基于培养学生学科核心素养的中学化学教学设计

2021-03-07张净

科学与财富 2021年32期

张净

关键词：学科核心素养;教学设计; 电解池

1 设计理念

《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》中提出基于化学核心素养开展“素养为本”的教学，指出开展以化学实验为主的多种实验探究活动，重视教学内容的结构化设计，激发学生学习化学的兴趣[1]。

本课题内容选自人教版选择性必修1第四章第二节的内容，在教学过程中，通过“为什么通电后两支石墨碳棒在pH试纸上呈现不同颜色[2]”为问展开课堂教学，将宏观的电解氯化钠溶液的现象，现象背后的本质分析，电解池的电极反应式三个知识层次按照“宏”“微”“符”的顺序组织起来，形成化学学科表征的一般思路，帮助学生建构“宏-微-符”三重表征模型。在分析电解氯化钠溶液中发生反应的微观本质时，从离子、得失电子能力、生成新的分子几个角度进行分析，形成了微粒观。在分析电解池总反应过程中，引导学生从能量转化的角度进行思考，形成变化观念。

2 内容分析

本课时选自人教版高中化学选择性必修1第四章第二节《电解池》，研究的是如何借助电能使不能自发进行的氧化还原反应能够发生，使电能转化为化学能。本节课是学生学习原电池知识后的自然延伸，它有助于學生系统学习电化学知识，为后续学习电化学知识在生产、生活和科研中的重要作用打好理论基础[3]。通过分析现行三种版本高中化学教材中关于电解池内容的选择和编排，都包含了电解的原理和应用。但是具体的实验呈现顺序和内容出现方面存在差异，综合考虑之下，我将本节课的实验顺序确定为先做电解氯化钠溶液实验，再用电解氯化铜溶液实验进行巩固，最后通过电镀讲解电解原理的应用。

3 教学环节设计

3.1 创设情境

【引入新课】学生微量实验：电解氯化钠溶液;

用普通铅笔写字是灰黑色，为什么用两支石墨碳棒在pH试纸上写字会分别出现紫黑色和紫红色？

【设计意图】创设情境，引入课堂，通过学生自己动手实验，对现象的观察，让学生初步感知电解池。引出探究问题，感性认识电解时电极表面的现象。

3.2 电解池的工作原理

【宏观认识】从宏观角度分析实验现象，在电化学中规定与电源负极相连的叫阴极，与电源正极相连的叫阳极，呈现不同颜色是因为阴阳极显示不同的酸碱性;

【设计意图】此环节是让学生初步认识电解的本质，电解装置中外接电源连在电解池两端，电解池具有这些功能的背后，都取决于电解池有直流电源、电解液、电极、闭合回路。

【微观分析】

根据实验现象思考讨论：

思考1：开关闭合前，溶液中存在哪些离子？怎样运动？

思考2：开关闭合后，离子运动发生怎样改变？

思考3：为什么阳离子移向阴极，阴离子移向阳极？

思考4：为什么阳极产生氯气，阴极产生氢气？放电顺序判断与总结。

【设计意图】此过程的分析是学生建立电化学认识系统的关键一步，强调知识的关联化水平，即因为电解池有直流电源，有了直流电源就有了外接电势，在电势作用下，电子和离子发生定向移动。有了电子的定向移动发生的反应就是氧化还原反应，此时电解池两级产生了新的物质，所以在这个过程中既有能量的变化又有物质变化。

【符号表征】

阴极 2H2O + 2e- = H2 ↑ + 2OH- （还原反应）

阳极 2Cl- - 2e- = Cl2↑（氧化反应）

总反应 2H2O + 2Cl- = Cl2 ↑ + H2 ↑ + 2OH-

根据分析电解氯化钠溶液的宏观现象、揭示现象背后的微观本质，记录反应的现象、电极产物，书写电极反应式，判断电极反应类型，结合原电池总反应式的书写，书写出该电解池的总反应。

【设计意图】在教学活动中，“宏--微--符”三重表征结合，让学生能够清晰地认识电解池的工作原理。形成分析判断电极产物的一般思路。提升“证据推理与模型认知”的化学学科核心素养。

