基于化学学科理解的高中化学复习教学实践

摘 要： 基于化学学科理解的视角，以“电解合成乙醛酸”为载体开展“电解池的工作原理及应用”的复习教学，充分体现电解技术在化学有机合成中独特的应用价值。通过真实生产情境的实践探索，促进学生在“电解池的工作原理及应用”核心概念的认识中实现结构化思维的提升，最终达到发展学生化学学科核心素养的目的。

关键词： 高中化学； 学科理解； 核心素养； 复习教学； 电解

文章编号： 10056629（2024）12005007

中图分类号： G633.8

文献标识码： B

1 教学主题内容及教学现状分析

“电解池的工作原理及应用”是苏教版选择性必修1专题1“化学反应与能量变化”第二单元“化学能与电能的转化”的教学内容。该内容主要包括电解池的工作原理、电解池装置及应用，是高中化学核心知识之一，承载着发展学生化学学科核心素养的重要功能，对提升学生的微观认知，建构化学认知模型，增强化学学科观念，促进学生核心素养的发展有着十分重要的价值。

查阅文献发现，虽然很多教师已经从不同角度对此课题进行了教学设计，但鲜有以工业生产为真实情境，基于学科理解的“电解池工作原理及应用”的高三复习研究。基于此，本研究选用“电解合成乙醛酸”这一真实情境开展素养为本的高三主题式复习教学，融合有机化学、电解原理等模块的知识，基于化学学科理解，设计关联任务，引导学生完成电解池相关知识的结构化建构，提升迁移运用电解池认知模型解决实际问题的能力，发展学生的化学学科核心素养。

2 教学思想与创新点

《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》（以下简称“标准”）明确提出“开展素养为本的课堂教学，要求教师进一步增进化学学科理解”［1］。近几年已有许多学者开展了对化学学科理解的相关研究。基于“标准”和学者们的研究认为，所谓化学学科理解，在教师层面，是指教师对化学学科知识及具有化学学科特质的思维方式和方法的一种本原性、结构化的认识［2］；在学生层面，是指学生通过化学课程的深度学习，主动运用化学学科思维方式和方法，建构结构化知识体系，以化学认识视角和认识思路认识自然世界，分析、探究和解决繁杂陌生的真实问题。二者的目标是一致的，即通过教师对学科充分、全面且有深度的理解，能帮助和促进学生相应的学科理解，培养和发展学生的化学学科核心素养。

在“电化学”主题教学实践中，基于化学学科理解，凝练学科本原性问题“如何在电能驱动下调控化学反应”，抽提解决该问题的“基于氧化还原反应、能量转化角度认识电能与化学反应关系”的认识视角，厘清“‘宏观微观符号’三重表征”的认识思路和“建构模型运用模型”的认识方法，建构“电解池”主题概念的层级结构（见图1）。课中关注学生认知发展脉络，将认识视角和认识思路深植于学习任务之中，引导学生沿用学科专家科学实践研究的一般路径和发展范式，通过“电解合成乙醛酸”系列关联任务的完成，巩固电化学装置的认知模型，完善对电化学过程系统分析的思路，建立基于学科本质解决真实问题的思维方式。

3 教学目标

（1） 通过运用电解池认知模型和已知信息设计合成乙醛酸的电解池装置，完善电解池设计和分析评价的一般思路，认识电解在实现物质转化和储存能量中的具体应用，体会化学技术在实际生产中的应用价值。

（2） 通过对电解池认知模型的建构、修正和发展，深入理解电解池工作原理，完善电化学知识体系，提高对电化学本质的认识。

（3） 通过对电解合成乙醛酸反应原理的分析，能正确书写电极反应式和离子方程式，发展化学变化观、微粒观、元素观和守恒观。

（4） 结合技术维度形成符合工业生产实际的最优电解池装置，提高实验安全意识、科学风险控制意识和产品纯度意识，弘扬求真务实、批判质疑、不懈探索、勇于创新等科学精神。

