深化化学基本观念的学科整合教学*——以“电解原理”为例

陶杰　李远蓉　宗国庆

深化化学基本观念的学科整合教学*——以“电解原理”为例

陶杰李远蓉宗国庆

（西南大学化学化工学院重庆400715）

化学学习的进阶性决定了化学基本观念建构的进阶性。“电解原理”属于进阶的高阶层次，其所承载的化学基本观念培养也应该到“深化”的阶段。而“电解原理”的物理化学属性，决定了其与物理学知识的息息相关。基于此，在分析整合电场知识与化学知识的基础上，对“电解原理”进行了“化学-物理”学科整合教学设计，旨在深化化学基本观念的建构。

化学基本观念；学科整合；电解原理；教学设计

一、问题的提出

《普通高中化学课程标准（实验）》［1］明确提出“了解化学科学发展的主要线索，认识化学现象的本质，理解化学变化的基本规律，形成有关化学科学的基本观念”，从而把我国化学教学的取向从“知识本位”转向了“观念本位”。化学基本观念是指学生通过化学学习，在深入理解化学学科特征的基础上所获得的对化学的总观性认识，具体表现为个体主动运用化学思想方法认识身边事物和处理问题的自觉意识或思维习惯［2］。其以具体事实性知识为载体，又具有超越具体知识以外的持久价值。被化学教育研究共同体所承认的化学基本观念主要有元素观、微粒观、能量观、变化观、科学本质观和化学价值观等。这些基本观念之间相互联系，同时也与物理基本观念、生物基本观念同根同源。

基于教学实践便利性的诉求，我国高中阶段将科学课程人为地划分成了化学、物理、生物和地理等学科。将科学课程划分开来后，人们似乎也努力将其融合起来旨以整合学生的科学素养，最典型的尝试便是高考理科综合试题的编制。但教学经验告诉我们，这样的整合常常是形式多过本质，从而导致学生在生物中学了还原糖的检验后，在化学中却不知道怎么检验葡萄糖；在物理中学过电势差与电流产生的关系后，在化学中却对原电池的工作原理依旧死记硬背。这种由形式割裂造成的思维模式割裂阻碍了学生科学基本观念的形成，从而导致科学素养碎片化，具体表现为在解决实际生活中的劣构问题时存在着不同程度的障碍。化学基本观念的形成需要物理、生物知识的整合支持。基于此，我们以“电解原理”为例来阐明如何整合物理学科进行化学基本观念的培养。

二、教学背景分析

1.三版教科书“电解池”内容构成分析

对三个版本教材中“电解池”内容体系的分析与比较，将有助于我们明确“电解原理”的学科价值，进而确定教学重难点以及确定教学内容的呈现顺序。本内容属于典型的化学概念教学，我们从概念认识、概念发展、概念建构（概念运用）三个维度所选的实验体系或内容体系来比较分析，结果如表1所示。

表1　三个版本教科书“电解池”内容体系的统计

从统计结果中可以看出，概念建构的三个阶段和三个版本的教材均选择了不同的实验或内容体系。从概念教学的角度来说，在概念认识阶段，学生需要从简单的实例中归纳出概念的基本特征。因此，若一开始就做电解氯化铜溶液的实验，由于氯化铜溶液中离子种类的复杂性，将会增加学生思维难度，因而似乎选择电解熔融氯化钠作为起始是比较好的选择。但氯化钠熔点为800℃左右，致使电解熔融氯化钠的实验可操作性不强。

基于以上分析，我们决定采用电解水实验作为概念认识的起点。一方面电解水实验是学生仅有的电解模型基础；另一方面，电解水和氢氧燃料电池合在一起可以很好地向学生展示电能与化学能之间的转化关系，降低思维难度的同时也贯穿教学始终，一举多得。在初步认识概念后，再让学生分析电解氯化铜溶液，以强化概念建构。

2.“电解原理”内容与物理学整合的可行性分析

“电解原理”内容位于“化学反应原理”模块，从知识类别属性上来说，其属于物理化学内容。物理化学是从物质的物理现象和化学现象的联系入手，来探求化学变化基本规律的一门科学，在实验方法上也主要是采用物理学中的方法［3］。体现在“电解原理”上，则是运用电场相关知识来推导与解释电解时离子导体中离子的迁移行为，这为化学与物理学电场知识的整合教学提供了条件。化学与物理学整合教学的可行性分析如图1所示。

