深度學(xué)習(xí)在高中化學(xué)“電解原理”項目教學(xué)中的應(yīng)用

摘 要：在高中化學(xué)教學(xué)中，深度學(xué)習(xí)作為一種促進(jìn)學(xué)生理解和應(yīng)用知識的學(xué)習(xí)方式，正受到越來越多的關(guān)注.本文通過電解原理的項目式教學(xué)，探討了如何將深度學(xué)習(xí)應(yīng)用于實際教學(xué)過程中.通過設(shè)計情境、項目任務(wù)驅(qū)動以及模型建構(gòu)，學(xué)生能夠在自主探究中掌握電解原理，并通過具體實例分析電解池的工作原理.最終，學(xué)生能夠自主構(gòu)建知識模型，實現(xiàn)從知識到能力的跨越.

關(guān)鍵詞：深度學(xué)習(xí)；項目式教學(xué)；電解原理；模型建構(gòu)

中圖分類號：G632 ""文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ""文章編號：1008-0333（2024）36-0099-03

收稿日期：2024-09-25

作者簡介：王霞（1987.2—），女，貴州省遵義人，本科，一級教師，從事化學(xué)教學(xué)研究。

在化學(xué)教學(xué)中，“電解原理”作為一個重要的知識點，具有較高的理論性和實踐性.然而，傳統(tǒng)的教學(xué)方式往往側(cè)重于對概念和公式的灌輸，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中容易陷入淺層學(xué)習(xí)的困境，難以真正理解電解原理的內(nèi)在機制和實際應(yīng)用.為了解決這一問題，項目式學(xué)習(xí)被引入到電解原理的教學(xué)中，通過設(shè)計一系列與實際生活和工業(yè)生產(chǎn)密切相關(guān)的項目，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，并通過實驗探究和模型建構(gòu)，學(xué)生能夠在深度理解的基礎(chǔ)上靈活應(yīng)用所學(xué)知識.

1 教學(xué)設(shè)計與分析

1.1 樹葉鍍銅中的電解反應(yīng)

樹葉鍍銅實驗的核心在于通過電解過程，將銅離子還原為銅單質(zhì)，并沉積在樹葉表面，最終形成一層均勻的銅膜.這一過程涉及電解池的設(shè)計、電極的選擇、電解液的配制以及電流的控制.在具體教學(xué)中，選擇一片完整且無破損的樹葉作為陰極，銅片作為陽極，電解液為硫酸銅（CuSO4）溶液.實驗過程中，樹葉需要經(jīng)過預(yù)處理，以確保其表面能夠?qū)щ?具體的預(yù)處理方法為用鉛筆芯在樹葉表面涂抹一層石墨粉，使樹葉具備一定的導(dǎo)電性.然后，將處理后的樹葉與銅片分別連接到直流電源的陰極和陽極，通過電解反應(yīng)在樹葉表面鍍上一層銅.在實際操作中，當(dāng)電路閉合后，電流通過電解液傳遞，在陽極（銅片）上發(fā)生氧化反應(yīng)，銅原子失去電子形成銅離子進(jìn)入溶液：

Cu（s）→Cu2+（aq）+2e-

在陰極（樹葉表面），銅離子獲得電子被還原為銅單質(zhì)，并在樹葉表面逐漸沉積形成一層光亮的銅膜：

Cu2+（aq）+2e-→Cu（s）

整個實驗過程中，學(xué)生可以觀察到，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，樹葉表面逐漸呈現(xiàn)出紅色的銅光澤，而銅片則逐漸溶解.這一現(xiàn)象生動地展示了電解反應(yīng)中陰、陽極反應(yīng)的實際過程，有助于學(xué)生理解電解池中物質(zhì)的變化和電子的流動.

為了更深入地理解這一實驗，可以將其與工業(yè)電鍍過程相結(jié)合.在工業(yè)電鍍中，電鍍質(zhì)量與多種因素密切相關(guān)，如電流密度、電解液濃度、溫度以及電鍍時間等［1］.為了讓學(xué)生更好地理解這些因素對電鍍效果的影響，可以設(shè)計一系列對比實驗.例如，學(xué)生可以嘗試改變電解液中硫酸銅的濃度，觀察不同濃度對樹葉鍍銅效果的影響.通常，較高濃度的CuSO4溶液有利于提高鍍層的光潔度和均勻性，但過高的濃度可能導(dǎo)致電鍍過程中出現(xiàn)“樹枝狀”銅沉積，影響鍍層質(zhì)量.這些實驗現(xiàn)象能夠幫助學(xué)生理解電鍍工藝中電流密度的優(yōu)化問題，并通過實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與總結(jié).

