素養(yǎng)為本的高中化學課堂教學實踐

張瑞

［摘 要］文章以“電解原理”的教學為例，以“電鍍樹葉”這一真實情境引入主題，按照“情境創(chuàng)設—大膽猜想—設計方案—實驗求證—模型建構—變式遷移—學以致用”的路徑開展素養(yǎng)為本的高中化學課堂教學，實現(xiàn)知識、方法與應用三者融合，培養(yǎng)學生的化學學科核心素養(yǎng)。

［關鍵詞］素養(yǎng)為本；電解原理；高中化學

［中圖分類號］? ? G633.8? ? ? ? ［文獻標識碼］? ? A? ? ? ? ［文章編號］? ? 1674-6058（2024）11-0068-04

《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱《課程標準》）中明確指出，學科核心素養(yǎng)是學科育人價值的集中體現(xiàn)，是學生通過學科學習而逐步形成的正確價值觀、必備品格和關鍵能力［1］。高中化學教學目標和內容的確定要以學科核心素養(yǎng)為導向，而化學知識的學習與探究需要在真實的情境中進行，同時要重視實驗探究，為學生營造自主學習、合作探究的氛圍，通過問題的解決促成學生學科素養(yǎng)的提升。下面以“電解原理”的教學為例，探索素養(yǎng)為本的高中化學課堂教學。

一、教學背景

“電解原理”是人教版高中化學選擇性必修1《化學反應原理》第四章“化學反應與電能”第二節(jié)“電解池”的教學內容。對這部分內容，《課程標準》要求：能分析、解釋電解池的工作原理，能設計簡單的電解池；認識電解在實現(xiàn)物質轉化和儲存能量中的具體應用；了解電解在化工生產中的應用，討論電鍍工業(yè)對環(huán)境造成的影響［2］。

電解是中學階段的一個重要化學概念，電解原理是對離子反應、氧化還原反應的綜合運用。電解原理的學習安排在原電池之后，是原電池知識的延伸，是電化學腐蝕的基礎。系統(tǒng)學習化學能與電能相互轉化的能量守恒知識，有利于學生構建微觀模型中的能量變化和宏觀能量利用的系統(tǒng)思維框架。本節(jié)課通過真實情境中的實驗探究、宏觀辨識與微觀探析進行證據推理和模型認知，有利于培養(yǎng)學生的化學學科核心素養(yǎng)。

二、教學目標

“電解原理”一課的核心素養(yǎng)目標如圖1所示。

三、教學思路

“電解原理”一課的教學思路程如圖2所示。

四、教學過程

環(huán)節(jié)一：創(chuàng)設情境，導入新課

【情境導入】通過“電鍍樹葉”激發(fā)學生學習興趣，引入課題。

【教師】給學生展示兩片“樹葉”：普通樹葉和電鍍樹葉，提出問題：原本綠色且柔軟的樹葉，為什么變成了擁有黃銅般金屬外表的樹葉？

【學生】討論并產生興趣。

【教師】你們想不想自己制作精美的“電鍍樹葉”？如何制作呢？

【學生】交流、討論。

【師生】回顧初中學習的電解水的裝置及原理，分析電流和電子流向及離子的移動，寫出電解水的電極反應方程式，分析總結電解池的基本構成。

設計意圖：通過“電鍍樹葉”創(chuàng)設問題情境，引發(fā)學生思考，激發(fā)學生學習興趣，讓學生從生活走進化學，從而提升化學價值觀；通過從宏觀和微觀兩個方面回顧電解水的原理，幫助學生理解電解的定義以及電解池的構成條件，達到溫故而知新的效果，提升學生的科學探究、宏觀辨識、變化觀念等化學學科核心素養(yǎng)。

環(huán)節(jié)二：實驗探究，建構模型

【情境再現(xiàn)】教師播放“電鍍樹葉”視頻，學生討論、分析并設計如圖3所示的實驗裝置圖，分析電解氯化銅溶液的原理并完成實驗探究。

【學生活動一】預測并分析氯化銅溶液的電解過程。

1. 寫出通電前氯化銅溶液中的電離方程式。

CuCl2＝Cu2+ +2Cl-? ? ? ? ? ?H2O ? H+ + OH-

2.分析電子的流向：負極→陰極，陽極→正極。

3.分析通電后氯化銅溶液中離子的遷移方向：陽離子→陰極，陰離子→陽極。

4.根據氧化還原反應，預測陰極和陽極的電極產物。

陰極產物：Cu2+ 或H+獲得電子生成Cu或H2。可通過觀察的方法確認是Cu還是H2。

陽極產物：Cl-或OH-失去電子生成Cl2或O2。可用濕潤的淀粉碘化鉀試紙檢驗是否有氯氣生成，用帶火星的木條檢驗是否有氧氣生成。

【教師】那么樹葉應該作為電解的陰極還是陽極？

【學生】Cu可能是陰極產物，樹葉應該作為電解的陰極。

設計意圖：通過應用已學知識預測并分析電解氯化銅的原理，猜想陰極與陽極可能出現(xiàn)的產物以及驗證的方法，引導學生基于宏觀變化現(xiàn)象進行微觀探析和證據推理，提升學生的宏觀辨識與微觀探析化學學科核心素養(yǎng)，培養(yǎng)學生勇于探索的精神。