图1　电解原理融合物理学知识的可行性分析图

电场知识位于高中物理选修3-1模块的第一章，课时通常安排在高二上学期，这恰好与“电解原理”教学相契合。结合电场模型，学生会很容易分析出通电条件下离子导体中离子的迁移情况，从而建构起电解原理和原电池概念，在深化化学基本观念的同时，加深对电场知识的理解。

3.化学基本观念的抽提

“电解原理”是中学化学典型的概念原理教学，目前也有很多研究者对本内容进行了教学研究［4-6］，但或是未强调化学基本观念的深化，或是没有综合运用物理学知识来支撑学生分析和理解电解原理。本内容位于选修4模块，是高中电化学和氧化还原反应等知识发展的最高阶段，也是最后阶段。因此，通过本次课的学习，学生对原电池概念组和电解池概念组、氧化还原反应、电能与化学能之间的转化等的认知要发展到掌握和运用水平层次，相应的化学基本观念也应由此前的低阶层次上升到高阶层次。因此，该内容所承载的化学基本观念及相应的具体内容如图2所示。

图2　“电解原理”承载的化学基本观念

三、教学实录

1.情境导入，提出研究问题

【情境1】2015年5月，咱们重庆的第一条纯太阳能路灯道路——高新区创新大道开始投入使用。路灯的顶端都有一块太阳能电池板，作用是将太阳能转化成电能，但太阳能路灯晚上才工作。

【问题1】太阳能路灯如何储存太阳能转化成的电能？

【学生】运用手机等上网设备进行“电能”资料的查询，讨论电能可能的储存方式，得出电能可以转化成其他形式的能量进行储存的猜测。

设计意图：从学生熟悉的生活情境中提出问题，引导他们查阅资料，培养发现问题和查询资料的意识与方法，为化学问题的提出奠定基础。

2.拆分问题，形成假说

【问题2】对于太阳能路灯，将电能转化成哪种形式的能量进行储存较为实际呢？

【学生】分析各种能量形式的储存方式后认为，将电能转化成化学能储存于化学物质中，待运用时再通过原电池转化出来。

【归纳】所以，我们是不是就可以形成这样的一种假说，太阳能转化成的电能可以转化为化学能储存起来，等到需要的时候再通过原电池装置将其转化为电能。

【问题3】目前有什么样的实验事实可以支撑我们的假说呢？

设计意图：将生活问题拆分转化成化学问题，在查阅资料的基础上形成假说，培养学生根据已有资料形成假说的能力。

3.收集实验事实证实假说，深化能量观、转化观

【过渡】我们先来看一个大家很熟悉的实验，看从中能否得出一些启示。

【演示实验1】运用魏博士“一分钟电解水”实验装置进行电解水的演示实验，一插电即可观察到有明显的气泡产生。

【问题组4】

（1）电解水的过程产生了氢气和氧气，主要的能量转化情况如何？

（2）如何再次将氢气与氧气中的化学能转化成电能？

【学生】电能转化成化学能了，储存在氢气和氧气中了。可以让氢气与氧气构成氢氧燃料电池，从而将化学能再次转化成电能。

【演示实验2】在电解水的基础上撤走电源后，立即构成氢氧燃料电池，将小风扇与该装置相连，装置转动起来。

【问题5】这两个实验说明了什么？

【学生】说明了电能可以转化成化学能储存起来，化学能也可以转化成电能。进而说明了将电能转化成化学能储存于化学物质中是可能的。因而电解水和氢氧燃料电池可以作为支撑假说的证据。

【总结】通过实验我们会发现，电解水将电能转化成了化学能，储存在了生成的氢气和氧气中，氢氧燃料电池又将储存在其中的化学能转化成了电能，同时生成的水可以循环利用，实现了能量的转化和物质的循环利用。所以这个实验可以作为支撑我们假说的一个有力证据。

【问题6】在科学研究当中，假说的证实是一个实验、一个证据所不能完成的，还有什么样的事实作为证据呢？

【引导】引导学生收集分析钠与氯化钠、镁与氯化镁、铝与氯化铝之间的相互转化以及其中的能量转化关系，充实证据。

【总结】因此，我们就可以说，电能确实可以转化成化学能储存，待运用时再通过原电池装置释放出来，即假说成立的可能性很高。

设计意图：在提出假说的基础上，引导学生通过实验进行取证，培养学生的证据意识。通过让他们分析已有实验基础（文献综述的初级表现形式），感受科学研究中假说证实的证据严谨性。通过直接感受化学能与电能的相互转化，深化能量观；梳理电解法制备活泼金属的实验事实，深化转化观。

