李明　魯靜

電解池作為新課程“化學反應原理”的重點知識，其相關概念和原理較為抽象，需要學生結(jié)合宏觀、微觀等多個層次進行理解，具有較強的系統(tǒng)性和抽象性。因此，需要通過建構(gòu)相關概念關系的模型以形成可視化的認知路徑去促進學生的理解、提高學生分析并解決問題的能力。該設計以電解FeCl2溶液為載體，以電解池的模型重構(gòu)為主旨，依據(jù)學情設計環(huán)環(huán)相扣的探究活動，并輔以數(shù)字化實驗直觀化的展示，以期學生在解決問題的過程中建構(gòu)學科知識、掌握科學方法、提升關鍵能力，為課堂上實現(xiàn)學生核心素養(yǎng)的發(fā)展做了初步探索。

一、課標與教材分析

1.課標要求

新課程標準對于“電解池”部分的內(nèi)容要求為：“了解電解池的工作原理，認識電解在實現(xiàn)物質(zhì)轉(zhuǎn)化和儲存能量中的具體應用?！倍虒W提示部分則細化并突出了電化學部分的教學要求，如創(chuàng)設真實情境，組織學生開展分析解釋、推論預測、設計評價等學習活動，加深學生對電解池工作原理的認識，轉(zhuǎn)變偏差認識，建立系統(tǒng)分析思路，提高學生對本質(zhì)的認識。

2.教材分析

該節(jié)內(nèi)容是復習人教版選擇性必修Ⅰ《化學反應原理》第四章第二節(jié)“電解池”。

從知識的角度看，該節(jié)部分將關注重點置于學生已有電解池模型的修正，提高其對電解池本質(zhì)的科學認識，加強電解池模型與真實情境的有效聯(lián)系。上承原電池與電解池，有助于加深理解電化學本質(zhì)，下啟金屬的腐蝕與防護，即包含電解池的應用，是分析理解電化學現(xiàn)象的基礎。

從方法的角度看，該部分的學習方法以實驗探究為主，承接了對于“原電池”和“電解池”的探究，且再探“電解原理”所涉及的多元化思維與方法也對后續(xù)金屬腐蝕與防護的學習具有一定的指導作用。

二、教學與評價目標

1.教學目標

（1）通過創(chuàng)設電解FeCl2溶液這一工業(yè)廢水處理的問題情境，分析電解過程中基本要素的變化特點，發(fā)現(xiàn)自身已有認知模型存在問題，并自主修正為氧化還原反應核心視角下的電解分析新模型，提高問題意識和敢于質(zhì)疑的精神。

（2）通過對電解FeCl2溶液問題的解決與追問，積極探究實驗事實對理論進行證實或證偽，進一步明確電解過程中離子濃度的差異會影響離子的放電順序。

（3）通過對電解模型的修正和重構(gòu)，能認識到科學的認知是不斷發(fā)展、進步的；通過離子放電能力影響因素的分析，認識到化學反應的復雜性，并能有意識地避免出現(xiàn)絕對化、簡單化的規(guī)律總結(jié)，明白實踐是檢驗真理的唯一標準。

