馬靖雯 楊凌武 麥婉珊 胡瑋

摘要：在初中學(xué)生可接受知識(shí)范圍內(nèi)對(duì)電解水實(shí)驗(yàn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)拓展和教學(xué)過程設(shè)計(jì)，在教學(xué)中通過引導(dǎo)學(xué)生對(duì)電解水裝置和電極材料進(jìn)行分析及改進(jìn)，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生的化學(xué)核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：化學(xué)核心素養(yǎng);電化學(xué);電解水實(shí)驗(yàn)改進(jìn);實(shí)驗(yàn)教學(xué)

文章編號(hào)：1008-0546（2022）02x-0018-04

中圖分類號(hào)：G632.41

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：Bdoi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.02x.004

化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)包括“宏觀辨識(shí)與微觀探析”“變化觀念與平衡思想”“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)”“科學(xué)態(tài)度與社會(huì)責(zé)任”5個(gè)方面[1]，如何培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)需要教師進(jìn)行積極地思考與教學(xué)摸索，更要求化學(xué)教師不斷更新教學(xué)理念、有融合意識(shí)和創(chuàng)新能力、通過檢索整理大量的信息去設(shè)計(jì)多樣化的教學(xué)活動(dòng)，形成相對(duì)應(yīng)的教學(xué)策略。實(shí)驗(yàn)教學(xué)便是培養(yǎng)化學(xué)核心素養(yǎng)的有效途徑，尤其是在“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)”“科學(xué)態(tài)度與社會(huì)責(zé)任”的培養(yǎng)方面值得不斷探索[2]。

電解水實(shí)驗(yàn)是中學(xué)化學(xué)教學(xué)中的一個(gè)重要實(shí)驗(yàn)，2017年版《普通高中教科書化學(xué)》中對(duì)2012年版九年級(jí)化學(xué)教材中的水電解實(shí)驗(yàn)的簡易裝置做了改進(jìn)，將實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)與實(shí)踐仍有較大差異，不利于激發(fā)學(xué)生探究興趣[3]。為了促進(jìn)創(chuàng)新思維的養(yǎng)成，進(jìn)一步達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)”和“科學(xué)精神與社會(huì)責(zé)任”的化學(xué)核心素養(yǎng)目的，教師可以以“電解水實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)”為突破口，通過引導(dǎo)學(xué)生思考如何改進(jìn)電解水實(shí)驗(yàn)裝置和電極材料的角度著手，進(jìn)行開放性的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。在實(shí)施過程中，以提問式教學(xué)引導(dǎo)切入，然后由學(xué)生查閱資料完成對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置的改進(jìn)設(shè)計(jì)并開展實(shí)驗(yàn)，完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。通過這種開放性、探究性的實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練可有效激發(fā)學(xué)生的探究精神和創(chuàng)新興趣，進(jìn)而能夠在化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中重點(diǎn)落實(shí)對(duì)學(xué)生“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)”和“科學(xué)精神與社會(huì)責(zé)任”的化學(xué)核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。

