基于利用自制教具的創新設計

王旭斌

摘要：發揮自制實驗教具特點及優勢，激發學生學習熱情;探究電解工作原理及應用;感受學科知識與社會環境的關系;從而培養學生化學核心素養和科學品質。

關鍵詞：自制教具;創新設計;電解原理及應用;化學核心素養

文章編號：1008-0546（2018）10-0084-04 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

一、對自制教具在高中化學實驗教學中的作用的認識

化學作為一門以實驗為基礎的代表性學科，實驗教學儀器一定是開展化學教學必備的物質條件，因為化學的教與學只有通過實驗的方式才是最直觀、最高效的，所以化學的有效教學必然要依托化學儀器。

當然任何版本高中化學教材中涉及到實驗教學時，都有指定的實驗裝置和器材，而這些器材基本上是常規的實驗器材，對實驗教學方式、方法上都會有一定的固化和束縛，不能充分滿足新課改背景下培養科學思維和創造性的需求，并且教師的個性化教學也受到了限制。所以在化學學科素養教學背景的新理念下“低成本，少污染，充分利用生活中常見的物品和廢棄物”也是實驗學科教育的原則之一，依據教學需要，自己動手，就地取材（例如：吸管、筆芯、礦泉水瓶、點滴管，別針，注射器、吊瓶、鉛筆芯，電池等有效材料），制作出匹配的、有效的、科學環保的實驗教具。讓自制教具在對應的實驗探究中發揮出普通教具不具有的特點及優勢，同時鼓勵學生積極探究，自己設計實驗方案和教具，這不僅能增強學生對基礎知識和基礎技能的掌握能力，而且也能培養學生的自學能力、思維能力、動手能力、創造能力[1]，對激發學生用科學的態度發現和提出有探究價值的化學問題以及深刻理解化學、技術、社會和環境之間的相互關系有很大的幫助。

二、基于利用自制教具的創新設計教學流程

[師]今天老師有雙重身份，是一名教師同時還是一名神奇的魔術師……

1.實驗一教師演示“白葡萄酒”變“紅葡萄酒”

（教具制作：將十顆1.5V紐扣電池設計組裝后隱藏于學生常用的兩支自動鉛筆中，電池正、負極分別與兩鉛筆芯相接后作為魔術棒;用滴加有5-6滴酚酞試劑的飽和碘化鉀溶液作為“白葡萄酒”;教具優點：普通鉛筆作為電解魔術棒非常隱蔽，電解迅速，顏色變化明顯、趣味、懸疑。見圖1。）

設計意圖：利用自制教具，教師以魔術師的角色出現，將裝在酒杯中的“白葡萄酒”，用魔術棒輕輕攪拌后迅速變成“紅葡萄酒”，讓學生產生質疑，從而激發學生求知欲，猜想到底是什么神奇的魔力將“白葡萄酒”變成了“紅葡萄酒”，設置懸念，為后面電解內容的教學做好鋪墊。

2.實驗二教師演示電解水

[師]電解其實是我們熟悉的字眼，在初中科學中我們就了解過電解水，那么同學們自己觀察過電解水嗎？對電解水的產物又該如何驗證呢？接下來由我來演示電解水，我們一起感受一下。

（教具制作：將一個MEA快速電解水模塊裝置的出氫端和出氧端分別用橡膠軟管與帶刻度的注射器連接而成。教具優點：電解快速，便于觀察氣體體積比及檢驗氣體方便。見圖2。）

[生]電解水產生氫氣和氧氣，體積比為2：1。

設計意圖：利用現成的快速電解水模塊電解水，可以直接、快速觀察氫氣和氧氣的產生，用注射器收集氣體可以觀察氫氣、氧氣的體積比為2：1，氫氣利用注射器蘸取肥皂液吹出氫氣泡后用明火點燃檢驗的趣味驗證方法，氧氣利用注射器吹出氧氣使帶火星的木條復燃來檢驗。電解水及檢驗方式新穎、有趣，能很好地調動學生自己嘗試實驗的積極性，同時為后面教學重點——電解原理的探究做好鋪墊。

