改进电解水实验教学培养化学核心素养

马靖雯 杨凌武 麦婉珊 胡玮

摘要：在初中学生可接受知识范围内对电解水实验进行实验拓展和教学过程设计，在教学中通过引导学生对电解水装置和电极材料进行分析及改进，进而培养学生的化学核心素养。

关键词：化学核心素养;电化学;电解水实验改进;实验教学

文章编号：1008-0546（2022）02x-0018-04

中图分类号：G632.41

文献标识码：Bdoi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.02x.004

化学学科核心素养包括“宏观辨识与微观探析”“变化观念与平衡思想”“证据推理与模型认知”“科学探究与创新意识”“科学态度与社会责任”5个方面[1]，如何培养学生核心素养需要教师进行积极地思考与教学摸索，更要求化学教师不断更新教学理念、有融合意识和创新能力、通过检索整理大量的信息去设计多样化的教学活动，形成相对应的教学策略。实验教学便是培养化学核心素养的有效途径，尤其是在“科学探究与创新意识”“科学态度与社会责任”的培养方面值得不断探索[2]。

电解水实验是中学化学教学中的一个重要实验，2017年版《普通高中教科书化学》中对2012年版九年级化学教材中的水电解实验的简易装置做了改进，将实验装置由酸式滴定管、长颈漏斗、电极和电源装置的组合调整为水槽、试管、电极和电源的组合，调整后的电解水装置更简洁且容易操作，现象也更易于观察，但由于实验与实践仍有较大差异，不利于激发学生探究兴趣[3]。为了促进创新思维的养成，进一步达到培养学生“科学探究与创新意识”和“科学精神与社会责任”的化学核心素养目的，教师可以以“电解水实验的改进”为突破口，通过引导学生思考如何改进电解水实验装置和电极材料的角度着手，进行开放性的实验教学。在实施过程中，以提问式教学引导切入，然后由学生查阅资料完成对实验装置的改进设计并开展实验，完成实验报告。通过这种开放性、探究性的实验训练可有效激发学生的探究精神和创新兴趣，进而能够在化学实验教学中重点落实对学生“科学探究与创新意识”和“科学精神与社会责任”的化学核心素养的培养。

一、电解水实验改进的背景

从学生认知背景来看，学生经过物理电学学习已经了解了电解池及电极的工作原理，且在九年级化学“水的组成”学习中，观看了“电解水”演示实验，对水的性质及水电解后产生氢气和氧气，且氢气和氧气的体积比为2∶1等知识已经十分熟悉。因此，对电解水实验所用的电极材料和装置进行改进，是一个很好的延展方向。教师可以通过提问引导学生继续探求：是否有廉价经济的电极材料和装置来进行替代铂电极实现电解水制氢？电解水实验具有什么探究价值？工业电解水制氢是如何实现的？电解水改进实验如何实施？这样可以缩小理论到实际应用的差距，激发学生深入探究的兴趣。从教师教学的角度，从本质上帮助学生理解电化学知识与电池装置，将大学的物理化学知识有效地引入到中学电化学教学活动中，对初中电化学知识加以补充解释与说明也十分必要[4]。这样既能提高教师的教学水平和效率，又可以真正做到深入浅出地帮助学生理解。因此，通过“电解水实验的改进”研究小课题的教学活动，教师利用物理化学知识将大学电化学测试装置引入实验，指导学生对实验现象、数据结果进行分析并形成研究小报告，培养学生提出问题、分析及解决问题的能力。由于该教与学活动具有小型、新颖、难易适中等优点，符合学生认知水平，在培养学生的化学核心素养上意义重大。

二、电解水改进实验的教学流程

前期课程对“水的电解”相关知识的课堂教学中，师生对电解水实验进行了演示，学生对于“水的组成”及“电解水实验”的操作过程有了直接的接触。由于电解水实验在培养学生化学核心素养中有很大的挖掘价值，因此教师可以引导学生结合生活实际，以课外化学实验探究活动的形式，利用实验室现有实验装置对电解水实验进行改进，使学生对该实验的认知得到进一步的升华[5]。