4 教学流程

本课围绕电解合成乙醛酸，分四个环节，引导学生实现知识结构化，促进核心观念的形成、学科核心素养的落地，具体流程如图2所示。

5 核心环节的教学实录

5.1 环节一：以乙二醛为原料合成乙醛酸

5.1.1 任务1：设计由乙二醛合成乙醛酸的方法

［教师］以乙二醛为原料（其他无机试剂任选），设计合成乙醛酸的方法，并进行展示和交流，评价各种方法的优劣。

［学生2］加酸性高锰酸钾溶液或者通入氧气，乙二醛分子中的两个醛基可能都被氧化。

［教师］氧气氧化乙二醛的反应为气液反应，需要加压和控制乙二醛的氧化程度。工业上一般用金属催化剂催化该反应，反应条件温和且乙醛酸的选择性较高，但催化剂的价格昂贵。

［教师］能否有其他方法使乙二醛被迫失电子转化为乙醛酸？

［学生］电解。控制电流强度，促使乙二醛生成乙醛酸。

5.1.2 任务2：初步设计电解池装置

［教师］请同学们回忆电解池的相关知识。

［学生］回忆并展示电解池基础认知模型（见图3）。

［教师］请同学们设计以乙二醛为原料制备乙醛酸的电解池装置。

［学生］展示设计的电解池装置（见图4）。

［教师］上面的装置是否合理？

［学生1］乙二醛是非电解质，还需要加入电解质溶液。

［学生2］应加入酸溶液或者盐溶液，因为乙醛酸会与碱溶液反应。

［教师］加了电解质溶液后，是什么微粒在阴、阳极放电呢？

［学生］首先要确定阳极是活性电极还是惰性电极。如果阳极是石墨等惰性电极，就是溶液中的离子放电，它们的放电能力与离子的还原性或氧化性有关。小结电解池阴、阳极放电顺序的基础认知模型（见图5）。

5.1.3 任务3：探究合成乙醛酸的电解原理

［教师］利用装置（见图4）电解乙二醛和硫酸钠的混合溶液，可以获得哪些产物？请谈谈你的分析过程，并写出电极反应式和发生的离子反应方程式。如用相同装置电解乙二醛和盐酸的混合溶液，情况一样吗？（提供资料：乙二醛很难在电极上失电子。）

［学生］分析过程如图6所示。

5.1.4 任务4：电解质溶液（即离子导体）的选择

［教师］我们应该选择哪种电解质溶液？

［学生］硫酸钠溶液，因为乙二醛容易被氧气氧化为乙醛酸。

［教师］提供文献资料（见表1）。

［教师］从表格中，可以获得哪些信息？

［学生］电解质溶液为盐酸时，电流效率较高，乙醛酸选择性较好。盐酸浓度越大，电流效率越高，乙醛酸选择性越好。

［教师］电解质溶液为硝酸钾和硫酸钠溶液时，阳极都产生氧气，为什么在硝酸钾溶液中检测到有乙醛酸生成，而硫酸钠溶液中没有呢？

［学生］硝酸钾和硫酸钠溶液中，阳极区都产生氧气和H+，硝酸可以氧化乙二醛生成乙醛酸，稀硫酸不能氧化乙二醛。

［教师］浓盐酸的作用是什么？

［教师与学生］学生归纳补充，师生共同得出结论：

浓盐酸的作用为：（1）增强电解质溶液的导电能力；（2）发挥类似催化剂的作用，使乙二醛发生间接电氧化反应。

阳极区的总反应为：OHC—CHO+H2O－2e-OHC—COOH+2H+

5.1.5 任务5：完善合成乙醛酸的电解池装置

［教师］用装置（见图4）电解乙二醛和浓盐酸的混合溶液制备乙醛酸是否存在缺陷？如何改进？

［学生］氢气与氯气混合经光照或遇火可能发生爆炸，乙醛酸等可能在阴极被还原，使产物不纯。需要加质子交换膜，把电解池分为阴、阳两室Zd9tHlGSstXJrzkoKDHMmw==。

5.2 环节二：以乙二酸为原料合成乙醛酸

［教师］利用已有的有机合成知识，以乙二酸为原料设计合成乙醛酸的方法，并进行小组间的展示和交流。

5.2.1 任务1：探究电解饱和乙二酸溶液合成乙醛酸的原理

［教师］请写出电解饱和乙二酸溶液合成乙醛酸的电极反应式（提供资料：饱和乙二酸溶液中，乙二酸比H+更容易放电）。

［学生］阳极：2H2O－4e-O2↑+4H+

阴极：HOOC—COOH+2H++2e-OHC—COOH+H2O

［学生］小结有机物电极反应式的书写模型（见图7）。

5.2.2 任务2：优化电极材料

［教师］文献资料显示，用3V电压，阳极用石墨，阴极分别用铅、铅锑合金和石墨同时电解饱和乙二酸溶液，得到的乙醛酸浓度随时间的变化曲线如图8所示。你能从中得出什么结论？

