基于利用自制教具的創(chuàng)新設(shè)計

王旭斌

摘要：發(fā)揮自制實驗教具特點及優(yōu)勢，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情;探究電解工作原理及應(yīng)用;感受學(xué)科知識與社會環(huán)境的關(guān)系;從而培養(yǎng)學(xué)生化學(xué)核心素養(yǎng)和科學(xué)品質(zhì)。

關(guān)鍵詞：自制教具;創(chuàng)新設(shè)計;電解原理及應(yīng)用;化學(xué)核心素養(yǎng)

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

一、對自制教具在高中化學(xué)實驗教學(xué)中的作用的認(rèn)識

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

當(dāng)然任何版本高中化學(xué)教材中涉及到實驗教學(xué)時，都有指定的實驗裝置和器材，而這些器材基本上是常規(guī)的實驗器材，對實驗教學(xué)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(yǎng)科學(xué)思維和創(chuàng)造性的需求，并且教師的個性化教學(xué)也受到了限制。所以在化學(xué)學(xué)科素養(yǎng)教學(xué)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(xué)科教育的原則之一，依據(jù)教學(xué)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(xué)環(huán)保的實驗教具。讓自制教具在對應(yīng)的實驗探究中發(fā)揮出普通教具不具有的特點及優(yōu)勢，同時鼓勵學(xué)生積極探究，自己設(shè)計實驗方案和教具，這不僅能增強學(xué)生對基礎(chǔ)知識和基礎(chǔ)技能的掌握能力，而且也能培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)能力、思維能力、動手能力、創(chuàng)造能力[1]，對激發(fā)學(xué)生用科學(xué)的態(tài)度發(fā)現(xiàn)和提出有探究價值的化學(xué)問題以及深刻理解化學(xué)、技術(shù)、社會和環(huán)境之間的相互關(guān)系有很大的幫助。

二、基于利用自制教具的創(chuàng)新設(shè)計教學(xué)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(shù)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(shè)計組裝后隱藏于學(xué)生常用的兩支自動鉛筆中，電池正、負(fù)極分別與兩鉛筆芯相接后作為魔術(shù)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(yōu)點：普通鉛筆作為電解魔術(shù)棒非常隱蔽，電解迅速，顏色變化明顯、趣味、懸疑。見圖1。）

設(shè)計意圖：利用自制教具，教師以魔術(shù)師的角色出現(xiàn)，將裝在酒杯中的“白葡萄酒”，用魔術(shù)棒輕輕攪拌后迅速變成“紅葡萄酒”，讓學(xué)生產(chǎn)生質(zhì)疑，從而激發(fā)學(xué)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(shè)置懸念，為后面電解內(nèi)容的教學(xué)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(xué)中我們就了解過電解水，那么同學(xué)們自己觀察過電解水嗎？對電解水的產(chǎn)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(yōu)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(chǎn)生氫氣和氧氣，體積比為2：1。

設(shè)計意圖：利用現(xiàn)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(chǎn)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(fù)燃來檢驗。電解水及檢驗方式新穎、有趣，能很好地調(diào)動學(xué)生自己嘗試實驗的積極性，同時為后面教學(xué)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(xué)們自己動手體驗電解氯化銅溶液。

3，實驗三學(xué)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(fù)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(xué)們描述實驗現(xiàn)象，對照電解水和電解氯化銅溶液的不同結(jié)果，分析為什么水中溶解氯化銅之后電解產(chǎn)物發(fā)生改變？

[生]現(xiàn)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(lán)紫色，思考電解水和電解氯化銅產(chǎn)物不同的原因。

設(shè)計意圖：首先，打破了教科書上常規(guī)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(xiàn)象明顯、環(huán)保等優(yōu)點，提示學(xué)生化學(xué)實驗?zāi)茉谠械幕A(chǔ)上依據(jù)探究目的，可以重新設(shè)計并優(yōu)化實驗方案，注重科學(xué)、環(huán)保，感知學(xué)科與社會、環(huán)境的必然聯(lián)系;其次，與電解水的現(xiàn)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(xué)做好鋪墊。

[師]學(xué)習(xí)化學(xué)的過程我們要懂得通過觀察、辨識一定條件下物質(zhì)變化的宏觀現(xiàn)象差異，運用化學(xué)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(xué)習(xí)電解的工作原理。見圖4。

[師]請同學(xué)們根據(jù)電解微觀過程總結(jié)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(gòu)造及相關(guān)電解概念。

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

設(shè)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(guān)概念，突出本堂課教學(xué)重點——電解工作原理、突破不同粒子放電順序這一教學(xué)難點，并且培養(yǎng)學(xué)生學(xué)會根據(jù)物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)預(yù)測物質(zhì)在特定條件下可能具有的性質(zhì)和發(fā)生的變化，培養(yǎng)學(xué)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(xué)們來感受一下電解在生產(chǎn)、生活中的應(yīng)用。

4.實驗四學(xué)生操作電解應(yīng)用系列實驗

（教具制作：取兩支25mL塑料注射器，管體側(cè)面對應(yīng)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(yīng)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(guān)的醫(yī)用軟管便于控制電解產(chǎn)生的氣體。教具優(yōu)點：多功能電解裝置，對電解產(chǎn)物的檢驗方便并且環(huán)保，一定條件既是電解池裝置又是原電池裝置，對電化學(xué)教學(xué)有獨到的優(yōu)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(guān)閉開關(guān)。鉛筆芯兩頭分別按要求與電源對應(yīng)正、負(fù)極相接，用9V電池電解、觀察，2min后切斷電源。

