基于培養(yǎng)學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的中學(xué)化學(xué)教學(xué)設(shè)計(jì)

張凈

關(guān)鍵詞：學(xué)科核心素養(yǎng);教學(xué)設(shè)計(jì); 電解池

1 設(shè)計(jì)理念

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》中提出基于化學(xué)核心素養(yǎng)開展“素養(yǎng)為本”的教學(xué)，指出開展以化學(xué)實(shí)驗(yàn)為主的多種實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)，重視教學(xué)內(nèi)容的結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣[1]。

本課題內(nèi)容選自人教版選擇性必修1第四章第二節(jié)的內(nèi)容，在教學(xué)過程中，通過“為什么通電后兩支石墨碳棒在pH試紙上呈現(xiàn)不同顏色[2]”為問展開課堂教學(xué)，將宏觀的電解氯化鈉溶液的現(xiàn)象，現(xiàn)象背后的本質(zhì)分析，電解池的電極反應(yīng)式三個(gè)知識層次按照“宏”“微”“符”的順序組織起來，形成化學(xué)學(xué)科表征的一般思路，幫助學(xué)生建構(gòu)“宏-微-符”三重表征模型。在分析電解氯化鈉溶液中發(fā)生反應(yīng)的微觀本質(zhì)時(shí)，從離子、得失電子能力、生成新的分子幾個(gè)角度進(jìn)行分析，形成了微粒觀。在分析電解池總反應(yīng)過程中，引導(dǎo)學(xué)生從能量轉(zhuǎn)化的角度進(jìn)行思考，形成變化觀念。

2 內(nèi)容分析

本課時(shí)選自人教版高中化學(xué)選擇性必修1第四章第二節(jié)《電解池》，研究的是如何借助電能使不能自發(fā)進(jìn)行的氧化還原反應(yīng)能夠發(fā)生，使電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能。本節(jié)課是學(xué)生學(xué)習(xí)原電池知識后的自然延伸，它有助于學(xué)生系統(tǒng)學(xué)習(xí)電化學(xué)知識，為后續(xù)學(xué)習(xí)電化學(xué)知識在生產(chǎn)、生活和科研中的重要作用打好理論基礎(chǔ)[3]。通過分析現(xiàn)行三種版本高中化學(xué)教材中關(guān)于電解池內(nèi)容的選擇和編排，都包含了電解的原理和應(yīng)用。但是具體的實(shí)驗(yàn)呈現(xiàn)順序和內(nèi)容出現(xiàn)方面存在差異，綜合考慮之下，我將本節(jié)課的實(shí)驗(yàn)順序確定為先做電解氯化鈉溶液實(shí)驗(yàn)，再用電解氯化銅溶液實(shí)驗(yàn)進(jìn)行鞏固，最后通過電鍍講解電解原理的應(yīng)用。

3 教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)

3.1 ?創(chuàng)設(shè)情境

【引入新課】學(xué)生微量實(shí)驗(yàn)：電解氯化鈉溶液;

用普通鉛筆寫字是灰黑色，為什么用兩支石墨碳棒在pH試紙上寫字會(huì)分別出現(xiàn)紫黑色和紫紅色？

【設(shè)計(jì)意圖】創(chuàng)設(shè)情境，引入課堂，通過學(xué)生自己動(dòng)手實(shí)驗(yàn)，對現(xiàn)象的觀察，讓學(xué)生初步感知電解池。引出探究問題，感性認(rèn)識電解時(shí)電極表面的現(xiàn)象。

3.2 電解池的工作原理

【宏觀認(rèn)識】從宏觀角度分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，在電化學(xué)中規(guī)定與電源負(fù)極相連的叫陰極，與電源正極相連的叫陽極，呈現(xiàn)不同顏色是因?yàn)殛庩枠O顯示不同的酸堿性;

【設(shè)計(jì)意圖】此環(huán)節(jié)是讓學(xué)生初步認(rèn)識電解的本質(zhì)，電解裝置中外接電源連在電解池兩端，電解池具有這些功能的背后，都取決于電解池有直流電源、電解液、電極、閉合回路。

