基于微粒观和变化观的《电解池》(第一课时)教学设计

编辑: 逍遥路 关键词: 高二 来源: 高中学习网

摘要:本教学设计从生活新闻入手创设情境,引导学生应用实验表征手段强化电解过程中的变化及分析其原理,在电解变化的理解中强化微粒观建构。

关键词:电解,化学教学,实验表征,生活情境,微粒观

1教学设计思路分析

本节内容选自人教版《选修四 化学反应原理》第四章第三节《电解池》。电解原理是中学化学重要基本理论之一,基于氧化还原反应规律和元素化合物的具体反应事实,且和原电池互为补充构建电化学体系,体现化学能与电能之间的转化,是体现能量观的重要载体。

电解对于已经学到选修模块的高中学生并不陌生,因为早在九年级化学教材中,就已经出现了电解水实验;而在必修模块中,学生也接触到了电解饱和食盐水与相关无机反应。但是,在这些学习过程中,仍然限于学生对于正负极产生气体的记忆,拘泥于化学方程式符号表征的运用。选修模块的“电解”教学是对各种电解过程系统化的总结和升华,要从实验现象出发,启发学生探索背后奥秘;从微观本质出发,引导学生明白电解规律。

传统的电解引入多借鉴化学史素材或联系化工生产,但是学生毕竟缺乏感性认识,所以从身边事件入手创设情境,有利于学生激发对抽象的化学反应原理的学习兴趣。新课以向学生推销生活中的电解水机的模拟片段引入,将学习镶嵌在真实的情境中,不仅浅层次地介绍电解,而是启发学生应用知识解决生活中的实际问题,同时有意义的教学也就产生了。

人教和苏教版教材都特别关注CuCl2溶液的电解,的确,选取CuCl2作为电解对象的确是一个巧妙、合理的设计。一方面因为Cu2+和Cl-在放电顺序中分别在水电离的H+ 和OH- 之前,使不了解放电顺序的学生不会产生困惑,另一方面电解的产物(Cu和Cl2)特征明显,便于检验。而鲁科版教材先行关注熔融NaCl的电解,电极反应式简单,便于学生理解,但是该案例在中学实验室只能通过电脑模拟演示,缺乏足够实验支持。

笔者的设计做了些改进,试图从另一个角度展开电解教学:①水的电解是中学生所学的第一个电解反应,大家对其普遍印象深刻,但是背后的细节却不明了,所以从初中到高中都存在疑问,有待解决;②对于水的电解先行分析,便于和新闻情境遥相呼应,深入分析有助于学生思考生活问题背后的化学原理;③电解过程中的电极反应式涉及到放电顺序一般以H+ 和OH-为参照标准,所以先谈水的电解是为了其他溶液电解作为铺垫;④在之前原电池的学习过程中,氢氧燃料电池电极反应式备受重视,其电极反应式与水的电解联系紧密。

当然,这样的设计也存在一些不足,毕竟水的电解反应式相比较CuCl2溶液、熔融NaCl的电解更为复杂,作为电解初始教学是否合适?一直为我们所困惑。

基于本课题组所涉及的微型化学实验成果,笔者试图在第一课时的教学中引入现象明显、操作简便的微型实验强化宏观表征,在实验中的电解质溶液中滴加紫色的石蕊试剂将我们看不到的微观粒子让学生“看到”,体现微观层次的表征,再引领学生自主探究并加以逻辑思考得出阴阳极的产物,写出两极反应式,完成符号表征。这个过程不是教师强加给学生的填鸭教学,三重表征[1]的融合对于学生的科学素养的提高无疑是有益的。电解过程中同样的离子迁移也无法用肉眼观察到,所以我们也通过类似方法让学生感受到电解过程溶液中微粒的运动,在这里,溶有指示剂的果冻成为电解的载体,方便展示电解过程中离子的迁移方向,有助于学生深入理解电解本质。

对于放电顺序的难点突破上,我们采用归纳法。将NaCl溶液,CuCl2溶液的电解与水的电解对比,从典型案例出发总结分析阴阳极不同离子的放电先后。

2教学目标

知识与技能目标:

(1)知道电解的意义,会判断电极,掌握电极反应与氧化还原反应之间的对应关系;

(2)会判断电解过程中微粒的流动方向,并简单根据放电顺序写出电极反应,描述实验现象;

(3)明确电解过程中的能量转化,电解是完成非自发反应的一种手段。

过程与方法目标:

(1)通过微型电解实验的操作,培养动手操作能力;通过对实验现象的观察、分析和推理,培养发现问题、分析问题和解决问题的科学探究能力;