【學生活動二】實驗探究一：電解氯化銅溶液。

實驗用品：1.5 mol/L氯化銅溶液，碘化鉀淀粉試紙，9 V電源，塑料吸管，鉛筆芯，導線，已經敏化的樹葉。

學生實驗：學生小組動手實驗，觀察并記錄電解氯化銅溶液的實驗現(xiàn)象（如表1）。

依據電極產物推測離子氧化性和還原性的強弱順序。氧化性：Cu2+[ > ]H+；還原性：[Cl->OH-]。

【實驗結論】電解氯化銅溶液的過程，可以看作由外接電源提供電能，借助電解池將還原劑的電子轉移給了氧化劑。

設計意圖：基于真實情境開展電解氯化銅溶液的實驗，在激發(fā)學生學習興趣的同時，讓學生感受放電微粒的變化，親歷收集證據的過程，培養(yǎng)學生的科學探究、科學態(tài)度、創(chuàng)新意識等化學學科核心素養(yǎng)。

【學生活動三】模型建構：電解池工作原理。

【教師引導】讓學生以石墨為電極，以電解氯化銅溶液為例，繪制電解池工作原理的示意圖。（包含內容：注明電解池的組成；標明氧化反應和還原反應發(fā)生的區(qū)域；標明電子的運動方向和陰離子、陽離子的遷移方向；寫出電極反應式并注明反應類型；電解的總反應式）

【學生】分析并寫出電極反應式。

陽極：2Cl- - 2e-＝ Cl2↑（氧化反應）

陰極：Cu2+ + 2e- ＝ Cu? ?（還原反應）

總反應：CuCl2 ＝ Cl2↑+ Cu

【教師】在電解氯化銅溶液的實驗中，在陽極上Cl-失去電子發(fā)生氧化反應，在陰極上Cu2+得到電子發(fā)生還原反應，這個過程叫作放電。那么如何判斷電極上離子的放電順序？

【學生】可以根據陽離子的氧化性順序和陰離子的還原性順序進行判斷。

【教師】那么金屬陽離子的氧化性順序和非金屬陰離子的還原性順序是怎樣的？

【學生】金屬陽離子的氧化性順序和金屬活動性順序剛好相反，即Ag+>Hg2+ >Cu2+>H+（酸）>Pb2+ >Sn2+ >Fe2+ >Zn2+ >Al3+ >Mg2+ >Na+>Ca+>K+，非金屬陰離子的還原性順序為：S2- >I- >Br- >Cl-。

【教師】在陰極的放電順序中，大家還要關注Fe3+的位置，同時要知道水可以電離出H+、OH-，也會放電。完善后的放電順序為：Ag+ >Hg2+ >Fe3+ >Cu2+ >H+（酸）>Pb2+ >Sn2+ >Fe2+ >Zn2+ > H+（水）>Al3+ >Mg2+ >Na+ >Ca+ >K+； S2- >I- >Br- >Cl- >OH- >含氧酸根離子。

設計意圖：基于宏觀實驗現(xiàn)象猜想驗證是否正確，體現(xiàn)化學學科以實驗為基礎的學科特點；通過分析電解氯化銅溶液的原理并建構電解模型，拓展延伸陰、陽離子的放電順序，提升學生的宏觀辨識、微觀探析、證據推理、模型認知等化學學科核心素養(yǎng)。

【過渡】在剛才電解氯化銅溶液電鍍樹葉的實驗中，陰極的樹葉上有紅色的銅析出，陽極用的是鉛筆芯，屬于惰性電極。如果我們交換陰極和陽極，會是什么樣的情況呢？

環(huán)節(jié)三：深化模型，提升認知

【學生活動四】實驗探究二：將實驗探究一中電解氯化銅溶液時已經電鍍上銅的樹葉與電源正極相連，鉛筆芯與電源負極相連（如圖4），觀察實驗現(xiàn)象。

【教師】實驗探究一中，在陽極上是Cl-失去電子變成Cl2，而我們將附有紅色銅的樹葉做陽極時，發(fā)現(xiàn)首先失去電子的是Cu而不是Cl-，由此我們可以得出什么結論？

