诠释理论与实验结合 培养学生化学学科的探究素养

陈剑松

（福州第一中学，福建福州350108）

诠释理论与实验结合 培养学生化学学科的探究素养

陈剑松

（福州第一中学，福建福州350108）

化学作为一门重要的实验学科，以实验为本，在高中化学课堂教学过程中，要研究化学现象和化学反应，就离不开化学实验，离不开化学理论的运用和运用理论解释现象的思维过程。理论思维与实验教学的有机结合，能够有效地培养学生的观察能力和思维能力；培养学生求实的实验精神和严谨的科学态度，促进学生在化学学科上科学思维（质朴性、辩证性、创新性）的全面发展。

理论与实验 电化学 化学平衡 科学思维

实验与理论思维相结合是科学方法论中的基本方法之一，化学作为一门重要的实验学科，以实验为本，在高中化学课堂教学过程中，离不开化学实验［1］。德国化学家维勒曾经说过：“离开化学实验室，我的心脏就无法跳动。”对于化学课堂教学来说，实验与理论的运用具有同等的重要性。通过探究实验来诠释电化学的重要应用，将应用融入到平时的课堂教学中来，以激发学生们探索学习化学并热爱化学的积极性。

一、锌—空气燃料电池——思维的质朴性

利用原电池的工作原理可以设计满足日常生活和工业生产需要的各种化学电源，如用于“神六”的太阳能电池、笔记本电脑专用电池等。在中国科学院海西研究院教师的指导下引进一种新型电池：锌—空气燃料电池，以期让学生们接触到科学院的顶尖科研技术，拓展学生们的视野。

电池构成：

负极——锌片。

正极——表面覆盖有催化剂的碳片。

电解液——6 mol·L-1的KOH溶液。

绝缘和密封衬垫——尼龙材料。

隔离层——用于隔离两级间固体粉粒的移动。

电池外表面——有机玻璃外壳，具有良好的抗酸碱腐蚀性。

总反应为： 2Zn+O2+4OH-+2H2O ＝2Zn（OH）42-。

利用这种新型电池连接发光二极管供电，当发光二极管发出炫目的七彩颜色时，学生们立刻被课堂上的实验现象所吸引，感叹科学知识在实验中的应用所带来的魅力。由于电极反应式的书写始终是高中化学的一个重难点，此时通过师生讨论共同完成锌—空气燃料电池电极反应式的书写。

【板书】负极：2Zn-4e-+8OH-＝2Zn（OH）42-

正极：O2+4e-+2H2O＝4OH-

通过电极方程式的书写发现其实海西科学研究院的顶尖科研技术产品原理并不难，从而揭去高端科研产品的神秘面纱，引导学生认识其实令人眼花缭乱的诸多新型化学电源工作原理与书上最普通的锌铜原电池并无两样，万变不离其宗，复杂是外表，核心原理却是质朴的！这样的训练既巩固课本的原电池原理，深化理论与实践的整合，培养学生思维的质朴性，更重要的是增强学生科学探究的信心。

二、原电池中化学平衡的移动——思维的辩证性

化学平衡移动的知识与日常生活、工业生产关系十分密切，也是高中化学教学的重难点，在思维上，化学平衡是培养辩证思维的最佳素材，以往平衡归平衡，电池归电池，能否将电池与平衡结合呢？通过摸索寻找适合的素材。

【提供可选的试剂】

0.8 mol·L-1FeSO4（aq）、 0.2mol·L-1K2Cr2O7（aq）、

1 mol·L-1H2SO4（aq）、 6 mol·L-1KOH（aq）

根据以上所提供的药品设计一个原电池装置：

6Fe2++Cr2O72-+14H+=6Fe3++2Cr3++7H2O

如右图：U形管内填充的是饱和KCl溶液和琼脂，两极均使用惰性电极石墨，连接一个灵敏电流计，U形管左侧注入约4mL 0.8mol·L-1FeSO4溶液，U形管右侧注入约 3mL 0.2mol·L-1K2Cr2O7和1mL 1mol·L-1H2SO4的混合液。连接好电路后，将两根石墨电极共同放入到U形管的两侧。此时电流计指针发生偏转，说明产生电流，指针偏转指向的正是作为原电池的正极石墨棒（浸有 K2Cr2O7和稀H2SO4的混合液）。

接下来通过外加试剂使平衡发生逆向移动，此时电流计指针反向偏转，然后观察一段时间后电流计指针是否指向“0”位置？如何使平衡逆向移动呢？通过反应式正向反应时消耗掉H+，H+的对立面是OH-，反应若逆向进行会不会加碱呢？实验是证明的最有力手段！接下来逐滴滴加6 mol·L-1KOH（aq），果真电流计指针反向偏转，一段时间后电流计指针回流至“0”位置，说明反应在一定条件下达到平衡状态。

