基于化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的“電解池”教學(xué)設(shè)計(jì)

劉鳳艷

摘要：以電解CUCl2溶液為例，通過(guò)引導(dǎo)學(xué)生分析、預(yù)測(cè)、實(shí)驗(yàn)、再分析的探究活動(dòng)，構(gòu)建電解池的認(rèn)識(shí)模型。再運(yùn)用認(rèn)識(shí)模型分析電解NaCl溶液。通過(guò)引導(dǎo)學(xué)生開展探究活動(dòng)和問(wèn)題解決培養(yǎng)學(xué)生“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”和“宏觀辨識(shí)與微觀探析”等化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng);電解池;教學(xué)設(shè)計(jì);證據(jù)推理與模型認(rèn)知

文章編號(hào)：1008-0546（2021）04-0064-03 中圖分類號(hào)：G632.41 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2021.04.017

探索基于核心素養(yǎng)的化學(xué)課堂教學(xué)，既是深化課程發(fā)展所面臨的新挑戰(zhàn)，也是落實(shí)立德樹人根本任務(wù)的必要途徑[1]。電解池是化學(xué)學(xué)科的重要組成部分，學(xué)習(xí)和使用電解池既能解決化學(xué)問(wèn)題，又能發(fā)展和提高學(xué)生的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)[2]。

一、教材分析

《電解池》是電化學(xué)的重要基礎(chǔ)理論，研究的是如何借助電能使不能自發(fā)的氧化還原反應(yīng)能夠發(fā)生。它屬于化學(xué)原理性課程，包含模型建立與實(shí)驗(yàn)探究成分，有利于構(gòu)建宏觀、微觀、符號(hào)表征的學(xué)科思維方法，是學(xué)生深入運(yùn)用氧化還原知識(shí)構(gòu)建電化學(xué)知識(shí)體系的又一核心。本部分內(nèi)容可分為2課時(shí)，第1課時(shí)是電解原理，第2課時(shí)是電解原理的應(yīng)用。

第1課時(shí)要使學(xué)生從微觀世界認(rèn)識(shí)電解池中微粒的移動(dòng)本質(zhì)，把握各電極反應(yīng)的過(guò)程，理解電解池反應(yīng)的本質(zhì)是氧化還原反應(yīng)，從而建立分析電解池的思維模型;同時(shí)《電解池》（第一課時(shí)）的教學(xué)也是對(duì)電解原理在工業(yè)中的應(yīng)用起到奠基的作用。

二、課標(biāo)要求

內(nèi)容要求：了解電解池的工作原理，認(rèn)識(shí)電解在實(shí)現(xiàn)物質(zhì)轉(zhuǎn)化和儲(chǔ)存能量中的具體應(yīng)用。

教學(xué)策略上要求：充分利用電解熔融氯化鈉和電解飽和食鹽水等案例素材，組織學(xué)生開展分析解釋、推理預(yù)測(cè)、設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)等學(xué)習(xí)活動(dòng)，發(fā)展學(xué)生對(duì)電解池工作原理的認(rèn)識(shí)，轉(zhuǎn)變偏差認(rèn)識(shí)，促使學(xué)生認(rèn)識(shí)到電極反應(yīng)、電極材料、離子導(dǎo)體、電子導(dǎo)體是電化學(xué)體系的基本要素，建立對(duì)電化學(xué)過(guò)程的系統(tǒng)分析思路，提高學(xué)生對(duì)電化學(xué)本質(zhì)的認(rèn)識(shí)[3]。

三、學(xué)情分析

1.學(xué)生的起點(diǎn)：通過(guò)氧化還原反應(yīng)、離子反應(yīng)和原電池的學(xué)習(xí)，學(xué)生已掌握氧化還原反應(yīng)理論，初步建立了微粒觀，理解了原電池中電子移動(dòng)、溶液中離子移動(dòng)的微觀實(shí)質(zhì)，并能用化學(xué)用語(yǔ)描述原電池電極反應(yīng)。

2.學(xué)生的障礙點(diǎn)：（1）電解質(zhì)溶液中離子的移動(dòng)方向，（2）離子的放電順序。

3.學(xué)生的增長(zhǎng)點(diǎn)：（1）證據(jù)推理能力。運(yùn)用“實(shí)驗(yàn)假設(shè)→實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象預(yù)期→實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證”的實(shí)驗(yàn)方法，從微觀粒子變化的理性分析，猜測(cè)宏觀生成物質(zhì)，并預(yù)期相應(yīng)的現(xiàn)象進(jìn)行檢測(cè)，提升學(xué)生微觀表征能力與化學(xué)實(shí)驗(yàn)基本能力。（2）模型認(rèn)知能力。通過(guò)分析一種電解池建立分析電解池的思維模型，從而具備分析不同陌生電解池的能力。