[師]我們一起感受了電解水，接下來同學們自己動手體驗電解氯化銅溶液。

3，實驗三學生操作電解氯化銅溶液

[教具制作：截取5cm點滴管固定在小燒杯上作為電解槽，管中注人約0.3mLlmol·L^-1的CUCl

（1）實驗步驟

①如圖所示，用注射器向軟管口加入約0.3mLlmol·L^-1的CUCl_榕溶液。

②用9V干電池作電源，負極與鋼針連接，正極與鉛筆芯（軟管口堵有蘸取KI-淀粉溶液的小棉球）連接后，分別插入軟管電解液中觀察，10s后再取出電極觀察。

[師]請同學們描述實驗現象，對照電解水和電解氯化銅溶液的不同結果，分析為什么水中溶解氯化銅之后電解產物發生改變？

[生]現象：鋼針頭明顯有紫紅色固體析出，鉛筆芯端有氣體析出，小棉球變成藍紫色，思考電解水和電解氯化銅產物不同的原因。

設計意圖：首先，打破了教科書上常規的U型管，高電壓電解氯化銅溶液，換成了用輸液小軟管作電解槽，鋼針、鉛筆芯作電極，9V干電池電解氯化銅，具備微型、微量、快速、現象明顯、環保等優點，提示學生化學實驗能在原有的基礎上依據探究目的，可以重新設計并優化實驗方案，注重科學、環保，感知學科與社會、環境的必然聯系;其次，與電解水的現象差異對比，引出電解池工作原理的微觀探究及為“放電順序”這一難點的教學做好鋪墊。

[師]學習化學的過程我們要懂得通過觀察、辨識一定條件下物質變化的宏觀現象差異，運用化學微觀層面的知識去分析理解，接下來我們就通過分析電解水和電解氯化銅溶液的微觀過程來解決前面的疑間及學習電解的工作原理。見圖4。

[師]請同學們根據電解微觀過程總結電解池的工作原理，理解不同微粒的放電順序，明確電解他的構造及相關電解概念。

[師生歸納]1.電解定義;2.電解池概念;3.構成電解池的條件;4.放電順序;5.工作原理。

設計意圖：利用微觀分析法解決電解水和電解氯化銅溶液的宏觀差異，明確電解相關概念，突出本堂課教學重點——電解工作原理、突破不同粒子放電順序這一教學難點，并且培養學生學會根據物質的微觀結構預測物質在特定條件下可能具有的性質和發生的變化，培養學生宏觀辨識和微觀探析的能力。

[師]掌握了電解的基本原理，接下來讓同學們來感受一下電解在生產、生活中的應用。

4.實驗四學生操作電解應用系列實驗

（教具制作：取兩支25mL塑料注射器，管體側面對應位置開孔后用塑料軟管對接密封作為電解槽，注射器正上方相應位置分別開口插入高溫淬火過的2B鉛筆芯作為電極，針頭處換成帶開關的醫用軟管便于控制電解產生的氣體。教具優點：多功能電解裝置，對電解產物的檢驗方便并且環保，一定條件既是電解池裝置又是原電池裝置，對電化學教學有獨到的優勢），見圖5。

（1）實驗步驟：

①取如圖所示裝置，裝有飽和食鹽水，關閉開關。鉛筆芯兩頭分別按要求與電源對應正、負極相接，用9V電池電解、觀察，2min后切斷電源。

②陰極產生的氣體蘸取肥皂液吹出小泡接近明滅檢驗、電解后的溶液利用注射器推出少量液體于小試管中加酚酞觀察。

③陽極產生的氣體，打開開關幾秒后關閉，觀察濕潤的KI-淀粉棉團。

[師]請同學們按照實驗步驟完成實驗，描述實驗現象，分析實驗原理。

[生]現象：陽極蘸有KI-淀粉的棉團變成藍紫色，陰極檢驗出有H₂產生，溶液變成紅色。

原理：陽極：

陰極：2H₂O+2e-= HZ T +20H-（粉紅色）。

設計意圖：自制多功能電解裝置在電解飽和食鹽水時，不論是實驗現象的觀察，還是產物的檢驗操作，具備明顯、易行。對學生實驗探究的方式、方法及方向都是一種啟迪，學生在實驗過程中，裝置的創新設計所發揮出的特點及優勢，讓學生更深刻地理解氯堿工業的基本原理，同時也鼓勵學生敢于創新和改進實驗。

④關閉開關，繼續用9V電池電解約1min后停止。

⑤取一微型馬達（啟動電壓約0.15V）與兩鉛筆芯相接，觀察能否將化學能轉化為機械能。

[生]現象：馬達啟動工作，說明化學能最終轉化為機械能。

原理：正極：C12+2e一2C1-;