首先，教师根据同学们对课外化学实验探究活动的兴趣，组建兴趣小组，然后按照“师生进行情景导入、创设新知→查阅资料、设计方案→方案对比与选定→观察现象、记录数据→分析总结、形成研究小报告”五个探究环节进行，活动时长为10周左右[6]。

1.情景导入，创设新知

原电解水实验能让学生了解水的组成，熟悉电解实验操作，但为了在实验中更深入地培养学生的化学核心素养[7]，教师可在导入环节通过分析与提问的方式引导学生做以下实验改进的思考（表1）。通过情景导入渗透“绿色化学”、化学与生活的联系、化学与社会生产的联系等现代化学理念，引导学生从原实验的各个侧面进行剖析，培养学生的辩证思维能力，提出质疑，说出想法，发现和提出有探究价值的问题，培养学生“科学探究与创新意识”的化学核心素养[8]。

2.查阅资料、设计实验方案

以小组合作的形式，利用互联网收集电解水实验装置及电极组成的相关资料，在该过程中学生可以初步掌握信息检索基本技能、并对信息进行有效的归纳总结，在教师指导下提出改进方案和实验改进的具体策略。经过资料的检索，学生能够初步了解各种电解水装置、以及书本、科研实验及工业生产的差异，是整个核心素养培养活动中最为关键的一环，对培养学生“批判质疑”的科学精神，养成“勇于探究、乐学善思、勤于反思、信息意识”的学会学习能力等核心素养具有重大意义[9]。表2为学生根据情境导入中各组件的改进问题，如反应条件是否容易达到、收集的气体是否纯净、装置与操作是否简单、材料是否易得价廉等，收集整理的相关资料和可能的解决方案。

3.方案对比与选定

随后，在结合电极材料的经济有效性，电解液与电极的适配，装置的简易程度等因素后，教师鼓励学生通过实验自己动手验证设计的可行性，通过调控具体操作参数分组进行电解水实验，通过对比，选出最佳方案，进而选定电解水的改进实验方案。具體设计的方案与实施见表3所示。

4.改进实验的实施情况与数据分析

最终，同学们根据上述四个方案的现象对比，再结合中学化学实验的简便易操作、现象明显等要求，选定廉价多孔的泡沫镍（NF，15mm*10mm）分别作为电解的正、负电极材料，在2mol/LKOH溶液中，仍采用传统的两电极体系在室温下进行电解，所用器材有25mL烧杯（1只）、打孔的密封塞（1只）、10mL带刻度量筒（1支，记录排水量）、水槽、导气管及电化学工作站构成（图1）。其中，根据实验要求（是否记录电流随电解时间的变化）和实验条件，电化学工作站也可以由直流稳压电源代替[10]。

该装置采用同学们熟悉的常规器材及价廉易得的泡沫镍为电极，比原有的霍夫曼电解水器构造更直观，电解电压更低且实验现象更明显，极大方便同学们大胆地自己动手尝试。由于泡沫镍的多孔结构肉眼可见，加深了同学们对于电极反应面积的感性认识，拓展了认知范围。同时，同学们通过记录不同电解时间产生的气体体积，可以对数据进行定量分析，初步赋予了函数关系的概念。图2为同学分3个兴趣小组由图1所示实验装置进行电解水实验，并观察所产生气体的体积与电解时间的关系图，图中产气总量与电解时间为很好的线性关系，且小组差异性较小，非常适合在中学生实验中进行推广。此时，教师可以再适时引导同学们进一步思考：以上四种方案产生差异的原因、是否可以用KCl溶液、如何知道不同时间产生氢气或氧气的量等，培养学生透过现象看本质、理性思维的科学精神。

