項目化視域下實驗裝置的改進

《義務教育化學課程標準（2022年版）》（以下簡稱新課標）中指出，化學課程要培養的核心素養，主要包括化學觀念、科學思維、科學探究與實踐、科學態度與責任。其中，科學探究與實踐主要包括以實驗為主的科學探究能力，運用簡單的技術與工程方法設計、制作與使用相關模型和作品的能力等[1]。新課標中還規定了學生必做的8個實驗，其中包括“水的組成及變化的探究\"實驗。“水的組成及變化的探究\"實驗是培養學生建立“宏觀一微觀一符號”三重表征關聯的重要載體，也是學生認識“物質的組成\"這一事實性知識的基礎。這一實驗能夠引導學生對微觀粒子形成具象的認識，從而能從定性與定量、元素組成與微粒構成相結合的角度認識物質及其反應]

開展水的組成及變化的探究，讓學生親身經歷“電解水\"實驗至關重要。“電解水\"實驗內容主要包括兩個方面：一是觀察水通直流電后發生的變化；二是收集并檢驗水通直流電后生成的兩種氣體。學生要完成水的組成及變化的探究，則需要近距離觀察水通直流電后發生的現象，經歷檢驗氫氣和氧氣的過程。只有有了感性認識的基礎，學生才能從本質上認識\"水的組成”。

一、項目緣起

霍夫曼水電解器（如圖1）是常見的教師演示用實驗裝置，但是在實際使用過程中，筆者發現：1.霍夫曼水電解器并不適合在課堂上作為分組實驗的實驗教具；2.霍夫曼水電解器作為演示實驗教具，其實驗現象不夠明顯，學生難以清晰地觀察到實驗現象；3.電解水的速率較慢，在有限的課堂時間內，無法收集到足夠的氣體進行檢驗。

讓水發生電解反應并不難，普通的低壓直流電，甚至干電池提供的直流電就能使水電解。但是，有效的“電解水\"實驗，應該能夠讓學生近距離地觀察到水通直流電后發生的變化并親歷檢驗兩種氣體的過程。

為了達成上述目標，筆者在課前布置了項目式作業—一制作電解水裝置，在提高學生實踐能力的同時，讓學生在課前對電解水現象有直觀的體驗。

二、項目式作業的設計與實施

任務一：電解水裝置的設計

學生通過前期的研究，確定制作電解水裝置需要以下器材： ① 兩個一次性的塑料杯； ② 兩枚大頭針； ③ 兩節9V的鋰電池； ④ 兩支帶有刻度的小試管； ⑤ 若干帶有鱷魚夾的導線。學生利用上述器材進行設計，分組討論繪制出電解水裝置的設計圖。不同小組的學生相互展示設計方案，并評價設計方案，最終確定利用上述器材制作簡易電解水裝置的最優方案，裝置設計圖如圖3所示。

任務二：電解水裝置的制作

學生依照制作方案完成裝置的制作。

整個一次性杯子做容器兩枚大頭針做電極半個一次性杯子做底座

（1）在一個一次性杯子的底部插入兩枚大頭針作為兩個電極，將另一個一次性杯子剪去下半部分倒放在桌面上作為底座，然后將插有大頭針的一次性杯子放入底座中（如圖4）。

（2）在杯子內加入食用碳酸鈉，并配置成飽和碳酸鈉溶液。在兩支帶有刻度的試管內注滿飽和碳酸鈉溶液后，將其倒扣在兩枚大頭針上（如圖5）。

（3）用帶有鱷魚夾的導線將兩節9V的鋰電池串聯，再用導線將鋰電池的正、負極分別與大頭針底部相連形成通路（如圖6）。

任務三：電解水裝置的使用

學生利用制作的電解水裝置進行電解水實驗，收集并檢驗兩種生成的氣體。

（1）接通電路后，便能觀察到兩枚大頭針上產生了大量的氣泡（如圖7）。觀察兩極產生氣泡速率的快慢，以及帶有刻度的試管中液面的變化，比較兩支試管中相同時間內氣體體積的大小關系。

