基于化學學科理解的高中化學復習教學實踐

摘 要： 基于化學學科理解的視角，以“電解合成乙醛酸”為載體開展“電解池的工作原理及應用”的復習教學，充分體現電解技術在化學有機合成中獨特的應用價值。通過真實生產情境的實踐探索，促進學生在“電解池的工作原理及應用”核心概念的認識中實現結構化思維的提升，最終達到發展學生化學學科核心素養的目的。

關鍵詞： 高中化學； 學科理解； 核心素養； 復習教學； 電解

文章編號： 10056629（2024）12005007

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

1 教學主題內容及教學現狀分析

“電解池的工作原理及應用”是蘇教版選擇性必修1專題1“化學反應與能量變化”第二單元“化學能與電能的轉化”的教學內容。該內容主要包括電解池的工作原理、電解池裝置及應用，是高中化學核心知識之一，承載著發展學生化學學科核心素養的重要功能，對提升學生的微觀認知，建構化學認知模型，增強化學學科觀念，促進學生核心素養的發展有著十分重要的價值。

查閱文獻發現，雖然很多教師已經從不同角度對此課題進行了教學設計，但鮮有以工業生產為真實情境，基于學科理解的“電解池工作原理及應用”的高三復習研究。基于此，本研究選用“電解合成乙醛酸”這一真實情境開展素養為本的高三主題式復習教學，融合有機化學、電解原理等模塊的知識，基于化學學科理解，設計關聯任務，引導學生完成電解池相關知識的結構化建構，提升遷移運用電解池認知模型解決實際問題的能力，發展學生的化學學科核心素養。

2 教學思想與創新點

《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱“標準”）明確提出“開展素養為本的課堂教學，要求教師進一步增進化學學科理解”［1］。近幾年已有許多學者開展了對化學學科理解的相關研究。基于“標準”和學者們的研究認為，所謂化學學科理解，在教師層面，是指教師對化學學科知識及具有化學學科特質的思維方式和方法的一種本原性、結構化的認識［2］；在學生層面，是指學生通過化學課程的深度學習，主動運用化學學科思維方式和方法，建構結構化知識體系，以化學認識視角和認識思路認識自然世界，分析、探究和解決繁雜陌生的真實問題。二者的目標是一致的，即通過教師對學科充分、全面且有深度的理解，能幫助和促進學生相應的學科理解，培養和發展學生的化學學科核心素養。

在“電化學”主題教學實踐中，基于化學學科理解，凝練學科本原性問題“如何在電能驅動下調控化學反應”，抽提解決該問題的“基于氧化還原反應、能量轉化角度認識電能與化學反應關系”的認識視角，厘清“‘宏觀微觀符號’三重表征”的認識思路和“建構模型運用模型”的認識方法，建構“電解池”主題概念的層級結構（見圖1）。課中關注學生認知發展脈絡，將認識視角和認識思路深植于學習任務之中，引導學生沿用學科專家科學實踐研究的一般路徑和發展范式，通過“電解合成乙醛酸”系列關聯任務的完成，鞏固電化學裝置的認知模型，完善對電化學過程系統分析的思路，建立基于學科本質解決真實問題的思維方式。

3 教學目標

（1） 通過運用電解池認知模型和已知信息設計合成乙醛酸的電解池裝置，完善電解池設計和分析評價的一般思路，認識電解在實現物質轉化和儲存能量中的具體應用，體會化學技術在實際生產中的應用價值。

（2） 通過對電解池認知模型的建構、修正和發展，深入理解電解池工作原理，完善電化學知識體系，提高對電化學本質的認識。

（3） 通過對電解合成乙醛酸反應原理的分析，能正確書寫電極反應式和離子方程式，發展化學變化觀、微粒觀、元素觀和守恒觀。

（4） 結合技術維度形成符合工業生產實際的最優電解池裝置，提高實驗安全意識、科學風險控制意識和產品純度意識，弘揚求真務實、批判質疑、不懈探索、勇于創新等科學精神。