4.整合电场模型解释假说，深化微粒观、能量观

【问题7】在科学研究当中，运用证据证实假说只解决了“是什么”的问题，而要解决“为什么”的问题还需要运用证据对假说进行解释。所以，该如何运用以上证据来解释我们的假说呢？即电能是如何转化成化学能的呢？

【提示】

（1）水是弱电解质，会发生微弱电离；

（2）与电源相连后，可认为两电极分别富集了大量正电荷和负电荷；

（3）带电粒子在电场中运动会受到电场力的作用。

【学生】以小组为单位整合电场模型和电解质的电离，讨论后认为氢离子和氢氧根在电场中由于受到电场力的作用而定向移向两极，在两极反应生成氢气和氧气。

【总结】水是一种弱电解质，在通电之前，会有微弱的电离，从而产生氢离子和氢氧根离子，这些离子在通电之前都是自由移动的。通电之后，我们可以认为与电源负极相连的导体富集了大量的负电荷，而与电源正极相连的导体则富集了大量的正电荷，这样一来，两个电极之间就形成电场。氢离子和氢氧根离子都是带电粒子，因而在电场中会受到电场力的作用，氢离子将移向左边，氢氧根离子将移向右边。

【陈述】氢离子和氢氧根到达两个电极上以后，氢离子会结合电极上的负电荷形成氢气，得电子发生还原反应。同理，氢氧根在另一电极上结合正电荷，表现为失电子，发生氧化反应，生成氧气。而与电源负极相连的一极由于聚集了大量的负电荷而具有阴离子的特质，被人们称为“阴极”，具有氧化性的离子在上面发生还原反应；与电源正极相连的一极由于聚集了大量的正电荷而具有了阳离子的特质，被人们称为“阳极”，具有还原性的离子在上面失去电子，发生氧化反应。

若电池组内部单体电池的电压出现异常，则可能直接导致整车的高压断电，踩加速踏板车辆就不会有反应，同时整车警告灯、低压及高压电池警告灯会点亮。对单体电压的检测，涉及到其单独充放电测试，需要一定的检测设备，一般维修厂可能尚不具备检测能力。

【板书】

（1）放电：离子在电极上得到或失去电子，从而发生氧化还原反应的过程。

（2）阴极：具有阴离子特质，发生还原反应；阳极：具有阳离子特质，发生氧化反应。

（3）电解：电流通过电解质溶液在阴阳两极引起氧化还原反应的过程。

（4）电解池：借助电流引起氧化还原反应，从而将电能转化成化学能的装置。

【陈述】我们可以用电极反应式来表示电解池电极上的反应，这与原电池电极是一样的。

【问题8】如何书写电解水实验中的电极反应式？

【学生】书写出电极反应式。

【问题9】以此看来，太阳能路灯是如何储能的呢？

【学生】白天太阳能电池板通过光伏发电将太阳能转化成电能，电能通过电解池装置储存在化学物质中，夜晚工作时，再通过原电池装置将化学能转化为电能供照明使用。

设计意图：整合电场模型，从水电离的微观角度来分析解释电能转化成化学能，深化微粒观和能量观。让学生体验用证据证实假说和解释假说是科学研究中非常重要的环节，进一步培养学生的科学本质观。在透彻分析实验证据的基础上，归纳抽象出电解原理和电解池概念，初步建构电解池模型。

5.分析电解氯化铜溶液，深化微粒观

【情境2】在做电解水实验时，为了加快反应速率，我们会加入一些电解质，可以加入哪些呢？

【学生】硝酸钠、氯化铜、氯化钠、硫酸、盐酸、碳酸钠、氢氧化钠……

【问题9】这些电解质的加入，是否会对电解水有影响？如何证明？

【提示】以小组为单位，结合电场模型以及电解质溶液中的离子种类，尝试分析氯化铜、氯化钠电解质的加入对电解水实验的影响。

【学生】小组分析讨论电解质加入后，产生疑问，不知道是哪些离子放电，提出需要实验提供证据。

【问题10】如何设计实验证明电解氯化铜、氯化钠溶液中到底哪些离子放电？

【学生】电解氯化铜、氯化钠溶液，如果阳极产生的气体为氯气，则是氯离子放电，阴极产生铜单质和钠单质（后来又意识到钠与水会反应，因而有些小组将其改为产生氢气），则是铜离子和钠离子放电。

