不同发展阶段高中化学教师的PCK表征研究*——以“物质的量”主题为例

为探讨不同发展阶段的高中化学教师对于“物质的量”主题的认识,聚焦学科教学知识(PCK)的2个基本组成部分:(1)学生理解的知识,(2)教学策略和表征知识。基于PCK课堂观察量表和CoRe模型,对比分析新手、熟手、专家型教师关于“物质的量”主题的PCK表征。研究结果表明,不同发展阶段化学教师的PCK存在差异,教师对学生知识的理解影响了教学策略和表征方式的决策。     

让铁器文物与历史说话*——“金属的电化学腐蚀与防护”教学

以铁器文物的防护为背景,在“金属的电化学腐蚀与防护”主题中,尝试将铁器文物与中学化学教学相结合,通过对不同环境中铁器文物腐蚀原理的探究,了解运用化学原理解释铁器文物保护的方法,使学生掌握金属的电化学腐蚀与防护知识,感受化学对人类的影响,促进学生化学学科核心素养的发展。     

全日制化学教育硕士的PCK水平调查研究*

以美国埃里克森学院PCK量化工具为研究基础设计调查问卷,选取离子反应第1课时的电离概念教学片断,以河北某高校学科教学(化学)专业37名教育硕士为研究对象,要求被试者在对视频片断进行观摩的基础上作答9个开放性问题。研究发现:全日制化学教育硕士PCK整体和各维度知识处于“基本的”水平,在教学内容知识维度表现最佳,在学生知识、教学策略知识维度稍差一些,在把握概念关系、调整教学策略等能力活动上的表现有待发展。针对研究发现,结合化学教育硕士的专业属性及培养过程中的问题,提出构建“教师专业学习共同体”,干预化学教育硕士PCK结构的改善;依托教学案例情境载体功能,帮助化学教育硕士进行PCK的深度建构;开展基于研究性反思的教学实践,促进化学教育硕士PCK螺旋式提升等3条建议。     

新手-熟手高中化学教师PCK个案比较研究* ——以“氧化还原反应”主题为例

采用访谈法与质性资料分析法,测查了6名(3名新手与3名熟手)高中化学教师关于氧化还原反应主题的PCK。结果表明:(1)新手教师与熟手教师在CTO,KoL与KoS组分上存在较明显的差异。新手教师倾向于采用“教师-传授”教学取向,对学生知识的把握相对不足,更强调使用习题巩固策略;而熟手教师倾向于采用“学生-建构”教学取向,对学生知识的把握更为全面,更强调学生自主建构知识的过程。(2)新手教师与熟手教师在KoC与KoA组分上存在较明显的相似之处。在课程知识方面,教师对课程标准与教材中氧化还原反应主题内容具有较好的理解,但对化学基本观念、学科核心素养认识尚浅;在评价知识方面,教师偏向于传统的评价方式,且集中在形成性评价和总结性评价,但相对缺乏对学生的课前诊断性评价。文末据此对我国化学教师教育及其研究提出相关建议。     

“高端备课”前、中、后高中化学教师PCK发展变化的案例研究——基于原电池主题

深入到具体教学内容主题的层面,对学科教学知识（Pedagogical Content Knowledge,简称PCK）内涵构成和教师PCK的发展进行过程性研究。以北京师范大学化学教育研究所“高端备课”项目为平台,以《化学2》和《化学反应原理》的“原电池”主题为载体,提出PCK的分析框架,并据此开发调查问卷进行调查。结果表明教师在“高端备课”培训过程中,PCK的一级维度和二级维度均得到发展,其中学生学习知识和教学策略知识这2个一级维度的提升最为明显,电化学思维模型、学生认识发展特点、知识的功能价值和思路外显这4个二级维度的提升较为显著。教师普遍认为培训中的备课研讨环节和试讲反思改进环节,以及指导专家的分析讲解、质疑提问和讨论建议这3种指导行为是促使其PCK提升的主要原因。     