(2)通过实验表征手段体验微观世界的变化规律,初步形成微粒观[2]。

情感态度与价值观目标:

(1)通过生活中伪科学的辨识,培养科学求真精神,提升应用科学知识解决真实问题的意识;

(2)通过电解实验的微型化和趣味化,体会绿色化学观念。

3教学设计方案

3.1教学重难点

重点: (1)电解反应式的书写。

????? (2)溶液中离子的迁移方向。

难点: 溶液中离子的放电顺序。

3.2教学策略

教学方法:采用“情境教学”,激发学生的学习兴趣;采用“实验探究法”,增强学生生实验操作能力;采用“问题解决法”,设计问题,环环相扣。

3.3教学流程

(1)情境引入

【课堂导入】以电视直销广告的形式向学生介绍“神奇”的电解水机及净水装置

【教师投影】电解水机

??????????????????????????????????????????????????????????? ?图1? 神奇的电解水机

【教师设问】如果你看到这段直销广告,你会购买这种产品吗?

(设计意图:联系生产生活问题导入课题——电解,将学习置于真实的情境中,激发学生的好奇心,有利于激发学生的学习兴趣,体现了“化学来源于生活”。)

(2)回忆旧知,认识电解

【教师讲述】 我们日常生活中所喝的自来水真的有这么脏吗?这种所谓的电解水机有那么神奇吗?其实所谓的电解水机,顾名思义它的原理就是电解水,我们已经在初中学过电解水的原理,以下就是电解水的装置图

【教师投影】

???????????????????????????????????????????????????????????? 图2?? 霍夫曼电解器

【教师提问】你能根据这套装置说说电解池构成的要素吗?

(设计意图:电解对于已经学到选修模块的高中学生并不陌生,因为早在九年级化学教材中,就已经出现了电解水实验,但在九年级的学习时不叫阴阳极,因此在让学生回顾己有知识的同时,补充新的知识,有利于学生认知结构的构建。)

【教师提问】那么大家有没有想过为什么在阴极产生H2,而在阳极产生O2?

(3)重温电解水,建构微粒观

【教师讲述】电解水这个实验我们并不陌生,今天我们在来回顾一下电解水的实验,不过再原来的实验基础上稍有改动,所用的电源是一个9V的层叠电池[3],两个电极还是石墨电极,反应是在滴定板中进行的,实验前往水中加入了少量的紫色石蕊,为了增强导电性,往其中加入了少量的Na2SO4溶液。

【学生】以小组形式进行实验

【教师投影】

【教师提问】你看到了什么实验现象?

【学生】回答

【组织讨论】反应中消耗了何种微粒?是由何种微粒提供?电极附近的水的电离平衡是否破坏?又如何移动?[4]

【学生】交流、回答

【教师提问】阴极区显蓝色,说明阴极区显碱性,阳极区显红色,说明阳极区显酸性,那么你能写出在阴阳极分别发生什么反应吗?

【教师引导】两极区的pH值及溶液的pH值变化,是由于H+、OH—参与电极反应过程,破坏了水的电离平衡,使两极区的pH值发生变化。

【学生】根据教师提示,书写电极反应式。

【教师引导】如果我们将上述两极区溶液重新混合在一起,溶液是呈酸性、中性还是碱性呢?【学生】(根据电解的总方程式)回答。

【教师讲述】溶液中存在H+和OH—,那么这些离子在溶液中运动是否有一定规律呢?接下来我给各位通过另外一种方式来演示电解水的实验。我选择了一个果冻条来进行实验[5],果冻中水分较多,凝胶对离子有扩散作用,果冻中含有酸( 酸度调节剂) 、盐( 如山梨酸钾、海藻酸钠)可以增强水的导电性,在实验前我们已经将果冻条浸入在紫色石蕊中“染色”。

【教师投影】

???? 图4? 果冻条中的微型实验

(教师实验,学生观察现象)

【教师提问】你看到了什么实验现象?

【学生】回答

【教师提问】除了阴极区显蓝色,阳极区显红色,你还看到什么现象?

【学生】回答

【教师提问】为什么两极的红色与绿色会逐渐向中间扩散?说明了什么问题?如果电解足够长的时间,扩散在相遇处会显什么颜色?

【学生】思考讨论,得出离子的迁移方向。

(设计意图:我们的改进实验利用常见的指示剂石蕊联系了宏观性质与微观结构之间的奇妙过程,显微见着,这是在中学可以接受的实验条件下融入大学化学材料仪器表征的化学学科方法,这是用易得药品的特征反应替代专业化检测仪器表现微观运动的实验方法;这是将学生的感性思维反馈于抽象思维的教学引导,这是体现化学结构决定性质、性质反映结构这一抽象观念的具体化、表征化,有利于学生在元素化合物的学习积累中逐步升华微粒观与变化观[6]。)

【教师提问】如果从氧化还原角度来看,阴阳极分别属于什么反应?

