金属腐蚀是材料科学和工程领域的重要课题，全球每年因金属腐蚀造成的经济损失高达数万亿美元。在海洋环境中，高盐、高湿、干湿交替等恶劣条件会加速金属腐蚀进程，对基础设施的耐久性构成严峻挑战。港珠澳大桥作为世界最长的跨海大桥，其百年耐久性设计采用了先进的电化学防腐技术（如外加电流阴极保护），为工程教学提供了极具探究价值的现实案例。项目式教学强调以真实问题为导向，通过整合学科知识与实践能力，帮助学生形成系统性思维。该项目学习以港珠澳大桥为切入点，通过实验探究、数据分析与方案设计等任务，引导学生从热力学与动力学双重视角分析腐蚀机理与防护措施，从而将抽象的金属腐蚀理论转化为可探究的项目任务。这一教学模式契合《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》（以下简称《课标》）“素养导向”的要求，能有效激发学生的科学探究兴趣，更有助于培养其解决复杂工程问题的能力与素养。
1 项目背景与教学价值分析
“金属的腐蚀与防护”属于苏教版高中化学选择性必修1“化学反应与能量”专题。该单元整合了化学反应速率、电化学等核心概念，要求学生综合运用所学知识解决实际问题。作为原电池、电解池知识的延伸应用，该项目学习的目的是，希望通过真实工程案例帮助学生建构电化学模型，提升学科素养。《课标》明确要求，学生应能运用电化学原理解释腐蚀现象并设计防护方案，同时强调教学内容应联系社会生活实际
［1］。因此，笔者期望通过分析大桥不同腐蚀区域的防护策略，构建金属腐蚀与防护的教学体系。其项目设计包含3个递进式教学模块：首先，通过实验探究钢铁腐蚀的基本原理，引导学生建构初步的电化学认知模型；其次，分析影响腐蚀速率的关键因素，培养学生基于多源证据进行科学推理的能力；最后，针对不同腐蚀环境设计防护方案，强化学生的知识迁移应用能力，促进其形成系统化的工程思维能力。
2 教学目标
（1） 通过分析工程案例，理解金属腐蚀的危害性，掌握电化学腐蚀的实验研究方法；结合海洋环境特征，根据跨海大桥腐蚀区域划分示意图，总结各类腐蚀反应的条件和本质；最终，发展学生的“模型认知与证据推理”素养。
（2） 模拟海洋环境，进行实验对比，探究腐蚀速率的影响因素；运用数字化实验手段分析吸氧腐蚀过程，完善电化学理论模型，并通过实验验证腐蚀产物，提升学生的科学探究能力。
（3） 基于电化学原理，针对大桥不同部位设计差异化防护方案，实现从理论模型到工程应用的转化，帮助学生深化模型认知素养，认识科学技术的社会价值，培养其“科学探究与创新意识”，增强其社会责任意识（工程安全与环保）。
3 项目式教学的实施
【项目引入】播放港珠澳大桥的纪录片片段，引入“港珠澳大桥可以百年不腐”的话题。对比其他大桥在海洋中的腐蚀区域图，提出该节课的终极问题“港珠澳大桥为何能百年不腐？”
【项目拆解】师生讨论后拆解项目任务，分为3个子任务：①观察“跨海大桥腐蚀区域划分示意图”，分析腐蚀程度不同的原因，设计实验探究金属腐蚀的影响因素；②根据实验结果，分析并归纳钢铁腐蚀原理；③根据腐蚀原理及腐蚀速率影响因素，设计并展示“桥梁防腐蚀方案”（需说明原理），进而与港珠澳大桥防腐蚀方案进行对比。
（1） 大桥钢铁腐蚀速率影响因素探究。
【小组研讨】各小组结合海洋环境小资料和“跨海大桥腐蚀区域划分示意图”（
图1），思考并讨论：在海洋大气环境中，大桥的哪些部位钢铁腐蚀速率最快？造成腐蚀速率不同的因素是什么？
【学生汇报】浪溅区腐蚀程度最严重，也就是腐蚀速率最快。该区域比大气区湿度高，比下面几个区的氧气浓度高。分析
图1可知，腐蚀速率与湿度、氧气浓度有关。
【教师小结】逻辑清晰。还有其他因素吗？请同学们根据自己的经验进行猜想。
【学生回答】建筑材料（钢铁）、溶液中离子浓度、温度。
【教师引领】好，让我们设计实验来验证大家的猜想。
【实验探究】学生分组进行铁粉腐蚀实验，铁粉腐蚀装置如
图2所示，观察反应10 min，记录实验现象。实验用品与实验现象如
表1所示。
【学生汇报交流】对比实验1、实验3发现，有碳粉的铁粉比纯铁粉腐蚀得快；对比实验2、实验3、实验4发现，自由移动离子浓度高，腐蚀速率快；对比实验4、实验5发现，温度高的金属腐蚀得更快；实验4、实验6对比说明，氧气浓度会影响金属腐蚀速率。
【设计意图】知识层面：帮助学生理解不同材质、不同环境对电化学腐蚀的影响；能力与素养层面：训练学生的控制变量实验设计能力、基于证据推理能力。
（2） 钢铁腐蚀原理探究。
【教师】倘若导管液面上升，表明内部气压降低，那么被消耗的气体是什么？如何验证这一结论？
【学生】推测被消耗的气体是氧气，但不知道怎么验证。
