基于雙池模型的電解原理教學研究

【摘要】以發展學生的證據推理與模型認知學科核心素養為目標，通過分析學生學習電解池內容時存在的困難，結合新舊教材分析，重新建構“原電池-電解池”雙池模型提高學生的學習能力。在教學過程中，讓學生經歷“發現問題→提出猜想→實驗驗證→得出結論”的證據推理過程，并分別從局部（微觀）視角和整體（宏觀）視角探究電解池的工作原理。

【關鍵詞】化學教學；雙池模型；電解原理；電解CuCl2溶液

【中圖分類號】G633.8【文獻標志碼】A【文章編號】1004—0463（2022）18—0093—05

“證據推理與模型認知”是化學學科五大核心素養之一。其證據推理指從問題情境及已有知識經驗中識別、轉換或推演，形成主張，并多方收集證據進行論證，從而獲得結論，解決問題。表現在化學學習中，即“具有證據意識，能基于證據對物質組成、結構及其變化提出可能的假設；通過分析推理加以證實或證偽；建立觀點、結論和證據之間的邏輯關系”。模型認知指“利用模型進行思維的一種方法”，即基于一定的感性認識，以理想化的思維方式對看不見的化學原型客體進行近似、簡化的摹寫，以揭示其本質和規律的一種科學抽象方法。電化學作為高中化學反應原理模塊中重要的組成部分，需要學生深入理解和掌握，但是其知識點較復雜，對學生的認知理解能力及知識運用能力都有較高的要求，導致學生在學習過程中存在諸多困難[1]。如電解池“內電路電子的移動方向、電路電子的移動方向以及電流的移動方向”等知識比較抽象，是看不見摸不著的知識，學生在短時間內接受這類知識有一定的難度，對學生的分析問題能力提出了更高的要求。另外電解池的習題并不是只涉及一個知識點，而是考查學生對電解池知識的系統理解。原電池和電解池裝置有諸多相似之處，導致學生經常出現混淆等。

本課時的教學設計以落實學生“證據推理與模型認知”學科核心素養為發展目標，同時著力于解決學生學習電解池內容存在的難點，深入分析新舊版教材，建構雙池學習模型。

一、教材研究

本課時教學設計使用的教材是2019年人教版化學必修1化學反應原理。筆者將新教材內容與舊教材內容進行了對比，兩版教材中選取的素材均為電解CuCl2溶液，不同之處在于與舊教材相比，新教材中刪去了“通電時，電子從電源的負極沿導線流入電解池的陰極，經過陰離子、陽離子的定向移動，再從電解池的陽極流出，并沿導線流回電源的正極”，同時增加了“上述過程可以看作外接電源提供的電能，借助電解池將還原劑（如Cl-）的電子轉移給了氧化劑（如Cu2+）”和方法導引欄目。

新教材的方法導引欄目介紹了電化學學習過程的系統思維和方法，其目的在于說明學生學習完本章內容達成的學科思維發展目標，也是教師教學過程中需要落實的教學目標。舊教材“通電時，電子從電源的負極沿導線流入電解池的陰極……并沿導線流回電源的正極”的內容，與新教材“上述過程可以看作外接電源提供的電能，借助電解池將還原劑（如Cl-）的電子轉移給了氧化劑（如Cu2+）”的內容，兩段內容之間的關系為系統思維中局部與整體的關系。從局部角度分析，學生對電解原理會有更加深入地理解，但是認知難度高。從整體角度分析，學生的認知難度較低，也有助于培養學生的整體思維能力，但是未能深入理解電解原理[2]。基于上述對教材內容的分析，本課時將舊教材從局部深入分析電解原理的內容和新教材從整體分析電解過程的內容進行了整合。

二、建構學習模型

基于教材和教學目標分析重新建構了學習模型。從局部角度分析學生存在的認知難點是難以聯想到電子定向移動的路徑，為了幫助學生深度理解電子定向移動的路徑，結合原電池模型，將教材中電解CuCl2溶液的裝置與Cu-Zn原電池裝置進行了整合（裝置如圖1所示）。

圖1所示裝置中有學生熟悉的原電池模型，從原電池工作原理的角度學生很容易能夠理解電子定向移動的路徑，且通過推理分析就能夠發現CuCl2溶液中發生了氧化還原反應，結合實驗驗證，便能夠建立起對電解池工作原理的系統認識。