一、電解水實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的背景

從學(xué)生認(rèn)知背景來看，學(xué)生經(jīng)過物理電學(xué)學(xué)習(xí)已經(jīng)了解了電解池及電極的工作原理，且在九年級(jí)化學(xué)“水的組成”學(xué)習(xí)中，觀看了“電解水”演示實(shí)驗(yàn)，對(duì)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(shí)已經(jīng)十分熟悉。因此，對(duì)電解水實(shí)驗(yàn)所用的電極材料和裝置進(jìn)行改進(jìn)，是一個(gè)很好的延展方向。教師可以通過提問引導(dǎo)學(xué)生繼續(xù)探求：是否有廉價(jià)經(jīng)濟(jì)的電極材料和裝置來進(jìn)行替代鉑電極實(shí)現(xiàn)電解水制氫？電解水實(shí)驗(yàn)具有什么探究價(jià)值？工業(yè)電解水制氫是如何實(shí)現(xiàn)的？電解水改進(jìn)實(shí)驗(yàn)如何實(shí)施？這樣可以縮小理論到實(shí)際應(yīng)用的差距，激發(fā)學(xué)生深入探究的興趣。從教師教學(xué)的角度，從本質(zhì)上幫助學(xué)生理解電化學(xué)知識(shí)與電池裝置，將大學(xué)的物理化學(xué)知識(shí)有效地引入到中學(xué)電化學(xué)教學(xué)活動(dòng)中，對(duì)初中電化學(xué)知識(shí)加以補(bǔ)充解釋與說明也十分必要[4]。這樣既能提高教師的教學(xué)水平和效率，又可以真正做到深入淺出地幫助學(xué)生理解。因此，通過“電解水實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)”研究小課題的教學(xué)活動(dòng)，教師利用物理化學(xué)知識(shí)將大學(xué)電化學(xué)測試裝置引入實(shí)驗(yàn)，指導(dǎo)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行分析并形成研究小報(bào)告，培養(yǎng)學(xué)生提出問題、分析及解決問題的能力。由于該教與學(xué)活動(dòng)具有小型、新穎、難易適中等優(yōu)點(diǎn)，符合學(xué)生認(rèn)知水平，在培養(yǎng)學(xué)生的化學(xué)核心素養(yǎng)上意義重大。

二、電解水改進(jìn)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)流程

前期課程對(duì)“水的電解”相關(guān)知識(shí)的課堂教學(xué)中，師生對(duì)電解水實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了演示，學(xué)生對(duì)于“水的組成”及“電解水實(shí)驗(yàn)”的操作過程有了直接的接觸。由于電解水實(shí)驗(yàn)在培養(yǎng)學(xué)生化學(xué)核心素養(yǎng)中有很大的挖掘價(jià)值，因此教師可以引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合生活實(shí)際，以課外化學(xué)實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)的形式，利用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)電解水實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)，使學(xué)生對(duì)該實(shí)驗(yàn)的認(rèn)知得到進(jìn)一步的升華[5]。

首先，教師根據(jù)同學(xué)們對(duì)課外化學(xué)實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)的興趣，組建興趣小組，然后按照“師生進(jìn)行情景導(dǎo)入、創(chuàng)設(shè)新知→查閱資料、設(shè)計(jì)方案→方案對(duì)比與選定→觀察現(xiàn)象、記錄數(shù)據(jù)→分析總結(jié)、形成研究小報(bào)告”五個(gè)探究環(huán)節(jié)進(jìn)行，活動(dòng)時(shí)長為10周左右[6]。

1.情景導(dǎo)入，創(chuàng)設(shè)新知

原電解水實(shí)驗(yàn)?zāi)茏寣W(xué)生了解水的組成，熟悉電解實(shí)驗(yàn)操作，但為了在實(shí)驗(yàn)中更深入地培養(yǎng)學(xué)生的化學(xué)核心素養(yǎng)[7]，教師可在導(dǎo)入環(huán)節(jié)通過分析與提問的方式引導(dǎo)學(xué)生做以下實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的思考（表1）。通過情景導(dǎo)入滲透“綠色化學(xué)”、化學(xué)與生活的聯(lián)系、化學(xué)與社會(huì)生產(chǎn)的聯(lián)系等現(xiàn)代化學(xué)理念，引導(dǎo)學(xué)生從原實(shí)驗(yàn)的各個(gè)側(cè)面進(jìn)行剖析，培養(yǎng)學(xué)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(jià)值的問題，培養(yǎng)學(xué)生“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)”的化學(xué)核心素養(yǎng)[8]。

2.查閱資料、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案

以小組合作的形式，利用互聯(lián)網(wǎng)收集電解水實(shí)驗(yàn)裝置及電極組成的相關(guān)資料，在該過程中學(xué)生可以初步掌握信息檢索基本技能、并對(duì)信息進(jìn)行有效的歸納總結(jié)，在教師指導(dǎo)下提出改進(jìn)方案和實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的具體策略。經(jīng)過資料的檢索，學(xué)生能夠初步了解各種電解水裝置、以及書本、科研實(shí)驗(yàn)及工業(yè)生產(chǎn)的差異，是整個(gè)核心素養(yǎng)培養(yǎng)活動(dòng)中最為關(guān)鍵的一環(huán)，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生“批判質(zhì)疑”的科學(xué)精神，養(yǎng)成“勇于探究、樂學(xué)善思、勤于反思、信息意識(shí)”的學(xué)會(huì)學(xué)習(xí)能力等核心素養(yǎng)具有重大意義[9]。表2為學(xué)生根據(jù)情境導(dǎo)入中各組件的改進(jìn)問題，如反應(yīng)條件是否容易達(dá)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(jià)廉等，收集整理的相關(guān)資料和可能的解決方案。