4 教學流程

本課圍繞電解合成乙醛酸，分四個環節，引導學生實現知識結構化，促進核心觀念的形成、學科核心素養的落地，具體流程如圖2所示。

5 核心環節的教學實錄

5.1 環節一：以乙二醛為原料合成乙醛酸

5.1.1 任務1：設計由乙二醛合成乙醛酸的方法

［教師］以乙二醛為原料（其他無機試劑任選），設計合成乙醛酸的方法，并進行展示和交流，評價各種方法的優劣。

［學生2］加酸性高錳酸鉀溶液或者通入氧氣，乙二醛分子中的兩個醛基可能都被氧化。

［教師］氧氣氧化乙二醛的反應為氣液反應，需要加壓和控制乙二醛的氧化程度。工業上一般用金屬催化劑催化該反應，反應條件溫和且乙醛酸的選擇性較高，但催化劑的價格昂貴。

［教師］能否有其他方法使乙二醛被迫失電子轉化為乙醛酸？

［學生］電解。控制電流強度，促使乙二醛生成乙醛酸。

5.1.2 任務2：初步設計電解池裝置

［教師］請同學們回憶電解池的相關知識。

［學生］回憶并展示電解池基礎認知模型（見圖3）。

［教師］請同學們設計以乙二醛為原料制備乙醛酸的電解池裝置。

［學生］展示設計的電解池裝置（見圖4）。

［教師］上面的裝置是否合理？

［學生1］乙二醛是非電解質，還需要加入電解質溶液。

［學生2］應加入酸溶液或者鹽溶液，因為乙醛酸會與堿溶液反應。

［教師］加了電解質溶液后，是什么微粒在陰、陽極放電呢？

［學生］首先要確定陽極是活性電極還是惰性電極。如果陽極是石墨等惰性電極，就是溶液中的離子放電，它們的放電能力與離子的還原性或氧化性有關。小結電解池陰、陽極放電順序的基礎認知模型（見圖5）。

5.1.3 任務3：探究合成乙醛酸的電解原理

［教師］利用裝置（見圖4）電解乙二醛和硫酸鈉的混合溶液，可以獲得哪些產物？請談談你的分析過程，并寫出電極反應式和發生的離子反應方程式。如用相同裝置電解乙二醛和鹽酸的混合溶液，情況一樣嗎？（提供資料：乙二醛很難在電極上失電子。）

［學生］分析過程如圖6所示。

5.1.4 任務4：電解質溶液（即離子導體）的選擇

［教師］我們應該選擇哪種電解質溶液？

［學生］硫酸鈉溶液，因為乙二醛容易被氧氣氧化為乙醛酸。

［教師］提供文獻資料（見表1）。

［教師］從表格中，可以獲得哪些信息？

［學生］電解質溶液為鹽酸時，電流效率較高，乙醛酸選擇性較好。鹽酸濃度越大，電流效率越高，乙醛酸選擇性越好。

［教師］電解質溶液為硝酸鉀和硫酸鈉溶液時，陽極都產生氧氣，為什么在硝酸鉀溶液中檢測到有乙醛酸生成，而硫酸鈉溶液中沒有呢？

［學生］硝酸鉀和硫酸鈉溶液中，陽極區都產生氧氣和H+，硝酸可以氧化乙二醛生成乙醛酸，稀硫酸不能氧化乙二醛。

［教師］濃鹽酸的作用是什么？

［教師與學生］學生歸納補充，師生共同得出結論：

濃鹽酸的作用為：（1）增強電解質溶液的導電能力；（2）發揮類似催化劑的作用，使乙二醛發生間接電氧化反應。

陽極區的總反應為：OHC—CHO+H2O－2e-OHC—COOH+2H+

5.1.5 任務5：完善合成乙醛酸的電解池裝置

［教師］用裝置（見圖4）電解乙二醛和濃鹽酸的混合溶液制備乙醛酸是否存在缺陷？如何改進？

［學生］氫氣與氯氣混合經光照或遇火可能發生爆炸，乙醛酸等可能在陰極被還原，使產物不純。需要加質子交換膜，把電解池分為陰、陽兩室Zd9tHlGSstXJrzkoKDHMmw==。

5.2 環節二：以乙二酸為原料合成乙醛酸

［教師］利用已有的有機合成知識，以乙二酸為原料設計合成乙醛酸的方法，并進行小組間的展示和交流。

5.2.1 任務1：探究電解飽和乙二酸溶液合成乙醛酸的原理

［教師］請寫出電解飽和乙二酸溶液合成乙醛酸的電極反應式（提供資料：飽和乙二酸溶液中，乙二酸比H+更容易放電）。

［學生］陽極：2H2O－4e-O2↑+4H+

陰極：HOOC—COOH+2H++2e-OHC—COOH+H2O

［學生］小結有機物電極反應式的書寫模型（見圖7）。

5.2.2 任務2：優化電極材料

［教師］文獻資料顯示，用3V電壓，陽極用石墨，陰極分別用鉛、鉛銻合金和石墨同時電解飽和乙二酸溶液，得到的乙醛酸濃度隨時間的變化曲線如圖8所示。你能從中得出什么結論？