四、教學(xué)目標(biāo)

1.通過(guò)分析電解氯化銅溶液建構(gòu)電解池的認(rèn)識(shí)模型，再運(yùn)用認(rèn)識(shí)模型分析電解NaCl溶液，提升“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

2.通過(guò)宏觀（實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象）—微觀（電子、離子的移動(dòng)）—符號(hào)（電極反應(yīng)式）三重表征形成電解池的工作原理，提升“宏觀辨識(shí)與微觀探析”的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

3.通過(guò)電解氯化銅溶液和飽和氯化鈉的分組實(shí)驗(yàn)，體驗(yàn)“實(shí)驗(yàn)假設(shè)→實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象預(yù)期→實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證”科學(xué)探究的基本過(guò)程，提升分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力。

五、教學(xué)重難點(diǎn)

教學(xué)重點(diǎn)：構(gòu)建電解池的認(rèn)識(shí)模型。

教學(xué)難點(diǎn)：離子的放電順序。

六、教學(xué)流程教學(xué)流程見(jiàn)圖1。

七、教學(xué)過(guò)程

環(huán)節(jié)一：電解水實(shí)驗(yàn)引入電解的基本概念和原理

【引入】初中熟悉的電解水實(shí)驗(yàn)，根據(jù)電極產(chǎn)物引導(dǎo)分析對(duì)應(yīng)電極的反應(yīng)類型。

【教師】陰極、陽(yáng)極的概念，電解的定義。

【教師】對(duì)比電解熔融氯化鈉和電解氯化銅溶液的裝置圖總結(jié)電解池的構(gòu)成。

【學(xué)生】直流電源、電極、熔融電解質(zhì)或者電解質(zhì)溶液、導(dǎo)線。

設(shè)計(jì)意圖：從學(xué)生已有知識(shí)出發(fā)，引入陰極、陽(yáng)極，電解、電解池的概念，對(duì)比總結(jié)電解池的構(gòu)成，為后面探究做好理論鋪墊。

環(huán)節(jié)二：利用電解氯化銅溶液構(gòu)建電解池的認(rèn)識(shí)模型

【思考】（1）氯化銅溶液中有哪些離子？

（2）電子的移動(dòng)方向，離子的移動(dòng)方向。

（3）預(yù)測(cè)電極產(chǎn)物。

【學(xué)生分析】（1）Cu2+、cl-、H+、OH-。

（2）學(xué)生A：Cu2+、H+想得電子，所以移向陰極;Cl-、OH-想失電子，所以移向陽(yáng)極，擺動(dòng)模型，見(jiàn)圖2。

學(xué)生B：電子從負(fù)極出發(fā)，經(jīng)外電路回到正極，為了形成負(fù)電荷的閉合回路，所以陰離子移向陽(yáng)極，陽(yáng)離子移向陰極，見(jiàn)圖3。

（3）陰極聚集Cu2+、H+，預(yù)測(cè)生成Cu和氫氣。

陽(yáng)極附近聚集Cl-、OH-，預(yù)測(cè)生成Cl2、O2。

【分組實(shí)驗(yàn)】記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和書寫電極反應(yīng)式：

陽(yáng)極：2Cl--2e-=Cl2↑

陰極：Cu2++2e-=Cu

【再分析】Cu2+和H+都聚集在陰極周圍，Cu2+成功得到電子，說(shuō)明什么？

【學(xué)生】Cu2+電子能力大于H+。

【追問(wèn)】能否用學(xué)過(guò)的元素周期律知識(shí)解釋？

【學(xué)生】還原性：CuH+。

【追問(wèn)】常見(jiàn)金屬陽(yáng)離子得電子順序怎樣？

【學(xué)生】金屬陽(yáng)離子得電子能力與金屬活動(dòng)順序表相反。

【學(xué)生總結(jié)】電解池的分析思路：

（1）溶液中存在的離子。

（2）通電后，電子如何移動(dòng)→離子如何移動(dòng)。

（3）放電（注意順序）陰極：還原反應(yīng);陽(yáng)極：氧化反應(yīng)。

設(shè)計(jì)意圖：學(xué)生用模型理解電解池中微觀粒子的移動(dòng)過(guò)程，體會(huì)分析電解池中粒子移動(dòng)方向的一般方法。創(chuàng)設(shè)情境把學(xué)生的思維引向微觀，通過(guò)宏觀—微觀—符號(hào)三重表征形成電解池的工作原理，提升“宏觀辨識(shí)與微觀探析”的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。落實(shí)學(xué)生用化學(xué)實(shí)驗(yàn)手段進(jìn)行實(shí)驗(yàn)假設(shè)與驗(yàn)證的基本實(shí)驗(yàn)方法，學(xué)生在分析、預(yù)測(cè)、實(shí)驗(yàn)、觀察、再分析活動(dòng)中提升證據(jù)推理核心素養(yǎng)。

