素养为本的高中化学课堂教学实践

张瑞

［摘 要］文章以“电解原理”的教学为例，以“电镀树叶”这一真实情境引入主题，按照“情境创设—大胆猜想—设计方案—实验求证—模型建构—变式迁移—学以致用”的路径开展素养为本的高中化学课堂教学，实现知识、方法与应用三者融合，培养学生的化学学科核心素养。

［关键词］素养为本；电解原理；高中化学

［中图分类号］    G633.8        ［文献标识码］    A        ［文章编号］    1674-6058（2024）11-0068-04

《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》（以下简称《课程标准》）中明确指出，学科核心素养是学科育人价值的集中体现，是学生通过学科学习而逐步形成的正确价值观、必备品格和关键能力［1］。高中化学教学目标和内容的确定要以学科核心素养为导向，而化学知识的学习与探究需要在真实的情境中进行，同时要重视实验探究，为学生营造自主学习、合作探究的氛围，通过问题的解决促成学生学科素养的提升。下面以“电解原理”的教学为例，探索素养为本的高中化学课堂教学。

一、教学背景

“电解原理”是人教版高中化学选择性必修1《化学反应原理》第四章“化学反应与电能”第二节“电解池”的教学内容。对这部分内容，《课程标准》要求：能分析、解释电解池的工作原理，能设计简单的电解池；认识电解在实现物质转化和储存能量中的具体应用；了解电解在化工生产中的应用，讨论电镀工业对环境造成的影响［2］。

电解是中学阶段的一个重要化学概念，电解原理是对离子反应、氧化还原反应的综合运用。电解原理的学习安排在原电池之后，是原电池知识的延伸，是电化学腐蚀的基础。系统学习化学能与电能相互转化的能量守恒知识，有利于学生构建微观模型中的能量变化和宏观能量利用的系统思维框架。本节课通过真实情境中的实验探究、宏观辨识与微观探析进行证据推理和模型认知，有利于培养学生的化学学科核心素养。

二、教学目标

“电解原理”一课的核心素养目标如图1所示。

三、教学思路

“电解原理”一课的教学思路程如图2所示。

四、教学过程

环节一：创设情境，导入新课

【情境导入】通过“电镀树叶”激发学生学习兴趣，引入课题。

【教师】给学生展示两片“树叶”：普通树叶和电镀树叶，提出问题：原本绿色且柔软的树叶，为什么变成了拥有黄铜般金属外表的树叶？

【学生】讨论并产生兴趣。

【教师】你们想不想自己制作精美的“电镀树叶”？如何制作呢？

【学生】交流、讨论。

【师生】回顾初中学习的电解水的装置及原理，分析电流和电子流向及离子的移动，写出电解水的电极反应方程式，分析总结电解池的基本构成。

设计意图：通过“电镀树叶”创设问题情境，引发学生思考，激发学生学习兴趣，让学生从生活走进化学，从而提升化学价值观；通过从宏观和微观两个方面回顾电解水的原理，帮助学生理解电解的定义以及电解池的构成条件，达到温故而知新的效果，提升学生的科学探究、宏观辨识、变化观念等化学学科核心素养。

环节二：实验探究，建构模型

【情境再现】教师播放“电镀树叶”视频，学生讨论、分析并设计如图3所示的实验装置图，分析电解氯化铜溶液的原理并完成实验探究。

【学生活动一】预测并分析氯化铜溶液的电解过程。

1. 写出通电前氯化铜溶液中的电离方程式。

CuCl2＝Cu2+ +2Cl-           H2O ? H+ + OH-

2.分析电子的流向：负极→阴极，阳极→正极。

3.分析通电后氯化铜溶液中离子的迁移方向：阳离子→阴极，阴离子→阳极。

4.根据氧化还原反应，预测阴极和阳极的电极产物。

阴极产物：Cu2+ 或H+获得电子生成Cu或H2。可通过观察的方法确认是Cu还是H2。

阳极产物：Cl-或OH-失去电子生成Cl2或O2。可用湿润的淀粉碘化钾试纸检验是否有氯气生成，用带火星的木条检验是否有氧气生成。

【教师】那么树叶应该作为电解的阴极还是阳极？

【学生】Cu可能是阴极产物，树叶应该作为电解的阴极。

设计意图：通过应用已学知识预测并分析电解氯化铜的原理，猜想阴极与阳极可能出现的产物以及验证的方法，引导学生基于宏观变化现象进行微观探析和证据推理，提升学生的宏观辨识与微观探析化学学科核心素养，培养学生勇于探索的精神。

