改進電解水實驗教學培養(yǎng)化學核心素養(yǎng)

馬靖雯 楊凌武 麥婉珊 胡瑋

摘要：在初中學生可接受知識范圍內(nèi)對電解水實驗進行實驗拓展和教學過程設計，在教學中通過引導學生對電解水裝置和電極材料進行分析及改進，進而培養(yǎng)學生的化學核心素養(yǎng)。

關鍵詞：化學核心素養(yǎng);電化學;電解水實驗改進;實驗教學

文章編號：1008-0546（2022）02x-0018-04

中圖分類號：G632.41

文獻標識碼：Bdoi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.02x.004

化學學科核心素養(yǎng)包括“宏觀辨識與微觀探析”“變化觀念與平衡思想”“證據(jù)推理與模型認知”“科學探究與創(chuàng)新意識”“科學態(tài)度與社會責任”5個方面[1]，如何培養(yǎng)學生核心素養(yǎng)需要教師進行積極地思考與教學摸索，更要求化學教師不斷更新教學理念、有融合意識和創(chuàng)新能力、通過檢索整理大量的信息去設計多樣化的教學活動，形成相對應的教學策略。實驗教學便是培養(yǎng)化學核心素養(yǎng)的有效途徑，尤其是在“科學探究與創(chuàng)新意識”“科學態(tài)度與社會責任”的培養(yǎng)方面值得不斷探索[2]。

電解水實驗是中學化學教學中的一個重要實驗，2017年版《普通高中教科書化學》中對2012年版九年級化學教材中的水電解實驗的簡易裝置做了改進，將實驗裝置由酸式滴定管、長頸漏斗、電極和電源裝置的組合調(diào)整為水槽、試管、電極和電源的組合，調(diào)整后的電解水裝置更簡潔且容易操作，現(xiàn)象也更易于觀察，但由于實驗與實踐仍有較大差異，不利于激發(fā)學生探究興趣[3]。為了促進創(chuàng)新思維的養(yǎng)成，進一步達到培養(yǎng)學生“科學探究與創(chuàng)新意識”和“科學精神與社會責任”的化學核心素養(yǎng)目的，教師可以以“電解水實驗的改進”為突破口，通過引導學生思考如何改進電解水實驗裝置和電極材料的角度著手，進行開放性的實驗教學。在實施過程中，以提問式教學引導切入，然后由學生查閱資料完成對實驗裝置的改進設計并開展實驗，完成實驗報告。通過這種開放性、探究性的實驗訓練可有效激發(fā)學生的探究精神和創(chuàng)新興趣，進而能夠在化學實驗教學中重點落實對學生“科學探究與創(chuàng)新意識”和“科學精神與社會責任”的化學核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。

一、電解水實驗改進的背景

從學生認知背景來看，學生經(jīng)過物理電學學習已經(jīng)了解了電解池及電極的工作原理，且在九年級化學“水的組成”學習中，觀看了“電解水”演示實驗，對水的性質(zhì)及水電解后產(chǎn)生氫氣和氧氣，且氫氣和氧氣的體積比為2∶1等知識已經(jīng)十分熟悉。因此，對電解水實驗所用的電極材料和裝置進行改進，是一個很好的延展方向。教師可以通過提問引導學生繼續(xù)探求：是否有廉價經(jīng)濟的電極材料和裝置來進行替代鉑電極實現(xiàn)電解水制氫？電解水實驗具有什么探究價值？工業(yè)電解水制氫是如何實現(xiàn)的？電解水改進實驗如何實施？這樣可以縮小理論到實際應用的差距，激發(fā)學生深入探究的興趣。從教師教學的角度，從本質(zhì)上幫助學生理解電化學知識與電池裝置，將大學的物理化學知識有效地引入到中學電化學教學活動中，對初中電化學知識加以補充解釋與說明也十分必要[4]。這樣既能提高教師的教學水平和效率，又可以真正做到深入淺出地幫助學生理解。因此，通過“電解水實驗的改進”研究小課題的教學活動，教師利用物理化學知識將大學電化學測試裝置引入實驗，指導學生對實驗現(xiàn)象、數(shù)據(jù)結果進行分析并形成研究小報告，培養(yǎng)學生提出問題、分析及解決問題的能力。由于該教與學活動具有小型、新穎、難易適中等優(yōu)點，符合學生認知水平，在培養(yǎng)學生的化學核心素養(yǎng)上意義重大。

