指向深度学习的高三化学中电解知识的复习

江辉辉 柴圣元 蔡玲玲 金洋

摘要：以电解饱和食盐水为情境素材，结合化学学科核心素养要求，通过设置分析“简易装置”“有膜装置”“电极对调装置”“增加铜珠装置”等环节，以实验探究、任务驱动等方式面向已经学习了电解知识的高三年级学生进行深度学习，落

实化学核心素养，感受化学学科价值和社会价值。

关键词：电解;饱和食盐水;深度学习;核心素养

文章编号：1008-0546（2022）08-0067-05   中图分类号：G632.41   文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.08.014

一、问题的提出

在高中化学的复习过程中，由于各种原因，教师往往侧重于知识本身，复习方法常以讲授为主，学生一般只是被动地记忆，课堂中即使有学生活动，也是按照教材或者教师已有的方案进行，复习深度不够，化学学科素养无法在复习过程中得到明显提升。原有的复习方式已逐渐不适应“素养为本”的教学，需要用“深度学习”的理论指引高三复习。深度学习是一种高水平的学习，是一种高阶思维的理解和认知[1]。胡久华等认为[2]，深度学习是“在教师引领下，学生围绕具有挑战性的学习主题，开展以化学实验为主的多种探究活动，从宏微结合、变化守恒的视角，运用证据推理与模型认知的思维方式，解决复杂问题，获得结构化的化学核心知识，建立运用化学学科思想解决问题的思路方法，培养学生的创新精神和实践能力，促进学生核心素养的发展。”（见图1）

电化学知识是中学化学的核心内容之一，是历次学考和选考的必考内容。电化学是氧化还原理论结合元素化合物知识的一个重要应用，是高中化学的重点和难点内容。《普通高中化学课程标准（2017年版）》对本节的要求是了解电解池的工作原理，通过电解池原理的探究，运用电解池的思维模型，分析氯碱工业、电镀、电解精炼、电冶金的反应原理，认识电解在实现物质转化和能量储存中的应用，体会电解原理对人类社会进步的重要贡献[3]。从近几年的选考试题看，试题的取材和命题角度不断翻新，更加注重电解知识在生产生活中的应用，充分体现电化学的实用性和时代性，高强度地考查学生分析问题、解决问题、服务社会的能力与担当。但就具体考查的内容来看保持稳定，主要涉及电极的判断、带电粒子的移动方向、电极反应书写、膜的选择以及电解的简单计算等，重点考查学生识图能力，提取整合信息能力以及分析解决问题的迁移能力。因此，准确把握电解原理并将所学知识迁移到陌生情境是解答电解问题的关键。

二、基于深度学习的案例设计思路

在深度学习理论的指引下，本节课以“改装电解饱和食盐水装置”为例进行深度学习。

电解饱和食盐水实验是联系元素化合物和电化学的纽带，是充分培养学生宏微结合、实验探究、模型认知等化学学科核心素养的重要素材[4]，在中学化学中有着举足轻重的地位，是历年高考考查的重点之一。笔者统计了近几次的浙江省化學选考试题，与电解饱和食盐水相关的试题具体见表1：

针对上述情况，本节课设计了以“改装电解饱和食盐水装置”为主线的电解深度学习课。一方面它来源于工业生产，吻合“素养为本”的教学所倡导的“真实情境下的问题解决”，有利于学生正确认识化学科学与社会的相互联系，感受化学与现实生活的紧密联系，进一步体会化学学科的社会价值[1];另一方面通过不断地改装电解装置，不仅能起到复习电解基本知识的目的，还能在分析改装装置的过程中培养学生的“分析推理”“微观探析”等能力。确定好情境主题后，本节课设置如下任务链作为教学主线：（1）如何分析有膜的电解装置？（2）如何分析阴阳极对调的电解装置？（3）如何分析在电解池中增加两颗铜珠的装置？整个过程结合实验探究和信息提示，激发、推动、维持、强化和调整学生的认知活动，培养学生的高阶思维能力[5]。

