張瑞

［摘 要］文章以“電解原理”的教學(xué)為例，以“電鍍樹葉”這一真實情境引入主題，按照“情境創(chuàng)設(shè)—大膽猜想—設(shè)計方案—實驗求證—模型建構(gòu)—變式遷移—學(xué)以致用”的路徑開展素養(yǎng)為本的高中化學(xué)課堂教學(xué)，實現(xiàn)知識、方法與應(yīng)用三者融合，培養(yǎng)學(xué)生的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

［關(guān)鍵詞］素養(yǎng)為本；電解原理；高中化學(xué)

［中圖分類號］? ? G633.8? ? ? ? ［文獻標(biāo)識碼］? ? A? ? ? ? ［文章編號］? ? 1674-6058（2024）11-0068-04

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱《課程標(biāo)準(zhǔn)》）中明確指出，學(xué)科核心素養(yǎng)是學(xué)科育人價值的集中體現(xiàn)，是學(xué)生通過學(xué)科學(xué)習(xí)而逐步形成的正確價值觀、必備品格和關(guān)鍵能力［1］。高中化學(xué)教學(xué)目標(biāo)和內(nèi)容的確定要以學(xué)科核心素養(yǎng)為導(dǎo)向，而化學(xué)知識的學(xué)習(xí)與探究需要在真實的情境中進行，同時要重視實驗探究，為學(xué)生營造自主學(xué)習(xí)、合作探究的氛圍，通過問題的解決促成學(xué)生學(xué)科素養(yǎng)的提升。下面以“電解原理”的教學(xué)為例，探索素養(yǎng)為本的高中化學(xué)課堂教學(xué)。

一、教學(xué)背景

“電解原理”是人教版高中化學(xué)選擇性必修1《化學(xué)反應(yīng)原理》第四章“化學(xué)反應(yīng)與電能”第二節(jié)“電解池”的教學(xué)內(nèi)容。對這部分內(nèi)容，《課程標(biāo)準(zhǔn)》要求：能分析、解釋電解池的工作原理，能設(shè)計簡單的電解池；認(rèn)識電解在實現(xiàn)物質(zhì)轉(zhuǎn)化和儲存能量中的具體應(yīng)用；了解電解在化工生產(chǎn)中的應(yīng)用，討論電鍍工業(yè)對環(huán)境造成的影響［2］。

電解是中學(xué)階段的一個重要化學(xué)概念，電解原理是對離子反應(yīng)、氧化還原反應(yīng)的綜合運用。電解原理的學(xué)習(xí)安排在原電池之后，是原電池知識的延伸，是電化學(xué)腐蝕的基礎(chǔ)。系統(tǒng)學(xué)習(xí)化學(xué)能與電能相互轉(zhuǎn)化的能量守恒知識，有利于學(xué)生構(gòu)建微觀模型中的能量變化和宏觀能量利用的系統(tǒng)思維框架。本節(jié)課通過真實情境中的實驗探究、宏觀辨識與微觀探析進行證據(jù)推理和模型認(rèn)知，有利于培養(yǎng)學(xué)生的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

二、教學(xué)目標(biāo)

“電解原理”一課的核心素養(yǎng)目標(biāo)如圖1所示。

三、教學(xué)思路

“電解原理”一課的教學(xué)思路程如圖2所示。

四、教學(xué)過程

環(huán)節(jié)一：創(chuàng)設(shè)情境，導(dǎo)入新課

【情境導(dǎo)入】通過“電鍍樹葉”激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，引入課題。

【教師】給學(xué)生展示兩片“樹葉”：普通樹葉和電鍍樹葉，提出問題：原本綠色且柔軟的樹葉，為什么變成了擁有黃銅般金屬外表的樹葉？

【學(xué)生】討論并產(chǎn)生興趣。

【教師】你們想不想自己制作精美的“電鍍樹葉”？如何制作呢？

【學(xué)生】交流、討論。

【師生】回顧初中學(xué)習(xí)的電解水的裝置及原理，分析電流和電子流向及離子的移動，寫出電解水的電極反應(yīng)方程式，分析總結(jié)電解池的基本構(gòu)成。