2.評價目標

（1）通過對一定條件下電解FeCl2溶液的交流與點評，診斷并發(fā)展學生對于電解本質(zhì)即氧化還原反應視角分析電解過程的認識水平。

（2）通過對電解FeCl2溶液陰、陽極情況的討論與點評，診斷并發(fā)展學生對于放電順序的認識水平，以及實驗探究與問題解決的能力水平。

（3）通過對已修正模型的遷移應用，診斷發(fā)展學生對重構(gòu)的電解模型的認識進階和認識思路的結(jié)構(gòu)化水平，以及對化學價值的認識水平。

三、教學過程

1.教學思路

教學思路如圖1所示。

2.具體教學過程

環(huán)節(jié)一：問題驅(qū)動選擇模型

[微課]通過播放微課視頻回顧電解池內(nèi)容，包括電解池的反應原理、放電順序及反應類型等。

[情境創(chuàng)設]用FeCl3酸性溶液脫除H2S后的廢液，通過控制條件電解得以再生（如圖2所示）。

[問題1]一定條件下用石墨電極電解FeCl2溶液，可得到什么電極產(chǎn)物？

[設計意圖]該環(huán)節(jié)以微課展開，促進學生對于已有認知模型的調(diào)用，并嘗試以此解決后續(xù)問題，培養(yǎng)學生的證據(jù)推理與模型認知素養(yǎng)；通過高考題創(chuàng)設廢液再生情境，并引導學生積極思考如何解決問題，培養(yǎng)學生的科學態(tài)度與社會責任。

環(huán)節(jié)二：實驗探究修正模型

[過渡]同學們上述的猜想都能明確說出自己的道理，那么到底事實是如何的呢？

[問題2]基于同學們的猜想，陽極可能有哪些產(chǎn)物？如何驗證？

[演示實驗]用U型管盛裝一定量pH =3. 50的0.1 mol·L-1 FeCl2溶液，通過2V電壓的直流電源進行電解。一段時間無明顯現(xiàn)象，在陽極附近滴入KSCN溶液（考慮到Fe2+易被氧化，故選擇在陰極處也滴加等量KSCN溶液，避免因Fe2+自身氧化而帶來的顏色變化），觀察溶液顏色變化情況。

[追問1]觀察到什么現(xiàn)象？說明什么？

[追問2]Fe3+一定是通過放電生成的嗎？

[數(shù)字化實驗]那如何驗證呢？我們來認識一個新的實驗儀器——氯離子濃度傳感器。其可以測定一段時間內(nèi)氯離子濃度的差異，通過實驗發(fā)現(xiàn)，氯離子濃度無明顯變化。

[總結(jié)]結(jié)合前期現(xiàn)象及傳感器數(shù)據(jù)，最終確定陽極的產(chǎn)物為Fe3+。

[設問]電解產(chǎn)物的結(jié)果唯一嗎？下面請看實驗（增加原演示實驗的電壓）。

[解釋說明]播放后續(xù)視頻，隨著電壓的增強，陽極開始有氣泡產(chǎn)生，且通過濕潤的淀粉碘化鉀試紙檢驗為氯氣。即在電壓的影響下，氯氣是可以生成的，這可能是因為電壓的增強一方面提高了放電離子的遷移速率，另一方面也提高了氯離子的失電子能力。

[追問3]如何解釋對應產(chǎn)物的生成？

[評價]對于正確思路給予肯定評價，鞏固學生這一認識；對于可能有學生提及“異性相吸原理”，及時以陽極現(xiàn)象作為引導，轉(zhuǎn)變學生的錯誤觀念。

[總結(jié)]通過以上實驗探究，充分體現(xiàn)電極上離子的放電順序不是絕對的或唯一的，應從氧化還原反應視角，即微粒的得失電子能力去分析電解放電過程。

[問題3]通過對陽極的分析，陰極應該有哪些產(chǎn)物，先得到什么？如何驗證？

[學生]可能是Fe2+被還原成Fe，可以選擇將其置于稀鹽酸中，觀察是否有氣泡產(chǎn)生；也可能是水電離出的H+被還原成H2。

[演示實驗]回到剛剛的電解實驗，用U型管盛裝一定量pH=3.50的0.1mol·L-1 FeCl2溶液，通過2V電壓的直流電源進行電解。

[追問1]觀察到什么現(xiàn)象？說明什么？

[學生]觀察到先產(chǎn)生微弱的金屬光澤，且將陰極石墨置于稀鹽酸中，有大量氣泡產(chǎn)生。

[解釋說明]根據(jù)分析，應該有體系中的H+先放電。但我們知道，當溶液中只有H+和一些金屬離子時，體系中濃度較大位于氫前面不遠的金屬（如Zn、Fe等）離子能夠先放電。如在這一體系下，F(xiàn)e2+濃度為10-1mol·L-1，而H+僅為10-3.5mol·L-1，離子濃度具有較大差異，故Fe2+優(yōu)先放電。換句話說，離子濃度也會影響離子在電極的放電順序。