【学生活动二】实验探究一：电解氯化铜溶液。

实验用品：1.5 mol/L氯化铜溶液，碘化钾淀粉试纸，9 V电源，塑料吸管，铅笔芯，导线，已经敏化的树叶。

学生实验：学生小组动手实验，观察并记录电解氯化铜溶液的实验现象（如表1）。

依据电极产物推测离子氧化性和还原性的强弱顺序。氧化性：Cu2+[ > ]H+；还原性：[Cl->OH-]。

【实验结论】电解氯化铜溶液的过程，可以看作由外接电源提供电能，借助电解池将还原剂的电子转移给了氧化剂。

设计意图：基于真实情境开展电解氯化铜溶液的实验，在激发学生学习兴趣的同时，让学生感受放电微粒的变化，亲历收集证据的过程，培养学生的科学探究、科学态度、创新意识等化学学科核心素养。

【学生活动三】模型建构：电解池工作原理。

【教师引导】让学生以石墨为电极，以电解氯化铜溶液为例，绘制电解池工作原理的示意图。（包含内容：注明电解池的组成；标明氧化反应和还原反应发生的区域；标明电子的运动方向和阴离子、阳离子的迁移方向；写出电极反应式并注明反应类型；电解的总反应式）

【学生】分析并写出电极反应式。

阳极：2Cl- - 2e-＝ Cl2↑（氧化反应）

阴极：Cu2+ + 2e- ＝ Cu   （还原反应）

总反应：CuCl2 ＝ Cl2↑+ Cu

【教师】在电解氯化铜溶液的实验中，在阳极上Cl-失去电子发生氧化反应，在阴极上Cu2+得到电子发生还原反应，这个过程叫作放电。那么如何判断电极上离子的放电顺序？

【学生】可以根据阳离子的氧化性顺序和阴离子的还原性顺序进行判断。

【教师】那么金属阳离子的氧化性顺序和非金属阴离子的还原性顺序是怎样的？

【学生】金属阳离子的氧化性顺序和金属活动性顺序刚好相反，即Ag+>Hg2+ >Cu2+>H+（酸）>Pb2+ >Sn2+ >Fe2+ >Zn2+ >Al3+ >Mg2+ >Na+>Ca+>K+，非金属阴离子的还原性顺序为：S2- >I- >Br- >Cl-。

【教师】在阴极的放电顺序中，大家还要关注Fe3+的位置，同时要知道水可以电离出H+、OH-，也会放电。完善后的放电顺序为：Ag+ >Hg2+ >Fe3+ >Cu2+ >H+（酸）>Pb2+ >Sn2+ >Fe2+ >Zn2+ > H+（水）>Al3+ >Mg2+ >Na+ >Ca+ >K+； S2- >I- >Br- >Cl- >OH- >含氧酸根离子。

设计意图：基于宏观实验现象猜想验证是否正确，体现化学学科以实验为基础的学科特点；通过分析电解氯化铜溶液的原理并建构电解模型，拓展延伸阴、阳离子的放电顺序，提升学生的宏观辨识、微观探析、证据推理、模型认知等化学学科核心素养。

