业委员会理事，湖南省地理学会常务理事，湖南省教育学会学术委员会委员，华中师范大学考试研究院特聘研究员，中国社科教育培训中心（CSSTT）博士后工作站特聘博士后导师，获湖南省青少年科技创新园丁奖。首创“五有四化”主题式教学被教育部列入新一轮基础教育优秀教学成果全国推广应用项目，成果获第三届基础教育国家级教学成果奖一等奖、第六届中国教育创新成果公益博览会最高奖SERVE奖、湖南省第五届基础教育教学成果奖特等奖，2024年参加庆祝第40个教师节暨全国教育系统先进集体和个人表彰会，受到习近平总书记等党和国家领导人的亲切接见。

基于“五有四化”主题式教学思想的初中化学课堂教学推广应用

数字化技术赋能初中化学实验教学

长沙市东雅中学   赵璆

“金属材料的锈蚀和防护”是《义务教育化学课程标准（2022年版2025年修订）》中“物质的性质与应用”主题的重要内容。该活动以我国高铁建设为真实情境，要求学生综合运用化学（金属腐蚀的条件与防护）、工程技术（材料防腐）与信息技术（数字化传感器）等知识，经历“创设情境→猜想假设→实验探究→归纳防护原理”的完整探究流程。这一过程有助于学生在解决真实工程问题中发展科学探究与实践能力，培养基于数据收集证据推理的科学思维，以及感悟化学对大国工程的贡献，树立科技自信与社会责任感。

“高铁建设中金属材料的腐蚀与防护”基于人教版九年级化学教材第八单元“金属和金属材料”展开。教材通过“铁钉锈蚀条件”的对比实验引导学生认识铁生锈与氧气、水的关系，并在此基础上设置讨论活动，引导学生运用所学知识自主归纳出刷漆、涂油等常用的防锈方法。本课是对教材内容的深度拓展与情境化重构：将教材中单一的“铁钉生锈定性观察”实验，转化为以“高铁建设”为真实情境的“识生锈之理→探生锈之速→寻防锈之法”的完整探究过程，并融入物理、信息技术等跨学科知识（如溶解氧传感器、氧气传感器）。这一设计充分呼应新版教材“创设真实情境、强化跨学科实践”的修订导向，将教材知识转化为解决工程实际问题的核心素养。

知识层面，学生在之前的学习中已认识了金属的化学性质（如铁与氧气反应），对铁生锈有丰富的生活感知，知道刷漆等简单的防锈方法；但对铁生锈的具体条件缺乏系统认知，对盐溶液加速腐蚀等复杂工程情况了解不深。能力层面，学生具备一定的实验操作基础，初步掌握控制变量法设计对比实验的能力，但利用数字化传感器采集数据、分析数据并从定量角度进行推理的思维习惯尚未形成；小组协作进行多步骤复杂探究的能力有待加强。兴趣层面，学生对“高铁建设”这一国之重器充满自豪感，对数字化实验设备（传感器）的引入充满好奇与探究欲。因此，本课应充分发挥学生的兴趣优势，在真实工程情境与数字化探究中，逐步提升其证据推理能力与科学探究素养。

1.化学观念：通过探究高铁金属材料的锈蚀条件，认识铁生锈是铁与氧气、水共同作用的化学变化，初步建立金属腐蚀条件与防锈措施之间的逻辑联系。

2.科学思维：能依据数字化传感器采集的氧气浓度等实验数据，运用对比、分析、归纳等方法得出结论，初步形成从反应物消耗和生成物检验双重视角验证反应的证据推理意识。

3.科学探究与实践：经历“识生锈之理→探生锈之速→寻防锈之法”的完整探究过程，掌握数字化传感器的操作与数据分析方法，提升定量探究能力与小组协作能力。

4.科学态度与责任：通过了解高铁建设中金属防腐的真实工程应用及铁生锈原理在生活中的利用（如暖宝宝），培养严谨求实的科学态度，增强运用化学知识解决实际问题的意识与社会责任感。

1.教学重点：铁生锈的条件及其防护措施的探究。

2.教学难点：基于数字化实验数据的分析与证据推理，以及利用控制变量法设计比较锈蚀速率的实验方案。

1.情境激趣法：以《10句话告诉你中国高铁有多牛》视频引入，并展示沿海铁路受酸雨、高湿、盐雾影响严重锈蚀的真实工程资料，形成强烈认知冲突，激发学生探究欲望。

2.实验探究法：组织学生设计传统对比实验探究铁生锈的条件，并引入溶解氧、氧气等数字化传感器，将传统定性观察转化为定量数据监测，亲历“识生锈之理→探生锈之速”的全过程。

