基于利用自制教具的创新设计

王旭斌

摘要：发挥自制实验教具特点及优势，激发学生学习热情;探究电解工作原理及应用;感受学科知识与社会环境的关系;从而培养学生化学核心素养和科学品质。

关键词：自制教具;创新设计;电解原理及应用;化学核心素养

文章编号：1008-0546（2018）10-0084-04 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

一、对自制教具在高中化学实验教学中的作用的认识

化学作为一门以实验为基础的代表性学科，实验教学仪器一定是开展化学教学必备的物质条件，因为化学的教与学只有通过实验的方式才是最直观、最高效的，所以化学的有效教学必然要依托化学仪器。

当然任何版本高中化学教材中涉及到实验教学时，都有指定的实验装置和器材，而这些器材基本上是常规的实验器材，对实验教学方式、方法上都会有一定的固化和束缚，不能充分满足新课改背景下培养科学思维和创造性的需求，并且教师的个性化教学也受到了限制。所以在化学学科素养教学背景的新理念下“低成本，少污染，充分利用生活中常见的物品和废弃物”也是实验学科教育的原则之一，依据教学需要，自己动手，就地取材（例如：吸管、笔芯、矿泉水瓶、点滴管，别针，注射器、吊瓶、铅笔芯，电池等有效材料），制作出匹配的、有效的、科学环保的实验教具。让自制教具在对应的实验探究中发挥出普通教具不具有的特点及优势，同时鼓励学生积极探究，自己设计实验方案和教具，这不仅能增强学生对基础知识和基础技能的掌握能力，而且也能培养学生的自学能力、思维能力、动手能力、创造能力[1]，对激发学生用科学的态度发现和提出有探究价值的化学问题以及深刻理解化学、技术、社会和环境之间的相互关系有很大的帮助。

二、基于利用自制教具的创新设计教学流程

[师]今天老师有双重身份，是一名教师同时还是一名神奇的魔术师……

1.实验一教师演示“白葡萄酒”变“红葡萄酒”

（教具制作：将十颗1.5V纽扣电池设计组装后隐藏于学生常用的两支自动铅笔中，电池正、负极分别与两铅笔芯相接后作为魔术棒;用滴加有5-6滴酚酞试剂的饱和碘化钾溶液作为“白葡萄酒”;教具优点：普通铅笔作为电解魔术棒非常隐蔽，电解迅速，颜色变化明显、趣味、悬疑。见图1。）

設计意图：利用自制教具，教师以魔术师的角色出现，将装在酒杯中的“白葡萄酒”，用魔术棒轻轻搅拌后迅速变成“红葡萄酒”，让学生产生质疑，从而激发学生求知欲，猜想到底是什么神奇的魔力将“白葡萄酒”变成了“红葡萄酒”，设置悬念，为后面电解内容的教学做好铺垫。

2.实验二教师演示电解水

[师]电解其实是我们熟悉的字眼，在初中科学中我们就了解过电解水，那么同学们自己观察过电解水吗？对电解水的产物又该如何验证呢？接下来由我来演示电解水，我们一起感受一下。

（教具制作：将一个MEA快速电解水模块装置的出氢端和出氧端分别用橡胶软管与带刻度的注射器连接而成。教具优点：电解快速，便于观察气体体积比及检验气体方便。见图2。）

[生]电解水产生氢气和氧气，体积比为2：1。

设计意图：利用现成的快速电解水模块电解水，可以直接、快速观察氢气和氧气的产生，用注射器收集气体可以观察氢气、氧气的体积比为2：1，氢气利用注射器蘸取肥皂液吹出氢气泡后用明火点燃检验的趣味验证方法，氧气利用注射器吹出氧气使带火星的木条复燃来检验。电解水及检验方式新颖、有趣，能很好地调动学生自己尝试实验的积极性，同时为后面教学重点——电解原理的探究做好铺垫。

