項(xiàng)目化視域下實(shí)驗(yàn)裝置的改進(jìn)

《義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》（以下簡(jiǎn)稱新課標(biāo)）中指出，化學(xué)課程要培養(yǎng)的核心素養(yǎng)，主要包括化學(xué)觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究與實(shí)踐、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任。其中，科學(xué)探究與實(shí)踐主要包括以實(shí)驗(yàn)為主的科學(xué)探究能力，運(yùn)用簡(jiǎn)單的技術(shù)與工程方法設(shè)計(jì)、制作與使用相關(guān)模型和作品的能力等[1]。新課標(biāo)中還規(guī)定了學(xué)生必做的8個(gè)實(shí)驗(yàn)，其中包括“水的組成及變化的探究\"實(shí)驗(yàn)?！八慕M成及變化的探究\"實(shí)驗(yàn)是培養(yǎng)學(xué)生建立“宏觀一微觀一符號(hào)”三重表征關(guān)聯(lián)的重要載體，也是學(xué)生認(rèn)識(shí)“物質(zhì)的組成\"這一事實(shí)性知識(shí)的基礎(chǔ)。這一實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛞龑?dǎo)學(xué)生對(duì)微觀粒子形成具象的認(rèn)識(shí)，從而能從定性與定量、元素組成與微粒構(gòu)成相結(jié)合的角度認(rèn)識(shí)物質(zhì)及其反應(yīng)]

開展水的組成及變化的探究，讓學(xué)生親身經(jīng)歷“電解水\"實(shí)驗(yàn)至關(guān)重要?！半娊馑甛"實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主要包括兩個(gè)方面：一是觀察水通直流電后發(fā)生的變化；二是收集并檢驗(yàn)水通直流電后生成的兩種氣體。學(xué)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(fā)生的現(xiàn)象，經(jīng)歷檢驗(yàn)氫氣和氧氣的過程。只有有了感性認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)，學(xué)生才能從本質(zhì)上認(rèn)識(shí)\"水的組成”。

一、項(xiàng)目緣起

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

讓水發(fā)生電解反應(yīng)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(shí)驗(yàn)，應(yīng)該能夠讓學(xué)生近距離地觀察到水通直流電后發(fā)生的變化并親歷檢驗(yàn)兩種氣體的過程。

為了達(dá)成上述目標(biāo)，筆者在課前布置了項(xiàng)目式作業(yè)—一制作電解水裝置，在提高學(xué)生實(shí)踐能力的同時(shí)，讓學(xué)生在課前對(duì)電解水現(xiàn)象有直觀的體驗(yàn)。

二、項(xiàng)目式作業(yè)的設(shè)計(jì)與實(shí)施

任務(wù)一：電解水裝置的設(shè)計(jì)

學(xué)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(gè)一次性的塑料杯； ② 兩枚大頭針； ③ 兩節(jié)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(dǎo)線。學(xué)生利用上述器材進(jìn)行設(shè)計(jì)，分組討論繪制出電解水裝置的設(shè)計(jì)圖。不同小組的學(xué)生相互展示設(shè)計(jì)方案，并評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)方案，最終確定利用上述器材制作簡(jiǎn)易電解水裝置的最優(yōu)方案，裝置設(shè)計(jì)圖如圖3所示。

任務(wù)二：電解水裝置的制作

學(xué)生依照制作方案完成裝置的制作。

整個(gè)一次性杯子做容器兩枚大頭針做電極半個(gè)一次性杯子做底座

（1）在一個(gè)一次性杯子的底部插入兩枚大頭針作為兩個(gè)電極，將另一個(gè)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(nèi)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(nèi)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(dǎo)線將兩節(jié)9V的鋰電池串聯(lián)，再用導(dǎo)線將鋰電池的正、負(fù)極分別與大頭針底部相連形成通路（如圖6）。