（2）幾分鐘后，斷開電路，取出陽極上的試管，并用帶火星的木條伸入試管內檢驗。帶火星的木條復燃，證明陽極生成的氣體是氧氣（如圖8）。

（3）取出陰極上的試管，用明火靠近試管口檢驗，會發現試管內的氣體能被點燃，并發出爆鳴聲，證明陰極生成的氣體是氫氣（如圖9）。

任務四：電解水裝置的改進

上述簡易電解水裝置能讓學生通過分組實驗近距離地觀察水的電解現象，但是該裝置也存在一些不足之處，如裝置產生氣體的速率還不夠快，氣體體積讀數不夠準確等。針對這些問題，教師鼓勵學生在課后對實驗裝置進行優化改進，進一步培養學生的實踐能力和創新能力，以此傳遞不斷創新改進的科學精神。同時，教師向學生展示課前制作的一款改進裝置（如圖10）。在課堂教學中用這款裝置進行演示實驗，能夠彌補簡易電解水裝置存在的一些不足。

1.改進電解水裝置所需材料

改進電解水裝置需要準備的材料包括： ① 兩根玻璃出氣管； ② 兩根 的亞克力方管； ③ 一根 5 c m× 5 c m× 5 0 c m 的亞克力方管； ④ 兩根 長的石墨電極； ⑤ 一個 2 0 c m× 的亞克力底座； ⑥ 兩個 8 0 m L 的注射器； ⑦ 可調電源。

2.電解水裝置的改進制作

（1）在亞克力底座上鉆孔，將兩根石墨電極金屬接線柱穿過小孔，并用環氧AB膠固定，且不留縫隙（如圖11）。

（2）在兩根 的亞克力方管底部一側開孔，在 5 c m× 5 c m× 5 0 c m 的亞克力方管底部兩側開孔（如圖12）。

（3）用環氧AB膠將三根亞克力方管固定，并將底部開孔處相互連通。用環氧AB膠將兩個注射器分別固定在兩側 2 5 c m 長的亞克力方管上端（如圖13）。

（4）用環氧AB膠將三根亞克力方管固定在亞克力底座上。其中兩根 2 5 c m 長的亞克力方管分別套在兩根石墨電極上。亞克力方管和亞克力底座之間用環氧AB膠密封，不留縫隙。

（5）用內置玻璃珠的橡膠管將兩根玻璃出氣管分別與注射器出氣口相連。內置玻璃珠用作控制出氣的制動閥門。

（6將可調電源與石墨電極金屬接線柱相連（如圖14）。

3.電解水改進裝置的使用

（1）在裝置內注入飽和碳酸鈉溶液，液面需達到玻璃出氣管管口。接通電源，將可調電源的電壓調節至2 5 V 左右，觀察陰、陽兩極產生氣泡的速度，并記錄注射器內收集到的氣體的體積（如圖15）。

（2）一段時間后斷開電源，將帶火星的木條靠近陽極上方的出氣口，打開出氣口閥門，觀察帶火星的木條是否復燃（如圖16）。

（3）打開陰極上方的出氣口，觀察氣體能否被點燃，以及氣體被點燃時火焰的顏色（如圖17）。

三、電解水裝置改進效果分析

（一）器材容易獲取

兩套實驗裝置所需的實驗器材都比較容易獲取。學生設計的電解水裝置所需的一次性塑料杯、導線、9V的鋰電池、大頭針、食用碳酸鈉均可以在市面上購買，而帶刻度的小試管在網上也可以購得。這些生活中容易獲取的器材，有助于學生在實驗后對裝置進行進一步的優化改進。電解水改進裝置所需的玻璃出氣管、內置玻璃珠的橡膠管可在實驗室獲取，而亞克力方管、石墨電極、可調電源在網上就可購得。