[师]我们一起感受了电解水，接下来同学们自己动手体验电解氯化铜溶液。

3，实验三学生操作电解氯化铜溶液

[教具制作：截取5cm点滴管固定在小烧杯上作为电解槽，管中注人约0.3mLlmol·L^-1的CUCl

（1）实验步骤

①如图所示，用注射器向软管口加入约0.3mLlmol·L^-1的CUCl_榕溶液。

②用9V干电池作电源，负极与钢针连接，正极与铅笔芯（软管口堵有蘸取KI-淀粉溶液的小棉球）连接后，分别插入软管电解液中观察，10s后再取出电极观察。

[师]请同学们描述实验现象，对照电解水和电解氯化铜溶液的不同结果，分析为什么水中溶解氯化铜之后电解产物发生改变？

[生]现象：钢针头明显有紫红色固体析出，铅笔芯端有气体析出，小棉球变成蓝紫色，思考电解水和电解氯化铜产物不同的原因。

设计意图：首先，打破了教科书上常规的U型管，高电压电解氯化铜溶液，换成了用输液小软管作电解槽，钢针、铅笔芯作电极，9V干电池电解氯化铜，具备微型、微量、快速、现象明显、环保等优点，提示学生化学实验能在原有的基础上依据探究目的，可以重新设计并优化实验方案，注重科学、环保，感知学科与社会、环境的必然联系;其次，与电解水的现象差异对比，引出电解池工作原理的微观探究及为“放电顺序”这一难点的教学做好铺垫。

[师]学习化学的过程我们要懂得通过观察、辨识一定条件下物质变化的宏观现象差异，运用化学微观层面的知识去分析理解，接下来我们就通过分析电解水和电解氯化铜溶液的微观过程来解决前面的疑间及学习电解的工作原理。见图4。

[师]请同学们根据电解微观过程总结电解池的工作原理，理解不同微粒的放电顺序，明确电解他的构造及相关电解概念。

[师生归纳]1.电解定义;2.电解池概念;3.构成电解池的条件;4.放电顺序;5.工作原理。

设计意图：利用微观分析法解决电解水和电解氯化铜溶液的宏观差异，明确电解相关概念，突出本堂课教学重点——电解工作原理、突破不同粒子放电顺序这一教学难点，并且培养学生学会根据物质的微观结构预测物质在特定条件下可能具有的性质和发生的变化，培养学生宏观辨识和微观探析的能力。

[师]掌握了电解的基本原理，接下来让同学们来感受一下电解在生产、生活中的应用。

4.实验四学生操作电解应用系列实验

（教具制作：取两支25mL塑料注射器，管体侧面对应位置开孔后用塑料软管对接密封作为电解槽，注射器正上方相应位置分别开口插入高温淬火过的2B铅笔芯作为电极，针头处换成带开关的医用软管便于控制电解产生的气体。教具优点：多功能电解装置，对电解产物的检验方便并且环保，一定条件既是电解池装置又是原电池装置，对电化学教学有独到的优势），见图5。

（1）实验步骤：

①取如图所示装置，装有饱和食盐水，关闭开关。铅笔芯两头分别按要求与电源对应正、负极相接，用9V电池电解、观察，2min后切断电源。

②阴极产生的气体蘸取肥皂液吹出小泡接近明灭检验、电解后的溶液利用注射器推出少量液体于小试管中加酚酞观察。

③阳极产生的气体，打开开关几秒后关闭，观察湿润的KI-淀粉棉团。

[师]请同学们按照实验步骤完成实验，描述实验现象，分析实验原理。

[生]现象：阳极蘸有KI-淀粉的棉团变成蓝紫色，阴极检验出有H₂产生，溶液变成红色。

原理：阳极：

阴极：2H₂O+2e-= HZ T +20H-（粉紅色）。

设计意图：自制多功能电解装置在电解饱和食盐水时，不论是实验现象的观察，还是产物的检验操作，具备明显、易行。对学生实验探究的方式、方法及方向都是一种启迪，学生在实验过程中，装置的创新设计所发挥出的特点及优势，让学生更深刻地理解氯碱工业的基本原理，同时也鼓励学生敢于创新和改进实验。

④关闭开关，继续用9V电池电解约1min后停止。

⑤取一微型马达（启动电压约0.15V）与两铅笔芯相接，观察能否将化学能转化为机械能。

[生]现象：马达启动工作，说明化学能最终转化为机械能。

原理：正极：C12+2e一2C1-;