初中化学(科学)启蒙教材中“实验”“插图”“科普知识”的比较分析*

我国大陆和台湾的化学(科学)教材在化学启蒙方面的内容编写有着各自的特点和优势,因此以我国大陆人教版初中《化学》与我国台湾康轩文教版《自然与生活科技》为例,通过问卷调查法与对比分析法,研究化学启蒙阶段的学生对待化学的态度以及海峡两岸教材中“实验”“插图”“科普知识”等3部分内容的设置差异。结果表明:(1)化学实验是启蒙阶段学生对化学感兴趣的起始点,也是初接触时的难点,其中以我国台湾《自然与生活科技》教材中化学实验的探究性及层次性更深;(2)化学启蒙阶段教材中插图的科学性、清晰度以及精美程度对学生学习化学的兴趣和态度有较大影响;(3)化学教材中的模型图实物化有助于学生拨云见日,了解化学的真实模样。     

学科能力导向的“物质构成的奥秘”教学研究

以王磊提出的化学学科能力框架为理论依据,对“物质构成的奥秘”主题进行分析,从核心知识经验、认识角度思路、认识对象及问题、能力活动要素等4个维度构建了“物质构成的奥秘”主题的学科能力模型。运用实验法进行教学实践,证实了本研究设计的教学方式更有利于学生学科能力的发展提升。最后提出学科能力导向的“物质构成的奥秘”教学设计模式和教学实施的有效策略:(1)单元整体系统化设计,有层次有梯度的发展学生学科能力;(2)侧重应用实践型任务的解决,外显知识的输出性功能和价值;(3)重视核心知识和认识角度的建立过程;(4)追问、外显学生的认识角度和认识思路。     

国内外理科PCK理论研究的进展与启示

主要从概念框架、定义取向、组分界定、理论模型、学科与主题专属性等5个方面,对国内外理科（化学）PCK理论研究进行较系统地梳理。综述表明：（1）已有研究主要以舒尔曼的PCK概念框架为基础;（2）采用“静态结构观”或“动态建构观”的定义取向;（3）重视PCK组分的界定及其相互关系;（4）使用“整合型”或“转化型”理论模型诠释SMK与PCK的关系;（5）强调PCK的学科与主题专属性。文末基于国内外的研究进展,对我国化学PCK的理论研究提供相应的启示。     

新手熟手初中化学教师课堂教学行为特征的比较研究*——以“酸和碱”单元教学为例

通过对新手化学教师和熟手化学教师各4节“酸和碱”单元常态课堂中教师使用教学行为链、教学行为对在时间和频次等方面的特征进行对比分析发现,在教学行为链上,新、熟手化学教师都会在较高水平的教学行为链上花费更多的时间,熟手化学教师高水平教学行为链在频次上的占比要优于新手化学教师,在不同教学行为链时间安排上的合理性要更高一些;在教学行为对上,新、熟手化学教师都多以“问”和“讲”,学生多以“答”的方式来展开课堂活动,熟手化学教师在每一次“动”和“思”上所用时间要明显高于新手化学教师,学生参与课堂的水平上,熟手化学教师要优于新手化学教师。得出如下启示:与熟手化学教师相比,新手化学教师应有效地组织和安排课堂教学行为,注重对“酸和碱”学科内容本身及其教学的驾驭。无论是熟手还是新手化学教师均应进一步给予学生课堂参与的机会。     

促进学生认识发展的学科教学认识的构建——以“原电池”为例

阐释了学科教学认识和促进学生认识发展教学的基本内涵,在此基础上结合化学学科和“原电池”的内容特点,从有关“原电池”的学科知识、课程知识、学生理解的知识、教学策略及表征的知识等4个方面,论述了“原电池”主题的学科教学认识的构建。     

新型咪唑啉缓蚀剂缓蚀性能的理论与实验研究

采用量子化学计算与分子动力学模拟相结合的方法, 对1-(2-氨基-硫脲乙基)-2-十五烷基咪唑啉(A)、1-(2-甲基-硫脲乙基)-2-十五烷基咪唑啉(B)、1-(2-苯基-硫脲乙基)-2-十五烷基咪唑啉(C)三种新设计的咪唑啉类缓蚀剂抑制H₂S, CO₂腐蚀的缓蚀性能进行了理论研究, 并通过失重法和电化学极化曲线法进行了实验验证. 理论计算结果表明, 三种分子都具有较强的反应活性, 反应活性区域集中在咪唑环和亲水支链上, 其中C分子的反应活性最强|与金属表面发生吸附时, 分子上的咪唑环和亲水支链上的极性官能团优先吸附, 分子在Fe表面的吸附稳定性按C, A, B的顺序逐渐减弱. 失重法和电化学极化曲线法实验结果显示, 三种缓蚀剂在H₂S, CO₂共存的腐蚀介质中对Q235钢均具有良好的缓蚀作用, 最高缓蚀效率都在87%以上. 三种新型缓蚀剂的缓蚀效率大小顺序为: C＞A＞B, 理论分析与实验结果相吻合.     