設(shè)計意圖：通過“電鍍樹葉”創(chuàng)設(shè)問題情境，引發(fā)學(xué)生思考，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，讓學(xué)生從生活走進化學(xué)，從而提升化學(xué)價值觀；通過從宏觀和微觀兩個方面回顧電解水的原理，幫助學(xué)生理解電解的定義以及電解池的構(gòu)成條件，達到溫故而知新的效果，提升學(xué)生的科學(xué)探究、宏觀辨識、變化觀念等化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

環(huán)節(jié)二：實驗探究，建構(gòu)模型

【情境再現(xiàn)】教師播放“電鍍樹葉”視頻，學(xué)生討論、分析并設(shè)計如圖3所示的實驗裝置圖，分析電解氯化銅溶液的原理并完成實驗探究。

【學(xué)生活動一】預(yù)測并分析氯化銅溶液的電解過程。

1. 寫出通電前氯化銅溶液中的電離方程式。

CuCl2＝Cu2+ +2Cl-? ? ? ? ? ?H2O ? H+ + OH-

2.分析電子的流向：負(fù)極→陰極，陽極→正極。

3.分析通電后氯化銅溶液中離子的遷移方向：陽離子→陰極，陰離子→陽極。

4.根據(jù)氧化還原反應(yīng)，預(yù)測陰極和陽極的電極產(chǎn)物。

陰極產(chǎn)物：Cu2+ 或H+獲得電子生成Cu或H2?？赏ㄟ^觀察的方法確認(rèn)是Cu還是H2。

陽極產(chǎn)物：Cl-或OH-失去電子生成Cl2或O2?？捎脻駶櫟牡矸鄣饣浽嚰垯z驗是否有氯氣生成，用帶火星的木條檢驗是否有氧氣生成。

【教師】那么樹葉應(yīng)該作為電解的陰極還是陽極？

【學(xué)生】Cu可能是陰極產(chǎn)物，樹葉應(yīng)該作為電解的陰極。

設(shè)計意圖：通過應(yīng)用已學(xué)知識預(yù)測并分析電解氯化銅的原理，猜想陰極與陽極可能出現(xiàn)的產(chǎn)物以及驗證的方法，引導(dǎo)學(xué)生基于宏觀變化現(xiàn)象進行微觀探析和證據(jù)推理，提升學(xué)生的宏觀辨識與微觀探析化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)，培養(yǎng)學(xué)生勇于探索的精神。

【學(xué)生活動二】實驗探究一：電解氯化銅溶液。

實驗用品：1.5 mol/L氯化銅溶液，碘化鉀淀粉試紙，9 V電源，塑料吸管，鉛筆芯，導(dǎo)線，已經(jīng)敏化的樹葉。

學(xué)生實驗：學(xué)生小組動手實驗，觀察并記錄電解氯化銅溶液的實驗現(xiàn)象（如表1）。

依據(jù)電極產(chǎn)物推測離子氧化性和還原性的強弱順序。氧化性：Cu2+[ > ]H+；還原性：[Cl->OH-]。

【實驗結(jié)論】電解氯化銅溶液的過程，可以看作由外接電源提供電能，借助電解池將還原劑的電子轉(zhuǎn)移給了氧化劑。

設(shè)計意圖：基于真實情境開展電解氯化銅溶液的實驗，在激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的同時，讓學(xué)生感受放電微粒的變化，親歷收集證據(jù)的過程，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度、創(chuàng)新意識等化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

【學(xué)生活動三】模型建構(gòu)：電解池工作原理。

【教師引導(dǎo)】讓學(xué)生以石墨為電極，以電解氯化銅溶液為例，繪制電解池工作原理的示意圖。（包含內(nèi)容：注明電解池的組成；標(biāo)明氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)發(fā)生的區(qū)域；標(biāo)明電子的運動方向和陰離子、陽離子的遷移方向；寫出電極反應(yīng)式并注明反應(yīng)類型；電解的總反應(yīng)式）

【學(xué)生】分析并寫出電極反應(yīng)式。

陽極：2Cl- - 2e-＝ Cl2↑（氧化反應(yīng)）

陰極：Cu2+ + 2e- ＝ Cu? ?（還原反應(yīng)）

總反應(yīng)：CuCl2 ＝ Cl2↑+ Cu

【教師】在電解氯化銅溶液的實驗中，在陽極上Cl-失去電子發(fā)生氧化反應(yīng)，在陰極上Cu2+得到電子發(fā)生還原反應(yīng)，這個過程叫作放電。那么如何判斷電極上離子的放電順序？

