李金燕 楊劍 鐘奕玲 羅一帆 許旋

摘要：以“電解原理之放電順序的探究”為素材，從學(xué)生已學(xué)的惰性電極電解氯化銅溶液的分析模型進階到通過惰性電極電解氯化鈉溶液的探究，從離子放電順序的視角完善電解池認(rèn)識模型，再通過創(chuàng)設(shè)“凈水器推銷商”的真實情境開展鐵鋁電極電解氯化鈉溶液的探究，進一步從電極材料的認(rèn)識視角對電解原理認(rèn)識模型進行修正。建模教學(xué)在建構(gòu)化學(xué)知識的同時，促進學(xué)生的化學(xué)高階思維能力和素養(yǎng)的有效發(fā)展。

關(guān)鍵詞：建模教學(xué)；電解池放電順序；高階思維

文章編號：1008-0546（2021）10-0047-05中圖分類號：G632.41文獻標(biāo)識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2021.10.011

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》提出的“模型認(rèn)知”是化學(xué)學(xué)科的重要思想和方法[1]，在教學(xué)中要引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建思維模型，促進學(xué)生建模思維和建模能力的提升。霍倫（1996）[2]提出建模教學(xué)主要包括構(gòu)建模型、評價模型、完善模型、應(yīng)用模型，具體表現(xiàn)為先選擇已構(gòu)建的模型來解決問題；在新的情境下對已有的模型進行評價進而修正模型。新課標(biāo)提倡“素養(yǎng)為本”的教學(xué)理念，倡導(dǎo)真實問題情境的創(chuàng)設(shè)，開展以化學(xué)實驗為主的多種探究活動，重視教學(xué)內(nèi)容的結(jié)構(gòu)化設(shè)計，注重培養(yǎng)學(xué)科思維，其中培養(yǎng)學(xué)生解決陌生情境下不同復(fù)雜程度問題的能力，是“素養(yǎng)為本”化學(xué)課堂教學(xué)追求的重要目標(biāo)。陌生情境下復(fù)雜問題的解決，需要學(xué)生具有較強的化學(xué)科學(xué)思維能力，尤其是高階思維能力，其中化學(xué)高階思維能力包括：概括關(guān)聯(lián)的能力、解釋說明能力、推斷預(yù)測的能力、設(shè)計驗證的能力及分析評價的能力等[3]。

一、內(nèi)容分析

本節(jié)課主要選自人教版選修四第四章第三節(jié)《電解池》電解原理第二課時，“化學(xué)能與電能的相互轉(zhuǎn)化”是貫穿第四章的主線。在原電池的學(xué)習(xí)中，學(xué)生已經(jīng)了解自發(fā)的氧化還原反應(yīng)通過原電池將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，本節(jié)的核心概念是“對于非自發(fā)的氧化還原反應(yīng)可以通過電解池實現(xiàn)由電能到化學(xué)能的轉(zhuǎn)化”，本節(jié)的基本概念：電解池的基本要素、明確電解池的工作原理（包括電子導(dǎo)體回路、溶液中的離子行為、電極材料與電極反應(yīng)、電極上放電順序），電解池原理的內(nèi)容結(jié)構(gòu)圖如圖1。人教版教材的第一課時惰性電極電解CuCl2溶液承載著電解池的基本要素、溶液中的離子行為、電極反應(yīng)等核心知識。本節(jié)課主要對電極上放電順序及電極材料這兩個基本概念從模型認(rèn)知的視角進行建構(gòu)，為下節(jié)課電解池的應(yīng)用做知識鋪墊。

二、基于模型建構(gòu)的教學(xué)

1.“電解原理放電順序”模型教學(xué)分析

通過回顧第一節(jié)課惰性電極電解氯化銅溶液歸納出電解池認(rèn)識分析模型（溶液中存在哪些離子；通電時離子如何移動；產(chǎn)物、電極方程式），進階到惰性電極電解飽和食鹽產(chǎn)物的探究，從離子放電順序的視角完善已有的電解池分析模型，再應(yīng)用已有的模型去分析凈水器推銷商“科學(xué)實驗”的真實情境時，學(xué)生發(fā)現(xiàn)已建立的分析模型不能適用，進而需要在原有的模型基礎(chǔ)上通過探究金屬活性電極電解飽和食鹽水，進而發(fā)展學(xué)生電解池的分析的視角。通過回顧已有的電解池分析模型發(fā)展學(xué)生的概括關(guān)聯(lián)、分析解釋的高階思維，在已有模型的基礎(chǔ)上通過實驗探究發(fā)展學(xué)生的推理預(yù)測、簡單設(shè)計的高階思維，將模型應(yīng)用到真實情境中檢驗?zāi)Ｐ蛷亩M行修正，發(fā)展學(xué)生的分析評價、系統(tǒng)探究的高階思維，具體框架如圖2。