3.方案對(duì)比與選定

隨后，在結(jié)合電極材料的經(jīng)濟(jì)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(lì)學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)自己動(dòng)手驗(yàn)證設(shè)計(jì)的可行性，通過調(diào)控具體操作參數(shù)分組進(jìn)行電解水實(shí)驗(yàn)，通過對(duì)比，選出最佳方案，進(jìn)而選定電解水的改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方案。具體設(shè)計(jì)的方案與實(shí)施見表3所示。

4.改進(jìn)實(shí)驗(yàn)的實(shí)施情況與數(shù)據(jù)分析

最終，同學(xué)們根據(jù)上述四個(gè)方案的現(xiàn)象對(duì)比，再結(jié)合中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的簡便易操作、現(xiàn)象明顯等要求，選定廉價(jià)多孔的泡沫鎳（NF，15mm*10mm）分別作為電解的正、負(fù)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(jìn)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(dǎo)氣管及電化學(xué)工作站構(gòu)成（圖1）。其中，根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求（是否記錄電流隨電解時(shí)間的變化）和實(shí)驗(yàn)條件，電化學(xué)工作站也可以由直流穩(wěn)壓電源代替[10]。

該裝置采用同學(xué)們熟悉的常規(guī)器材及價(jià)廉易得的泡沫鎳為電極，比原有的霍夫曼電解水器構(gòu)造更直觀，電解電壓更低且實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更明顯，極大方便同學(xué)們大膽地自己動(dòng)手嘗試。由于泡沫鎳的多孔結(jié)構(gòu)肉眼可見，加深了同學(xué)們對(duì)于電極反應(yīng)面積的感性認(rèn)識(shí)，拓展了認(rèn)知范圍。同時(shí)，同學(xué)們通過記錄不同電解時(shí)間產(chǎn)生的氣體體積，可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行定量分析，初步賦予了函數(shù)關(guān)系的概念。圖2為同學(xué)分3個(gè)興趣小組由圖1所示實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行電解水實(shí)驗(yàn)，并觀察所產(chǎn)生氣體的體積與電解時(shí)間的關(guān)系圖，圖中產(chǎn)氣總量與電解時(shí)間為很好的線性關(guān)系，且小組差異性較小，非常適合在中學(xué)生實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行推廣。此時(shí)，教師可以再適時(shí)引導(dǎo)同學(xué)們進(jìn)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(shí)間產(chǎn)生氫氣或氧氣的量等，培養(yǎng)學(xué)生透過現(xiàn)象看本質(zhì)、理性思維的科學(xué)精神。