将原电池与化学平衡结合，不仅拓展学生对原电池原理与化学平衡移动原理的认识，更重要的是引导学生认识事物的两面性，学会辩证看问题，培养思维的辩证性，提升思维的品质。

三、高铁酸钾的电解制备原理——思维的创新性

目前关于电解的应用主要集中在四个方面：①氯碱工业生产；②活泼金属的冶炼；③电镀；④粗铜的电解精炼。除了电解的四大应用外，可以通过高铁酸钾的电化学合成实验探究，启迪学生的的观察能力和思维能力，培养求实精神和严谨的科学态度。

两极均使用铁电极，采用5V的直流电源，电解6mol·L-1KOH溶液，一段时间后观察现象，分析原因？

大多数学生预测的现象是：因为阳极上铁电极的放电造成在KOH溶液中会出现白色沉淀Fe（OH）2，迅速变成灰绿色最终变成红褐色；阴极表面有大量气泡产生。然而事实却大大出乎学生们的预料，除了在阴极表面看见预测的气泡外，实验过程中自始至终并没有看到沉淀，取而代之的是溶液逐渐变成紫色（见左图），这个“新”现象激发了学生们的探究欲望，怎么会这样呢？

当出现理论思维与实验教学的矛盾对立时，应该怎么办？学生们都异口同声地说要尊重实验结果和现象，这体现了一种科学探索的实验素养，也正是这堂课所要给学生们传送的一种理念：求真务实，诠释理论与实验相结合的一种探索实验精神。那么出现的紫色物质是什么呢？通过查阅文献资料发现高铁酸钾是一种能够使溶液呈现紫色的物质，思考高铁酸钾生成的思路并书写电解过程中两极电极反应式。

负极：2Fe-12e-+16OH-＝2FeO42-+8H2O

正极：12H2O+12e-＝6H2↑+12OH-

PPT展示高铁酸钾的重要应用：已作为新一代的绿色环保水处理剂而被广泛关注。

①高铁酸钾可用于工业废水与城市生活污水的处理。

②高铁酸钾可用于鱼塘水产养殖类水处理。

③高铁酸钾可用于海洋防污处理。

④高铁酸钾可用于游泳池水的再生使用等。

为什么高铁酸钾可作为新一代的绿色环保水处理剂？结合高中课堂教学对于净水剂的认知进行交流与讨论：FeO42-具有强氧化性，可使水中菌体蛋白质变性而起到杀菌的功效，同时还原产物Fe3+会水解生成Fe（OH）3胶体，可使水中的悬浮物被胶体粒子吸附而沉降下来。而净水剂本身对水净化处理的原理通过就是这两点：①胶体的吸附沉降；②杀菌消毒；高铁酸钾水处理剂在这两点上都能发挥作用，通过激光笔照射高铁酸钾溶液显示光亮的通路（丁达尔现象）进一步验证了胶体的生成。

用铁做电极电解KOH溶液本该生成Fe（OH）2能预期的“旧”现象，可实际看到的却是生成紫色溶液的“新”现象，这个案例揭示电解过程的复杂性，引导学生认识电极材料、反应温度、电解质溶液浓度、电压高低等因素都会影响电解产物，解决“新”现象需要新思维，故“新”“旧”现象的解决无疑拓展了学生的视野，活化了学生的思维，提升思维的创新性。

综上所述，在课堂实验上构建实验探究课堂，不但提升了学生的学习积极性，而且发展了学生探索和解决问题的能力，当出现理论思维与实验教学的矛盾对立时，其实理论与实验是矛盾的两极，只有将两者能动地联系在一起，才能真正培养学生求实的实验精神和严谨的科学态度，促进学生整体素质的全面发展。因此，采用实验探究模式开展的化学趣味性教学，变学生的被动性学习为主动性学习，变苦学为乐学［2］，使学生在学习中体会到化学的生动有趣和魅力，可收到意想不到教学效果。

［1］倪德芳.浅谈化学实验教学中如何做到理论与实验相结合［J］.吉林教育，2012（1）.

［2］徐慧红.精心设计点亮课堂 促进学生全面发展——以复习课“二氧化硫的性质”教学为例［J］.化学教与学，2015（4）.

G633.6

A

1673-9884（2017）08-0094-03

2017-06-15

陈剑松，男，福建福州第一中学二级教师。