［学生］随着电解时间的增长，乙醛酸的浓度先变大后减小，电解6小时，铅电极上产生乙醛酸的浓度最大。说明微粒的放电能力不仅和微粒的种类和浓度有关，还和电极材料有关。选择金属铅做阴极，可以提高电能转化为化学能的效率。

5.3 环节三：电解合成乙醛酸的方法和装置优化

任务：电解合成乙醛酸的方法和装置优化。

［教师］电解合成乙醛酸的方法和装置还可以如何优化？

［学生］把两个电解池合并为一个电解池（见图9），中间用质子交换膜隔成阴、阳两室，提高电流效率和节省空间。

［教师］大家创新改良出的电解池装置与研究者设计的装置相似，提高了电流效率和时空效率。装置（见图10）中使用双极膜，有什么好处？

［学生］水在双极膜内电离生成的H+和OH－在电场作用下向两极运动，实现导电，双极膜阻断其他离子传导，OH－透过双极膜进入阳极室中，与乙二醛电氧化生成乙醛酸过程中产生的H+结合生成H2O，促使反应正向进行；H+透过双极膜进入阴极室中，补充乙二酸还原成乙醛酸过程中消耗的H+。

［教师］通过电解合成乙醛酸装置的设计、评价和优化，你们有什么收获？

［学生1］电解池是电能转化为化学能的装置，电解池装置和工作原理的核心问题和载体都是“氧化还原反应”。微粒种类、微粒浓度、电极材料、电压电流强弱等因素会影响微粒的放电能力，通过调控这些因素可以获得目标产物。

［学生2］从理论应用到工业化生产要考虑成本节约、安全性、物能循环、绿色环保等技术要素。

［教师与学生］总结、构建和展示电解池的高阶认知模型（见图11）。

6 教学反思

6.1 设计关联的探究活动，实现素养落地

教师对学科本质的深入理解是落实学科核心素养发展的关键。本教学实践中，设计关联的探究活动把教师的学科理解转化为基于学科理解的教与学行为，如环节一和环节二设计“不同种类和不同浓度的电解质溶液对乙醛酸选择性和电流效率的影响”、“不同阴极材料对乙醛酸产率的影响”、“不同电解质溶液中电解池工作原理的分析及电极反应式的书写”和“基于离子交换膜提高产品纯度和实验安全”等探究活动，外显学生的认识视角和认识思路，帮助学生在理解“化学反应与能量变化”概念的过程中，同步理解电解池的“构成要素、微观原理、符号表征和实践应用”四个学科基本概念，形成“电解可以调控化学反应，实现电能向化学能转化”的学科大概念认知，同时形成“运用证据推理及模型化思想解决化学相关问题”的学科思维方式，实现化学学科核心素养的落地。

6.2 构建科学的认知模型，促进知识结构化

本节复习课创设“合成乙醛酸电解装置的设计”的真实情境，引导学生将已有的知识转移到新的结构不良的真实情境中，围绕“如何在电能驱动下调控化学反应”这一学科本原性问题开展探究。学生沿着学科专家实践探索的一般范式，在“调用已有基础认知模型解决问题→暴露问题，发现模型缺陷→小组交流讨论，评价和改进模型→调用改进后的模型解决问题”的过程中，深化对电解池模型要素内涵的理解，构建更加体现电化学科学本质、有利于促进知识结构化、认知程序化的高阶认知模型，建立对电解过程的系统分析思路，提高对电化学本质的认识，促进化学学科知识和化学学科思维的深度发展，帮助学生从学科价值和社会价值层面理解化学的价值，形成化学科学精神，立志肩负起科学改造社会的重大责任。

参考文献：

［1］［2］中华人民共和国教育部制定. 普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）［S］. 北京： 人民教育出版社， 2020： 76.

［3］陈银生， 张新胜， 戴迎春等. 固定床电解槽变电流电解乙二醛合成乙醛酸［J］. 精细化工， 2001， （8）： 461～463.

［4］叶一鸣. 草酸电解合成乙醛酸用阴极材料及其配对合成反应的研究［D］. 长沙： 湖南大学硕士学位论文， 2004： 20.