指向深度學(xué)習(xí)的高三化學(xué)中電解知識的復(fù)習(xí)

江輝輝 柴圣元 蔡玲玲 金洋

摘要：以電解飽和食鹽水為情境素材，結(jié)合化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)要求，通過設(shè)置分析“簡易裝置”“有膜裝置”“電極對調(diào)裝置”“增加銅珠裝置”等環(huán)節(jié)，以實驗探究、任務(wù)驅(qū)動等方式面向已經(jīng)學(xué)習(xí)了電解知識的高三年級學(xué)生進(jìn)行深度學(xué)習(xí)，落

實化學(xué)核心素養(yǎng)，感受化學(xué)學(xué)科價值和社會價值。

關(guān)鍵詞：電解;飽和食鹽水;深度學(xué)習(xí);核心素養(yǎng)

文章編號：1008-0546（2022）08-0067-05?? 中圖分類號：G632.41?? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.08.014

一、問題的提出

在高中化學(xué)的復(fù)習(xí)過程中，由于各種原因，教師往往側(cè)重于知識本身，復(fù)習(xí)方法常以講授為主，學(xué)生一般只是被動地記憶，課堂中即使有學(xué)生活動，也是按照教材或者教師已有的方案進(jìn)行，復(fù)習(xí)深度不夠，化學(xué)學(xué)科素養(yǎng)無法在復(fù)習(xí)過程中得到明顯提升。原有的復(fù)習(xí)方式已逐漸不適應(yīng)“素養(yǎng)為本”的教學(xué)，需要用“深度學(xué)習(xí)”的理論指引高三復(fù)習(xí)。深度學(xué)習(xí)是一種高水平的學(xué)習(xí)，是一種高階思維的理解和認(rèn)知[1]。胡久華等認(rèn)為[2]，深度學(xué)習(xí)是“在教師引領(lǐng)下，學(xué)生圍繞具有挑戰(zhàn)性的學(xué)習(xí)主題，開展以化學(xué)實驗為主的多種探究活動，從宏微結(jié)合、變化守恒的視角，運用證據(jù)推理與模型認(rèn)知的思維方式，解決復(fù)雜問題，獲得結(jié)構(gòu)化的化學(xué)核心知識，建立運用化學(xué)學(xué)科思想解決問題的思路方法，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實踐能力，促進(jìn)學(xué)生核心素養(yǎng)的發(fā)展。”（見圖1）

電化學(xué)知識是中學(xué)化學(xué)的核心內(nèi)容之一，是歷次學(xué)考和選考的必考內(nèi)容。電化學(xué)是氧化還原理論結(jié)合元素化合物知識的一個重要應(yīng)用，是高中化學(xué)的重點和難點內(nèi)容。《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》對本節(jié)的要求是了解電解池的工作原理，通過電解池原理的探究，運用電解池的思維模型，分析氯堿工業(yè)、電鍍、電解精煉、電冶金的反應(yīng)原理，認(rèn)識電解在實現(xiàn)物質(zhì)轉(zhuǎn)化和能量儲存中的應(yīng)用，體會電解原理對人類社會進(jìn)步的重要貢獻(xiàn)[3]。從近幾年的選考試題看，試題的取材和命題角度不斷翻新，更加注重電解知識在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用，充分體現(xiàn)電化學(xué)的實用性和時代性，高強度地考查學(xué)生分析問題、解決問題、服務(wù)社會的能力與擔(dān)當(dāng)。但就具體考查的內(nèi)容來看保持穩(wěn)定，主要涉及電極的判斷、帶電粒子的移動方向、電極反應(yīng)書寫、膜的選擇以及電解的簡單計算等，重點考查學(xué)生識圖能力，提取整合信息能力以及分析解決問題的遷移能力。因此，準(zhǔn)確把握電解原理并將所學(xué)知識遷移到陌生情境是解答電解問題的關(guān)鍵。