教学思路如图2所示：

三、基于深度学习的教学目标

（1）通过对电解饱和食盐水知识的回忆，知道电解的基本原理，并能构建电解池的一般模型。

（2）通过对电解饱和食盐水装置的改装探究，培养学生基本实验操作技能以及通过实验现象分析问题的能力。

（3）通过本课时的学习，感受电解饱和食盐水及其改装装置在生产生活中的重要作用，体会电解原理对人类社会进步的重要贡献，增强其社会责任感。

四、基于深度学习案例的教学过程

教学环节一：创设情境，引入课题——回顾电解知识，构建电解模型

【引课】烧碱、氯气都是重要的化工原料。习惯上把电解饱和食盐水的工业生产称之为“氯碱工业”。

【任务一】请同学们画出电解饱和食盐水的简易装置图，并标注电极材料和电极名称。

【学生活动】画简易装置图并展示成果（见图3）。

【教师】装置图中电子如何移动？离子又如何移动？

【学生】负极导线阴极，阳极导线正极;阳离

子阴极，阴离子阳极。

【教师】阴极附近的电子去哪了？阳极附近的电子从哪里来？

【学生】阴极附近的电子被阳离子得到;阳极附近的电子是阴离子失去的。

【教师】写出电极反应式。

【学生】阳极：2Cl--2e-= Cl2↑;

阴极：2H2O +2e-= H2↑+2OH-。

【教师】阳极附近的阴离子除了Cl-还有OH-，为什么是Cl-放电？同理，为什么阴极是H+放电而非Na+？

【学生】当阳极附近存在多种阴离子时，还原性强的先失电子;当阴极附近存在多种阳离子时，氧化性强的先得电子，具体放电顺序如下：

阳极：S2->I->Br->Cl->OH->含氧酸根;阴极：Ag+> Cu2+>H+>Fe2+>Zn2+>Na+>K+

【总结】根据以上知识总结电解池一般模型[6]（见图4）：

设计意图：设置电解饱和食盐水情境，让学生回忆电解的基本原理，同时让学生认识到微粒放电时是有先后顺序的。并在此基础上构建出电解池的一般模型。此环节主要采用问题驱动的方式让学生回忆旧知，为下面环节的进行做好铺垫。

教学环节二：问题驱动、实验探究——分析有膜和对调电极的电解情况

【教师】按照图3装置电解饱和食盐水，会存在什么问题？该如何解决？

【学生】氯气会与NaOH溶液反应，H2和Cl2混合在一起可能发生爆炸，应该使用阳离子交换膜（见图5）。

【任务二】如果将图5装置改为图6，该如何分析？

【学生1】根据放电顺序，阳极：2Cl--2e-=Cl2↑;阴极：2H2O +2e-= H2↑+2OH-。

【学生2】B 区中Na+通过阳离子交换膜进入 C 区， Cl-通过阴离子交换膜进入A 区。

【学生3】C 区生成NaOH溶液。

【学生4】B 区氯化钠溶液的浓度会减小。

【教师】根据分析，你知道该装置在工业生产中有什么现实意义？

【学生】海水淡化。

【任務三】如果将图2装置中的阴极和阳极材料对调，又该如何分析？

【活动】实验探究该装置电解情况。

器材：烧杯、电极、电池、导线若干;试剂：饱和食盐水、K3Fe（CN）6溶液。

【学生】实验并汇报观察到的实验现象和结论：石墨做阴极，铁做阳极，饱和食盐水做电解液组装好电解装置。打开电源，电解一段时间，石墨电极上产生气泡;用注射器往铁钉附近注射K3Fe（CN）6溶液，可观察到铁钉附近有蓝色物质生成（实验现象如图7所示）。

【教师】如何解释上述现象？

【学生】石墨做阴极，发生2H2O+2e-=H2↑+2OH-;铁做阳极优先于 Cl-放电，发生 Fe -2e-= Fe2+，Fe2+遇 K3Fe（CN）6生成了蓝色物质。

