詮釋理論與實驗結合 培養學生化學學科的探究素養

陳劍松

（福州第一中學，福建福州350108）

詮釋理論與實驗結合 培養學生化學學科的探究素養

陳劍松

（福州第一中學，福建福州350108）

化學作為一門重要的實驗學科，以實驗為本，在高中化學課堂教學過程中，要研究化學現象和化學反應，就離不開化學實驗，離不開化學理論的運用和運用理論解釋現象的思維過程。理論思維與實驗教學的有機結合，能夠有效地培養學生的觀察能力和思維能力；培養學生求實的實驗精神和嚴謹的科學態度，促進學生在化學學科上科學思維（質樸性、辯證性、創新性）的全面發展。

理論與實驗 電化學 化學平衡 科學思維

實驗與理論思維相結合是科學方法論中的基本方法之一，化學作為一門重要的實驗學科，以實驗為本，在高中化學課堂教學過程中，離不開化學實驗［1］。德國化學家維勒曾經說過：“離開化學實驗室，我的心臟就無法跳動。”對于化學課堂教學來說，實驗與理論的運用具有同等的重要性。通過探究實驗來詮釋電化學的重要應用，將應用融入到平時的課堂教學中來，以激發學生們探索學習化學并熱愛化學的積極性。

一、鋅—空氣燃料電池——思維的質樸性

利用原電池的工作原理可以設計滿足日常生活和工業生產需要的各種化學電源，如用于“神六”的太陽能電池、筆記本電腦專用電池等。在中國科學院海西研究院教師的指導下引進一種新型電池：鋅—空氣燃料電池，以期讓學生們接觸到科學院的頂尖科研技術，拓展學生們的視野。

電池構成：

負極——鋅片。

正極——表面覆蓋有催化劑的碳片。

電解液——6 mol·L-1的KOH溶液。

絕緣和密封襯墊——尼龍材料。

隔離層——用于隔離兩級間固體粉粒的移動。

電池外表面——有機玻璃外殼，具有良好的抗酸堿腐蝕性。

總反應為： 2Zn+O2+4OH-+2H2O ＝2Zn（OH）42-。

利用這種新型電池連接發光二極管供電，當發光二極管發出炫目的七彩顏色時，學生們立刻被課堂上的實驗現象所吸引，感嘆科學知識在實驗中的應用所帶來的魅力。由于電極反應式的書寫始終是高中化學的一個重難點，此時通過師生討論共同完成鋅—空氣燃料電池電極反應式的書寫。

【板書】負極：2Zn-4e-+8OH-＝2Zn（OH）42-

正極：O2+4e-+2H2O＝4OH-

通過電極方程式的書寫發現其實海西科學研究院的頂尖科研技術產品原理并不難，從而揭去高端科研產品的神秘面紗，引導學生認識其實令人眼花繚亂的諸多新型化學電源工作原理與書上最普通的鋅銅原電池并無兩樣，萬變不離其宗，復雜是外表，核心原理卻是質樸的！這樣的訓練既鞏固課本的原電池原理，深化理論與實踐的整合，培養學生思維的質樸性，更重要的是增強學生科學探究的信心。

二、原電池中化學平衡的移動——思維的辯證性

化學平衡移動的知識與日常生活、工業生產關系十分密切，也是高中化學教學的重難點，在思維上，化學平衡是培養辯證思維的最佳素材，以往平衡歸平衡，電池歸電池，能否將電池與平衡結合呢？通過摸索尋找適合的素材。

【提供可選的試劑】

0.8 mol·L-1FeSO4（aq）、 0.2mol·L-1K2Cr2O7（aq）、

1 mol·L-1H2SO4（aq）、 6 mol·L-1KOH（aq）

根據以上所提供的藥品設計一個原電池裝置：

6Fe2++Cr2O72-+14H+=6Fe3++2Cr3++7H2O

如右圖：U形管內填充的是飽和KCl溶液和瓊脂，兩極均使用惰性電極石墨，連接一個靈敏電流計，U形管左側注入約4mL 0.8mol·L-1FeSO4溶液，U形管右側注入約 3mL 0.2mol·L-1K2Cr2O7和1mL 1mol·L-1H2SO4的混合液。連接好電路后，將兩根石墨電極共同放入到U形管的兩側。此時電流計指針發生偏轉，說明產生電流，指針偏轉指向的正是作為原電池的正極石墨棒（浸有 K2Cr2O7和稀H2SO4的混合液）。

接下來通過外加試劑使平衡發生逆向移動，此時電流計指針反向偏轉，然后觀察一段時間后電流計指針是否指向“0”位置？如何使平衡逆向移動呢？通過反應式正向反應時消耗掉H+，H+的對立面是OH-，反應若逆向進行會不會加堿呢？實驗是證明的最有力手段！接下來逐滴滴加6 mol·L-1KOH（aq），果真電流計指針反向偏轉，一段時間后電流計指針回流至“0”位置，說明反應在一定條件下達到平衡狀態。