二、基于深度學(xué)習(xí)的案例設(shè)計思路

在深度學(xué)習(xí)理論的指引下，本節(jié)課以“改裝電解飽和食鹽水裝置”為例進(jìn)行深度學(xué)習(xí)。

電解飽和食鹽水實驗是聯(lián)系元素化合物和電化學(xué)的紐帶，是充分培養(yǎng)學(xué)生宏微結(jié)合、實驗探究、模型認(rèn)知等化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的重要素材[4]，在中學(xué)化學(xué)中有著舉足輕重的地位，是歷年高考考查的重點之一。筆者統(tǒng)計了近幾次的浙江省化學(xué)選考試題，與電解飽和食鹽水相關(guān)的試題具體見表1：

針對上述情況，本節(jié)課設(shè)計了以“改裝電解飽和食鹽水裝置”為主線的電解深度學(xué)習(xí)課。一方面它來源于工業(yè)生產(chǎn)，吻合“素養(yǎng)為本”的教學(xué)所倡導(dǎo)的“真實情境下的問題解決”，有利于學(xué)生正確認(rèn)識化學(xué)科學(xué)與社會的相互聯(lián)系，感受化學(xué)與現(xiàn)實生活的緊密聯(lián)系，進(jìn)一步體會化學(xué)學(xué)科的社會價值[1];另一方面通過不斷地改裝電解裝置，不僅能起到復(fù)習(xí)電解基本知識的目的，還能在分析改裝裝置的過程中培養(yǎng)學(xué)生的“分析推理”“微觀探析”等能力。確定好情境主題后，本節(jié)課設(shè)置如下任務(wù)鏈作為教學(xué)主線：（1）如何分析有膜的電解裝置？（2）如何分析陰陽極對調(diào)的電解裝置？（3）如何分析在電解池中增加兩顆銅珠的裝置？整個過程結(jié)合實驗探究和信息提示，激發(fā)、推動、維持、強化和調(diào)整學(xué)生的認(rèn)知活動，培養(yǎng)學(xué)生的高階思維能力[5]。

教學(xué)思路如圖2所示：

三、基于深度學(xué)習(xí)的教學(xué)目標(biāo)

（1）通過對電解飽和食鹽水知識的回憶，知道電解的基本原理，并能構(gòu)建電解池的一般模型。

（2）通過對電解飽和食鹽水裝置的改裝探究，培養(yǎng)學(xué)生基本實驗操作技能以及通過實驗現(xiàn)象分析問題的能力。

（3）通過本課時的學(xué)習(xí)，感受電解飽和食鹽水及其改裝裝置在生產(chǎn)生活中的重要作用，體會電解原理對人類社會進(jìn)步的重要貢獻(xiàn)，增強其社會責(zé)任感。

四、基于深度學(xué)習(xí)案例的教學(xué)過程

教學(xué)環(huán)節(jié)一：創(chuàng)設(shè)情境，引入課題——回顧電解知識，構(gòu)建電解模型

【引課】燒堿、氯氣都是重要的化工原料。習(xí)慣上把電解飽和食鹽水的工業(yè)生產(chǎn)稱之為“氯堿工業(yè)”。

【任務(wù)一】請同學(xué)們畫出電解飽和食鹽水的簡易裝置圖，并標(biāo)注電極材料和電極名稱。

【學(xué)生活動】畫簡易裝置圖并展示成果（見圖3）。

【教師】裝置圖中電子如何移動？離子又如何移動？

【學(xué)生】負(fù)極導(dǎo)線陰極，陽極導(dǎo)線正極;陽離

子陰極，陰離子陽極。

【教師】陰極附近的電子去哪了？陽極附近的電子從哪里來？

【學(xué)生】陰極附近的電子被陽離子得到;陽極附近的電子是陰離子失去的。

【教師】寫出電極反應(yīng)式。

【學(xué)生】陽極：2Cl--2e-= Cl2↑;

陰極：2H2O +2e-= H2↑+2OH-。

【教師】陽極附近的陰離子除了Cl-還有OH-，為什么是Cl-放電？同理，為什么陰極是H+放電而非Na+？

【學(xué)生】當(dāng)陽極附近存在多種陰離子時，還原性強的先失電子;當(dāng)陰極附近存在多種陽離子時，氧化性強的先得電子，具體放電順序如下：

陽極：S2->I->Br->Cl->OH->含氧酸根;陰極：Ag+> Cu2+>H+>Fe2+>Zn2+>Na+>K+

【總結(jié)】根據(jù)以上知識總結(jié)電解池一般模型[6]（見圖4）：

設(shè)計意圖：設(shè)置電解飽和食鹽水情境，讓學(xué)生回憶電解的基本原理，同時讓學(xué)生認(rèn)識到微粒放電時是有先后順序的。并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建出電解池的一般模型。此環(huán)節(jié)主要采用問題驅(qū)動的方式讓學(xué)生回憶舊知，為下面環(huán)節(jié)的進(jìn)行做好鋪墊。