三、教學流程

基于對“‘原電池-電解池’雙池模型探究電解原理”微主題內容和教學目標的分析，設計了本節課的教學流程，如圖2所示。

通過以上四個環節，讓學生經歷基于理論分析發現問題、提出猜想、實驗驗證、得出結論等一系列思維過程，從而深入理解電解原理，最終自主建構電解池的認知模型，發展局部與整體的學科思維目標，落實本節課的教學任務。

四、教學實錄

【環節一】復習導入，聚焦課堂

[教師]同學們在初中已經學習過電解水及利用電解法冶煉活潑性強的金屬，但當時我們只是知道電解之后相應的產物，并沒有深入討論電解原理。除此之外，在化學元素發現史上，電解法的出現也作出了極大貢獻。1870年，化學家戴維通過電解熔融鉀化合物開啟了電解法在元素發現史上的新紀元。1800年之前，科學家共發現了20多種元素，而到1850年的時候，就已經發現了50多種，其中大部分元素都是通過電解法獲得的。由此我們可以看出，電解作為一種化學實驗方法有著非常重要的應用價值，需要深入學習電解原理，為今后的化學學習打好基礎。

[設計意圖]：設置情境，引出教學主題。

[溫故知新]我們剛剛結束了原電池的學習，請同學們根據如圖3所示的Cu-Zn原電池裝置思考以下問題：從電子定向移動和離子定向移動的角度分析閉合回路。

[學生]外電路：電子從負極（鋅片）流出，經過導線流入正極（銅片），構成了外電路；內電路：SO42-向負極（鋅片）做定向移動，H+向正極（銅片）做定向移動，構成了內電路。

[教師]結合我們原電池的學習及剛剛分析Cu-Zn原電池閉合回路的過程，請同學們思考電子導體和離子導體定向移動的路徑有什么特點？

[學生]電子導體只能沿著金屬或導線做定向移動，而離子導體只能在電解質溶液中做定向移動。

[教師]我們可以形象地總結為“電子不下水，離子不上岸”。

[設計意圖]：喚起舊知，為新知學習作鋪墊。學生通過回憶原電池的工作原理，強化電子導體和離子導體定向移動的特點及閉合回路分析的過程，為后面電解池中閉合回路的分析作鋪墊。

【環節二】雙池分析，提出猜想

[交流研討]如圖4所示是檢驗氯化銅溶液導電性的實驗裝置圖，請同學們根據所學電解質的相關知識思考以下兩個問題：①電流表的指針是否會發生偏轉？②CuCl2溶液導電的原因是什么？

[學生]①電流表的指針發生了偏轉；②CuCl2溶液導電的原因是溶液中有自由移動的陰陽離子，且做定向移動。

[問題1]那么Cu？ Cl2溶液中的陰陽離子如何做定向移動呢？現在老師將圖4中的電池換成我們熟悉的Cu-Zn原電池，同學們根據圖5所示的裝置圖分析CuCl2溶液中的陰陽離子如何做定向移動？（提示：從原電池電流流向角度進行分析）

[學生]原電池外電路的電流流向為：正極→負極。如上所展示的裝置圖中可以將導線及Cu？ Cl2溶液看作是原電池的外電路，那么CuCl2溶液中的電流流向符合原電池外電路的電流流向，即從右到左。

[問題2]我們知道產生電流的原因是帶電體做定向移動，且電流的方向與負電荷定向移動的方向相反，與正電荷定向移動的方向相同，基于此同學們分析CuCl2溶液中陰陽離子如何做定向移動？

[學生]電流的方向為從右到左，那么Cu2+向與電源負極相連的碳棒做定向移動，Cl-向與電源正極相連的碳棒做定向移動。

[學生活動]結合上述交流研討，我們可以從原電池的內外電路角度分析圖6所示裝置，且我們知道原電池中電子從負極流出，經由外電路流入正極。請同學們基于“電子不下水，離子不上岸”原則，分析e-途徑CuCl2溶液時遇到的問題。

[學生]經過分析發現，電子途經CuCl2溶液時在與電源負極相連的碳棒上富集，無法到達原電池的正極。

[教師]我們將同學們發現的問題做進一步拆解。第一，電子從原電池的負極流出，經由導線流入CuCl2溶液與電源負極相連的碳棒，由于電子無法進入溶液做定向移動，所以在碳棒上富集，如果不中和此碳棒上的電子，該裝置將無法形成通路，所以我們需要解決的第一個問題是：該裝置是如何中和與電源負極相連碳棒上的電子？第二，電子一定要流入原電池的正極，所以與電源正極相連的碳棒一定要放出電子，經由導線流回正極，所以我們需要解決的第二個問題是：該裝置與電源正極相連的碳棒如何放出電子？請同學們思考以上兩個問題，提出可能的猜想。