二、電解水改進實驗的教學流程

前期課程對“水的電解”相關知識的課堂教學中，師生對電解水實驗進行了演示，學生對于“水的組成”及“電解水實驗”的操作過程有了直接的接觸。由于電解水實驗在培養(yǎng)學生化學核心素養(yǎng)中有很大的挖掘價值，因此教師可以引導學生結合生活實際，以課外化學實驗探究活動的形式，利用實驗室現(xiàn)有實驗裝置對電解水實驗進行改進，使學生對該實驗的認知得到進一步的升華[5]。

首先，教師根據(jù)同學們對課外化學實驗探究活動的興趣，組建興趣小組，然后按照“師生進行情景導入、創(chuàng)設新知→查閱資料、設計方案→方案對比與選定→觀察現(xiàn)象、記錄數(shù)據(jù)→分析總結、形成研究小報告”五個探究環(huán)節(jié)進行，活動時長為10周左右[6]。

1.情景導入，創(chuàng)設新知

原電解水實驗能讓學生了解水的組成，熟悉電解實驗操作，但為了在實驗中更深入地培養(yǎng)學生的化學核心素養(yǎng)[7]，教師可在導入環(huán)節(jié)通過分析與提問的方式引導學生做以下實驗改進的思考（表1）。通過情景導入滲透“綠色化學”、化學與生活的聯(lián)系、化學與社會生產(chǎn)的聯(lián)系等現(xiàn)代化學理念，引導學生從原實驗的各個側面進行剖析，培養(yǎng)學生的辯證思維能力，提出質(zhì)疑，說出想法，發(fā)現(xiàn)和提出有探究價值的問題，培養(yǎng)學生“科學探究與創(chuàng)新意識”的化學核心素養(yǎng)[8]。

2.查閱資料、設計實驗方案

以小組合作的形式，利用互聯(lián)網(wǎng)收集電解水實驗裝置及電極組成的相關資料，在該過程中學生可以初步掌握信息檢索基本技能、并對信息進行有效的歸納總結，在教師指導下提出改進方案和實驗改進的具體策略。經(jīng)過資料的檢索，學生能夠初步了解各種電解水裝置、以及書本、科研實驗及工業(yè)生產(chǎn)的差異，是整個核心素養(yǎng)培養(yǎng)活動中最為關鍵的一環(huán)，對培養(yǎng)學生“批判質(zhì)疑”的科學精神，養(yǎng)成“勇于探究、樂學善思、勤于反思、信息意識”的學會學習能力等核心素養(yǎng)具有重大意義[9]。表2為學生根據(jù)情境導入中各組件的改進問題，如反應條件是否容易達到、收集的氣體是否純凈、裝置與操作是否簡單、材料是否易得價廉等，收集整理的相關資料和可能的解決方案。

3.方案對比與選定

隨后，在結合電極材料的經(jīng)濟有效性，電解液與電極的適配，裝置的簡易程度等因素后，教師鼓勵學生通過實驗自己動手驗證設計的可行性，通過調(diào)控具體操作參數(shù)分組進行電解水實驗，通過對比，選出最佳方案，進而選定電解水的改進實驗方案。具體設計的方案與實施見表3所示。

4.改進實驗的實施情況與數(shù)據(jù)分析

最終，同學們根據(jù)上述四個方案的現(xiàn)象對比，再結合中學化學實驗的簡便易操作、現(xiàn)象明顯等要求，選定廉價多孔的泡沫鎳（NF，15mm*10mm）分別作為電解的正、負電極材料，在2mol/LKOH溶液中，仍采用傳統(tǒng)的兩電極體系在室溫下進行電解，所用器材有25mL燒杯（1只）、打孔的密封塞（1只）、10mL帶刻度量筒（1支，記錄排水量）、水槽、導氣管及電化學工作站構成（圖1）。其中，根據(jù)實驗要求（是否記錄電流隨電解時間的變化）和實驗條件，電化學工作站也可以由直流穩(wěn)壓電源代替[10]。