1.2 氯堿工業(yè)中的電解過程

在教學(xué)設(shè)計中，將氯堿工業(yè)的電解過程引入課堂，通過實際的實驗與模擬，學(xué)生可以深入理解這一過程中的化學(xué)反應(yīng)及其工業(yè)意義.實驗中，學(xué)生通過模擬電解過程，觀察并分析電極反應(yīng)的實際現(xiàn)象，進(jìn)而掌握電解原理在工業(yè)中的具體應(yīng)用.在氯堿工業(yè)電解過程中，主要涉及兩個電極反應(yīng)：陽極反應(yīng)是氯離子（Cl-）的氧化反應(yīng)，生成氯氣（Cl2）；而陰極反應(yīng)則是水的還原反應(yīng)，生成氫氣（H2）和氫氧根離子（OH-）.這些反應(yīng)共同完成了氯堿工業(yè)的核心化學(xué)過程.具體設(shè)計思路為使用石墨作為陽極，鐵片作為陰極，電解液為飽和NaCl溶液，實驗裝置通過直流電源提供電流，模擬氯堿工業(yè)的電解反應(yīng)過程，最終生成氯氣、氫氣和氫氧化鈉.在實驗操作中，當(dāng)電流通過飽和NaCl溶液時，電解池中發(fā)生以下反應(yīng)：

在陽極上，Cl-離子失去電子，被氧化為氯氣：

2Cl-（aq）－2e-→Cl2（g）

在陰極上，水分子接受電子，被還原生成氫氣和氫氧根離子：

2H2O（l）+2e-→H2（g）+2OH-（aq）

整個電解過程的總反應(yīng)為：

2NaCl（aq）+2H2O（l）→Cl2（g）+H2（g）+2NaOH（aq）

在實驗過程中，學(xué)生能夠觀察到陽極附近冒出黃色的氯氣泡，陰極附近產(chǎn)生無色的氫氣泡，溶液pH值逐漸升高，表明溶液中氫氧根離子濃度增加.這一系列現(xiàn)象直觀展示了氯堿工業(yè)電解過程的實際化學(xué)反應(yīng).

1.3 電解熔融NaCl制備金屬鈉

電解熔融NaCl制備金屬鈉在工業(yè)上主要用于金屬鈉和氯氣的生產(chǎn).這一過程的關(guān)鍵在于通過電解將熔融狀態(tài)下的NaCl分解為鈉金屬和氯氣.在教學(xué)設(shè)計中，通過項目式學(xué)習(xí)，將實驗分解為幾個環(huán)節(jié)，學(xué)生逐步探索并理解整個電解過程的各個方面.在實驗中，NaCl首先被加熱至熔融狀態(tài)，此時NaCl中的Na+和Cl-離子能夠自由移動.通過電流的作用，Na+離子在陰極上被還原為金屬鈉，而Cl-離子在陽極上被氧化生成氯氣.實驗的最終目的是使學(xué)生通過實際操作理解電解反應(yīng)的核心原理，并掌握電極反應(yīng)的書寫.實驗裝置是一套可以加熱到高溫的電解槽，電解槽中裝有熔融的NaCl.使用石墨作為陽極，鐵或其他耐高溫金屬作為陰極.通過連接直流電源，學(xué)生可以觀察到陰極產(chǎn)生金屬鈉，而陽極產(chǎn)生氯氣.在具體操作中，電流通過熔融的NaCl時，電解槽中發(fā)生如下電極反應(yīng)：

在陰極上，Na+離子接受電子，被還原為金屬鈉：

Na+（l）+e-→Na（s）

在陽極上，Cl-離子失去電子，被氧化為氯氣：

2Cl-（l）-2e-→Cl2（g）

整個電解過程的總反應(yīng)為：

2NaCl（l）→2Na（s）+Cl2（g）

在實驗過程中，學(xué)生可以觀察到陰極附近出現(xiàn)銀白色的鈉金屬，同時陽極處會產(chǎn)生黃色的氯氣泡.這些現(xiàn)象直觀地展示了電解熔融NaCl的實際反應(yīng)過程.

為了幫助學(xué)生更好地理解電解熔融NaCl的過程，可以設(shè)計一些拓展實驗，進(jìn)一步探討影響電解效果的因素.例如，可以通過改變電解槽的溫度、調(diào)整電流強度或使用不同材料的電極，來研究這些因素如何影響金屬鈉的產(chǎn)量和氯氣的生成速率［2］.在熔融NaCl的電解過程中，溫度是一個重要的影響因素.通過調(diào)節(jié)電解槽的溫度，學(xué)生可以觀察到溫度對電解過程的影響.例如，在較低溫度下，熔融NaCl的流動性較差，離子的遷移速度較慢，這可能導(dǎo)致金屬鈉的析出速率降低.反之，較高的溫度雖然能夠提高離子的遷移速度，但過高的溫度可能導(dǎo)致鈉金屬再熔融，影響產(chǎn)物的收集.通過這種對比實驗，學(xué)生能夠更好地理解溫度在電解過程中的作用，并學(xué)會如何優(yōu)化實驗條件以提高電解效率.