【學(xué)生】可以根據(jù)陽離子的氧化性順序和陰離子的還原性順序進行判斷。

【教師】那么金屬陽離子的氧化性順序和非金屬陰離子的還原性順序是怎樣的？

【學(xué)生】金屬陽離子的氧化性順序和金屬活動性順序剛好相反，即Ag+>Hg2+ >Cu2+>H+（酸）>Pb2+ >Sn2+ >Fe2+ >Zn2+ >Al3+ >Mg2+ >Na+>Ca+>K+，非金屬陰離子的還原性順序為：S2- >I- >Br- >Cl-。

【教師】在陰極的放電順序中，大家還要關(guān)注Fe3+的位置，同時要知道水可以電離出H+、OH-，也會放電。完善后的放電順序為：Ag+ >Hg2+ >Fe3+ >Cu2+ >H+（酸）>Pb2+ >Sn2+ >Fe2+ >Zn2+ > H+（水）>Al3+ >Mg2+ >Na+ >Ca+ >K+； S2- >I- >Br- >Cl- >OH- >含氧酸根離子。

設(shè)計意圖：基于宏觀實驗現(xiàn)象猜想驗證是否正確，體現(xiàn)化學(xué)學(xué)科以實驗為基礎(chǔ)的學(xué)科特點；通過分析電解氯化銅溶液的原理并建構(gòu)電解模型，拓展延伸陰、陽離子的放電順序，提升學(xué)生的宏觀辨識、微觀探析、證據(jù)推理、模型認(rèn)知等化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

【過渡】在剛才電解氯化銅溶液電鍍樹葉的實驗中，陰極的樹葉上有紅色的銅析出，陽極用的是鉛筆芯，屬于惰性電極。如果我們交換陰極和陽極，會是什么樣的情況呢？

環(huán)節(jié)三：深化模型，提升認(rèn)知

【學(xué)生活動四】實驗探究二：將實驗探究一中電解氯化銅溶液時已經(jīng)電鍍上銅的樹葉與電源正極相連，鉛筆芯與電源負(fù)極相連（如圖4），觀察實驗現(xiàn)象。

【教師】實驗探究一中，在陽極上是Cl-失去電子變成Cl2，而我們將附有紅色銅的樹葉做陽極時，發(fā)現(xiàn)首先失去電子的是Cu而不是Cl-，由此我們可以得出什么結(jié)論？

【學(xué)生】當(dāng)金屬作為陽極時，首先放電的是金屬單質(zhì)而不是陰離子。

【教師】其實也并不是所有的金屬單質(zhì)都會在陽極失去電子，只有除Pt和Au以外的金屬做陽極時，才是金屬失去電子。

【補充】陽極的放電順序：活性電極（除Pt和Au外的金屬）> S2- >I- >Br->Cl- >OH- >含氧酸根離子。

【教師】請大家依據(jù)陰極和陽極的放電順序，分析兩個電極可能產(chǎn)生的氣體有哪些。

【學(xué)生】陽極可能產(chǎn)生的氣體有Cl2和O2，陰極可能產(chǎn)生的氣體只有H2。

【教師】對于陽極，OH-失去電子，電極反應(yīng)式為4OH--4e-＝O2↑+2H2O；如果OH-是由水電離的，則電極反應(yīng)式為2H2O-4e-＝O2↑+4H+，這樣就會導(dǎo)致陽極附近的溶液呈酸性。

對于陰極，H+得到電子，電極反應(yīng)式為2H++2e-＝H2↑；如果H+是由水電離的，則電極反應(yīng)式為2H2O+2e-＝H2↑+2OH-，這樣就會導(dǎo)致陰極附近的溶液呈堿性。

設(shè)計意圖：通過交換“電鍍樹葉”實驗的電極，引導(dǎo)學(xué)生思考陰陽極的變化會使電極反應(yīng)以及實驗結(jié)果發(fā)生哪些變化，并通過實驗驗證猜想，使學(xué)生在探究過程中感悟到化學(xué)變化無處不在，對電解中陽極材料的選擇要謹(jǐn)慎，從而發(fā)展學(xué)生的科學(xué)探究、變化觀念等化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