②陰極產(chǎn)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(chǎn)生的氣體，打開開關(guān)幾秒后關(guān)閉，觀察濕潤的KI-淀粉棉團。

[師]請同學(xué)們按照實驗步驟完成實驗，描述實驗現(xiàn)象，分析實驗原理。

[生]現(xiàn)象：陽極蘸有KI-淀粉的棉團變成藍(lán)紫色，陰極檢驗出有H₂產(chǎn)生，溶液變成紅色。

原理：陽極：

陰極：2H₂O+2e-= HZ T +20H-（粉紅色）。

設(shè)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(xiàn)象的觀察，還是產(chǎn)物的檢驗操作，具備明顯、易行。對學(xué)生實驗探究的方式、方法及方向都是一種啟迪，學(xué)生在實驗過程中，裝置的創(chuàng)新設(shè)計所發(fā)揮出的特點及優(yōu)勢，讓學(xué)生更深刻地理解氯堿工業(yè)的基本原理，同時也鼓勵學(xué)生敢于創(chuàng)新和改進實驗。

④關(guān)閉開關(guān)，繼續(xù)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(xué)能轉(zhuǎn)化為機械能。

[生]現(xiàn)象：馬達啟動工作，說明化學(xué)能最終轉(zhuǎn)化為機械能。

原理：正極：C12+2e一2C1-;

負(fù)極：Hz 2e-+ 20H-= 2H₂O，形成燃料電池，將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。

設(shè)計意圖：接上微型馬達后，馬達啟動工作，學(xué)生立馬產(chǎn)生濃厚興趣，產(chǎn)生疑問，馬達啟動需要電，電來自哪里呢？學(xué)生又會順其自然地去思考電能是如何轉(zhuǎn)化而來的，再過渡到燃料電池的相關(guān)內(nèi)容來解釋實驗原理，因此這一環(huán)節(jié)的設(shè)計，既可以考查學(xué)生對已學(xué)的燃料電池知識點的掌握情況又是電解原理應(yīng)用的鮮明例子，同時讓學(xué)生明白能量變化觀念和平衡思想也是化學(xué)學(xué)科素養(yǎng)培養(yǎng)的方向Q

⑥打開開關(guān)，將陰極氣體排出，滴加1-2滴酚酞于醫(yī)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(chǎn)物分析，了解相關(guān)應(yīng)用。

[生]現(xiàn)象：陰極溶液先變紅后褪色。

原理：陽極：

陰極：（粉紅色）;

相關(guān)反應(yīng)：

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

[師]高考鏈接

例題：某學(xué)生想制作一種家用環(huán)保型消毒液發(fā)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(shè)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(fù)極;NaClO和NaCl

B.a為負(fù)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(shè)計意圖：結(jié)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(yīng)用和實驗操作與培養(yǎng)學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)緊密聯(lián)系在一起。

[師]我們一起來破解魔術(shù)。

陽極：（棕黃色）;

陰極：（粉紅色）。

棕黃色+粉紅色=酒紅色

設(shè)計意圖：通過提示告知魔術(shù)中所用道具的構(gòu)成及“白葡萄酒”的實際成分，再引導(dǎo)學(xué)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(shù)更是一個有趣的電解應(yīng)用，當(dāng)然破解魔術(shù)與引題前呼后應(yīng)給本堂課做了很好的結(jié)尾。

[師]同學(xué)們對課堂教學(xué)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(xué)們嘗試自行設(shè)計實驗教具，體會實驗樂趣。

設(shè)計意圖：讓學(xué)生感受自制教具在教學(xué)應(yīng)用中體現(xiàn)出來的特點及優(yōu)勢，鼓勵學(xué)生能和同學(xué)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(yǎng)終身學(xué)習(xí)的意識和嚴(yán)謹(jǐn)求實的科學(xué)態(tài)度，樹立具有可持續(xù)發(fā)展意識和綠色化學(xué)觀念等。

三、基于核心素養(yǎng)下“自制教具”對化學(xué)教與學(xué)的思考

化學(xué)核心素養(yǎng)是學(xué)生在化學(xué)認(rèn)知活動中發(fā)展起來的并在解決與化學(xué)相關(guān)問題中表現(xiàn)出來的關(guān)鍵核心素養(yǎng)，它凸顯了化學(xué)本質(zhì)特征;反映了化學(xué)基本問題;揭示了化學(xué)科學(xué)思維;體現(xiàn)了課程育人價值1210

網(wǎng)絡(luò)技術(shù)飛速發(fā)展的今天，多媒體及先進實驗教學(xué)儀器在化學(xué)教學(xué)中已舉足輕重，但自制教具在化學(xué)教學(xué)上仍有獨到的優(yōu)勢，因為自制教具可有效培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性;較傳統(tǒng)儀器更能提高學(xué)生的學(xué)習(xí)創(chuàng)造能力;可充分培養(yǎng)師生的創(chuàng)新精神131，并且從環(huán)保方面來說，自制教具設(shè)計永遠(yuǎn)是以環(huán)保、節(jié)能為最終目的，因此不可忽視簡單自制教具給教師和學(xué)生在化學(xué)教與學(xué)過程中的啟發(fā)，因為它緊扣化學(xué)教學(xué)宗旨，體現(xiàn)化學(xué)學(xué)科素養(yǎng)，所以教師在自制教具的同時更應(yīng)該引領(lǐng)學(xué)生也自主設(shè)計、改裝、開發(fā)實驗教具讓學(xué)生真實體會學(xué)科精神和社會責(zé)任。

參考文獻

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