【演示实验】向密闭锥形瓶中加入铁粉、碳粉和NaCl溶液，通过氧气传感器实时监测装置内的氧气体积分数变化，得到相应的动态曲线，如
图3所示。
【师生共建】探讨钢铁吸氧腐蚀过程中的电极组成（正极/负极）、电极反应、电子转移方向，初步建构钢铁吸氧腐蚀的原电池认知模型
［2］。
【教师】这种消耗氧气的腐蚀叫作钢铁的吸氧腐蚀。除了吸氧腐蚀外，还有没有其他类型？让我们来探究不同pH条件下的腐蚀情况。
【数据分析】在不同pH条件下，呈现压强传感器监测的密闭试管内气体压强随时间变化曲线，如
图4所示。
【问题引导】结合数据分析以下问题：①pH在2～3和pH为4时，曲线趋势不同的原因；②写出两种pH情况下正极的电极方程式；③思考正极主要电极方程式为什么不同？
【小组汇报】当pH为2～3时气压上升，表明有气体生成。结合化合价变化与元素守恒，推断H⁺得电子被还原，电极反应为：2H++2e-=H2↑，说明酸性较强时H⁺的氧化性占主导；而pH为4时，气压先上升后下降。气压增大，可能是发生上述反应，产生氢气；气压减小，可能是上述反应消耗H⁺，pH增大后发生吸氧腐蚀，电极反应为：O2+4H++4e-=2H2O↑，反映此时氧气还原反应成为主导过程。
【资料卡片】热力学视角：在相同pH条件下，吸氧腐蚀的正极电势（
）始终高于析氢腐蚀（
），表明吸氧腐蚀在酸性、中性、碱性环境中均具有自发优势
［3］。
【师生共建】两种腐蚀可能共存，需综合热力学可能性（电极电势）与动力学速率（反应速度）进行分析。在强酸性环境中，尽管吸氧腐蚀热力学占优，但H⁺浓度高可能导致析氢腐蚀速率更快。吸氧腐蚀速率，受限于界面O₂浓度；析氢腐蚀速率，取决于H⁺浓度与电极材料。
【教师】请对金属腐蚀进行分类，并指出不同腐蚀类型的条件和实质，并填写于
表2之中。
【设计意图】知识层面：运用传感器技术探究钢铁腐蚀的实质，了解不同酸碱性对金属腐蚀原理的影响，初步认识不同腐蚀类型的竞争关系；能力与素养层面：基于实验图像的推理与解释，发展证据推理与模型认知素养。
（3） 设计针对大桥不同区域腐蚀的防护措施。
【教师】如果你是大桥工程师，请利用电化学知识，解决全浸区和潮汐飞溅区钢铁腐蚀严重的问题。
【学生任务】绘制实验装置简图（
图5），标注关键材料与试剂，并阐述设计原理。
【教师提问】除电化学保护外，还有哪些方法可减缓金属腐蚀？请举例说明。
【小组汇报】基于腐蚀速率的影响因素，可采取以下防护策略：①优化钢材成分或选用耐蚀合金；②采用物理隔绝法，如采取施加防腐涂层、镀层或包覆保护膜等措施。
【视频展示说明】下面，我们观看纪录片，看看当时的工程师是怎么解决这个问题的。
【学生观看后回答】工程师常运用电化学知识解决腐蚀问题。此外，鉴于海洋环境的复杂性，特殊的涂层材料也成为防腐的关键手段。
【教师引导】引入工业标准（如ISO 12944腐蚀等级）
［4］。请同学们完成以下任务：①总结探究“金属腐蚀的防护”问题的研究方法和分析思路（
图6）；②制作金属腐蚀和防护宣传手册。
【学生活动】基于已掌握的腐蚀原理，归纳金属电化学腐蚀行为及其防护策略的研究路径；课下，制作金属腐蚀和防护宣传手册。
【设计意图】学以致用，结合防腐标准和港珠澳大桥防腐的实际方案，指导学生认识防腐工程的系统性和复杂性，发展其科学态度与社会责任等素养。
4 项目式教学的课堂评价
为实现“教—学—评”一致性并对教学效果进行客观评估，笔者构建了多维过程性评价体系。该体系通过量化指标（
表3），持续跟踪与评估学生的实验设计能力、数据分析水平及方案创新性，进而为开展精准的个性化指导奠定基础。
5 项目式教学效果与反思
在项目式学习过程中，学生能根据以往经验分析大桥不同区域腐蚀的原因，并根据猜想设计对照实验；在小组讨论过程中完善实验设计，并能根据实验现象进行严谨的推理，最终确定影响钢铁腐蚀速率的因素。
在传感器实验中，学生能够根据实验图像进行简单的推理，从而理解吸氧腐蚀和析氢腐蚀的反应实质与反应条件，进而建构钢铁腐蚀的认知模型，发展证据推理与模型认知素养。在查阅资料后，学生能从电位差的角度认识两种电化学腐蚀的竞争关系，认识到钢铁腐蚀的复杂性，发展变化观念与平衡思想。
当然，海洋环境比较复杂，该节课的实验探究规避了很多复杂因素。对此，笔者将在后续教学中继续探究，以期产生系列成果，从而为教学提供一系列典型案例。
2024年度河北省教育科学规划一般课题“数智时代高中化学多学科融合课堂教学的实践研究”(2404344)
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