三、电解水改进实验的教学反思

在该电解水改进实验的实际操作过程中，在教师的引导和协助下，学生能发现并提出有探究价值的化学问题，然后依据实验探究目的，合理设计实验方案，最终完成实验操作，并能对改进实验过程中观察记录的实验现象和数据进行处理，也能相互交流实验探究的成果，提出进一步探究或改进的设想，进而确定最终方案并予以实施，进而培养学生的化学核心素养。具体来说，在“情景导入、创设新知”环节中，同学们对该实验的电极、电解液及相关器材等进行深入剖析，大胆创新，敢于质疑的科学探究精神得到了极大地鼓励;在“查阅资料、设计方案”环节中，同学们经过对原实验方案的创新思考后，在课下有目的、有针对性地查阅资料，并协同合作进行改进实验方案的设计，高效地扩展了同学们的知识面及对电解水在实验室科研和生产实践层面上的认知水平，使其善于合作的科学探究精神和勇于创新的科学探究意识得到了很好的培养;在“方案对比与选定”和“观察现象、记录数据”这两个环节中，学生分组进行电解水实验，通过对比，选出最佳方案，随后进行改进实验的实际操作，同时观察实验现象与记录数据并加以科学分析，培养了学生理性思维的科学精神和严谨求实的科学态度。因此，在电解水改进实验的教学过程中，不仅让学生对基础实验操作更加熟练，更是让学生在改进实验中使实验本身蕴藏的化学核心素养得到了进一步升华。

在该改进实验中，教师也受益匪浅。在该教学进程中，教师既要保护学生的求知欲与探究兴趣，又要适时引导，使教学进程顺利完成。这要求教师对电解水过程所涵盖的所有知识点与信息要有充分的准备，失败了能找到原因，成功了要能总结经验，要能采用多种教学策略进行“推波助澜”，让同学们在跨时较长的兴趣小组活动中始终保持求索的热情，并养成“胜不骄，败不馁”的优良品质。此类教学活动的开展，促进了教师把转变教学理念作为起点，在课堂角色、课堂结构、课堂内容、课堂形式及课堂管理上进行理性思考：如何在符合中学生知识建构的基础上，结合大学化学相关知识、相关科研实验与生产实践活动，真正做到深入浅出地传授知识及培养化学核心素养。

四、小结

通过课外化学实验探究活动的形式，将“电解水实验的改进”作为主线，在教师引导下，以同学为主体，完成了电解水装置中电极、电解质溶液及组成、测试条件等方面的改进探索活动。在该教学活动中，学生的学习积极性、主动性、创造性思维能力得以很好地发挥。在开放式教学形式下，经过“情景导入、创设新知→查阅资料、设计方案→方案对比与选定→观察现象、记录数据→分析总结、形成研究小报告”五个探究环节，有效地培养了学生的“科学探究与创新意识”和“科学精神与社会责任”等化学核心素养。该电解水改进实验教学活动，对教师在教学活动中如何培养学生的化学核心素养具有很好地启示作用。

参考文献

[1]夏建华，杨静.基于学科核心素养的初中化学科学探究——以“探究铝和稀盐酸，稀硫酸反应”为例[J].化学教学，2017（5）：46-51.

[2]黄文君，李璟，曹葵.通过实验探究激发和培养学生的创造力[J].化学教育，2016，37（5）：56-60.

[3]丁昭兰.新改进的水电解实验装置[J].化学教学，2015（10）：73-75.

[4]李玉娴，张欣.高中化学新课程与大学无机化学电化学的衔接[J].化学教育，2015，36（7）：12-15.

[5]蒋澄一.初中化学实验的微改进案例及启示[J].化学教育（中英文），2021，42（3）：113.

[6]刘玲玲.基于提高学生化学核心素养的初中化学实验教学策略研究[D].苏州：苏州大学，2019.

[7]鲁向阳.发挥知识教育功能提升学生核心素养——以“水的组成”为例[J].化学教育（中英文），2018，39（23）：43-46.

[8]王添智.基于培养“科学探究与创新意识”的化学实验教学研究[D].哈尔滨：哈尔滨师范大学，2020.

[9]孙奉彬.基于科学探究的初中化学实验教学案例开发与实践研究[D].武汉：华中师范大学，2019.

[10]杨雪，王乐乐，丁敏，闻艳丽，徐勤，李兰英.电化学工作站校准方法[J].上海计量測试，2021，48（1）：2-5.