［學生］隨著電解時間的增長，乙醛酸的濃度先變大后減小，電解6小時，鉛電極上產生乙醛酸的濃度最大。說明微粒的放電能力不僅和微粒的種類和濃度有關，還和電極材料有關。選擇金屬鉛做陰極，可以提高電能轉化為化學能的效率。

5.3 環節三：電解合成乙醛酸的方法和裝置優化

任務：電解合成乙醛酸的方法和裝置優化。

［教師］電解合成乙醛酸的方法和裝置還可以如何優化？

［學生］把兩個電解池合并為一個電解池（見圖9），中間用質子交換膜隔成陰、陽兩室，提高電流效率和節省空間。

［教師］大家創新改良出的電解池裝置與研究者設計的裝置相似，提高了電流效率和時空效率。裝置（見圖10）中使用雙極膜，有什么好處？

［學生］水在雙極膜內電離生成的H+和OH－在電場作用下向兩極運動，實現導電，雙極膜阻斷其他離子傳導，OH－透過雙極膜進入陽極室中，與乙二醛電氧化生成乙醛酸過程中產生的H+結合生成H2O，促使反應正向進行；H+透過雙極膜進入陰極室中，補充乙二酸還原成乙醛酸過程中消耗的H+。

［教師］通過電解合成乙醛酸裝置的設計、評價和優化，你們有什么收獲？

［學生1］電解池是電能轉化為化學能的裝置，電解池裝置和工作原理的核心問題和載體都是“氧化還原反應”。微粒種類、微粒濃度、電極材料、電壓電流強弱等因素會影響微粒的放電能力，通過調控這些因素可以獲得目標產物。

［學生2］從理論應用到工業化生產要考慮成本節約、安全性、物能循環、綠色環保等技術要素。

［教師與學生］總結、構建和展示電解池的高階認知模型（見圖11）。

6 教學反思

6.1 設計關聯的探究活動，實現素養落地

教師對學科本質的深入理解是落實學科核心素養發展的關鍵。本教學實踐中，設計關聯的探究活動把教師的學科理解轉化為基于學科理解的教與學行為，如環節一和環節二設計“不同種類和不同濃度的電解質溶液對乙醛酸選擇性和電流效率的影響”、“不同陰極材料對乙醛酸產率的影響”、“不同電解質溶液中電解池工作原理的分析及電極反應式的書寫”和“基于離子交換膜提高產品純度和實驗安全”等探究活動，外顯學生的認識視角和認識思路，幫助學生在理解“化學反應與能量變化”概念的過程中，同步理解電解池的“構成要素、微觀原理、符號表征和實踐應用”四個學科基本概念，形成“電解可以調控化學反應，實現電能向化學能轉化”的學科大概念認知，同時形成“運用證據推理及模型化思想解決化學相關問題”的學科思維方式，實現化學學科核心素養的落地。

6.2 構建科學的認知模型，促進知識結構化

本節復習課創設“合成乙醛酸電解裝置的設計”的真實情境，引導學生將已有的知識轉移到新的結構不良的真實情境中，圍繞“如何在電能驅動下調控化學反應”這一學科本原性問題開展探究。學生沿著學科專家實踐探索的一般范式，在“調用已有基礎認知模型解決問題→暴露問題，發現模型缺陷→小組交流討論，評價和改進模型→調用改進后的模型解決問題”的過程中，深化對電解池模型要素內涵的理解，構建更加體現電化學科學本質、有利于促進知識結構化、認知程序化的高階認知模型，建立對電解過程的系統分析思路，提高對電化學本質的認識，促進化學學科知識和化學學科思維的深度發展，幫助學生從學科價值和社會價值層面理解化學的價值，形成化學科學精神，立志肩負起科學改造社會的重大責任。

參考文獻：

［1］［2］中華人民共和國教育部制定. 普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）［S］. 北京： 人民教育出版社， 2020： 76.

［3］陳銀生， 張新勝， 戴迎春等. 固定床電解槽變電流電解乙二醛合成乙醛酸［J］. 精細化工， 2001， （8）： 461～463.

［4］葉一鳴. 草酸電解合成乙醛酸用陰極材料及其配對合成反應的研究［D］. 長沙： 湖南大學碩士學位論文， 2004： 20.