任務(wù)三：電解水裝置的使用

學(xué)生利用制作的電解水裝置進(jìn)行電解水實(shí)驗(yàn)，收集并檢驗(yàn)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(chǎn)生了大量的氣泡（如圖7）。觀察兩極產(chǎn)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(shí)間內(nèi)氣體體積的大小關(guān)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(nèi)檢驗(yàn)。帶火星的木條復(fù)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(yàn)，會(huì)發(fā)現(xiàn)試管內(nèi)的氣體能被點(diǎn)燃，并發(fā)出爆鳴聲，證明陰極生成的氣體是氫氣（如圖9）。

任務(wù)四：電解水裝置的改進(jìn)

上述簡(jiǎn)易電解水裝置能讓學(xué)生通過分組實(shí)驗(yàn)近距離地觀察水的電解現(xiàn)象，但是該裝置也存在一些不足之處，如裝置產(chǎn)生氣體的速率還不夠快，氣體體積讀數(shù)不夠準(zhǔn)確等。針對(duì)這些問題，教師鼓勵(lì)學(xué)生在課后對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力，以此傳遞不斷創(chuàng)新改進(jìn)的科學(xué)精神。同時(shí)，教師向?qū)W生展示課前制作的一款改進(jìn)裝置（如圖10）。在課堂教學(xué)中用這款裝置進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)，能夠彌補(bǔ)簡(jiǎn)易電解水裝置存在的一些不足。

1.改進(jìn)電解水裝置所需材料

改進(jìn)電解水裝置需要準(zhǔn)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(zhǎng)的石墨電極； ⑤ 一個(gè) 2 0 c m× 的亞克力底座； ⑥ 兩個(gè) 8 0 m L 的注射器； ⑦ 可調(diào)電源。

2.電解水裝置的改進(jìn)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(huán)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(cè)開孔，在 5 c m× 5 c m× 5 0 c m 的亞克力方管底部?jī)蓚?cè)開孔（如圖12）。

（3）用環(huán)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(huán)氧AB膠將兩個(gè)注射器分別固定在兩側(cè) 2 5 c m 長(zhǎng)的亞克力方管上端（如圖13）。

（4）用環(huán)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(zhǎng)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(huán)氧AB膠密封，不留縫隙。

（5）用內(nèi)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(nèi)置玻璃珠用作控制出氣的制動(dòng)閥門。

（6將可調(diào)電源與石墨電極金屬接線柱相連（如圖14）。

3.電解水改進(jìn)裝置的使用

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

（2）一段時(shí)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(fù)燃（如圖16）。

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

三、電解水裝置改進(jìn)效果分析

（一）器材容易獲取

兩套實(shí)驗(yàn)裝置所需的實(shí)驗(yàn)器材都比較容易獲取。學(xué)生設(shè)計(jì)的電解水裝置所需的一次性塑料杯、導(dǎo)線、9V的鋰電池、大頭針、食用碳酸鈉均可以在市面上購(gòu)買，而帶刻度的小試管在網(wǎng)上也可以購(gòu)得。這些生活中容易獲取的器材，有助于學(xué)生在實(shí)驗(yàn)后對(duì)裝置進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化改進(jìn)。電解水改進(jìn)裝置所需的玻璃出氣管、內(nèi)置玻璃珠的橡膠管可在實(shí)驗(yàn)室獲取，而亞克力方管、石墨電極、可調(diào)電源在網(wǎng)上就可購(gòu)得。

（二）操作比較簡(jiǎn)單

學(xué)生設(shè)計(jì)的電解水裝置在組裝、操作、檢驗(yàn)三個(gè)環(huán)節(jié)都比較簡(jiǎn)便?？紤]到實(shí)驗(yàn)的安全性，以及學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中需要用手接觸水溶液，因此加入食用碳酸鈉來增強(qiáng)溶液的導(dǎo)電性。從學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)的情況來看，碳酸鈉水溶液電解速率快且安全性高，學(xué)生可在幾分鐘內(nèi)收集到足夠的氣體進(jìn)行下一步的檢驗(yàn)。電解水改進(jìn)裝置只需在裝置內(nèi)加人足量的碳酸鈉水溶液，調(diào)節(jié)合適的電壓，即可在幾分鐘內(nèi)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(yàn)兩種氣體。