【过渡】在刚才电解氯化铜溶液电镀树叶的实验中，阴极的树叶上有红色的铜析出，阳极用的是铅笔芯，属于惰性电极。如果我们交换阴极和阳极，会是什么样的情况呢？

环节三：深化模型，提升认知

【学生活动四】实验探究二：将实验探究一中电解氯化铜溶液时已经电镀上铜的树叶与电源正极相连，铅笔芯与电源负极相连（如图4），观察实验现象。

【教师】实验探究一中，在阳极上是Cl-失去电子变成Cl2，而我们将附有红色铜的树叶做阳极时，发现首先失去电子的是Cu而不是Cl-，由此我们可以得出什么结论？

【学生】当金属作为阳极时，首先放电的是金属单质而不是阴离子。

【教师】其实也并不是所有的金属单质都会在阳极失去电子，只有除Pt和Au以外的金属做阳极时，才是金属失去电子。

【补充】阳极的放电顺序：活性电极（除Pt和Au外的金属）> S2- >I- >Br->Cl- >OH- >含氧酸根离子。

【教师】请大家依据阴极和阳极的放电顺序，分析两个电极可能产生的气体有哪些。

【学生】阳极可能产生的气体有Cl2和O2，阴极可能产生的气体只有H2。

【教师】对于阳极，OH-失去电子，电极反应式为4OH--4e-＝O2↑+2H2O；如果OH-是由水电离的，则电极反应式为2H2O-4e-＝O2↑+4H+，这样就会导致阳极附近的溶液呈酸性。

对于阴极，H+得到电子，电极反应式为2H++2e-＝H2↑；如果H+是由水电离的，则电极反应式为2H2O+2e-＝H2↑+2OH-，这样就会导致阴极附近的溶液呈碱性。

设计意图：通过交换“电镀树叶”实验的电极，引导学生思考阴阳极的变化会使电极反应以及实验结果发生哪些变化，并通过实验验证猜想，使学生在探究过程中感悟到化学变化无处不在，对电解中阳极材料的选择要谨慎，从而发展学生的科学探究、变化观念等化学学科核心素养。

环节四：应用模型，解决问题

【学生活动五】实验探究三：电解饱和食盐水。

【过渡】如果电解液变为饱和食盐水，电极用铅笔芯，尝试通过实验分析阴、阳两极的产物。

实验用品：饱和食盐水溶液，酚酞溶液，碘化钾淀粉试纸；9 V电源，塑料吸管，铅笔芯，导线。

【教师引导】上述实验会生成次氯酸钠溶液，因此可以用来制取生活中常见的84消毒液。

设计意图：通过电解饱和食盐水实验，让学生进一步巩固和升华电解知识，充分体现化学的学科价值，落实科学态度与社会责任化学学科核心素养。

五、教学反思

在新课程改革的推动下，开展以素养为本的课堂教学更加受到重视，教师要深度挖掘教学素材，精心设计教学环节，在高效完成课程目标的同时促进学生的全面发展，实现化学学科育人。

1.对课本演示实验进行改进，以便操作和开展分组实验。改进后的实验有以下优点：①实验装置轻便，方便分组，可以让学生近距离观察实验现象，有助于突破难点，提高教学效率；②减少药品的使用量，使生成的污染性气体减少。

2.创设真实情境，促进化学实验探究，发展学生核心素养。知识的学习应在真实的情境中进行，将需要学习的新知识和真实情境下的实验探究活动有机结合，以实现学生核心素养的提升。本课首先以自制精美的“电镀树叶”这一情境引入新课，引导学生回顾电解水的原理，建立电解模型，从而达到温故而知新的效果；设计循序渐进、螺旋上升的探究实验，提升学生的实践能力；通过对宏观现象进行微观探析，引导学生进行归纳总结、建构并深度理解电解原理模型，发展学生的证据推理、模型认知、科学探究等化学学科核心素养。其次，通过电解饱和食盐水自制消毒液，让学生在收获知识的同时提升学科关键能力，感受到化学学科的魅力与社会价值，培养学生的社会责任感。

3.改变教学方式，实现教学目标的高效达成。本节课基于电解氯化铜溶液实验，根据新课标提出的教学目标，结合学生的认识水平和已有知识，通过“情境创设—大胆猜想—设计方案—实验求证—模型建构—变式迁移—学以致用”等一系列探究活动建构电解原理模型。通过改变教学方式，创设教师为主导、学生为主体的教学模式，实现知识、方法与应用三者融合，培养学生的化学学科核心素养，促进教学目标的高效达成。

［   参   考   文   献   ］

［1］［2］  中华人民共和国教育部.普通高中化学课程标准：2017年版2020年修订［M］.北京：人民教育出版社，2020.

（责任编辑    罗    艳）

［基金项目］广西柳州市基础教育科学“十四五”规划课题“三新背景下高中化学主题教学实践研究”（立项编号：2022C74）的阶段性研究成果。