2 模型建構(gòu)與知識遷移

在高中化學(xué)電解原理的教學(xué)中，模型建構(gòu)與知識遷移是深度學(xué)習(xí)的重要環(huán)節(jié)［3］.通過項目式學(xué)習(xí)，學(xué)生不僅能夠掌握電解原理的基本知識，還可以通過自主建構(gòu)原理模型，實現(xiàn)知識的遷移和應(yīng)用.以電解樹葉鍍銅為例，學(xué)生通過動手實驗，觀察并分析電解過程中電極反應(yīng)、電解質(zhì)溶液中的離子遷移及電解池的工作原理.在這個實驗中，學(xué)生使用銅片作為陽極，樹葉作為陰極，電解質(zhì)溶液為硫酸銅溶液.當(dāng)電流通過電解質(zhì)溶液時，陽極上的銅被氧化，生成銅離子（Cu2+）進(jìn)入溶液，同時在陰極上，銅離子接受電子還原為金屬銅，沉積在樹葉表面，形成鍍銅.電極反應(yīng)為：

陽極（氧化反應(yīng)）：

Cu（s）-2e-→Cu2+（aq）

陰極（還原反應(yīng)）：

Cu2+（aq）+2e-→Cu（s）

通過這個實驗，學(xué)生能夠直觀地觀察到電解反應(yīng)的現(xiàn)象，并初步理解電解過程中電子轉(zhuǎn)移的概念.在項目任務(wù)的推動下，學(xué)生將這些具體的實驗現(xiàn)象逐步抽象為電解池的基本原理模型，理解并掌握電子從陽極流向陰極的過程，以及離子在電解質(zhì)溶液中的遷移路徑.

在掌握了基本的電解原理模型后，下一步是引導(dǎo)學(xué)生將這些模型應(yīng)用于新的情境，進(jìn)行知識遷移.這一過程的關(guān)鍵在于通過變式訓(xùn)練和情境創(chuàng)設(shè)，學(xué)生能夠靈活應(yīng)用所建構(gòu)的模型，解決不同的化學(xué)問題.教師可以設(shè)計一些典型的變式問題，例如，要求學(xué)生對比分析電解熔融氯化鈉（NaCl）與電解飽和食鹽水（NaCl溶液）兩種情況下的電極反應(yīng)及產(chǎn)物.

而在電解飽和食鹽水中，由于存在水分子的競爭反應(yīng)，陰極反應(yīng)主要是水分子的還原，生成氫氣和氫氧根離子，陽極反應(yīng)仍是Cl-的氧化，生成氯氣：

陰極（還原反應(yīng)）：

2H2O（l）+2e-→H2（g）+2OH-（aq）

陽極（氧化反應(yīng)）：

2Cl-（aq）－2e-→Cl2（g）

通過對比，學(xué)生可以發(fā)現(xiàn)，由于電解質(zhì)的不同，電極反應(yīng)和最終產(chǎn)物也有所差異.這一過程中，學(xué)生不僅需要運用所構(gòu)建的電解模型來分析電極反應(yīng)，還要理解水分子在電解過程中的參與，以及如何通過電解質(zhì)的選擇來控制電解產(chǎn)物.這種對比分析有助于學(xué)生加深對電解原理的理解，并提高他們的知識遷移能力.

3 結(jié)束語

綜上所述，通過項目式學(xué)習(xí)，學(xué)生在實驗中體驗到了化學(xué)知識的趣味性和實用性；通過深入思考和分析，學(xué)生掌握了電解原理的核心內(nèi)容.這有效地促進(jìn)了學(xué)生的深度學(xué)習(xí)，使學(xué)生能夠?qū)W(xué)到的知識遷移應(yīng)用到實際問題中.

參考文獻(xiàn)：

［1］

周日生.深度學(xué)習(xí)下的高中化學(xué)實驗項目教學(xué)的設(shè)計與實施［J］.數(shù)理化解題研究，2023，12（36）：119-121.

［2］ 張峰.基于深度學(xué)習(xí)的高中化學(xué)項目式教學(xué)的應(yīng)用研究［J］.學(xué)周刊，2023，17（17）：85-87.

［3］ 羅蒂固.基于深度學(xué)習(xí)視域下高中化學(xué)項目式教學(xué)的實施［J］.課程教育研究，2024，5（6）：67-69.

［責(zé)任編輯：季春陽］