將原電池與化學平衡結合，不僅拓展學生對原電池原理與化學平衡移動原理的認識，更重要的是引導學生認識事物的兩面性，學會辯證看問題，培養思維的辯證性，提升思維的品質。

三、高鐵酸鉀的電解制備原理——思維的創新性

目前關于電解的應用主要集中在四個方面：①氯堿工業生產；②活潑金屬的冶煉；③電鍍；④粗銅的電解精煉。除了電解的四大應用外，可以通過高鐵酸鉀的電化學合成實驗探究，啟迪學生的的觀察能力和思維能力，培養求實精神和嚴謹的科學態度。

兩極均使用鐵電極，采用5V的直流電源，電解6mol·L-1KOH溶液，一段時間后觀察現象，分析原因？

大多數學生預測的現象是：因為陽極上鐵電極的放電造成在KOH溶液中會出現白色沉淀Fe（OH）2，迅速變成灰綠色最終變成紅褐色；陰極表面有大量氣泡產生。然而事實卻大大出乎學生們的預料，除了在陰極表面看見預測的氣泡外，實驗過程中自始至終并沒有看到沉淀，取而代之的是溶液逐漸變成紫色（見左圖），這個“新”現象激發了學生們的探究欲望，怎么會這樣呢？

當出現理論思維與實驗教學的矛盾對立時，應該怎么辦？學生們都異口同聲地說要尊重實驗結果和現象，這體現了一種科學探索的實驗素養，也正是這堂課所要給學生們傳送的一種理念：求真務實，詮釋理論與實驗相結合的一種探索實驗精神。那么出現的紫色物質是什么呢？通過查閱文獻資料發現高鐵酸鉀是一種能夠使溶液呈現紫色的物質，思考高鐵酸鉀生成的思路并書寫電解過程中兩極電極反應式。

負極：2Fe-12e-+16OH-＝2FeO42-+8H2O

正極：12H2O+12e-＝6H2↑+12OH-

PPT展示高鐵酸鉀的重要應用：已作為新一代的綠色環保水處理劑而被廣泛關注。

①高鐵酸鉀可用于工業廢水與城市生活污水的處理。

②高鐵酸鉀可用于魚塘水產養殖類水處理。

③高鐵酸鉀可用于海洋防污處理。

④高鐵酸鉀可用于游泳池水的再生使用等。

為什么高鐵酸鉀可作為新一代的綠色環保水處理劑？結合高中課堂教學對于凈水劑的認知進行交流與討論：FeO42-具有強氧化性，可使水中菌體蛋白質變性而起到殺菌的功效，同時還原產物Fe3+會水解生成Fe（OH）3膠體，可使水中的懸浮物被膠體粒子吸附而沉降下來。而凈水劑本身對水凈化處理的原理通過就是這兩點：①膠體的吸附沉降；②殺菌消毒；高鐵酸鉀水處理劑在這兩點上都能發揮作用，通過激光筆照射高鐵酸鉀溶液顯示光亮的通路（丁達爾現象）進一步驗證了膠體的生成。

用鐵做電極電解KOH溶液本該生成Fe（OH）2能預期的“舊”現象，可實際看到的卻是生成紫色溶液的“新”現象，這個案例揭示電解過程的復雜性，引導學生認識電極材料、反應溫度、電解質溶液濃度、電壓高低等因素都會影響電解產物，解決“新”現象需要新思維，故“新”“舊”現象的解決無疑拓展了學生的視野，活化了學生的思維，提升思維的創新性。

綜上所述，在課堂實驗上構建實驗探究課堂，不但提升了學生的學習積極性，而且發展了學生探索和解決問題的能力，當出現理論思維與實驗教學的矛盾對立時，其實理論與實驗是矛盾的兩極，只有將兩者能動地聯系在一起，才能真正培養學生求實的實驗精神和嚴謹的科學態度，促進學生整體素質的全面發展。因此，采用實驗探究模式開展的化學趣味性教學，變學生的被動性學習為主動性學習，變苦學為樂學［2］，使學生在學習中體會到化學的生動有趣和魅力，可收到意想不到教學效果。

［1］倪德芳.淺談化學實驗教學中如何做到理論與實驗相結合［J］.吉林教育，2012（1）.

［2］徐慧紅.精心設計點亮課堂 促進學生全面發展——以復習課“二氧化硫的性質”教學為例［J］.化學教與學，2015（4）.

G633.6

A

1673-9884（2017）08-0094-03

2017-06-15

陳劍松，男，福建福州第一中學二級教師。