[輔助實驗]同時，配合pH=1.00時的實驗現(xiàn)象，可以看到這一體系一通電即有大量氣泡產(chǎn)生，充分論證這一結(jié)論，即電解過程中的放電順序受離子濃度的影響。

[歸納總結(jié)]總結(jié)電解FeCl2溶液所解決的核心問題及其結(jié)論。

[設計意圖]這一環(huán)節(jié)為該節(jié)課的核心環(huán)節(jié)，通過陰、陽極分析層層遞進地探究，由實驗現(xiàn)象引發(fā)認知沖突，再由實驗現(xiàn)象分析驗證，在結(jié)合數(shù)字化實驗逐步推理的過程中，培養(yǎng)學生的證據(jù)推理與模型認知、科學探究與創(chuàng)新意識等素養(yǎng)。

環(huán)節(jié)三：系統(tǒng)分析完善模型

[情境回歸]回歸電解FeCl2溶液的廢液再生情境，呈現(xiàn)相應的結(jié)果。再次強調(diào)離子濃度對于放電順序的影響。

[問題4]通過本節(jié)課的學習，相信很多同學都對于電解池有r不一樣的認識，那么現(xiàn)在大家能否重構(gòu)電解模型呢？

[學生討論與交流]畫出自己目前所認知的電解模型。

[評價]通過畫出電解模型（如圖3所示）的方式，外顯學生修正后的認知模型并進行適當評價。

[設計意圖]診斷學生該節(jié)課的思維發(fā)展情況，通過畫圖外顯學生的認知模型，并及時評價，真正意義上完善模型，充分完成模型的重構(gòu)，關注課堂生成的意義，發(fā)展學生的核心素養(yǎng)。

環(huán)節(jié)四：情境創(chuàng)設應用模型

[過渡]接著，我們來應用這一模型解決一些日常生產(chǎn)生活中的問題。

[情境1]氯堿工業(yè)——電解飽和食鹽水

[問題5]工業(yè)上為什么選用飽和食鹽水電解制備Cl2？稀溶液是否可以？

[學生]考慮到離子濃度對于放電順序的影響，不可以。

[追問]如何影響？

[解釋說明]主要關注陽極失電子的兩大還原性粒子，即Cl-和OH-的失電子能力比較。當氯離子濃度足夠大時，其可以在陽極先放電。

[情境2]工業(yè)鍍鋅和電解制備Ca（H2PO4）2

[學生]基于該節(jié)課內(nèi)容，遷移教師分析飽和食鹽水的思路，自主從氧化還原反應視角分析能夠得失電子的離子，及其放電順序較為特別的原因，關注陰極的兩大氧化性粒子，即H+與Zn2+的比較。

[總結(jié)升華]當然，影響電解放電順序的因素還有很多，我們后續(xù)可以繼續(xù)拓展，也正因如此，才讓電解真正融入到了我們的日常生活生產(chǎn)中，為人類所用。

[設計意圖]該環(huán)節(jié)圍繞3個非常重要的問題情境展開，前2個對于學生來說是非常熟悉但卻很少深究的情境，此處將其呈現(xiàn)并要求學生自主交流、深入分析，能夠有效促進學生認知模型的進階化發(fā)展，對于學生證據(jù)推理與模型認知、科學態(tài)度與社會責任素養(yǎng)的培養(yǎng)具有重大意義。電解制備Ca（H2PO4）2的出現(xiàn)則是在綜合應用已有認知模型，突出膜電極的基礎上，充分培養(yǎng)學生系統(tǒng)分析的思維。并通過關注電化學與生產(chǎn)、生活的聯(lián)系，培養(yǎng)學生的科學態(tài)度與社會責任。

（收稿日期：2023-10-15）