深化化學基本觀念的學科整合教學*——以“電解原理”為例

陶杰　李遠蓉　宗國慶

深化化學基本觀念的學科整合教學*——以“電解原理”為例

陶杰李遠蓉宗國慶

（西南大學化學化工學院重慶400715）

化學學習的進階性決定了化學基本觀念建構的進階性。“電解原理”屬于進階的高階層次，其所承載的化學基本觀念培養也應該到“深化”的階段。而“電解原理”的物理化學屬性，決定了其與物理學知識的息息相關?；诖?，在分析整合電場知識與化學知識的基礎上，對“電解原理”進行了“化學-物理”學科整合教學設計，旨在深化化學基本觀念的建構。

化學基本觀念；學科整合；電解原理；教學設計

一、問題的提出

《普通高中化學課程標準（實驗）》［1］明確提出“了解化學科學發展的主要線索，認識化學現象的本質，理解化學變化的基本規律，形成有關化學科學的基本觀念”，從而把我國化學教學的取向從“知識本位”轉向了“觀念本位”。化學基本觀念是指學生通過化學學習，在深入理解化學學科特征的基礎上所獲得的對化學的總觀性認識，具體表現為個體主動運用化學思想方法認識身邊事物和處理問題的自覺意識或思維習慣［2］。其以具體事實性知識為載體，又具有超越具體知識以外的持久價值。被化學教育研究共同體所承認的化學基本觀念主要有元素觀、微粒觀、能量觀、變化觀、科學本質觀和化學價值觀等。這些基本觀念之間相互聯系，同時也與物理基本觀念、生物基本觀念同根同源。

基于教學實踐便利性的訴求，我國高中階段將科學課程人為地劃分成了化學、物理、生物和地理等學科。將科學課程劃分開來后，人們似乎也努力將其融合起來旨以整合學生的科學素養，最典型的嘗試便是高考理科綜合試題的編制。但教學經驗告訴我們，這樣的整合常常是形式多過本質，從而導致學生在生物中學了還原糖的檢驗后，在化學中卻不知道怎么檢驗葡萄糖；在物理中學過電勢差與電流產生的關系后，在化學中卻對原電池的工作原理依舊死記硬背。這種由形式割裂造成的思維模式割裂阻礙了學生科學基本觀念的形成，從而導致科學素養碎片化，具體表現為在解決實際生活中的劣構問題時存在著不同程度的障礙?；瘜W基本觀念的形成需要物理、生物知識的整合支持。基于此，我們以“電解原理”為例來闡明如何整合物理學科進行化學基本觀念的培養。

二、教學背景分析

1.三版教科書“電解池”內容構成分析

對三個版本教材中“電解池”內容體系的分析與比較，將有助于我們明確“電解原理”的學科價值，進而確定教學重難點以及確定教學內容的呈現順序。本內容屬于典型的化學概念教學，我們從概念認識、概念發展、概念建構（概念運用）三個維度所選的實驗體系或內容體系來比較分析，結果如表1所示。

表1　三個版本教科書“電解池”內容體系的統計

從統計結果中可以看出，概念建構的三個階段和三個版本的教材均選擇了不同的實驗或內容體系。從概念教學的角度來說，在概念認識階段，學生需要從簡單的實例中歸納出概念的基本特征。因此，若一開始就做電解氯化銅溶液的實驗，由于氯化銅溶液中離子種類的復雜性，將會增加學生思維難度，因而似乎選擇電解熔融氯化鈉作為起始是比較好的選擇。但氯化鈉熔點為800℃左右，致使電解熔融氯化鈉的實驗可操作性不強。

基于以上分析，我們決定采用電解水實驗作為概念認識的起點。一方面電解水實驗是學生僅有的電解模型基礎；另一方面，電解水和氫氧燃料電池合在一起可以很好地向學生展示電能與化學能之間的轉化關系，降低思維難度的同時也貫穿教學始終，一舉多得。在初步認識概念后，再讓學生分析電解氯化銅溶液，以強化概念建構。

2.“電解原理”內容與物理學整合的可行性分析

“電解原理”內容位于“化學反應原理”模塊，從知識類別屬性上來說，其屬于物理化學內容。物理化學是從物質的物理現象和化學現象的聯系入手，來探求化學變化基本規律的一門科學，在實驗方法上也主要是采用物理學中的方法［3］。體現在“電解原理”上，則是運用電場相關知識來推導與解釋電解時離子導體中離子的遷移行為，這為化學與物理學電場知識的整合教學提供了條件?；瘜W與物理學整合教學的可行性分析如圖1所示。