三、電解水改進(jìn)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)反思

在該電解水改進(jìn)實(shí)驗(yàn)的實(shí)際操作過程中，在教師的引導(dǎo)和協(xié)助下，學(xué)生能發(fā)現(xiàn)并提出有探究價(jià)值的化學(xué)問題，然后依據(jù)實(shí)驗(yàn)探究目的，合理設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，最終完成實(shí)驗(yàn)操作，并能對(duì)改進(jìn)實(shí)驗(yàn)過程中觀察記錄的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，也能相互交流實(shí)驗(yàn)探究的成果，提出進(jìn)一步探究或改進(jìn)的設(shè)想，進(jìn)而確定最終方案并予以實(shí)施，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生的化學(xué)核心素養(yǎng)。具體來說，在“情景導(dǎo)入、創(chuàng)設(shè)新知”環(huán)節(jié)中，同學(xué)們對(duì)該實(shí)驗(yàn)的電極、電解液及相關(guān)器材等進(jìn)行深入剖析，大膽創(chuàng)新，敢于質(zhì)疑的科學(xué)探究精神得到了極大地鼓勵(lì);在“查閱資料、設(shè)計(jì)方案”環(huán)節(jié)中，同學(xué)們經(jīng)過對(duì)原實(shí)驗(yàn)方案的創(chuàng)新思考后，在課下有目的、有針對(duì)性地查閱資料，并協(xié)同合作進(jìn)行改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)，高效地?cái)U(kuò)展了同學(xué)們的知識(shí)面及對(duì)電解水在實(shí)驗(yàn)室科研和生產(chǎn)實(shí)踐層面上的認(rèn)知水平，使其善于合作的科學(xué)探究精神和勇于創(chuàng)新的科學(xué)探究意識(shí)得到了很好的培養(yǎng);在“方案對(duì)比與選定”和“觀察現(xiàn)象、記錄數(shù)據(jù)”這兩個(gè)環(huán)節(jié)中，學(xué)生分組進(jìn)行電解水實(shí)驗(yàn)，通過對(duì)比，選出最佳方案，隨后進(jìn)行改進(jìn)實(shí)驗(yàn)的實(shí)際操作，同時(shí)觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與記錄數(shù)據(jù)并加以科學(xué)分析，培養(yǎng)了學(xué)生理性思維的科學(xué)精神和嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的科學(xué)態(tài)度。因此，在電解水改進(jìn)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)過程中，不僅讓學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)操作更加熟練，更是讓學(xué)生在改進(jìn)實(shí)驗(yàn)中使實(shí)驗(yàn)本身蘊(yùn)藏的化學(xué)核心素養(yǎng)得到了進(jìn)一步升華。

在該改進(jìn)實(shí)驗(yàn)中，教師也受益匪淺。在該教學(xué)進(jìn)程中，教師既要保護(hù)學(xué)生的求知欲與探究興趣，又要適時(shí)引導(dǎo)，使教學(xué)進(jìn)程順利完成。這要求教師對(duì)電解水過程所涵蓋的所有知識(shí)點(diǎn)與信息要有充分的準(zhǔn)備，失敗了能找到原因，成功了要能總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，要能采用多種教學(xué)策略進(jìn)行“推波助瀾”，讓同學(xué)們?cè)诳鐣r(shí)較長的興趣小組活動(dòng)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(xué)活動(dòng)的開展，促進(jìn)了教師把轉(zhuǎn)變教學(xué)理念作為起點(diǎn)，在課堂角色、課堂結(jié)構(gòu)、課堂內(nèi)容、課堂形式及課堂管理上進(jìn)行理性思考：如何在符合中學(xué)生知識(shí)建構(gòu)的基礎(chǔ)上，結(jié)合大學(xué)化學(xué)相關(guān)知識(shí)、相關(guān)科研實(shí)驗(yàn)與生產(chǎn)實(shí)踐活動(dòng)，真正做到深入淺出地傳授知識(shí)及培養(yǎng)化學(xué)核心素養(yǎng)。

四、小結(jié)

通過課外化學(xué)實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)的形式，將“電解水實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)”作為主線，在教師引導(dǎo)下，以同學(xué)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(jìn)探索活動(dòng)。在該教學(xué)活動(dòng)中，學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性、主動(dòng)性、創(chuàng)造性思維能力得以很好地發(fā)揮。在開放式教學(xué)形式下，經(jīng)過“情景導(dǎo)入、創(chuàng)設(shè)新知→查閱資料、設(shè)計(jì)方案→方案對(duì)比與選定→觀察現(xiàn)象、記錄數(shù)據(jù)→分析總結(jié)、形成研究小報(bào)告”五個(gè)探究環(huán)節(jié)，有效地培養(yǎng)了學(xué)生的“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)”和“科學(xué)精神與社會(huì)責(zé)任”等化學(xué)核心素養(yǎng)。該電解水改進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng)，對(duì)教師在教學(xué)活動(dòng)中如何培養(yǎng)學(xué)生的化學(xué)核心素養(yǎng)具有很好地啟示作用。

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