【小组实验】小组自选氯化铜或氯化钠来做实验，在U形管中用石墨电极进行电解，观察记录现象。

【实验结果】汇报结果后学生一致同意阳极为氯离子放电，而做氯化铜的一致认为阴极为铜离子放电。做氯化钠的组检验到有氢气产生，但产生了分歧，有的认为是钠离子放电产生的钠与水反应生成的氢气，有的认为是氢离子放电，因而争论不休。

【引导分析】从比较氢离子与钠离子氧化性的角度分析得出应该为氢离子放电。引导写出相应电极反应式。

【问题11】通过实验大家有什么发现？

【学生】加入的电解质会影响电解水实验，不是哪一种都可以产生氢气和氧气，多种离子同时移向同电极时，放电存在竞争。

【分析】引导学生从氧化还原性上分析总结出阴阳离子的放电顺序。

【板书】

阳离子放电顺序：Ag+＞Hg2+＞Fe3+＞Cu2+＞H+＞Pb2+＞Sn2+＞Fe2+＞Zn2+＞H+（H2O）＞Al3+＞Mg2+＞Na+＞Ca+＞K+

阴离子放电顺序：S2-＞I-＞Br-＞Cl-＞OH-＞含氧酸根离子

设计意图：在初步建构电解池模型的基础上，整合电场模型分析讨论电解质离子对电解水的影响，感受不同离子由于氧化还原性不同，导致放电顺序不同，从而促进学生对电解原理的深入理解，深化微粒观。

6.总结归纳

【问题12】梳理研究过程，整理出研究方法，是科学研究中非常重要的工作，所以我们回顾一下本节课我们是如何一步步解决问题的呢？

【归纳】首先是我们观察身边的事物——太阳能路灯，发现感兴趣的问题，接着我们运用网络工具进行资料查找，在资料的基础上，我们形成了电能可以转化成化学能进行储存的假说，为了证实假说，我们又进行了实验和已有资料的梳理，从而证实假说。接着我们从微观角度分析氢氧燃料电池和电解水实验来解释我们的假说，得出电解原理和电解池概念，也就是形成规律。

设计意图：引导学生回顾问题解决过程，梳理出解决问题的一般思路，基于课堂而超越课堂。

四、结语

科学素养的培养，需要以学科基本观念的建构为基础，而科学基本观念的建构又需要立足于课堂教学。化学、物理、生物之间并没有绝对的界限，且本就同属科学范畴。因而无论哪方面学科观念的建构都需要考虑与其他学科的整合。值得注意的是，这里所说的学科整合教学并非指综合课程或综合活动课程，也并非指将三门学科的新知识以主题的形式融合在一堂课上，而是指在学科教学中引导学生思考与解决问题时，应当整合学生已有的各学科知识、方法甚至是思维方式，以培养学生完整的科学观念，从而建筑完整的科学素养。这不仅要求教师要有意识地挖掘学科之间的联系，更要求在教材编写乃至课标制定时，需要明确建立起学科关联的桥梁。

［1］中华人民共和国教育部制定.普通高中化学课程标准（实验）［M］.北京：人民教育出版社，2003

［2］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

［3］傅献彩，沈文霞，姚天扬等编.物理化学上册（第五版）［M］.北京：高等教育出版社，2005：3

［4］陈咏梅.创设层层递进的实验情境，自主建构电解原理［J］.中学化学教学参考，2013（3）：24-25

［5］莘赞梅.促进学生“微粒观”建构和发展的教学研究［J］.中学化学教学参考，2012（11）：7-9

［6］王青岗.问题引领重点突破螺旋上升——“电解原理”教学设计和教后反思［J］.中学化学教学参考，2014（6）：32-33

1008-0546（2016）11-0005-04

G633.8

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10.3969/j.issn.1008-0546.2016.11.002

*重庆市研究生科研创新项目（编号：CYS14050）研究成果；重庆市第七届“科慧杯”研究生创新创业大赛基金项目“高中化学教材化学史教学资源包的开发与利用”（编号：071073）研究成果。