環(huán)節(jié)四：應(yīng)用模型，解決問題

【學(xué)生活動五】實驗探究三：電解飽和食鹽水。

【過渡】如果電解液變?yōu)轱柡褪雏}水，電極用鉛筆芯，嘗試通過實驗分析陰、陽兩極的產(chǎn)物。

實驗用品：飽和食鹽水溶液，酚酞溶液，碘化鉀淀粉試紙；9 V電源，塑料吸管，鉛筆芯，導(dǎo)線。

【教師引導(dǎo)】上述實驗會生成次氯酸鈉溶液，因此可以用來制取生活中常見的84消毒液。

設(shè)計意圖：通過電解飽和食鹽水實驗，讓學(xué)生進一步鞏固和升華電解知識，充分體現(xiàn)化學(xué)的學(xué)科價值，落實科學(xué)態(tài)度與社會責(zé)任化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

五、教學(xué)反思

在新課程改革的推動下，開展以素養(yǎng)為本的課堂教學(xué)更加受到重視，教師要深度挖掘教學(xué)素材，精心設(shè)計教學(xué)環(huán)節(jié)，在高效完成課程目標(biāo)的同時促進學(xué)生的全面發(fā)展，實現(xiàn)化學(xué)學(xué)科育人。

1.對課本演示實驗進行改進，以便操作和開展分組實驗。改進后的實驗有以下優(yōu)點：①實驗裝置輕便，方便分組，可以讓學(xué)生近距離觀察實驗現(xiàn)象，有助于突破難點，提高教學(xué)效率；②減少藥品的使用量，使生成的污染性氣體減少。

2.創(chuàng)設(shè)真實情境，促進化學(xué)實驗探究，發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)。知識的學(xué)習(xí)應(yīng)在真實的情境中進行，將需要學(xué)習(xí)的新知識和真實情境下的實驗探究活動有機結(jié)合，以實現(xiàn)學(xué)生核心素養(yǎng)的提升。本課首先以自制精美的“電鍍樹葉”這一情境引入新課，引導(dǎo)學(xué)生回顧電解水的原理，建立電解模型，從而達到溫故而知新的效果；設(shè)計循序漸進、螺旋上升的探究實驗，提升學(xué)生的實踐能力；通過對宏觀現(xiàn)象進行微觀探析，引導(dǎo)學(xué)生進行歸納總結(jié)、建構(gòu)并深度理解電解原理模型，發(fā)展學(xué)生的證據(jù)推理、模型認(rèn)知、科學(xué)探究等化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。其次，通過電解飽和食鹽水自制消毒液，讓學(xué)生在收獲知識的同時提升學(xué)科關(guān)鍵能力，感受到化學(xué)學(xué)科的魅力與社會價值，培養(yǎng)學(xué)生的社會責(zé)任感。

3.改變教學(xué)方式，實現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)的高效達成。本節(jié)課基于電解氯化銅溶液實驗，根據(jù)新課標(biāo)提出的教學(xué)目標(biāo)，結(jié)合學(xué)生的認(rèn)識水平和已有知識，通過“情境創(chuàng)設(shè)—大膽猜想—設(shè)計方案—實驗求證—模型建構(gòu)—變式遷移—學(xué)以致用”等一系列探究活動建構(gòu)電解原理模型。通過改變教學(xué)方式，創(chuàng)設(shè)教師為主導(dǎo)、學(xué)生為主體的教學(xué)模式，實現(xiàn)知識、方法與應(yīng)用三者融合，培養(yǎng)學(xué)生的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)，促進教學(xué)目標(biāo)的高效達成。

［? ?參? ?考? ?文? ?獻? ?］

［1］［2］? 中華人民共和國教育部.普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)：2017年版2020年修訂［M］.北京：人民教育出版社，2020.

（責(zé)任編輯? ? 羅? ? 艷）

［基金項目］廣西柳州市基礎(chǔ)教育科學(xué)“十四五”規(guī)劃課題“三新背景下高中化學(xué)主題教學(xué)實踐研究”（立項編號：2022C74）的階段性研究成果。