【微觀分析】

根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象思考討論：

思考1：開關(guān)閉合前，溶液中存在哪些離子？怎樣運(yùn)動(dòng)？

思考2：開關(guān)閉合后，離子運(yùn)動(dòng)發(fā)生怎樣改變？

思考3：為什么陽離子移向陰極，陰離子移向陽極？

思考4：為什么陽極產(chǎn)生氯氣，陰極產(chǎn)生氫氣？放電順序判斷與總結(jié)。

【設(shè)計(jì)意圖】此過程的分析是學(xué)生建立電化學(xué)認(rèn)識系統(tǒng)的關(guān)鍵一步，強(qiáng)調(diào)知識的關(guān)聯(lián)化水平，即因?yàn)殡娊獬赜兄绷麟娫?，有了直流電源就有了外接電勢，在電勢作用下，電子和離子發(fā)生定向移動(dòng)。有了電子的定向移動(dòng)發(fā)生的反應(yīng)就是氧化還原反應(yīng)，此時(shí)電解池兩級產(chǎn)生了新的物質(zhì)，所以在這個(gè)過程中既有能量的變化又有物質(zhì)變化。

【符號表征】

陰極 ? ? 2H2O + 2e- = H2 ↑ + 2OH- （還原反應(yīng)）

陽極 ? ? 2Cl- - 2e- = Cl2↑（氧化反應(yīng)）

總反應(yīng) ? 2H2O + 2Cl- = Cl2 ↑ + H2 ↑ + 2OH-

根據(jù)分析電解氯化鈉溶液的宏觀現(xiàn)象、揭示現(xiàn)象背后的微觀本質(zhì)，記錄反應(yīng)的現(xiàn)象、電極產(chǎn)物，書寫電極反應(yīng)式，判斷電極反應(yīng)類型，結(jié)合原電池總反應(yīng)式的書寫，書寫出該電解池的總反應(yīng)。

【設(shè)計(jì)意圖】在教學(xué)活動(dòng)中，“宏--微--符”三重表征結(jié)合，讓學(xué)生能夠清晰地認(rèn)識電解池的工作原理。形成分析判斷電極產(chǎn)物的一般思路。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)。

3.3 實(shí)驗(yàn)再探

【學(xué)生實(shí)驗(yàn)】電解氯化銅溶液微型實(shí)驗(yàn)[4]

師：預(yù)測產(chǎn)物，如何檢驗(yàn)？

生：產(chǎn)物應(yīng)該是銅單質(zhì)和氯氣，顯紅色的物質(zhì)是銅，氯氣可以通過刺激性氣味和濕潤的碘化鉀淀粉試紙鑒別。

教師提示：用鑷子取用淀粉碘化鉀試紙;仔細(xì)觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象并記錄，根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，分析得出產(chǎn)物、對應(yīng)電極與電極反應(yīng)。

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：有氣體產(chǎn)生，氣體有刺激性氣味并能使?jié)駶櫟牡矸鄣饣浽嚰堊兯{(lán);有紅色固體析出;產(chǎn)物：氯氣和銅。

【設(shè)計(jì)意圖】通過學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生的人文素養(yǎng)。通過對比兩個(gè)類似組分的產(chǎn)物的不同，進(jìn)一步認(rèn)識離子放電順序的規(guī)律。培養(yǎng)學(xué)生的思維能力，看他們是否聯(lián)想到金屬活動(dòng)順序表中金屬陽離子的氧化性順序，產(chǎn)生認(rèn)知沖突。

【思考討論】（在學(xué)案上畫圖分析）

思考1：開關(guān)閉合前氯化鈉溶液中含有哪些微粒？

思考2：在通電時(shí)，這些離子、電子如何移動(dòng)？

思考3：在通電時(shí)在陽極、陰極各發(fā)生怎樣的電極反應(yīng)？如何書寫電極方程式？

【設(shè)計(jì)意圖】通過對實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察，學(xué)生自己畫圖分析，讓學(xué)生在分析過程中不斷發(fā)現(xiàn)，不斷探索，逐漸形成批判精神和創(chuàng)新思維。

【匯報(bào)分析】教師在黑板上提供可自由組裝的電解池模型圖，學(xué)生到黑板上邊操作邊回答上面3個(gè)問題，并用模型圖模擬電解池工作時(shí)的微粒移動(dòng)和變化過程，最終得出電極反應(yīng)式。

【學(xué)生展示講解】溶液中的離子，陽離子有Cu2+，少量H+，陰離子有Cl-、少量OH-。接通電源時(shí)，根據(jù)分析氯化鈉溶液中的移動(dòng)可知陽離子移向陰極，陰離子移向陽極。根據(jù)離子得失電子能力強(qiáng)弱得出產(chǎn)物為氯氣和銅。

【符號表征】

陽極：2Cl- - 2e- = Cl2 ↑

陰極：Cu2+ + 2e-= Cu

【放電順序】

①陽離子放電（得電子）順序：氧化性。

Ag+ > Hg2+ > Fe3+ > Cu2+ > H+（酸）> Pb2+ > Sn2+ > Fe2+ >Zn2+ >H+（水）;