圖1　電解原理融合物理學知識的可行性分析圖

電場知識位于高中物理選修3-1模塊的第一章，課時通常安排在高二上學期，這恰好與“電解原理”教學相契合。結合電場模型，學生會很容易分析出通電條件下離子導體中離子的遷移情況，從而建構起電解原理和原電池概念，在深化化學基本觀念的同時，加深對電場知識的理解。

3.化學基本觀念的抽提

“電解原理”是中學化學典型的概念原理教學，目前也有很多研究者對本內容進行了教學研究［4-6］，但或是未強調化學基本觀念的深化，或是沒有綜合運用物理學知識來支撐學生分析和理解電解原理。本內容位于選修4模塊，是高中電化學和氧化還原反應等知識發展的最高階段，也是最后階段。因此，通過本次課的學習，學生對原電池概念組和電解池概念組、氧化還原反應、電能與化學能之間的轉化等的認知要發展到掌握和運用水平層次，相應的化學基本觀念也應由此前的低階層次上升到高階層次。因此，該內容所承載的化學基本觀念及相應的具體內容如圖2所示。

圖2　“電解原理”承載的化學基本觀念

三、教學實錄

1.情境導入，提出研究問題

【情境1】2015年5月，咱們重慶的第一條純太陽能路燈道路——高新區創新大道開始投入使用。路燈的頂端都有一塊太陽能電池板，作用是將太陽能轉化成電能，但太陽能路燈晚上才工作。

【問題1】太陽能路燈如何儲存太陽能轉化成的電能？

【學生】運用手機等上網設備進行“電能”資料的查詢，討論電能可能的儲存方式，得出電能可以轉化成其他形式的能量進行儲存的猜測。

設計意圖：從學生熟悉的生活情境中提出問題，引導他們查閱資料，培養發現問題和查詢資料的意識與方法，為化學問題的提出奠定基礎。

2.拆分問題，形成假說

【問題2】對于太陽能路燈，將電能轉化成哪種形式的能量進行儲存較為實際呢？

【學生】分析各種能量形式的儲存方式后認為，將電能轉化成化學能儲存于化學物質中，待運用時再通過原電池轉化出來。

【歸納】所以，我們是不是就可以形成這樣的一種假說，太陽能轉化成的電能可以轉化為化學能儲存起來，等到需要的時候再通過原電池裝置將其轉化為電能。

【問題3】目前有什么樣的實驗事實可以支撐我們的假說呢？

設計意圖：將生活問題拆分轉化成化學問題，在查閱資料的基礎上形成假說，培養學生根據已有資料形成假說的能力。

3.收集實驗事實證實假說，深化能量觀、轉化觀

【過渡】我們先來看一個大家很熟悉的實驗，看從中能否得出一些啟示。

【演示實驗1】運用魏博士“一分鐘電解水”實驗裝置進行電解水的演示實驗，一插電即可觀察到有明顯的氣泡產生。

【問題組4】

（1）電解水的過程產生了氫氣和氧氣，主要的能量轉化情況如何？

（2）如何再次將氫氣與氧氣中的化學能轉化成電能？

【學生】電能轉化成化學能了，儲存在氫氣和氧氣中了?？梢宰寶錃馀c氧氣構成氫氧燃料電池，從而將化學能再次轉化成電能。

【演示實驗2】在電解水的基礎上撤走電源后，立即構成氫氧燃料電池，將小風扇與該裝置相連，裝置轉動起來。

【問題5】這兩個實驗說明了什么？

【學生】說明了電能可以轉化成化學能儲存起來，化學能也可以轉化成電能。進而說明了將電能轉化成化學能儲存于化學物質中是可能的。因而電解水和氫氧燃料電池可以作為支撐假說的證據。

【總結】通過實驗我們會發現，電解水將電能轉化成了化學能，儲存在了生成的氫氣和氧氣中，氫氧燃料電池又將儲存在其中的化學能轉化成了電能，同時生成的水可以循環利用，實現了能量的轉化和物質的循環利用。所以這個實驗可以作為支撐我們假說的一個有力證據。

【問題6】在科學研究當中，假說的證實是一個實驗、一個證據所不能完成的，還有什么樣的事實作為證據呢？

【引導】引導學生收集分析鈉與氯化鈉、鎂與氯化鎂、鋁與氯化鋁之間的相互轉化以及其中的能量轉化關系，充實證據。

【總結】因此，我們就可以說，電能確實可以轉化成化學能儲存，待運用時再通過原電池裝置釋放出來，即假說成立的可能性很高。

設計意圖：在提出假說的基礎上，引導學生通過實驗進行取證，培養學生的證據意識。通過讓他們分析已有實驗基礎（文獻綜述的初級表現形式），感受科學研究中假說證實的證據嚴謹性。通過直接感受化學能與電能的相互轉化，深化能量觀；梳理電解法制備活潑金屬的實驗事實，深化轉化觀。