[學生]從物質基礎角度分析，最大的可能是電子與CuCl2溶液發生相互作用。

[追問]按照同學們的思路，假設CuCl2溶液中有物質得了與電源負極相連碳棒上的電子，同時有物質在與電源正極相連碳棒上放出電子，這樣的話確實就解決了我們的問題。那么，我們提出的猜想是什么？

[學生]猜想：CuCl2溶液中發生了氧化還原反應？

[設計意圖]：創建學習模型，制造認知沖突，提出合理猜想，激發學習熱情。

【環節三】實驗驗證，建構模型

[學生活動]學生分組實驗。

在同學們桌面上放置著已經連接好的實驗裝置，現在請同學們接通電源，仔細觀察實驗現象，完成表1。（說明：此處電源換成了學生電源）

[教師]電解池模型建構。上述我們討論的裝置就是今天學習的電解池，現在我們已經清楚了電解池工作的原理，下面讓我們一起來總結梳理電解池的工作原理（如表2）。

[教師]請同學們閱讀教材，找出電解池的定義。

[學生]電解池是一種借助于電流引起氧化還原反應的裝置，也就是把電能轉變為化學能的裝置，叫作電解池或電解槽。

[教師]從定義中我們可以看出，電解池就是一種裝置，且是一種借助于電流引起氧化還原反應的裝置，所以同學們判斷一個電路是不是電解池最容易的方式？

[學生]電路中是否有電源。

[教師]電解池的能量轉化形式為電能轉化為化學能，與我們學習的原電池裝置相反，所以我們也可以將電解池理解為一個用電器。

[設計意圖]梳理探究過程，強化思維過程，落實知識目標，建構電解模型。

【環節四】拓展應用，課堂小結

電解在工業生產中有著非常重要的應用，比如我們熟知的電解法冶煉鈉、鎂、鋁等活潑性很強的金屬，除此之外還有通過電解飽和食鹽水制取重要的工業原料——氯氣和燒堿，再如還有電鍍等等。下一課時我們將會詳細地學習電解在工業中的重要應用。

[課堂小結]本課時主要的學習任務是深度理解電解池的工作原理，建構電解池認知模型。我們基于“原電池-電解池”雙池模型分析，通過發現問題→提出猜想→實驗驗證→得出結論等一系列探究活動理解了電解池的工作原理，進而從電解池的兩極、電子流向、離子定向移動、電極現象及電極反應等方面建構了電解池的認知模型，最后通過閱讀教材了解電解池的定義，完成了本節課的學習任務。

五、教學反思

1.創建“原電池-電解池”雙池模型有助于學生理解電解原理。本課時基于前期充分的學情分析和教材分析構建了學習模型，授課環節學生的認知困難點也同課前學情分析相吻合，在教師的語言引導下，學生理解電解池工作原理時可以自主從原電池角度進行分析，加上教師提出一系列問題，學生能夠逐步達成學習目標。通過發現問題→提出猜想→實驗驗證→得出結論等一系列探究自主分析電解原理，且經歷了完整的證據推理過程，最終培養學生的核心素養。

2.著重學生學科思維培養，落實證據推理與模型認知的核心素養。討論電子定向移動路徑時，學生發現電子無法通過CuCl2溶液到達原電池的正極，進而引起認知矛盾，為了解決這一矛盾，學生通過分析推理發現問題、提出猜想，為了驗證猜想需要學生收集證據，進而培養了學生的證據推理意識。在學生理解了原電池的工作原理之后，教師通過引導學生梳理總結探究過程，幫助學生建構電解池的認知模型[3]。

3.課堂教學反思。課堂主要是以學生探究活動為主，但是問題設置開放度過大，部分學生對活動問題解讀存在問題，進而導致授課過程中需要教師將問題進一步拆解才可以順利進行，導致課堂略顯煩瑣。所以在今后的教學中需要反復打磨，設計適合學生認知水平的問題。

參考文獻

[1]楊玉琴，倪娟.證據推理與模型認知：內涵解析及實踐策略[J].化學教育（中英文），2019，40（23）：23-29.

[2]朱鵬飛，陳凱，徐惠.培養學生技術素養的教學設計——以“電解池的工作原理及應用”為例[J].化學教育（中英文），2017，38（19）：23-27.

[3]邵景雪.高中化學“電解池”學習困難成因分析及教學建議[D].大連：遼寧師范大學，2018.

編輯：張昀