環(huán)節(jié)三：運(yùn)用并鞏固電解池認(rèn)識(shí)模型分析電解飽和食鹽水

【思考】用石墨棒電解飽和食鹽水的電極反應(yīng)式。

【學(xué)生運(yùn)用模型】

（1）NaCl溶液中的離子：Na+、Cl-、H+、OH-。

（2）電子的移動(dòng)方向，離子的移動(dòng)方向。Na+、H+移向陰極，Cl-、OH-移向陽(yáng)極。

（3）電極反應(yīng)式。

陽(yáng)極：2Cl--2e-=Cl2↑

因?yàn)檫€原性：Na>H2，所以氧化性：Na+

【追問(wèn)】H+從哪里來(lái)？陰極除了產(chǎn)生氫氣，還會(huì)生成什么？

【學(xué)生】H+來(lái)自水的電離，H+得電子產(chǎn)生氫氣，促進(jìn)水的電離平衡正向移動(dòng)，陰極附近還會(huì)產(chǎn)生OH-。

【分組實(shí)驗(yàn)】用浸泡過(guò)飽和食鹽水的粉筆代替飽和氯化鈉溶液，用2B鉛筆芯代替普通石墨電極，陰極區(qū)滴入酚酞，陽(yáng)極區(qū)用濕潤(rùn)的淀粉KI試紙檢驗(yàn)[4]（圖4）。

【學(xué)生】記錄現(xiàn)象，完善電極反應(yīng)式。

陰極：2H2O+2e-=H2↑+2OH-

陽(yáng)極：2Cl--2e-=Cl2↑

設(shè)計(jì)意圖：運(yùn)用電解池認(rèn)識(shí)模型分析電解氯化鈉溶液，通過(guò)宏觀一微觀一符號(hào)三重表征形成電解飽和食鹽水的工作原理，本環(huán)節(jié)繼續(xù)提升學(xué)生宏觀辮識(shí)與微觀探析、證據(jù)推理與模型認(rèn)知的核心素養(yǎng)。

八、教學(xué)反思

1.滲透學(xué)科核心素養(yǎng)：宏觀辨識(shí)與微觀探析、證據(jù)推理與模型認(rèn)知。通過(guò)宏觀實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，探析微觀粒子的移動(dòng)，根據(jù)氧化還原理論及實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，層層遞進(jìn)分析電解原理的過(guò)程中滲透著證據(jù)推理核心素養(yǎng)。首先用電解氯化銅溶液建立了分析電解池的思維模型，然后運(yùn)用思維模型解決電解飽和食鹽水，學(xué)生在分析、預(yù)測(cè)、實(shí)驗(yàn)、觀察、再分析的活動(dòng)中體驗(yàn)科學(xué)探究的過(guò)程并真正理解電解原理。

2.微型實(shí)驗(yàn)速率快，污染小。先在粉筆兩端打兩個(gè)孔，然后在飽和食鹽水中浸泡2分鐘左右等粉筆完全濕潤(rùn)，就可以實(shí)驗(yàn)，連接好電路，馬上就有氣泡，滴入酚酞電極附近變紅。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程不足1分鐘，而且分組實(shí)驗(yàn)完畢，課室?guī)缀趼劜坏铰葰獾奈兜馈?/p>

參考文獻(xiàn)

[1]耿亞萍基于生活問(wèn)題情境的化學(xué)核心素養(yǎng)的培養(yǎng)研究——以鐵及其化合物復(fù)習(xí)為例[J].化學(xué)教育（中英文），2019，40（7）：38-41

[2]單旭峰.從化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的角度解析和認(rèn)識(shí)高考電化學(xué)試題[J].中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考，2018（8）：43-45

[3]中華人民共和國(guó)教育部.普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018.2

[4]張馥，趙胤池，陳林子，于海鷹，鄭胤飛.妙解鹽水——高中創(chuàng)意電解實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)[J].化學(xué)教育（中英文），2018，39（15）：61-65