【总结】完善电解池放电顺序：

阳极：活泼电极>S2->I->Br->Cl->OH->含氧酸根;阴极：Ag+>Cu2+>H+>Fe2+>Zn2+>Na+>K+

【教师】你知道该装置在工业生产中有什么现实意义？

【学生】污水处理，主要处理一些氧化性较强的微粒，比如Cr2O

【教师】结合以下信息，写出电解过程中发生的反应以及该装置能处理污水中Cr2O7（2）-的原因。

【学生】阳极：Fe -2e-= Fe2+，

6Fe2++ Cr2O7（2）-+14H+=6Fe3++2Cr3++7H2O;

阴极：2H2O +2e-= H2↑+2OH-。

电解完成后，往电解液中加碱，使Fe3+、Cr3+完全沉淀，这样即达到了处理含铬污水的目的。

【教师】如图8是工业上利用电化学法在工业处理含铬废水的工艺流程图[7]。

设计意图：本环节设置了加膜和阴阳极对调两种电解装置，目的在于让学生根据探究实验的现象以及资料信息，分析出具体的电解过程，从而锻炼其分析推理的能力，提高化学思维。通过学生说出两种装置在工业生产中的现实意义，让学生认识到化学与生活的密切关系，培养其社会责任感。同时在该环节通过书写电极方程式，诊断并发展学生符号表征的能力，提高化学学科素养。

教学环节三：真题展现、深度解析——再探电解装置

【任务四】（2016北京12题改编）如图9装置进行电解，分析m、n处现象。

【学生】……

【教师】分析该装置之前，我们不妨先来分析装置5（如图10）。

【活动】实验探究装置5电解情况。

器材：烧杯、电极、电池、导线若干;试剂：饱和食盐水、铁片。

【学生】实验并汇报观察到的实验现象和结论：石墨做阳极，铁做阴极，饱和食盐水做电解液组装好电解装置，然后在两电极间放上一块铁片。打开电源，电解一段时间，铁电极上产生气泡;用注射器往铁片右端注射 K3Fe（CN）6溶液，可观察到有蓝色物质生成（实验现象如图11所示）。

【教师】如何解释上述现象？

【学生】铁电极为阴极，发生2H2O+2e-=H2↑+2OH-;根据实验现象，铁片右端产生了Fe2+，是电解池的阳极。由此分析，我们可以将铁片变换，改成装置6（见图12）。

【教师】如果把电解槽拆成两个，实际上就是两个电解装置了（见图13装置7）。

【教师追问】电解一段时间后，在铁片的左边注射 K3Fe（CN）6溶液，也能依稀看到蓝色物质，分析可能原因。

【学生】可能是阳极生成的氯气溶于水而呈酸性，由于铁片左端与阳极离得很近，铁与酸反应生成了少量 Fe2+，所以加入 K3Fe（CN）6溶液能依稀看到一些蓝色物质。

【教师】同学们说得很好。接下来我们回过来看装置4（见图9），如何分析？

【学生】根据图10装置5的分析，图9装置4我们可以构建出三个电解池，其中m处是阴极，会产生气泡;n处是阳极，Cu会溶解。

设计意图：以2016北京12题改编题为情境深度探析电解装置。由于图9装置学生分析起来有困难，所以设置了相对简单的图10装置。让学生通过实验探究，构建出两个电解池的装置模型，然后再迁移到三个电解池的装置模型，这样由容易过渡到复杂的装置学习，符合学生的学习进阶。同时通过该环节诊断并发展学生知识水平的能力，促使学生认识问题全面化，实现从化学学科知识向化学学科核心素养的转化。

教学环节四：迁移应用、价值体现——分析电解其它应用

【教师】本节课通过对电解饱和食盐水装置的改装探究分析，实现了对电解知识的深度复习。另外通过装置再改造，可以制备“84消毒液”;借鉴电解饱和食盐水，以氯化四甲基铵[（ CH3）4NCl]水溶液为原料，通过电解法可以制备氢氧化四甲基铵[（CH3）4NOH]，装置如图14所示。