【学生】练习电极反应式

(设计意图:通过让学生观察已写的阴阳极反应方程式,体会阴阳极的反应与氧化还原之间的关系。)

【教师提问】我们把在阴阳极上能发生的氧化还原反应又称之为放电,那么你能用自己的语言总结一下什么是电解吗?

【教师板书】电解:电流通过电解质在阴阳极引起氧化还原反应的过程。

(4)改变电极,揭露电解水机真相

【教师设问】为什么同样是电解水,我们刚刚的电解水实验不会看到变黄的实验现象,而我向各位推销的电解水机电解后,水却变得很脏呢?是因为我们所用的自来水很脏,而实验室的水很干净?

【学生】思考、讨论

【教师讲述】首先我们来看一下推销商们所用的装置,将铁棒作为阳极(与电源的正极相连),铝棒作为阴极(与电源的负极相连),这和我们所用的电解水装置有什么不同吗?

【学生】所用电极不同

【教师讲述】下面我们就通过实验来模拟电解水机,从而来验证我们所喝的水是否“干净”。同样的还采用与以上的装置,阳极的电极是铁棒,阴极的电极是C棒。在实验之前我们依旧先思考如下问题:

【教师投影】1、溶液中存在哪些离子?

??????????? 2、在阴极哪些粒子会得电子,在阳极哪些粒子会失电子?

??????????? 3、预测阴阳极的产物,并说明如何检验?

【学生】讨论、思考、回答、开始实验(教师指导)

【组织讨论】你看到什么现象?为什么会有黄色的沉淀产生?

【学生】回答

【教师提问】你能根据实验现象及我们刚刚所讲解的阴阳极的反应写出电极反应吗?

(设计意图:在电解水的基础上改变电极,向学生揭露电解水机的猫腻,将学习置于真实的情境中,这样有意义的学习就发生了。学生在猜想、实验、得出结论这样的科学探究过程,自己去寻找答案,体现了新课程的“以生为本”,同时增强学生的实验操作能力。通过引导学生回答为什么会有沉淀产生,其实也说明了电解过程中离子的迁移方向。)

【教师讲述】看来自来水中出现的黄色“毒素”只不过是阳极电解——Fe在作怪,并不是因为我们的水有多脏,这只不过是这些推销净水器的商家们用了看似十分专业的“科学”原理演绎了一场误导市民的戏法罢了,所以同学们一定要用科学的思维去看待问题,敢于揭示生活中的伪科学。

(设计意图:通过向学生揭示电解水机的猫腻,培养学生用科学的眼光看待生活中的问题,要学会将所学的知识运用到生活中去,解决生活中的问题。)

(5)电解NaCl溶液

【教师设问】但是为什么把通电的仪器放进盛有纯水机出来的水的杯子里,通电一段时间,水却还是几乎干净透明呢?我们首先回顾一下,在初中如果电解的是纯水,速度会非常慢,为什么?

【学生】思考、回答

【教师提问】我们刚刚在做电解水实验时加入了什么物质?

【学生】回答

【组织讨论】我们在日常生活中最常见的盐就是NaCl,那么电解水试验中能否加入NaCl呢?

(设计意图:初中我们就已经学过在电解水的过程中加入Na2SO4,而Na2SO4属于盐,此时学生就会很容易产生疑问,是否任意一种盐都可以。而NaCl是日常生活中最常见的盐,因此由电解水过渡到电解NaCl溶液,符合学生的认知规律。)

【学生】思考、说出自己的想法。

【教师讲述】 下面我们就通过实验来进行探究,同样的还采用与以上的装置,阴阳极的电极我们均选择石墨电极。在实验之前我们依旧先思考如下问题

【教师投影】1、溶液中存在哪些离子?

??????????? 2、在阴极哪些粒子会得电子,在阳极哪些粒子会失电子?

??????????? 3、预测阴阳极的产物,并说明如何检验?

【学生】讨论、思考、回答、开始实验(教师指导)

【教师提问】你看到了什么现象, 这一现象与你的预测是否一致?

【学生】思考、回答

【教师提问】请根据反应现象写出电极反应。

(6)电解CuCl2溶液

【组织讨论】那么如果我们加入的电解质是CuCl2溶液呢?结果又会怎样?