4.整合電場模型解釋假說，深化微粒觀、能量觀

【問題7】在科學研究當中，運用證據證實假說只解決了“是什么”的問題，而要解決“為什么”的問題還需要運用證據對假說進行解釋。所以，該如何運用以上證據來解釋我們的假說呢？即電能是如何轉化成化學能的呢？

【提示】

（1）水是弱電解質，會發生微弱電離；

（2）與電源相連后，可認為兩電極分別富集了大量正電荷和負電荷；

（3）帶電粒子在電場中運動會受到電場力的作用。

【學生】以小組為單位整合電場模型和電解質的電離，討論后認為氫離子和氫氧根在電場中由于受到電場力的作用而定向移向兩極，在兩極反應生成氫氣和氧氣。

【總結】水是一種弱電解質，在通電之前，會有微弱的電離，從而產生氫離子和氫氧根離子，這些離子在通電之前都是自由移動的。通電之后，我們可以認為與電源負極相連的導體富集了大量的負電荷，而與電源正極相連的導體則富集了大量的正電荷，這樣一來，兩個電極之間就形成電場。氫離子和氫氧根離子都是帶電粒子，因而在電場中會受到電場力的作用，氫離子將移向左邊，氫氧根離子將移向右邊。

【陳述】氫離子和氫氧根到達兩個電極上以后，氫離子會結合電極上的負電荷形成氫氣，得電子發生還原反應。同理，氫氧根在另一電極上結合正電荷，表現為失電子，發生氧化反應，生成氧氣。而與電源負極相連的一極由于聚集了大量的負電荷而具有陰離子的特質，被人們稱為“陰極”，具有氧化性的離子在上面發生還原反應；與電源正極相連的一極由于聚集了大量的正電荷而具有了陽離子的特質，被人們稱為“陽極”，具有還原性的離子在上面失去電子，發生氧化反應。

若電池組內部單體電池的電壓出現異常，則可能直接導致整車的高壓斷電，踩加速踏板車輛就不會有反應，同時整車警告燈、低壓及高壓電池警告燈會點亮。對單體電壓的檢測，涉及到其單獨充放電測試，需要一定的檢測設備，一般維修廠可能尚不具備檢測能力。

【板書】

（1）放電：離子在電極上得到或失去電子，從而發生氧化還原反應的過程。

（2）陰極：具有陰離子特質，發生還原反應；陽極：具有陽離子特質，發生氧化反應。

（3）電解：電流通過電解質溶液在陰陽兩極引起氧化還原反應的過程。

（4）電解池：借助電流引起氧化還原反應，從而將電能轉化成化學能的裝置。

【陳述】我們可以用電極反應式來表示電解池電極上的反應，這與原電池電極是一樣的。

【問題8】如何書寫電解水實驗中的電極反應式？

【學生】書寫出電極反應式。

【問題9】以此看來，太陽能路燈是如何儲能的呢？

【學生】白天太陽能電池板通過光伏發電將太陽能轉化成電能，電能通過電解池裝置儲存在化學物質中，夜晚工作時，再通過原電池裝置將化學能轉化為電能供照明使用。

設計意圖：整合電場模型，從水電離的微觀角度來分析解釋電能轉化成化學能，深化微粒觀和能量觀。讓學生體驗用證據證實假說和解釋假說是科學研究中非常重要的環節，進一步培養學生的科學本質觀。在透徹分析實驗證據的基礎上，歸納抽象出電解原理和電解池概念，初步建構電解池模型。

5.分析電解氯化銅溶液，深化微粒觀

【情境2】在做電解水實驗時，為了加快反應速率，我們會加入一些電解質，可以加入哪些呢？

【學生】硝酸鈉、氯化銅、氯化鈉、硫酸、鹽酸、碳酸鈉、氫氧化鈉……

【問題9】這些電解質的加入，是否會對電解水有影響？如何證明？

【提示】以小組為單位，結合電場模型以及電解質溶液中的離子種類，嘗試分析氯化銅、氯化鈉電解質的加入對電解水實驗的影響。

【學生】小組分析討論電解質加入后，產生疑問，不知道是哪些離子放電，提出需要實驗提供證據。

【問題10】如何設計實驗證明電解氯化銅、氯化鈉溶液中到底哪些離子放電？

【學生】電解氯化銅、氯化鈉溶液，如果陽極產生的氣體為氯氣，則是氯離子放電，陰極產生銅單質和鈉單質（后來又意識到鈉與水會反應，因而有些小組將其改為產生氫氣），則是銅離子和鈉離子放電。