3.教學(xué)重難點

從離子放電順序和活性電極的兩個視角發(fā)展電解池的分析模型。

4.突破教學(xué)重難點（教學(xué)策略）

在已有的模型基礎(chǔ)上進行問題驅(qū)動和實驗探究從而完善模型，在真實情境中應(yīng)用模型進行系統(tǒng)探究和發(fā)展視角來修正模型。模型建構(gòu)過程如圖3所示。

三、教學(xué)過程

1.教學(xué)設(shè)計流程圖

本節(jié)課以“探究電解原理的放電順序”為主線，以“惰性電極電解氯化鈉溶液和鐵鋁電極電解氯化鈉”為情境開展教學(xué)活動，具體流程如圖4。

2.教學(xué)具體過程

環(huán)節(jié)一：回顧電解原理第一課時電解池分析認(rèn)識模型

【回顧模型】第一節(jié)課我們通過惰性電極電解Cu？ Cl2溶液的學(xué)習(xí)，從宏觀到微觀的視角歸納出了電解池反應(yīng)的認(rèn)知思維模型，請同學(xué)們進行回顧。

【學(xué)生回答】1.溶液有什么離子？2.通電后，離子如何移動？3.產(chǎn)物、電極反應(yīng)

【提出問題】CuCl2溶液中除了Cl-、Cu2+其實還存在水電離的OH-、H+，通電時Cl-、OH-都向陽極移動，Cu2+、H+都向陰極移動，但是實驗中H+和OH-都沒有參與反應(yīng)，那么如果利用上述實驗的電解池裝置來電解NaCl溶液，能否也得到金屬Na？

設(shè)計意圖：回顧第一課時電解CuCl2實驗課本已建立的模型是還沒考慮水中電離的OH-、H+，從已有的知識提出問題自然過渡到用惰性電極電解氯化鈉溶液的探究，促進學(xué)生認(rèn)識思路結(jié)構(gòu)化。發(fā)展學(xué)生的概括關(guān)聯(lián)能力。

環(huán)節(jié)二：通過惰性電極電解NaCl溶液，了解離子放電順序，完善模型

【教師演示】惰性電極電解NaCl溶液

【收集證據(jù)】兩個電極都產(chǎn)生了氣泡

【學(xué)習(xí)任務(wù)】請同學(xué)們對惰性電極電解NaCl溶液的氣體產(chǎn)物進行預(yù)測，并試著設(shè)置實驗方案證明你們的預(yù)測。

【理論分析】根據(jù)實驗結(jié)果思考以下問題：

1.NaCl溶液中存在哪些離子？

2.通電后，溶液中的離子如何移動？

3.結(jié)合證據(jù)，從得失電子、氧化還原反應(yīng)的角度進行分析陰陽極可能的產(chǎn)物？

【學(xué)生討論】

1.溶液總共四種離子Cl-、Cu2+、OH-、H+

2.Cl-、OH-移向陽極失電子；H+、Na+移向陰極得電子

【實驗設(shè)計】對于陰極：基于有氣泡放出的證據(jù)，可推測是H+放電，氫氣的檢驗用點燃法和肥皂泡法；對于陽極：可能是Cl-失電子會變成氯氣或是OH-失電子后必有一種元素化合價升高，推測產(chǎn)生的氣體是氧氣，氯氣的檢驗可以用濕潤碘化鉀試紙；氧氣檢驗用帶火星木條。

【評價方案】引導(dǎo)學(xué)生對氫氣檢驗方法（點燃法和肥皂泡法）進行評價：危險并難于成功。

【教師引導(dǎo)】水電離的H+得電子變成氣體離開溶液體系，溶液體系會剩下大量的OH-，可通過間接檢驗OH-的存在（滴加酚酞）證明是氫離子放電變成氫氣。

【學(xué)生實驗】惰性電極電解NaCl溶液的產(chǎn)物檢驗（圖5）。

【收集證據(jù)】陰極附近區(qū)域變紅；陽極附近區(qū)域的濕潤碘化鉀試紙變藍。

【證據(jù)分析】陰極是H+得電子變成氫氣；陽極是Cl-失電子會變成氯氣。

設(shè)計意圖：引導(dǎo)學(xué)生從證據(jù)和氧化還原的理論兩個角度進行產(chǎn)物的預(yù)測，可以減少探究的盲目性。對學(xué)生收集的證據(jù)及時提出任務(wù)教學(xué)，學(xué)生經(jīng)過前面的學(xué)習(xí)，對理論分析部分以及陽極產(chǎn)物的檢驗?zāi)芎献魍瓿?，知道氯氣用濕潤淀?KI試紙檢驗，氧氣用帶火星木條；而對于檢驗H2的方法，需要進行引導(dǎo)。發(fā)展學(xué)生推理預(yù)測、設(shè)計驗證及分析解釋的高階思維能力，從而真正落實素養(yǎng)的發(fā)展。