（三）現(xiàn)象非常直觀

學(xué)生設(shè)計(jì)的電解水裝置在通電后實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象非常明顯。兩個(gè)9V鋰電池可提供18V的電壓，故水電解的速率非常快。學(xué)生能夠近距離地觀察到兩極快速產(chǎn)生大量氣泡的現(xiàn)象，并且通過帶刻度的試管能粗略比較兩極產(chǎn)生氣體的體積大小。幾分鐘后，學(xué)生可將試管取出，檢驗(yàn)收集到的氣體，并觀察到帶火星木條復(fù)燃和氫氣被點(diǎn)燃的現(xiàn)象。電解水改進(jìn)裝置可通過調(diào)節(jié)可調(diào)電源的電壓來加快水電解的速率，幾分鐘后，學(xué)生便可檢驗(yàn)兩種氣體，并觀察到帶火星木條復(fù)燃和氫氣安靜燃燒的現(xiàn)象。

（四）課堂效率得到提高

學(xué)生通過項(xiàng)目式作業(yè)的實(shí)踐，已經(jīng)對(duì)“電解水”實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象有了非常直觀的體驗(yàn)，為“水的組成\"這節(jié)課的學(xué)習(xí)積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。電解水改進(jìn)裝置因不用直接接觸溶液而使用相對(duì)安全，且該裝置可通過調(diào)節(jié)獲得更高的電壓，水電解的速率更快，解決了課堂上短時(shí)間內(nèi)獲取大量氣體的難題

（五）學(xué)生實(shí)踐能力獲得提升

學(xué)生在完成“制作電解水裝置\"項(xiàng)目式作業(yè)的過程中，經(jīng)歷了裝置的設(shè)計(jì)、組裝、操作等過程，并且近距離地觀察到水電解及氣體檢驗(yàn)的現(xiàn)象。這極大地激發(fā)了學(xué)生對(duì)探究實(shí)踐的興趣，提升了學(xué)生運(yùn)用簡(jiǎn)單的技術(shù)與工程方法解決化學(xué)實(shí)際問題的能力。同時(shí)，通過對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)過程的分析、評(píng)價(jià)，學(xué)生對(duì)裝置存在的不足和進(jìn)一步優(yōu)化改進(jìn)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(jìn)跨學(xué)科學(xué)習(xí)

學(xué)生使用自制的電解水裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)裝置存在的一些不足。結(jié)合學(xué)生提出的改進(jìn)意見，教師鼓勵(lì)學(xué)生在課后從電極材料、電極形狀、電解質(zhì)種類和濃度、電源電壓、收集裝置等角度對(duì)“電解水\"實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行改進(jìn)，從而激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。此外，電解水裝置涉及化學(xué)、物理、數(shù)學(xué)和工程等多門學(xué)科知識(shí)，能提高學(xué)生綜合運(yùn)用多學(xué)科知識(shí)解決復(fù)雜問題的能力。

總之，經(jīng)過主動(dòng)設(shè)計(jì)、制作電解水裝置，學(xué)生的設(shè)計(jì)與實(shí)踐能力得到了顯著提高。學(xué)生通過小組合作完成實(shí)驗(yàn)，觀察到了水電解的現(xiàn)象，檢驗(yàn)了水電解的產(chǎn)物，在實(shí)踐能力得到提升的同時(shí)，為接下來探究水的組成積累了直觀的感性認(rèn)識(shí)。電解水改進(jìn)裝置則能夠讓學(xué)生更加精確地比較陰、陽兩極所產(chǎn)生的氣體體積，且在檢驗(yàn)陰極產(chǎn)生的氫氣時(shí)，氫氣能夠安靜地燃燒。實(shí)驗(yàn)后，學(xué)生通過對(duì)裝置的結(jié)構(gòu)、使用等情況進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)，并對(duì)電解水裝置的改進(jìn)創(chuàng)新提出各自不同的意見。教師鼓勵(lì)學(xué)生課后像科學(xué)家一樣，對(duì)裝置進(jìn)行不斷地優(yōu)化和改進(jìn)。

[參考文獻(xiàn)]

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（責(zé)任編輯 羅艷）