教學(xué)環(huán)節(jié)二：問題驅(qū)動、實驗探究——分析有膜和對調(diào)電極的電解情況

【教師】按照圖3裝置電解飽和食鹽水，會存在什么問題？該如何解決？

【學(xué)生】氯氣會與NaOH溶液反應(yīng)，H2和Cl2混合在一起可能發(fā)生爆炸，應(yīng)該使用陽離子交換膜（見圖5）。

【任務(wù)二】如果將圖5裝置改為圖6，該如何分析？

【學(xué)生1】根據(jù)放電順序，陽極：2Cl--2e-=Cl2↑;陰極：2H2O +2e-= H2↑+2OH-。

【學(xué)生2】B 區(qū)中Na+通過陽離子交換膜進(jìn)入 C 區(qū)， Cl-通過陰離子交換膜進(jìn)入A 區(qū)。

【學(xué)生3】C 區(qū)生成NaOH溶液。

【學(xué)生4】B 區(qū)氯化鈉溶液的濃度會減小。

【教師】根據(jù)分析，你知道該裝置在工業(yè)生產(chǎn)中有什么現(xiàn)實意義？

【學(xué)生】海水淡化。

【任務(wù)三】如果將圖2裝置中的陰極和陽極材料對調(diào)，又該如何分析？

【活動】實驗探究該裝置電解情況。

器材：燒杯、電極、電池、導(dǎo)線若干;試劑：飽和食鹽水、K3Fe（CN）6溶液。

【學(xué)生】實驗并匯報觀察到的實驗現(xiàn)象和結(jié)論：石墨做陰極，鐵做陽極，飽和食鹽水做電解液組裝好電解裝置。打開電源，電解一段時間，石墨電極上產(chǎn)生氣泡;用注射器往鐵釘附近注射K3Fe（CN）6溶液，可觀察到鐵釘附近有藍(lán)色物質(zhì)生成（實驗現(xiàn)象如圖7所示）。

【教師】如何解釋上述現(xiàn)象？

【學(xué)生】石墨做陰極，發(fā)生2H2O+2e-=H2↑+2OH-;鐵做陽極優(yōu)先于 Cl-放電，發(fā)生 Fe -2e-= Fe2+，F(xiàn)e2+遇 K3Fe（CN）6生成了藍(lán)色物質(zhì)。

【總結(jié)】完善電解池放電順序：

陽極：活潑電極>S2->I->Br->Cl->OH->含氧酸根;陰極：Ag+>Cu2+>H+>Fe2+>Zn2+>Na+>K+

【教師】你知道該裝置在工業(yè)生產(chǎn)中有什么現(xiàn)實意義？

【學(xué)生】污水處理，主要處理一些氧化性較強的微粒，比如Cr2O

【教師】結(jié)合以下信息，寫出電解過程中發(fā)生的反應(yīng)以及該裝置能處理污水中Cr2O7（2）-的原因。

【學(xué)生】陽極：Fe -2e-= Fe2+，

6Fe2++ Cr2O7（2）-+14H+=6Fe3++2Cr3++7H2O;

陰極：2H2O +2e-= H2↑+2OH-。

電解完成后，往電解液中加堿，使Fe3+、Cr3+完全沉淀，這樣即達(dá)到了處理含鉻污水的目的。

【教師】如圖8是工業(yè)上利用電化學(xué)法在工業(yè)處理含鉻廢水的工藝流程圖[7]。

設(shè)計意圖：本環(huán)節(jié)設(shè)置了加膜和陰陽極對調(diào)兩種電解裝置，目的在于讓學(xué)生根據(jù)探究實驗的現(xiàn)象以及資料信息，分析出具體的電解過程，從而鍛煉其分析推理的能力，提高化學(xué)思維。通過學(xué)生說出兩種裝置在工業(yè)生產(chǎn)中的現(xiàn)實意義，讓學(xué)生認(rèn)識到化學(xué)與生活的密切關(guān)系，培養(yǎng)其社會責(zé)任感。同時在該環(huán)節(jié)通過書寫電極方程式，診斷并發(fā)展學(xué)生符號表征的能力，提高化學(xué)學(xué)科素養(yǎng)。