喹啉型双子季铵盐缓蚀剂的实验及理论分析

以喹啉为母体、 1,4-对二氯苄和顺-1,4-二氯-2-丁烯为联结基, 制备了2种具有疏水结构的水溶性双喹啉季铵盐(BQA-1和BQA-2). 通过失重实验、 电化学测试、 扫描电子显微镜(SEM)及量子化学计算等手段研究了BQA-1和BQA-2对1 mol/L盐酸中Q235钢的缓蚀性能, 并讨论了其在Q235钢表面的吸附机理. 失重结果显示, BQA-1和BQA-2对盐酸中的钢片均具有良好的缓蚀效果, 30 ℃下, 当浓度为0.5 g/L时, BQA-1和BQA-2的缓蚀率均超过94.59%; 升温导致BQA-2的脱附速率比BQA-1更快. 电化学测试结果显示, BQA-1和BQA-2是以抑制阴极为主的混合型缓蚀剂. 分析热力学参数可知, BQA-1和BQA-2在钢表面的吸附为自发、 放热过程, 符合Langmuir等温式, 且以化学吸附为主. 量子化学计算结果表明, BQA-1和BQA-2的吸附活性集中在喹啉环及杂原子上, 且BQA-1和BQA-2分子得电子与Fe作用的能力要强于供电子与Fe作用的能力.     

咪唑啉衍生物缓蚀剂的定量构效关系及分子设计

采用量子化学密度泛函理论(DFT)及线性回归分析方法, 对十一烷基咪唑啉衍生物缓蚀剂抗H2S、CO2腐蚀性能进行了定量构效关系(QSAR)研究. 通过回归分析, 筛选出了影响缓蚀剂缓蚀性能的主要因素, 建立了QSAR模型, 并使用留一法交叉验证对模型的稳定性及预测能力进行了分析. 结果表明, 电子转移参数△N、咪唑环上非氢原子静电荷之和∑Qring及分子极化率α对咪唑啉类缓蚀剂的缓蚀性能有很大的贡献, 所得模型的拟合相关系数(R2)和交叉验证相关系数(q2)分别为0.924 和0.917, 模型对此类缓蚀剂抗H2S、CO2腐蚀性能具有较好的预测效果. 应用QSAR研究结果进行了分子设计, 在理论上提出了一些具有较高抗H2S、CO2腐蚀性能的新型咪唑啉衍生物, 为实验工作者合成新型缓蚀剂提供理论参考.     

四种三唑化合物的合成及它们在盐酸介质中对碳钢缓蚀性能的研究

本文通过“点击化学”的方法合成了四种1,2,3-三唑化合物(3a, 3b, 4a和4b)，通过IR, ¹H NMR, ¹³C NMR 和 single crystal X-ray 晶体结构衍射分析对化合物进行了表征。通过交流阻抗和动电位扫描极化曲线研究四种化合物在1 mol/L HCl 中对碳钢的缓蚀性能。研究结果表明，四种化合物均可作为高效阳离子缓蚀剂，其中化合物4b的缓蚀效果最好，最高抑制效率可达97％。     

曲唑酮的两步法制备及对碳钢的缓蚀机理

以3-氯苯胺、N-氯丙基二乙醇胺和吡啶三唑酮为原料，两步法制备出曲唑酮（TZD）.通过动态失重、极化曲线与电化学阻抗谱研究了TZD在0.5 mol/L盐酸溶液中对20#钢的缓蚀性能；借助扫描电子显微镜、原子力显微镜、衰减全反射红外光谱与吸附活化参数分析研究了TZD在碳钢表面的作用机理.结果表明，TZD可显著降低碳钢在盐酸溶液中的腐蚀速率，缓蚀率随TZD添加浓度的增加而增大，随温度升高而降低；298 K下，添加6 mmol/L TZD时，缓蚀率达95.8%；TZD可自发吸附组装于碳钢表面，同时抑制腐蚀反应的阴、阳极过程，显著增加界面极化阻抗；吸附为放热过程，符合Langmuir等温式.理论计算结果显示，TZD倾向以平行取向组装于碳钢表面.     