【學生】當金屬作為陽極時，首先放電的是金屬單質而不是陰離子。

【教師】其實也并不是所有的金屬單質都會在陽極失去電子，只有除Pt和Au以外的金屬做陽極時，才是金屬失去電子。

【補充】陽極的放電順序：活性電極（除Pt和Au外的金屬）> S2- >I- >Br->Cl- >OH- >含氧酸根離子。

【教師】請大家依據陰極和陽極的放電順序，分析兩個電極可能產生的氣體有哪些。

【學生】陽極可能產生的氣體有Cl2和O2，陰極可能產生的氣體只有H2。

【教師】對于陽極，OH-失去電子，電極反應式為4OH--4e-＝O2↑+2H2O；如果OH-是由水電離的，則電極反應式為2H2O-4e-＝O2↑+4H+，這樣就會導致陽極附近的溶液呈酸性。

對于陰極，H+得到電子，電極反應式為2H++2e-＝H2↑；如果H+是由水電離的，則電極反應式為2H2O+2e-＝H2↑+2OH-，這樣就會導致陰極附近的溶液呈堿性。

設計意圖：通過交換“電鍍樹葉”實驗的電極，引導學生思考陰陽極的變化會使電極反應以及實驗結果發(fā)生哪些變化，并通過實驗驗證猜想，使學生在探究過程中感悟到化學變化無處不在，對電解中陽極材料的選擇要謹慎，從而發(fā)展學生的科學探究、變化觀念等化學學科核心素養(yǎng)。

環(huán)節(jié)四：應用模型，解決問題

【學生活動五】實驗探究三：電解飽和食鹽水。

【過渡】如果電解液變?yōu)轱柡褪雏}水，電極用鉛筆芯，嘗試通過實驗分析陰、陽兩極的產物。

實驗用品：飽和食鹽水溶液，酚酞溶液，碘化鉀淀粉試紙；9 V電源，塑料吸管，鉛筆芯，導線。

【教師引導】上述實驗會生成次氯酸鈉溶液，因此可以用來制取生活中常見的84消毒液。

設計意圖：通過電解飽和食鹽水實驗，讓學生進一步鞏固和升華電解知識，充分體現(xiàn)化學的學科價值，落實科學態(tài)度與社會責任化學學科核心素養(yǎng)。

五、教學反思

在新課程改革的推動下，開展以素養(yǎng)為本的課堂教學更加受到重視，教師要深度挖掘教學素材，精心設計教學環(huán)節(jié)，在高效完成課程目標的同時促進學生的全面發(fā)展，實現(xiàn)化學學科育人。

1.對課本演示實驗進行改進，以便操作和開展分組實驗。改進后的實驗有以下優(yōu)點：①實驗裝置輕便，方便分組，可以讓學生近距離觀察實驗現(xiàn)象，有助于突破難點，提高教學效率；②減少藥品的使用量，使生成的污染性氣體減少。

2.創(chuàng)設真實情境，促進化學實驗探究，發(fā)展學生核心素養(yǎng)。知識的學習應在真實的情境中進行，將需要學習的新知識和真實情境下的實驗探究活動有機結合，以實現(xiàn)學生核心素養(yǎng)的提升。本課首先以自制精美的“電鍍樹葉”這一情境引入新課，引導學生回顧電解水的原理，建立電解模型，從而達到溫故而知新的效果；設計循序漸進、螺旋上升的探究實驗，提升學生的實踐能力；通過對宏觀現(xiàn)象進行微觀探析，引導學生進行歸納總結、建構并深度理解電解原理模型，發(fā)展學生的證據推理、模型認知、科學探究等化學學科核心素養(yǎng)。其次，通過電解飽和食鹽水自制消毒液，讓學生在收獲知識的同時提升學科關鍵能力，感受到化學學科的魅力與社會價值，培養(yǎng)學生的社會責任感。

3.改變教學方式，實現(xiàn)教學目標的高效達成。本節(jié)課基于電解氯化銅溶液實驗，根據新課標提出的教學目標，結合學生的認識水平和已有知識，通過“情境創(chuàng)設—大膽猜想—設計方案—實驗求證—模型建構—變式遷移—學以致用”等一系列探究活動建構電解原理模型。通過改變教學方式，創(chuàng)設教師為主導、學生為主體的教學模式，實現(xiàn)知識、方法與應用三者融合，培養(yǎng)學生的化學學科核心素養(yǎng)，促進教學目標的高效達成。

［? ?參? ?考? ?文? ?獻? ?］

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

（責任編輯? ? 羅? ? 艷）

［基金項目］廣西柳州市基礎教育科學“十四五”規(guī)劃課題“三新背景下高中化學主題教學實踐研究”（立項編號：2022C74）的階段性研究成果。