3.小组合作法：学生分组探究食盐水对铁生锈速率的加速作用，通过控制变量、分工协作完成实验，对采集的数据进行对比分析，共同归纳出食盐水加速腐蚀的规律。

4.归纳总结法：引导学生根据铁生锈的条件，逆向推理出防锈原理，将刷漆、涂油、制成合金等零散的防锈措施系统化，建构“条件—原理—措施”的认知模型。

5.联系实际法：以高铁核心部件的真实防腐工艺及生活中“暖宝宝”的发热原理创设情境，引导学生运用腐蚀与防护知识解决真实问题，体会化学服务生活的理念。

环节一：识生锈之理

教师播放《10句话告诉你中国高铁有多牛》视频，展示我国高铁建设成就，并引导学生分析高铁车体（铝合金）、接触网（铜合金）和铁轨（高碳钢）的金属材料。教师提问：“金属锈蚀的难易与什么有关？”学生观察得出铁制品更容易生锈。教师顺势提出驱动性问题：“铁生锈需要满足什么条件？”并提示铁锈主要成分（Fe₂O₃·xH₂O），引导学生根据元素守恒提出三种猜想：需要氧气、需要水、或两者同时存在。随后，学生分组设计并完成教材中的三支试管传统对照实验（加水加油、加干燥剂、加一半水），置于试管架上待一周观察。

【数字化验证】一周后，教师展示实验结果，指出“只与水接触”的铁钉也出现了少量铁锈。面对学生的疑惑，教师演示使用溶解氧传感器分别测定普通蒸馏水和煮沸冷却蒸馏水的含氧量，数据证实煮沸无法完全除尽水中的溶解氧，如图所示。接着，教师展示用氧气传感器连接装有铁粉和水的装置，实时监测体系内氧气浓度变化。数据显示，1.5分钟内氧气浓度从20.8%降至20.3%，直观证明铁生锈确实消耗了体系内的氧气。

设计意图：通过高铁建设成就激发爱国情怀，通过材料对比引出探究问题。利用数字化传感器直击传统实验的认知盲区，将抽象的“消耗氧气”转化为直观的数据下降，培养学生从“生成物检验”和“反应物消耗”双重视角验证化学反应的证据推理能力。

环节二：探生锈之速

教师展示我国沿海地区铁路受酸雨、高湿、盐雾（主要成分NaCl）影响严重锈蚀的真实工程资料（如狮子洋隧道锈蚀严重的区域3年剥落厚度达1mm）。教师提问：“可能是哪些物质加速了铁的锈蚀？”学生查阅资料猜想盐雾可能加速腐蚀。教师引导：“判断食盐水能否加快生锈，就是比较反应快慢，我们可以通过比较相同时间内反应物的消耗量来判断。如何直观地展现氧气的消耗？”

【学生分组实验】学生根据图示组装实验装置：两个锥形瓶内分别放入等量铁粉，加入等量水和食盐水，塞紧带导管的橡胶塞，导管另一端伸入装有红墨水的烧杯中。学生观察到，随着铁粉生锈消耗氧气，瓶内压强减小，水被倒吸入导管。通过对比相同时间内两导管中液柱上升的高度（水倒吸的量），学生直观得出结论：食盐水一侧液柱上升更高，说明食盐水能加快铁的锈蚀。

【教师演示数字化实验】为将定性观察转化为定量分析，教师利用氧气传感器连接装有铁粉和水的锥形瓶进行演示。数据显示，在相同时间内，食盐水组的氧气浓度下降幅度明显大于水组，如表格所示，再次从定量的角度验证了食盐水的加速作用。

设计意图：通过真实工程受损资料引发认知冲突。学生动手操作“水倒吸”装置，将不可见的氧气消耗转化为可见的液柱上升，培养宏观辨识能力。随后教师演示传感器数据，实现从传统定性观察到现代定量测量的进阶。让学生在“操作—观察—对比—归纳”中，突破比较反应速率的教学难点。