該裝置采用同學們熟悉的常規(guī)器材及價廉易得的泡沫鎳為電極，比原有的霍夫曼電解水器構造更直觀，電解電壓更低且實驗現(xiàn)象更明顯，極大方便同學們大膽地自己動手嘗試。由于泡沫鎳的多孔結構肉眼可見，加深了同學們對于電極反應面積的感性認識，拓展了認知范圍。同時，同學們通過記錄不同電解時間產(chǎn)生的氣體體積，可以對數(shù)據(jù)進行定量分析，初步賦予了函數(shù)關系的概念。圖2為同學分3個興趣小組由圖1所示實驗裝置進行電解水實驗，并觀察所產(chǎn)生氣體的體積與電解時間的關系圖，圖中產(chǎn)氣總量與電解時間為很好的線性關系，且小組差異性較小，非常適合在中學生實驗中進行推廣。此時，教師可以再適時引導同學們進一步思考：以上四種方案產(chǎn)生差異的原因、是否可以用KCl溶液、如何知道不同時間產(chǎn)生氫氣或氧氣的量等，培養(yǎng)學生透過現(xiàn)象看本質(zhì)、理性思維的科學精神。

三、電解水改進實驗的教學反思

在該電解水改進實驗的實際操作過程中，在教師的引導和協(xié)助下，學生能發(fā)現(xiàn)并提出有探究價值的化學問題，然后依據(jù)實驗探究目的，合理設計實驗方案，最終完成實驗操作，并能對改進實驗過程中觀察記錄的實驗現(xiàn)象和數(shù)據(jù)進行處理，也能相互交流實驗探究的成果，提出進一步探究或改進的設想，進而確定最終方案并予以實施，進而培養(yǎng)學生的化學核心素養(yǎng)。具體來說，在“情景導入、創(chuàng)設新知”環(huán)節(jié)中，同學們對該實驗的電極、電解液及相關器材等進行深入剖析，大膽創(chuàng)新，敢于質(zhì)疑的科學探究精神得到了極大地鼓勵;在“查閱資料、設計方案”環(huán)節(jié)中，同學們經(jīng)過對原實驗方案的創(chuàng)新思考后，在課下有目的、有針對性地查閱資料，并協(xié)同合作進行改進實驗方案的設計，高效地擴展了同學們的知識面及對電解水在實驗室科研和生產(chǎn)實踐層面上的認知水平，使其善于合作的科學探究精神和勇于創(chuàng)新的科學探究意識得到了很好的培養(yǎng);在“方案對比與選定”和“觀察現(xiàn)象、記錄數(shù)據(jù)”這兩個環(huán)節(jié)中，學生分組進行電解水實驗，通過對比，選出最佳方案，隨后進行改進實驗的實際操作，同時觀察實驗現(xiàn)象與記錄數(shù)據(jù)并加以科學分析，培養(yǎng)了學生理性思維的科學精神和嚴謹求實的科學態(tài)度。因此，在電解水改進實驗的教學過程中，不僅讓學生對基礎實驗操作更加熟練，更是讓學生在改進實驗中使實驗本身蘊藏的化學核心素養(yǎng)得到了進一步升華。

在該改進實驗中，教師也受益匪淺。在該教學進程中，教師既要保護學生的求知欲與探究興趣，又要適時引導，使教學進程順利完成。這要求教師對電解水過程所涵蓋的所有知識點與信息要有充分的準備，失敗了能找到原因，成功了要能總結經(jīng)驗，要能采用多種教學策略進行“推波助瀾”，讓同學們在跨時較長的興趣小組活動中始終保持求索的熱情，并養(yǎng)成“勝不驕，敗不餒”的優(yōu)良品質(zhì)。此類教學活動的開展，促進了教師把轉變教學理念作為起點，在課堂角色、課堂結構、課堂內(nèi)容、課堂形式及課堂管理上進行理性思考：如何在符合中學生知識建構的基礎上，結合大學化學相關知識、相關科研實驗與生產(chǎn)實踐活動，真正做到深入淺出地傳授知識及培養(yǎng)化學核心素養(yǎng)。

四、小結

通過課外化學實驗探究活動的形式，將“電解水實驗的改進”作為主線，在教師引導下，以同學為主體，完成了電解水裝置中電極、電解質(zhì)溶液及組成、測試條件等方面的改進探索活動。在該教學活動中，學生的學習積極性、主動性、創(chuàng)造性思維能力得以很好地發(fā)揮。在開放式教學形式下，經(jīng)過“情景導入、創(chuàng)設新知→查閱資料、設計方案→方案對比與選定→觀察現(xiàn)象、記錄數(shù)據(jù)→分析總結、形成研究小報告”五個探究環(huán)節(jié)，有效地培養(yǎng)了學生的“科學探究與創(chuàng)新意識”和“科學精神與社會責任”等化學核心素養(yǎng)。該電解水改進實驗教學活動，對教師在教學活動中如何培養(yǎng)學生的化學核心素養(yǎng)具有很好地啟示作用。

參考文獻

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