【討論總結(jié)】根據(jù)實驗的結(jié)果，我們可以知道陰極：H+先于Na+放電；陽極：Cl-先于OH-放電，

【學(xué)習(xí)任務(wù)】你能解釋不同離子的放電順序為何不一樣嗎？

【理論分析】根據(jù)實驗結(jié)果思考以下問題：

1.離子移動有何目的？

2.陽離子和陰離子能否放電與什么因素有關(guān)？

【學(xué)生討論】離子移動的目的主要是得失電子，在陰極H+的得電子能力比Na+強，而得電子能力主要是反應(yīng)氧化性的強弱；陽離子能否放電主要跟離子的氧化性有關(guān)；同理，陰離子能否放電主要跟離子的還原性有關(guān)。

【分析總結(jié)】離子放電順序

陽極：陰離子——失電子（有還原性）

還原性強的離子優(yōu)先放電：Cl->OH->含氧酸根離子（SO2-4等）

陰極：陽離子——得電子（有氧化性），氧化性強的離子優(yōu)先放電：Cu2+>H+>Na+

【歸納推理】

陰離子放電（失電子）順序：S2->I->Br->Cl->OH->SO2-4等

陽離子放電（得電子）順序：Ag+>Fe3+>Cu2+>H+（酸）>Fe2+>Zn2+>H+（水）>Al3+>Mg2+>Na+>Ca2+>K+

【完善模型】

在判斷惰性電極電解池的陰極、陽極產(chǎn)物時我們要思考離子的放電順序。

分析電解池反應(yīng)的思維程序：

（1）溶液中存在哪些離子？

（2）通電時離子如何移動？

（3）離子放電順序

（4）產(chǎn)物、電極反應(yīng)

【講解】經(jīng)過探究學(xué)習(xí)，電解池裝置電解NaCl溶液，是沒辦法得到金屬Na。

設(shè)計意圖：由惰性電極電解CuCl2的認(rèn)識模型，遷移到電解NaCl溶液，通過分析電解NaCl溶液產(chǎn)物，從離子放電順序的視角發(fā)展分析電解池的思維模型。由個別歸納推理出惰性電極的電解池一般的離子放電順序。由于學(xué)生對離子的氧化性和還原性的比較有一定的認(rèn)識，對于推理放電順序的原因不是很難。發(fā)展學(xué)生的概括關(guān)聯(lián)和分析解釋的高階思維能力。

環(huán)節(jié)三：應(yīng)用模型，推銷商的“科學(xué)實驗

【新聞視頻】成都周邊一些消費者反映，賣凈水器的推銷商用電解儀放入飲用水出現(xiàn)了所謂的先變綠后變黃等現(xiàn)象（圖6），并說這是“重金屬”等有害物質(zhì)，這種檢測結(jié)果可信嗎？

【資料卡片】推銷商電解儀電極是鐵棒和鋁棒；自來水許多礦物質(zhì)

【學(xué)生思考】觀看新聞，結(jié)合資料卡片對新聞進行思考

【提出問題】已有分析電解池的模型是分析惰性電極電解模型，而對于分析金屬活性電極的電解模型是否還適合呢？

【學(xué)習(xí)任務(wù)】采用控制變量法設(shè)置實驗：相同的電解質(zhì)溶液而不同的電極材料（改用活性電極）進行實驗。

【思考和交流】從控制變量法的原理思考

設(shè)計意圖：貼切的真實情境，將知識關(guān)聯(lián)社會生活，感受學(xué)科化學(xué)的價值。引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)實際需要提出探究課題，為了減少探究的盲目性，提供資料卡片并引導(dǎo)學(xué)生在提取原來的電解池分析模型時，發(fā)現(xiàn)原有的模型不適用，并引導(dǎo)學(xué)生確定探究任務(wù)“不同的電極材料電解相同的電解質(zhì)”。