（二）操作比較簡單

學生設計的電解水裝置在組裝、操作、檢驗三個環節都比較簡便。考慮到實驗的安全性，以及學生在實驗中需要用手接觸水溶液，因此加入食用碳酸鈉來增強溶液的導電性。從學生分組實驗的情況來看，碳酸鈉水溶液電解速率快且安全性高，學生可在幾分鐘內收集到足夠的氣體進行下一步的檢驗。電解水改進裝置只需在裝置內加人足量的碳酸鈉水溶液，調節合適的電壓，即可在幾分鐘內收集到足夠的氣體，之后通過出氣閥的控制便能非常方便地檢驗兩種氣體。

（三）現象非常直觀

學生設計的電解水裝置在通電后實驗現象非常明顯。兩個9V鋰電池可提供18V的電壓，故水電解的速率非常快。學生能夠近距離地觀察到兩極快速產生大量氣泡的現象，并且通過帶刻度的試管能粗略比較兩極產生氣體的體積大小。幾分鐘后，學生可將試管取出，檢驗收集到的氣體，并觀察到帶火星木條復燃和氫氣被點燃的現象。電解水改進裝置可通過調節可調電源的電壓來加快水電解的速率，幾分鐘后，學生便可檢驗兩種氣體，并觀察到帶火星木條復燃和氫氣安靜燃燒的現象。

（四）課堂效率得到提高

學生通過項目式作業的實踐，已經對“電解水”實驗的現象有了非常直觀的體驗，為“水的組成\"這節課的學習積累了豐富的經驗。電解水改進裝置因不用直接接觸溶液而使用相對安全，且該裝置可通過調節獲得更高的電壓，水電解的速率更快，解決了課堂上短時間內獲取大量氣體的難題

（五）學生實踐能力獲得提升

學生在完成“制作電解水裝置\"項目式作業的過程中，經歷了裝置的設計、組裝、操作等過程，并且近距離地觀察到水電解及氣體檢驗的現象。這極大地激發了學生對探究實踐的興趣，提升了學生運用簡單的技術與工程方法解決化學實際問題的能力。同時，通過對實驗裝置和實驗過程的分析、評價，學生對裝置存在的不足和進一步優化改進提出了不同的意見，從而提高了自主、合作、探究的能力。

（六）促進跨學科學習

學生使用自制的電解水裝置進行實驗時，會發現裝置存在的一些不足。結合學生提出的改進意見，教師鼓勵學生在課后從電極材料、電極形狀、電解質種類和濃度、電源電壓、收集裝置等角度對“電解水\"實驗裝置進行改進，從而激發學生的創新思維，培養學生的創新能力。此外，電解水裝置涉及化學、物理、數學和工程等多門學科知識，能提高學生綜合運用多學科知識解決復雜問題的能力。

總之，經過主動設計、制作電解水裝置，學生的設計與實踐能力得到了顯著提高。學生通過小組合作完成實驗，觀察到了水電解的現象，檢驗了水電解的產物，在實踐能力得到提升的同時，為接下來探究水的組成積累了直觀的感性認識。電解水改進裝置則能夠讓學生更加精確地比較陰、陽兩極所產生的氣體體積，且在檢驗陰極產生的氫氣時，氫氣能夠安靜地燃燒。實驗后，學生通過對裝置的結構、使用等情況進行分析和評價，并對電解水裝置的改進創新提出各自不同的意見。教師鼓勵學生課后像科學家一樣，對裝置進行不斷地優化和改進。

[參考文獻]

[1］中華人民共和國教育部.義務教育化學課程標準：

2022年版[M].北京：北京師范大學出版社，2022.[2」郭建虹.基于科學本質觀的學生必做實驗教學實踐：以“水的組成及變化的探究”為例[J」.江蘇教育，

2023（29）：73-76.

（責任編輯 羅艷）