【学生】讨论、回答

【教师讲述】那么下面我么就通过实验来验证各位同学的猜想是否正确?我们同样的还采用与电解水一样的装置,阴阳极的电极我们均选择石墨电极。在实验之前我们依旧先思考如下问题

【教师投影】1、溶液中存在哪些离子?

??????? ????2、在阴极哪些粒子会得电子,在阳极哪些粒子会失电子?

??????? 3、预测阴阳极的产物,并说明如何检验?

【学生】讨论、思考、回答、开始实验(教师指导)

【教师提问】你看到了什么现象, 这一现象与你的预测是否一致?

【学生】阳极产生的气体能使淀粉KI试纸变黄,阴极区有红色固体生成。

【教师讲述】 请根据反应现象写出阴阳极的电极反应。

(7)课堂小结

【组织讨论】通过比较以上的电极反应你能总结出不同离子的放电顺序吗?

【学生】思考、交流、回答

【教师投影】阴极放电顺序:Cu2+>H+>Na+;阳极放电顺序:Cl—>OH—>SO;

【教师小结】电解实验中,存在诸多角度的变量,例如电极、电解质溶液的酸碱性环境、溶质离子的种类等。感兴趣的同学可以选择其他化学物质,利用本节课引进的微型电解实验方法,在课外开展探究,看看用什么辅助实验手段能拓展更完善的阴阳极放电顺序?

(设计意图:溶液中粒子的放电顺序是本节课的一个难点,这个结果不是教师强加给学生的,而是让学生从典型案例出发总结分析阴阳极不同离子的放电先后,这是学生对本节课知识的一个升华与总结,同时也将学习和思考还给了学生。)

(8)课后评价

我们在以上的电解水实验中加入的电解质都是中性的,那如果加入的电解质是硫酸,或者NaOH溶液,反应现象会有变化吗?电极反应如何书写?如果加入的电解质是盐酸呢,结果又如何?

(设计意图:通过改变电解水过程中的电解质,促进学生在原有的学习基础上思考,不仅可以复习旧知,还可以使学生的思维能力得到提升,有利于激发学生的学习兴趣)

致谢:特别鸣谢南京市金陵中学江敏老师和南师附中保志明老师对本教学设计的指导。

参考文献:

[1]毕华林、辛本春.促进“观念建构”的化学教学策略[J].中学化学教学参考,2011,(7):3-5

[2]毕华林、崔素芳.促进“观念建构”的化学教学设计[J].中学化学教学参考,2011,(8):3-6

[3] 张援.微型电解实验探究案例[J],化学教育,2010,(7):56-57

[4] 江敏.化学教学中的实验方法——谈实验设计与对学生思维能力的培养[J].化学教育,1997,(6):6-11

[5] 陈凯、龙琪、张丽娜.一滴紫甘蓝汁的微型电解实验[J].化学教育,2008,(8):65-67

[6] 毕华林、卢巍.化学基本观念的内涵及其教学价值[J]. 中学化学教学参考,2011,(6):3-6

本文发表于《化学教学》2013年第2期,为南京晓庄学院教师教育学院职前科学教师工作室化学师范生备课组成果之一,由江苏省教育科学“十二五”规划2011年度重点资助项目“基于培养学生学科观念的理科教学研究”(B-a/2011/01/015),2011年江苏省高等教育教改重点研究课题“师范生实践性培养模式的研究与实践” (2011JSJG052),2012年江苏省高校哲学社会科学研究指导项目“基于学习共同体的科学教育专业师范生职前成长”( 2012SJD880079),2011年江苏省高等学校大学生实践创新训练计划立项项目“基于信息技术平台的化学师范生备课组行动研究”等基金项目支持。

通讯联系人简介:陈凯,南京晓庄学院教师教育学院教师,负责职前科学教师工作室的日常运作和活动指导,主持全国十一五教育科学规划教育部课题子课题、江苏省高校哲学社会科学指导项目、南京晓庄学院教改课题各一项,以核心成员身份参加国家十一五教育科学规划课题子课题一项、全国十一五教育科学规划教育部课题一项、教育部人文社科项目项目一项江苏省高等教育改革重点课题两项、江苏省十二五教育科学规划重点课题一项、一般项目一项。研究领域涉足信息技术与化学课程整合、化学信息学、微型化学实验设计、化学课程资源开发、儿童科学教育启蒙、科学写作、基于信息技术的教师教育、化学竞赛命题、化学教学设计等方面;出版科普文学作品、大学或中学化学教材教辅十部,在SCI、CSSCI、核心期刊上发表论文五十多篇,省级以上期刊七十多篇,三篇论文被人大复印资料全文转载。

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