環(huán)節(jié)四：鐵鋁電極電解NaCl溶液，完善電解池認(rèn)識分析模型，

【演示實驗】鐵鋁電極電解NaCl溶液

【收集證據(jù)】陰極Al棒附近產(chǎn)生了無色氣體；陽極Fe棒溶解且溶液周圍先變綠色再變黃色

【追問】請同學(xué)們從理論分析和事實證據(jù)對產(chǎn)物進行推測及設(shè)置實驗方案驗證

【學(xué)生討論】陽極Fe棒溶解且溶液周圍變綠色，推測可能是電極Fe失去電子變成Fe2+，再被空氣氧化成Fe3+，檢驗Fe3+可以用KSCN；陰極是產(chǎn)生無色氣體，可能是來自水電離的H+得電子變成H2，可用酚酞間接檢驗是否有OH-即可證明是否是氫離子放電。

【實驗驗證】鐵鋁電極電解NaCl溶液的產(chǎn)物檢驗

【收集證據(jù)】陰極附近區(qū)域變紅；陽極溶液變綠后再變黃，取陽極附近的溶液滴加KSCN溶液發(fā)現(xiàn)血紅色。

【證據(jù)分析】說明陽極的Fe棒先于溶液離子失去電子變成Fe2+，F(xiàn)e2+被空氣氧化變成Fe3+。而Al棒連接在陰極，金屬一般不會得到電子。

【完善模型】在判斷電解池的陰極、陽極產(chǎn)物時我們先判斷陽極是惰性還是活性電極，再思考離子的放電順序。

【提出問題】現(xiàn)在你能識破推銷商的“騙局”了嗎？

【學(xué)生展示】小組進行鐵鋁電極電解自來水實驗并解釋說明原因。

設(shè)計意圖：前面已經(jīng)學(xué)習(xí)了Fe的化合物性質(zhì)以及從離子放電順序分析電解池原理，所以對于產(chǎn)物推斷以及驗證，學(xué)生能自主討論交流完成，從離子的放電順序和電極材料兩個角度完善了電解池原理的認(rèn)識，建構(gòu)電解池的一般認(rèn)識思路。回應(yīng)情境，感受化學(xué)知識的價值，發(fā)展學(xué)生推理預(yù)測、設(shè)計驗證及分析解釋的高階思維能力。

環(huán)節(jié)五：抗疫和“惰性電極電解氯化鈉溶液”

【視頻觀賞】惰性電極電解氯化鈉溶液可制備出抗疫的“一分子”——消毒液

【課后活動】寫份小論文，談?wù)劄槭裁炊栊噪姌O電解氯化鈉溶液可以制備消毒液？

設(shè)計意圖：診斷與發(fā)展學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)中社會責(zé)任水平及將化學(xué)成果應(yīng)用于生產(chǎn)、生活的意識。本節(jié)課以電解氯化鈉為主線，最后拓展惰性電極電解氯化鈉溶液可制備出抗疫的“一分子”——消毒液，響應(yīng)2020年抗疫的口號。

四、結(jié)語

建模教學(xué)重視認(rèn)識視角和認(rèn)識思路的形成，根據(jù)已有知識、理論和經(jīng)驗進行抽象、構(gòu)建出初步模型，再經(jīng)過驗證、修正等若干操作表征研究對象的模型，豐富他們對化學(xué)反應(yīng)原理的認(rèn)識角度，提高他們對反應(yīng)原理的認(rèn)識深度，從而建立具有學(xué)科特質(zhì)的化學(xué)認(rèn)識視角和化學(xué)認(rèn)識思路，進而發(fā)展學(xué)生的化學(xué)學(xué)科思維方式，真正落實從化學(xué)知識進階到高階思維能力再到素養(yǎng)發(fā)展的目標(biāo)。另外培養(yǎng)學(xué)生解決陌生情境下問題的能力，是素養(yǎng)教學(xué)的重要目標(biāo)，而陌生情境下復(fù)雜問題的解決，需要學(xué)生具有高階思維能力。之所以基于建模教學(xué)可發(fā)展學(xué)生的化學(xué)高階思維能力，是因為解決復(fù)雜問題的過程既是創(chuàng)造性地應(yīng)用科學(xué)模型的過程，也是建構(gòu)模型的過程。

參考文獻

[1]中華人民共和國教育部.普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018

[2]張晉，畢華林.模型建構(gòu)與建模教學(xué)的理論分析[J].化學(xué)教育（中英文），2017，38（13）：27-32

[3]鄭長龍，孫佳林.“素養(yǎng)為本”的化學(xué)課堂教學(xué)的設(shè)計與實施[J].課程·教材·教法，2018，38（4）：71-78