【小組實驗】小組自選氯化銅或氯化鈉來做實驗，在U形管中用石墨電極進行電解，觀察記錄現象。

【實驗結果】匯報結果后學生一致同意陽極為氯離子放電，而做氯化銅的一致認為陰極為銅離子放電。做氯化鈉的組檢驗到有氫氣產生，但產生了分歧，有的認為是鈉離子放電產生的鈉與水反應生成的氫氣，有的認為是氫離子放電，因而爭論不休。

【引導分析】從比較氫離子與鈉離子氧化性的角度分析得出應該為氫離子放電。引導寫出相應電極反應式。

【問題11】通過實驗大家有什么發現？

【學生】加入的電解質會影響電解水實驗，不是哪一種都可以產生氫氣和氧氣，多種離子同時移向同電極時，放電存在競爭。

【分析】引導學生從氧化還原性上分析總結出陰陽離子的放電順序。

【板書】

陽離子放電順序：Ag+＞Hg2+＞Fe3+＞Cu2+＞H+＞Pb2+＞Sn2+＞Fe2+＞Zn2+＞H+（H2O）＞Al3+＞Mg2+＞Na+＞Ca+＞K+

陰離子放電順序：S2-＞I-＞Br-＞Cl-＞OH-＞含氧酸根離子

設計意圖：在初步建構電解池模型的基礎上，整合電場模型分析討論電解質離子對電解水的影響，感受不同離子由于氧化還原性不同，導致放電順序不同，從而促進學生對電解原理的深入理解，深化微粒觀。

6.總結歸納

【問題12】梳理研究過程，整理出研究方法，是科學研究中非常重要的工作，所以我們回顧一下本節課我們是如何一步步解決問題的呢？

【歸納】首先是我們觀察身邊的事物——太陽能路燈，發現感興趣的問題，接著我們運用網絡工具進行資料查找，在資料的基礎上，我們形成了電能可以轉化成化學能進行儲存的假說，為了證實假說，我們又進行了實驗和已有資料的梳理，從而證實假說。接著我們從微觀角度分析氫氧燃料電池和電解水實驗來解釋我們的假說，得出電解原理和電解池概念，也就是形成規律。

設計意圖：引導學生回顧問題解決過程，梳理出解決問題的一般思路，基于課堂而超越課堂。

四、結語

科學素養的培養，需要以學科基本觀念的建構為基礎，而科學基本觀念的建構又需要立足于課堂教學。化學、物理、生物之間并沒有絕對的界限，且本就同屬科學范疇。因而無論哪方面學科觀念的建構都需要考慮與其他學科的整合。值得注意的是，這里所說的學科整合教學并非指綜合課程或綜合活動課程，也并非指將三門學科的新知識以主題的形式融合在一堂課上，而是指在學科教學中引導學生思考與解決問題時，應當整合學生已有的各學科知識、方法甚至是思維方式，以培養學生完整的科學觀念，從而建筑完整的科學素養。這不僅要求教師要有意識地挖掘學科之間的聯系，更要求在教材編寫乃至課標制定時，需要明確建立起學科關聯的橋梁。

［1］中華人民共和國教育部制定.普通高中化學課程標準（實驗）［M］.北京：人民教育出版社，2003

［2］畢華林，盧巍.化學基本觀念的內涵及其教學價值［J］.中學化學教學參考，2011（6）：3-6

［3］傅獻彩，沈文霞，姚天揚等編.物理化學上冊（第五版）［M］.北京：高等教育出版社，2005：3

［4］陳詠梅.創設層層遞進的實驗情境，自主建構電解原理［J］.中學化學教學參考，2013（3）：24-25

［5］莘贊梅.促進學生“微粒觀”建構和發展的教學研究［J］.中學化學教學參考，2012（11）：7-9

［6］王青崗.問題引領重點突破螺旋上升——“電解原理”教學設計和教后反思［J］.中學化學教學參考，2014（6）：32-33

1008-0546（2016）11-0005-04

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B

10.3969/j.issn.1008-0546.2016.11.002

*重慶市研究生科研創新項目（編號：CYS14050）研究成果；重慶市第七屆“科慧杯”研究生創新創業大賽基金項目“高中化學教材化學史教學資源包的開發與利用”（編號：071073）研究成果。