3.3 实验再探

【学生实验】电解氯化铜溶液微型实验[4]

师：预测产物，如何检验？

生：产物应该是铜单质和氯气，显红色的物质是铜，氯气可以通过刺激性气味和湿润的碘化钾淀粉试纸鉴别。

教师提示：用镊子取用淀粉碘化钾试纸;仔细观察实验现象并记录，根据实验现象，分析得出产物、对应电极与电极反应。

实验现象：有气体产生，气体有刺激性气味并能使湿润的淀粉碘化钾试纸变蓝;有红色固体析出;产物：氯气和铜。

【设计意图】通过学生分组实验，激发学生学习兴趣，提高学生的人文素养。通过对比两个类似组分的产物的不同，进一步认识离子放电顺序的规律。培养学生的思维能力，看他们是否联想到金属活动顺序表中金属阳离子的氧化性顺序，产生认知冲突。

【思考讨论】（在学案上画图分析）

思考1：开关闭合前氯化钠溶液中含有哪些微粒？

思考2：在通电时，这些离子、电子如何移动？

思考3：在通电时在阳极、阴极各发生怎样的电极反应？如何书写电极方程式？

【设计意图】通过对实验现象的观察，学生自己画图分析，让学生在分析过程中不断发现，不断探索，逐渐形成批判精神和创新思维。

【汇报分析】教师在黑板上提供可自由组装的电解池模型图，学生到黑板上边操作边回答上面3个问题，并用模型图模拟电解池工作时的微粒移动和变化过程，最终得出电极反应式。

【学生展示讲解】溶液中的离子，阳离子有Cu2+，少量H+，阴离子有Cl-、少量OH-。接通电源时，根据分析氯化钠溶液中的移动可知阳离子移向阴极，阴离子移向阳极。根据离子得失电子能力强弱得出产物为氯气和铜。

【符号表征】

阳极：2Cl- - 2e- = Cl2 ↑

阴极：Cu2+ + 2e-= Cu

【放电顺序】

①阳离子放电（得电子）顺序：氧化性。

Ag+ > Hg2+ > Fe3+ > Cu2+ > H+（酸）> Pb2+ > Sn2+ > Fe2+ >Zn2+ >H+（水）;

（铝以前的金属不可能在水溶液中被还原）

②阴离子放电（失电子）顺序（惰性电极）：还原性。

S2- > I- >Br- >Cl- > OH-（水）> 含氧酸根（NO3-、SO42-等）

【设计意图】体现了证据推理与模型认知的化学学科核心素养价值观，学生通过实验学会收集科学证据和确立寻找证据的途径;学会利用实验模型描述变化，解释化学现象。通过课堂中的两个实验过程分析，总结归纳出阴阳离子的放电顺序，这是分析电解池模型问题中关键的一环。运用了归纳的科学学习方法，从具体例子中归纳出一般规律。

3.4 课堂小结

（1）电解池相关概念：

①电解池：将电能转化为化学能的装置。

②电极名称及判断：

阴极--连接电源负极--阳离子--得电子--还原反应;

阳极--连接电源正极--阴离子--失电子--氧化反应

（2）常见离子放电顺序;

（3）分析电池反应思维程序：溶液中存在哪些离子--通电时离子如何移动--离子放电顺序--产物、电极反应式。

【设计意图】提升理论水平，形成分析电解问题的思维程序。化学不仅仅是零散地让学生知道电解池的构成，微粒的移动方向，电极反应以及能量的转化，更重要的是提高关联性才是认知层面上的有意义学习。通过模型的进一步建构，不管从教、学还是评，都是将知识结构化。

3.5课后拓展

【课后任务】现在一般家庭用的消毒液都是利用氯气溶于氢氧化钠溶液制得，通过本节课电解原理的学习，大家设计一种装置制备84消毒液（次氯酸钠）。

【设计意图】以生活化的应用突破电解，从化学走入生活。建立“素養发展为本”的化学学习评价观。