教學(xué)環(huán)節(jié)三：真題展現(xiàn)、深度解析——再探電解裝置

【任務(wù)四】（2016北京12題改編）如圖9裝置進(jìn)行電解，分析m、n處現(xiàn)象。

【學(xué)生】……

【教師】分析該裝置之前，我們不妨先來分析裝置5（如圖10）。

【活動】實驗探究裝置5電解情況。

器材：燒杯、電極、電池、導(dǎo)線若干;試劑：飽和食鹽水、鐵片。

【學(xué)生】實驗并匯報觀察到的實驗現(xiàn)象和結(jié)論：石墨做陽極，鐵做陰極，飽和食鹽水做電解液組裝好電解裝置，然后在兩電極間放上一塊鐵片。打開電源，電解一段時間，鐵電極上產(chǎn)生氣泡;用注射器往鐵片右端注射 K3Fe（CN）6溶液，可觀察到有藍(lán)色物質(zhì)生成（實驗現(xiàn)象如圖11所示）。

【教師】如何解釋上述現(xiàn)象？

【學(xué)生】鐵電極為陰極，發(fā)生2H2O+2e-=H2↑+2OH-;根據(jù)實驗現(xiàn)象，鐵片右端產(chǎn)生了Fe2+，是電解池的陽極。由此分析，我們可以將鐵片變換，改成裝置6（見圖12）。

【教師】如果把電解槽拆成兩個，實際上就是兩個電解裝置了（見圖13裝置7）。

【教師追問】電解一段時間后，在鐵片的左邊注射 K3Fe（CN）6溶液，也能依稀看到藍(lán)色物質(zhì)，分析可能原因。

【學(xué)生】可能是陽極生成的氯氣溶于水而呈酸性，由于鐵片左端與陽極離得很近，鐵與酸反應(yīng)生成了少量 Fe2+，所以加入 K3Fe（CN）6溶液能依稀看到一些藍(lán)色物質(zhì)。

【教師】同學(xué)們說得很好。接下來我們回過來看裝置4（見圖9），如何分析？

【學(xué)生】根據(jù)圖10裝置5的分析，圖9裝置4我們可以構(gòu)建出三個電解池，其中m處是陰極，會產(chǎn)生氣泡;n處是陽極，Cu會溶解。

設(shè)計意圖：以2016北京12題改編題為情境深度探析電解裝置。由于圖9裝置學(xué)生分析起來有困難，所以設(shè)置了相對簡單的圖10裝置。讓學(xué)生通過實驗探究，構(gòu)建出兩個電解池的裝置模型，然后再遷移到三個電解池的裝置模型，這樣由容易過渡到復(fù)雜的裝置學(xué)習(xí)，符合學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)階。同時通過該環(huán)節(jié)診斷并發(fā)展學(xué)生知識水平的能力，促使學(xué)生認(rèn)識問題全面化，實現(xiàn)從化學(xué)學(xué)科知識向化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的轉(zhuǎn)化。

教學(xué)環(huán)節(jié)四：遷移應(yīng)用、價值體現(xiàn)——分析電解其它應(yīng)用

【教師】本節(jié)課通過對電解飽和食鹽水裝置的改裝探究分析，實現(xiàn)了對電解知識的深度復(fù)習(xí)。另外通過裝置再改造，可以制備“84消毒液”;借鑒電解飽和食鹽水，以氯化四甲基銨[（ CH3）4NCl]水溶液為原料，通過電解法可以制備氫氧化四甲基銨[（CH3）4NOH]，裝置如圖14所示。

【追問】根據(jù)分析回答問題：（1）收集到（CH3）4NOH 的區(qū)域是?? （填a、b、c或d）。

（2）寫出電池總反應(yīng)。

【學(xué)生】類比電解飽和食鹽水裝置，遷移可知收集到（CH3）4NOH 的區(qū)域是d，電池總反應(yīng)是：2（CH3）4NCl +2H2O 2（CH3）4NOH + H2↑+ Cl2↑