环节三：寻防锈之法

【总结归纳】教师引导：“根据铁生锈的条件，你能逆向推导出哪些防锈方法？”学生基于“条件—原理—措施”的逻辑，归纳出隔绝氧气、隔离水、改变金属内部结构（制成合金）三条策略，建构防锈认知模型。

【知识迁移】随后，教师呈现高铁建设中的真实防腐案例资料：（1）高铁钢轨及扣件表面定期涂覆防锈油；（2）车体铝合金表面进行氧化处理形成致密氧化膜；（3）关键受力部件使用不锈钢材质；（4）部分连接件表面采用镀锌工艺。学生阅读资料后，小组合作将这些具体的工程措施与刚刚建构的三条防锈策略进行分类匹配。通过“真实案例—原理匹配—模型归类”的过程，学生深刻体会到化学原理在重大工程中的实际应用，实现了知识的结构化与迁移。

【联系实际】教师展示生活中“暖宝宝”和食品脱氧剂的原理，提问：“金属腐蚀一定有害吗？”学生体会化学“趋利避害”的应用价值。最后，教师布置分层作业：A组设计“酸雨对铁生锈速率影响”的数字化实验方案；B组调查生活中的金属防腐方法。

设计意图：从腐蚀条件逆向推导防锈原理，完成知识的结构化建构。通过生活实例培养辩证思维。分层作业兼顾不同学生需求，将课堂探究延伸至课外，落实科学态度与责任素养。

（一）“五有”理念的教学贯彻

1.教学有趣。以《10句话告诉你中国高铁有多牛》视频及沿海铁路受盐雾影响严重锈蚀的真实工程资料制造认知冲突，运用传统“水倒吸”分组实验与数字化传感器演示相结合，设置操作、观察、投屏汇报等活动，充分调动学生探究兴趣。

2.教学有用。紧密联系工程实际，由铁锈蚀条件引申出高铁铁轨、车体等核心部件的防腐应用；课堂探讨“暖宝宝”发热原理体会腐蚀利弊，课后分层布置防腐调查与设计“酸雨对铁生锈速率影响”的数字化实验方案，体会化学服务生活，落实双减要求。

3.教学有理。贴合学生认知基础，以控制变量法为探究主线，通过“现象分析—数据对比—逆向推理”归纳锈蚀条件与防锈原理，逻辑层层递进，发展学生分析归纳的科学思维，突破教学难点。

4.教学有魂。紧扣核心素养，依托小组合作，渗透科技自信（中国高铁名片）、安全环保与辩证思维（腐蚀利弊）的理念，实现知识学习与品格育人相结合。

5.教学有效。利用数字化传感器（氧气、溶解氧）解决传统实验周期长、现象不可测的问题，直观突破重难点；通过多元课堂评价，较好达成知识、方法、情感三维教学目标。

（二）“四化”策略的实践转化

1.知识结构化。以金属锈蚀的“条件—速率—防护”为核心，串联控制变量探究、性质决定用途，将学生零散生活经验梳理为系统认知，构建完整知识框架，铺垫后续金属资源保护的学习。

2.结构问题化。设置递进问题链，由“高铁不同金属材料为何生锈程度不同”导入，围绕实验变量设计、煮沸水仍生锈原因、食盐水加速效果等设问，以问题驱动探究，落实重难点。

3.问题情境化。依托高铁建设成就、沿海铁路锈蚀工程资料、“水倒吸”实验、传感器实时数据等课堂情景，把抽象缓慢的化学问题转化为可操作、可观察、可定量讨论的课堂活动。

4.情境生活化。从生活金属腐蚀现象入手，结合高铁工程防腐工艺、食品脱氧剂与“暖宝宝”等真实生活素材，让化学源于生活、服务生活，落实分层作业要求。

中小学一级教师，现任长沙市东雅中学初中化学教研组长。曾获长沙市品质课堂教学竞赛一等奖、湖南省集体备课大赛二等奖、长沙市教育局嘉奖等荣誉；多篇论文获省、市级一等奖；参与中考阅卷工作，多次被评为“优秀评卷员”；多次被评为长沙市中学化学竞赛的“优秀指导教师”；作为主要研究人员参与课题获评长沙市一等奖；长沙市初中毕业学业质量评价命题专家库成员，湖南省教师资格证面试考官库成员。

编辑 | 黄   梅

审核 | 刘昌荣