盐酸中La3+与NO3-离子对铝的缓蚀作用

用失重法和电化学方法研究了La^3 与NO3^-对铝的缓蚀作用。研究表明：铝在加有Lan的盐酸介质中，腐蚀受到轻微抑制，并且La^3 浓度对铝缓蚀的影响不显著。而若盐酸溶液中同时存在有La^3 与NO3^-，铝的腐蚀则大大地受到抑制，表面覆盖度与缓蚀剂浓度的关系符合Langmuir等温吸附方程，动电位极化实验表明La^3 与NO3^-主要抑制了铝腐蚀的阴极反应，La^3 与NO3^-的存在与否并没改变H^ 阴极放电的机理。不同浓度HCl介质中，La^3 与NO3^-在相同腐蚀时间下对铝的缓蚀率不同；在一定浓度HCl介质中，La^3 与NO3^-在不同腐蚀时间下对铝的缓蚀率亦不同。     

新型咪唑啉化合物在H_2S/CO_2共存条件下对Q235钢的缓蚀性能

合成了一种新型咪唑啉化合物1-(2-氨基-硫脲乙基)-2-十五烷基-咪唑啉(IM-S),并通过失重法、电化学方法及扫描电镜等研究了IM-S在H2S/CO2共存条件下对Q235钢的缓蚀性能,探讨了其在Q235钢表面的吸附行为.结果显示,IM-S具有较好的抗H2S、CO2腐蚀能力,能同时抑制碳钢腐蚀的阴、阳极反应过程,最高缓蚀效率可达92.74%.缓蚀剂在Q235钢表面呈单分子层吸附,属于以化学吸附为主的混合吸附.最后采用量子化学方法对IM-S的缓蚀机理做了进一步分析.     

3-丁基-5,5-二甲基海因咪唑季铵盐对HCl溶液中Q235钢的缓蚀性能

利用失重法、 电化学阻抗谱法、 环境扫描电镜观测和接触角测试等研究了3-丁基-5,5-二甲基海因咪唑季铵盐(BDMHI)对HCl溶液中Q235钢的缓蚀性能和其在Q235钢表面的吸附行为. 结果显示, 缓蚀效率随BDMHI浓度的增加而增加, 随温度的升高而降低, 最高缓蚀效率为91.62%; 在25~35 ℃温度范围内, BDMHI质量浓度为1.0 g/L时, 缓蚀效率达80%以上. 测定了BDMHI在Q235钢表面吸附的吸附吉布斯自由能(\begin{array}{c}\Delta G_{\mathit{ads}}^0\end{array})和吸附热(\begin{array}{c}\Delta H_{\mathit{ads}}^0\end{array}). 结果表明, BDMHI在Q235钢表面的吸附为放热反应, 符合Langmuir等温式, 是包含物理吸附和化学吸附的混合吸附. 运用量子化学方法探究了BDMHI的缓蚀机理.     

Chemical Imaging of Monolayers on Metal Surfaces: Applications in Corrosion,Catalysis, and Self‐Assembled Monolayers

In situ techniques are indispensable to understanding many topics in surface chemistry. As a consequence, several spectroscopic methods have been developed to provide molecular‐level information that only spectroscopy can supply. However, as important as this information is, it is just as critical to realize that nearly all surfaces under investigation have spatial heterogeneities of the order of nanometers to millimeters; thus, spatial analysis is very important to the overall interpretation. This Minireview focuses on a few of the recent developments in spectroscopic techniques that can provide spatial, spectroscopic, and in situ information. These techniques include photo‐electron microscopy, infrared and Raman imaging, and nonlinear optical imaging vibrational spectroscopy as applied to topics in corrosion, catalysis and self‐assembled monolayers.