以实验为导向的初中化学教育探析——以“探究电解水实验中的异常现象”为例

吴 燕

(合肥市五十中学天鹅湖教育集团望岳校区 安徽合肥 230011)

化学学科素养的培养是新课改对初中化学教学做出的明确要求，是当今社会化学学科发展的新需求。在本节课中，学生经历实验验证猜想、自主查询资料和交流讨论问题这三个步骤。学生的主体地位得到了凸显，充分的自主权利提升了学生参与实验探究的积极性，使学生收获颇丰。

一、教学基本思路

电解水实验理论上负极和正极的体积比是2∶1，可在实际实验中负极和正极的体积比往往不是2∶1。为什么会这样呢？许多教师认为只和气体的溶解度有关，笔者在探究此问题时，发现影响气体体积比的因素有很多。为此，本节课用科学探究的方法，通过对比实验探究影响因素，引导学生总结方法，解决问题。

学生已经学习了一段时间的化学，具有一定的知识储备，知道检验二氧化碳的方法，同时也掌握了一定的实验操作技能，最重要的是他们对实验探究充满了好奇，这些成为本节课教学的支撑点。

(一)教学目标

1.通过对电解水实验异常现象的探究，引导学生自主进行实验设计及实验分析，落实学生收集证据和分析推理的核心素养。

2.带领学生体会化学实验的乐趣，培养学生敢于质疑、敢于批判的科学态度，促进学生严谨科学态度的形成。

3.通过分析电解水实验的微观本质，帮助学生深化宏微结合的核心素养。

教学重点在于探究碳棒电极是否与氧气发生反应，教学难点在于让学生了解电解水的微观本质。

(二)教学思路

1.课前——观看微课，认识水的组成，了解电解水实验

微课的内容：

(1)观看氢气燃烧的实验，通过水的生成认识水的组成；

(2)观看电解水的实验，通过水的分解认识水的组成；

(3)巩固练习，在练习中发现问题。

2.课中——科学探究，探究电解水实验中出现异常现象的影响因素

(1)学生提出问题，做出猜想，设计方案，得出正确的结论；

(2)教师拓展延伸，用数字化实验测量实验中二氧化碳的含量；

(3)了解电解水实验中氢气和氧气的体积比是2∶1的原因。

二、主要教学过程

(一)观看微课，通过翻转课堂引发学生思考

翻转课堂的优势在于能够锻炼学生的自学能力。学生通过微课得知，水是由氢、氧元素组成的。电解水实验的现象是负极气体和正极气体的体积比为2∶1。

(二)提出问题，依据已有知识大胆进行猜想

教师用碳棒进行电解水实验，发现负极气体和正极气体的体积比不为2∶1，其与所学知识产生矛盾。在问题的催动下，学生尝试根据已有知识做出大胆猜想：一是“可能与气体的溶解度有关”；二是“可能碳棒和氧气发生了反应”。为了验证自己的猜想，学生进行了具体的实验验证，充分调动了学生开展化学实验探究的积极性。

(三)合作探究，学生通过实验进行猜想验证

为了保证实验探究顺利进行，也为了锻炼学生的综合能力，我们选择了小组合作的模式。

学生通过互联网搜集了氢气和氧气的溶解度。

资料显示：在20 ℃，标准大气压下，氧气在水中的溶解度为31 mL/L,氢气在水中的溶解度为18.2 mL/L。

通过计算学生发现在15 mL水中所溶解的气体体积差只有0.192 mL。

ΔV=15 mL×(31 mL/L-18.2 mL/L) ÷1000=0.192 mL

虽然气体的溶解度与之相关，但这并不是主要因素。

在验证第二种猜想“碳棒和氧气发生了反应”时，学生通过所学知识，设计方案:收集正极气体，将其通入Ca(OH)2溶液中。如图1。

图1 检验二氧化碳

学生观察到溶液变浑浊，得出结论：碳棒电极与氧气发生了反应。

除了采用传统实验检验是否生成二氧化碳，还可以利用数字化实验测二氧化碳的含量。教师用二氧化碳传感器来测定正极气体中的二氧化碳含量。如图2。

图2 利用数字化实验测定二氧化碳的含量

不论是传统实验还是先进的数字化实验都得出相同的结论：碳棒电极与氧气发生反应，生成了二氧化碳。在相同条件下，二氧化碳比氧气更易溶于水，导致了负极与正极的气体体积比不是2∶1。

除了上述两种猜想，学生还在教师的带领下探究了影响电解水实验结果的其他因素。如表1～4。

表1 电极材料对实验结果的影响

表2 电极液种类对实验结果的影响

表3 电解液浓度对实验结果的影响

表4 电压对实验结果的影响

通过数据分析，学生最后得出进行电解水实验的最佳条件是：用NaOH溶液作电解液，浓度为5%；用铂作电极，电压为9～12 V。此时所产生的氢气和氧气的体积比最接近2∶1。

(四)交流思考，通过微观辨析培养核心素养

为了了解电解水实验的本质，还可以运用现代信息技术教学工具，将一些学生肉眼观察不到的化学微观反应直观地呈现出来，使学生更容易接受所学知识。

学生通过观看电解水实验的微观过程的动画，分析水分子的变化过程，发现生成的氢分子和氧分子的个数比为2∶1,所以反应后生成的H2和O2的体积比为2∶1。

写出电解水的化学方程式：

(五)课堂总结，学生分享本堂课的收获

课堂总结的作用在于帮助学生再次回顾在课堂中所学习的知识，以及在实验探究中自己的所做、所想和所得，分享自己的学习技巧和学习所得，达到促使学生共同发展的目的。

三、教学反思

本节课主要探究了电解水实验中的异常现象——H2和O2的体积比不是2∶1的原因。通过查阅资料，探究其是否与气体溶解度有关；通过传统实验和数字化实验探究碳棒是否与氧气发生了反应；通过分析各组数据探究进行电解水实验的最佳条件；通过认识电解水实验的微观实质，了解电解水实验中H2和O2的体积比为什么是2∶1。这节课深度挖掘教材，探究了电解水实验中发生异常现象的原因，落实了学生的学科核心素养培养。

四、结语

综上所述，化学学习与实验探究离不开学生的认真观察和大胆设想。为了保证学生学习能力的有效提升和化学学科素养的养成，教师需要在教学过程中肯定学生勇于质疑和尝试的态度，鼓励学生大胆探究。