負極：Hz 2e-+ 20H-= 2H₂O，形成燃料電池，將化學能轉化為電能。

設計意圖：接上微型馬達后，馬達啟動工作，學生立馬產生濃厚興趣，產生疑問，馬達啟動需要電，電來自哪里呢？學生又會順其自然地去思考電能是如何轉化而來的，再過渡到燃料電池的相關內容來解釋實驗原理，因此這一環節的設計，既可以考查學生對已學的燃料電池知識點的掌握情況又是電解原理應用的鮮明例子，同時讓學生明白能量變化觀念和平衡思想也是化學學科素養培養的方向Q

⑥打開開關，將陰極氣體排出，滴加1-2滴酚酞于醫用塑料管口，吸人注射器，觀察溶液顏色變化，輕輕推拉陽極注射器活塞，讓陽極的氣體和溶液充分混合后再觀察溶液顏色變化。

侄）思考以上實驗過程及產物分析，了解相關應用。

[生]現象：陰極溶液先變紅后褪色。

原理：陽極：

陰極：（粉紅色）;

相關反應：

設計意圖：根據實驗現象，學生得出紅色溶液最終褪色的原理是陽極產生的氯氣和陰極產生的氫氧化鈉在注射器推拉過程中充分接觸后反應生成了氯化鈉和次氯酸鈉的緣故，由此引出該電解反應的另一個應用，制取“84”消毒水。

[師]高考鏈接

例題：某學生想制作一種家用環保型消毒液發生器，用石墨作電極電解飽和氯化鈉溶液，通電時，為使被完全吸收制得有較強殺菌能力的消毒液，設計了如圖所示的裝置，以下對電源電極名稱和消毒液的主要成分判斷正確的是（）

A.a為正極，b為負極;NaClO和NaCl

B.a為負極，b為正極：NaCIO和NaCI

C.a為陽極，b為陰極;NaC10和NaCI

D.a為陽極，b為陰極;NaCIO和NaCl

設計意圖：結合新型多功能電解裝置制取“84”消毒液的原理與高考題無縫鏈接，體驗高考題其實很注重考查生活實際應用和實驗操作與培養學生學科核心素養緊密聯系在一起。

[師]我們一起來破解魔術。

陽極：（棕黃色）;

陰極：（粉紅色）。

棕黃色+粉紅色=酒紅色

設計意圖：通過提示告知魔術中所用道具的構成及“白葡萄酒”的實際成分，再引導學生利用電解的知識解釋“白葡萄酒”變成“紅葡萄酒”的原理，而電解魔術更是一個有趣的電解應用，當然破解魔術與引題前呼后應給本堂課做了很好的結尾。

[師]同學們對課堂教學中使用到的實驗裝置有什么評價，說說自己的感受，希望同學們嘗試自行設計實驗教具，體會實驗樂趣。

設計意圖：讓學生感受自制教具在教學應用中體現出來的特點及優勢，鼓勵學生能和同學交流實驗探究的成果，提出進一步探究或改進實驗裝置的想法，培養終身學習的意識和嚴謹求實的科學態度，樹立具有可持續發展意識和綠色化學觀念等。

三、基于核心素養下“自制教具”對化學教與學的思考

化學核心素養是學生在化學認知活動中發展起來的并在解決與化學相關問題中表現出來的關鍵核心素養，它凸顯了化學本質特征;反映了化學基本問題;揭示了化學科學思維;體現了課程育人價值1210

網絡技術飛速發展的今天，多媒體及先進實驗教學儀器在化學教學中已舉足輕重，但自制教具在化學教學上仍有獨到的優勢，因為自制教具可有效培養學生學習的主動性;較傳統儀器更能提高學生的學習創造能力;可充分培養師生的創新精神131，并且從環保方面來說，自制教具設計永遠是以環保、節能為最終目的，因此不可忽視簡單自制教具給教師和學生在化學教與學過程中的啟發，因為它緊扣化學教學宗旨，體現化學學科素養，所以教師在自制教具的同時更應該引領學生也自主設計、改裝、開發實驗教具讓學生真實體會學科精神和社會責任。

參考文獻

[1]王和.基于發展學科核心素養的高中化學實驗教學實踐與思考[J].西部素質教育，2016，2（20）：162

[2]楊梓生.對高中化學學科核心素養的認識[J].中學化學教學參考，2016（8）：1-2

[3]王興江.淺談中學化學教學中教具的自制與意義[J].中國科教創新導刊，2010（36）：193