【追问】根据分析回答问题：（1）收集到（CH3）4NOH 的区域是   （填a、b、c或d）。

（2）写出电池总反应。

【学生】类比电解饱和食盐水装置，迁移可知收集到（CH3）4NOH 的区域是d，电池总反应是：2（CH3）4NCl +2H2O 2（CH3）4NOH + H2↑+ Cl2↑

【总结】电解饱和食盐水在工业生产生活中有着很重要的价值，同学们可以课后上网搜索更多有关电解饱和食盐水的资料。

设计意图：以“84消毒液”和2018年4月浙江选考题“氢氧化四甲基铵”制备为情境创设问题，要求学生通过知识迁移加深对电解的认识，实现深度复习。整個环节都是将所学的知识应用到实际生产生活中，体现了化学学科的社会价值。本环节另一意图是诊断并发展学生知识水平和认识化学价值水平的能力，体现“教、学、评”一致性。

五、基于深度学习的教学反思

1.精选主题情境，搭建联系桥梁

学习主题不仅要具有真实性、贴近学生的认知，而且更要体现学习主题的功能价值：蕴含真实问题，承载核心知识，提供证据支持，贯穿课堂始终[5]。本课时选择“电解饱和食盐水”为主题情境，设计“简易装置”“有膜装置”“电极对调装置”“增加铜珠装置”这一符合学生学习进阶的“境脉”，用问题引发学生思考，激发其内在的学习动机，驱使学生积极参与到问题的探索中，主动获取知识。

2.精设学习任务，提升关键能力

任务的设置不仅需要围绕主题，更重要的是从学生掌握的知识水平出发，帮助学生步步进入深度思考，开发学生思维。在深度学习中任务、情境和问题三位一体，且这三者之间以及问题与问题之间具有明显的逻辑关系和结构化特征[8]。教学中，设置“如何分析有膜的电解装置？”“如何分析阴阳极对调下的电解装置？”“如何分析在电解池中增加两颗铜珠的装置？”等一系列具有关联性和系统性的任务链启发学生思考，引导学生主动构建结构化的知识体系，发展学生信息提取、证据推理、科学探究和问题解决等能力。

3.精显育人功能，彰显学科价值

《普通高中化学课程标准（2017年版）》指出：化学

不仅与人类的衣、食、住、行密切相关，而且已发展成为生命科学、材料科学、能源科学、环境科学、信息科学、纳米技术和工程科学的重要基础，成为推进科学技术进步和现代社会文明的重要力量[3]。我们的化学学习应该建立在创造美好生活之上，学习时让化学知识走进生产生活，服务生产生活。在本课教学时，将学习的知识迁移应用到海水淡化、含铬废水处理、“84消毒液”制备、氢氧化四甲基铵制备等，让学生认识到化学与生产生活的密切关系，体现化学学科的社会价值，从而培养其社会责任感。

参考文献

[1]牛彩霞，邹映波.走向核心素养的化学深度学习——以“保护海洋平台——金属电化学腐蚀与防护”为例[J].化学教学，2020（8）：39-43.

[2]胡久华，罗滨，陈颖.深度学习：走向核心素养（学科教学指南·初中化学）[M].北京：教育科学出版社，2019：2.

[3]中华人民共和国教育部.普通高中化学课程标准（2017年版）（S）.北京：人民教育出版社，2018.

[4]冯柳，任雪明，沈彩娣.在真实问题的深度探究中发展学生思维——以“电解池的工作原理及应用”为例[J].中学化学教学参考，2021（6）：24-28.

[5]王星乔，包朝龙.指向深度学习的高三化学实验复习——葡萄糖酸锌的制备及纯度测定[J].化学教育（中英文），2020，41（21）：35-41.

[6]李明娟，白建娥.在真实问题解决中建立电化学思维模型——以“探秘锂离子电池”复习课为例[J].中学化学教学参考，2021（2）：44-47.

[7]刘玉星，朱明娟，龙燕.电化学法在工业含铬废水处理中的应用研究[J].化学新课标，2016（8）：68-69.

[8]杨玉琴，倪娟.促进“深度学习”的教学设计[J].化学教育（中英文），2016，37（17）：1-8.