负极：Hz 2e-+ 20H-= 2H₂O，形成燃料电池，将化学能转化为电能。

设计意图：接上微型马达后，马达启动工作，学生立马产生浓厚兴趣，产生疑问，马达启动需要电，电来自哪里呢？学生又会顺其自然地去思考电能是如何转化而来的，再过渡到燃料电池的相关内容来解释实验原理，因此这一环节的设计，既可以考查学生对已学的燃料电池知识点的掌握情况又是电解原理应用的鲜明例子，同时让学生明白能量变化观念和平衡思想也是化学学科素养培养的方向Q

⑥打开开关，将阴极气体排出，滴加1-2滴酚酞于医用塑料管口，吸人注射器，观察溶液颜色变化，轻轻推拉阳极注射器活塞，让阳极的气体和溶液充分混合后再观察溶液颜色变化。

侄）思考以上实验过程及产物分析，了解相关应用。

[生]现象：阴极溶液先变红后褪色。

原理：阳极：

阴极：（粉红色）;

相关反应：

设计意图：根据实验现象，学生得出红色溶液最终褪色的原理是阳极产生的氯气和阴极产生的氢氧化钠在注射器推拉过程中充分接触后反应生成了氯化钠和次氯酸钠的缘故，由此引出该电解反应的另一个应用，制取“84”消毒水。

[师]高考链接

例题：某学生想制作一种家用环保型消毒液发生器，用石墨作电极电解饱和氯化钠溶液，通电时，为使被完全吸收制得有较强杀菌能力的消毒液，设计了如图所示的装置，以下对电源电极名称和消毒液的主要成分判断正确的是（）

A.a为正极，b为负极;NaClO和NaCl

B.a为负极，b为正极：NaCIO和NaCI

C.a为阳极，b为阴极;NaC10和NaCI

D.a为阳极，b为阴极;NaCIO和NaCl

设计意图：结合新型多功能电解装置制取“84”消毒液的原理与高考题无缝链接，体验高考题其实很注重考查生活实际应用和实验操作与培养学生学科核心素养紧密联系在一起。

[师]我们一起来破解魔术。

阳极：（棕黄色）;

阴极：（粉红色）。

棕黄色+粉红色=酒红色

设计意图：通过提示告知魔术中所用道具的构成及“白葡萄酒”的实际成分，再引导学生利用电解的知识解释“白葡萄酒”变成“红葡萄酒”的原理，而电解魔术更是一个有趣的电解应用，当然破解魔术与引题前呼后应给本堂课做了很好的结尾。

[师]同学们对课堂教学中使用到的实验装置有什么评价，说说自己的感受，希望同学们尝试自行设计实验教具，体会实验乐趣。

设计意图：让学生感受自制教具在教学应用中体现出来的特点及优势，鼓励学生能和同学交流实验探究的成果，提出进一步探究或改进实验装置的想法，培养终身学习的意识和严谨求实的科学态度，树立具有可持续发展意识和绿色化学观念等。

三、基于核心素养下“自制教具”对化学教与学的思考

化学核心素养是学生在化学认知活动中发展起来的并在解决与化学相关问题中表现出来的关键核心素养，它凸显了化学本质特征;反映了化学基本问题;揭示了化学科学思维;体现了课程育人价值1210

网络技术飞速发展的今天，多媒体及先进实验教学仪器在化学教学中已举足轻重，但自制教具在化学教学上仍有独到的优势，因为自制教具可有效培养学生学习的主动性;较传统仪器更能提高学生的学习创造能力;可充分培养师生的创新精神131，并且从环保方面来说，自制教具设计永远是以环保、节能为最终目的，因此不可忽视简单自制教具给教师和学生在化学教与学过程中的启发，因为它紧扣化学教学宗旨，体现化学学科素养，所以教师在自制教具的同时更应该引领学生也自主设计、改装、开发实验教具让学生真实体会学科精神和社会责任。

参考文献

[1]王和.基于发展学科核心素养的高中化学实验教学实践与思考[J].西部素质教育，2016，2（20）：162

[2]杨梓生.对高中化学学科核心素养的认识[J].中学化学教学参考，2016（8）：1-2

[3]王兴江.浅谈中学化学教学中教具的自制与意义[J].中国科教创新导刊，2010（36）：193