【總結(jié)】電解飽和食鹽水在工業(yè)生產(chǎn)生活中有著很重要的價值，同學(xué)們可以課后上網(wǎng)搜索更多有關(guān)電解飽和食鹽水的資料。

設(shè)計意圖：以“84消毒液”和2018年4月浙江選考題“氫氧化四甲基銨”制備為情境創(chuàng)設(shè)問題，要求學(xué)生通過知識遷移加深對電解的認(rèn)識，實現(xiàn)深度復(fù)習(xí)。整個環(huán)節(jié)都是將所學(xué)的知識應(yīng)用到實際生產(chǎn)生活中，體現(xiàn)了化學(xué)學(xué)科的社會價值。本環(huán)節(jié)另一意圖是診斷并發(fā)展學(xué)生知識水平和認(rèn)識化學(xué)價值水平的能力，體現(xiàn)“教、學(xué)、評”一致性。

五、基于深度學(xué)習(xí)的教學(xué)反思

1.精選主題情境，搭建聯(lián)系橋梁

學(xué)習(xí)主題不僅要具有真實性、貼近學(xué)生的認(rèn)知，而且更要體現(xiàn)學(xué)習(xí)主題的功能價值：蘊含真實問題，承載核心知識，提供證據(jù)支持，貫穿課堂始終[5]。本課時選擇“電解飽和食鹽水”為主題情境，設(shè)計“簡易裝置”“有膜裝置”“電極對調(diào)裝置”“增加銅珠裝置”這一符合學(xué)生學(xué)習(xí)進(jìn)階的“境脈”，用問題引發(fā)學(xué)生思考，激發(fā)其內(nèi)在的學(xué)習(xí)動機，驅(qū)使學(xué)生積極參與到問題的探索中，主動獲取知識。

2.精設(shè)學(xué)習(xí)任務(wù)，提升關(guān)鍵能力

任務(wù)的設(shè)置不僅需要圍繞主題，更重要的是從學(xué)生掌握的知識水平出發(fā)，幫助學(xué)生步步進(jìn)入深度思考，開發(fā)學(xué)生思維。在深度學(xué)習(xí)中任務(wù)、情境和問題三位一體，且這三者之間以及問題與問題之間具有明顯的邏輯關(guān)系和結(jié)構(gòu)化特征[8]。教學(xué)中，設(shè)置“如何分析有膜的電解裝置？”“如何分析陰陽極對調(diào)下的電解裝置？”“如何分析在電解池中增加兩顆銅珠的裝置？”等一系列具有關(guān)聯(lián)性和系統(tǒng)性的任務(wù)鏈啟發(fā)學(xué)生思考，引導(dǎo)學(xué)生主動構(gòu)建結(jié)構(gòu)化的知識體系，發(fā)展學(xué)生信息提取、證據(jù)推理、科學(xué)探究和問題解決等能力。

3.精顯育人功能，彰顯學(xué)科價值

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》指出：化學(xué)

不僅與人類的衣、食、住、行密切相關(guān)，而且已發(fā)展成為生命科學(xué)、材料科學(xué)、能源科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、信息科學(xué)、納米技術(shù)和工程科學(xué)的重要基礎(chǔ)，成為推進(jìn)科學(xué)技術(shù)進(jìn)步和現(xiàn)代社會文明的重要力量[3]。我們的化學(xué)學(xué)習(xí)應(yīng)該建立在創(chuàng)造美好生活之上，學(xué)習(xí)時讓化學(xué)知識走進(jìn)生產(chǎn)生活，服務(wù)生產(chǎn)生活。在本課教學(xué)時，將學(xué)習(xí)的知識遷移應(yīng)用到海水淡化、含鉻廢水處理、“84消毒液”制備、氫氧化四甲基銨制備等，讓學(xué)生認(rèn)識到化學(xué)與生產(chǎn)生活的密切關(guān)系，體現(xiàn)化學(xué)學(xué)科的社會價值，從而培養(yǎng)其社會責(zé)任感。

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