（鋁以前的金屬不可能在水溶液中被還原）

②陰離子放電（失電子）順序（惰性電極）：還原性。

S2- > I- >Br- >Cl- > OH-（水）> 含氧酸根（NO3-、SO42-等）

【設(shè)計(jì)意圖】體現(xiàn)了證據(jù)推理與模型認(rèn)知的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)價(jià)值觀，學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)學(xué)會(huì)收集科學(xué)證據(jù)和確立尋找證據(jù)的途徑;學(xué)會(huì)利用實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ兔枋鲎兓?，解釋化學(xué)現(xiàn)象。通過課堂中的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)過程分析，總結(jié)歸納出陰陽離子的放電順序，這是分析電解池模型問題中關(guān)鍵的一環(huán)。運(yùn)用了歸納的科學(xué)學(xué)習(xí)方法，從具體例子中歸納出一般規(guī)律。

3.4 課堂小結(jié)

（1）電解池相關(guān)概念：

①電解池：將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的裝置。

②電極名稱及判斷：

陰極--連接電源負(fù)極--陽離子--得電子--還原反應(yīng);

陽極--連接電源正極--陰離子--失電子--氧化反應(yīng)

（2）常見離子放電順序;

（3）分析電池反應(yīng)思維程序：溶液中存在哪些離子--通電時(shí)離子如何移動(dòng)--離子放電順序--產(chǎn)物、電極反應(yīng)式。

【設(shè)計(jì)意圖】提升理論水平，形成分析電解問題的思維程序?；瘜W(xué)不僅僅是零散地讓學(xué)生知道電解池的構(gòu)成，微粒的移動(dòng)方向，電極反應(yīng)以及能量的轉(zhuǎn)化，更重要的是提高關(guān)聯(lián)性才是認(rèn)知層面上的有意義學(xué)習(xí)。通過模型的進(jìn)一步建構(gòu)，不管從教、學(xué)還是評，都是將知識結(jié)構(gòu)化。

3.5課后拓展

【課后任務(wù)】現(xiàn)在一般家庭用的消毒液都是利用氯氣溶于氫氧化鈉溶液制得，通過本節(jié)課電解原理的學(xué)習(xí)，大家設(shè)計(jì)一種裝置制備84消毒液（次氯酸鈉）。

【設(shè)計(jì)意圖】以生活化的應(yīng)用突破電解，從化學(xué)走入生活。建立“素養(yǎng)發(fā)展為本”的化學(xué)學(xué)習(xí)評價(jià)觀。

4 教學(xué)創(chuàng)新

（1）教學(xué)內(nèi)容創(chuàng)新

通過用兩根石墨碳棒在pH試紙上寫字，分別寫出不同顏色，為什么會(huì)出現(xiàn)這種現(xiàn)象為疑引入課堂，引導(dǎo)學(xué)生從宏觀感知現(xiàn)象，從微觀分析本質(zhì)，用符號表征反應(yīng)，最后形成相應(yīng)概念，回到生活遷移拓展應(yīng)用。

（2）教學(xué)手段創(chuàng)新

在課堂中，通過兩個(gè)學(xué)生實(shí)驗(yàn)活動(dòng)推動(dòng)課堂的發(fā)展，增強(qiáng)了學(xué)生的參與感和代入感。學(xué)生根據(jù)宏觀現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)和提出具有探究價(jià)值的問題，從而促進(jìn)學(xué)習(xí)方式的轉(zhuǎn)變，也為后續(xù)電解原理應(yīng)用的學(xué)習(xí)做好了鋪墊。

（3）實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新

課堂中的電解氯化鈉溶液和電解氯化銅溶液兩個(gè)實(shí)驗(yàn)分別只需要幾滴試劑，現(xiàn)象明顯，操作簡單，同時(shí)節(jié)約了藥品用量。產(chǎn)物氯氣的量甚微，保證了實(shí)驗(yàn)學(xué)生的安全，增強(qiáng)學(xué)生的微量、綠色化學(xué)實(shí)驗(yàn)意識。

參考文獻(xiàn)：

[1]教育部.普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）[S].中華人民共和國教育部制訂，2017.

[2]陳樹華.便捷電解池創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)微課教學(xué)設(shè)計(jì)[J].中華少年，2019，（35）：226+230.

[3]單媛媛;鄭長龍.我國高中“電化學(xué)”主題教學(xué)研究現(xiàn)狀——基于2008～2018年國內(nèi)碩士學(xué)位論文的分析[J].化學(xué)教學(xué)，2020，（04）：28-32.

[4]劉凱釗.基于新課標(biāo)的高中化學(xué)教學(xué)設(shè)計(jì)[M ].北京：民主與建設(shè)出版社，2019：125.

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