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淺析“電解水實(shí)驗(yàn)”在不同教學(xué)階段的應(yīng)用
淺析“電解水實(shí)驗(yàn)”在不同教學(xué)階段的應(yīng)用An Analysis of the Applications of the "Water Electrolysis" in Different Stages of Teaching
秦 蕾 （北京大學(xué)附屬中學(xué) 100190）
摘要：在化學(xué)新課程改革教學(xué)觀念轉(zhuǎn)變的背景下，如何發(fā)揮實(shí)驗(yàn)在教學(xué)中的作用已不容忽視。文章以學(xué)科觀念的構(gòu)建為主線，從物質(zhì)組成、宏觀與微觀、能量轉(zhuǎn)化等多個(gè)角度剖析了貫穿初、高中化學(xué)課程的電解水實(shí)驗(yàn)在不同教學(xué)階段的應(yīng)用。
關(guān)鍵詞：電解水 實(shí)驗(yàn) 學(xué)科觀念
義務(wù)教育階段的化學(xué)課程“可以幫助學(xué)生理解化學(xué)對(duì)社會(huì)發(fā)展的作用，能從化學(xué)的視角去認(rèn)識(shí)科學(xué)、技術(shù)、社會(huì)和生活方面的有關(guān)問題……”；高中新課程標(biāo)準(zhǔn)指出：“高中化學(xué)課程是科學(xué)教育的重要組成部分，它對(duì)提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)、促進(jìn)學(xué)生全面發(fā)展有著不可替代的作用”。從中不難悟出，中學(xué)化學(xué)教學(xué)不單是傳授化學(xué)知識(shí)，更重要的是引導(dǎo)學(xué)生去體會(huì)知識(shí)內(nèi)容中所蘊(yùn)含的化學(xué)思想觀念以及具有化學(xué)學(xué)科特點(diǎn)的認(rèn)識(shí)論和方法論。
化學(xué)研究物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、變化規(guī)律以及變化過程中的定量關(guān)系。對(duì)于物質(zhì)的認(rèn)識(shí)是一個(gè)由宏觀到微觀、由定性到定量、由個(gè)別到一般的逐步深化的過程�；瘜W(xué)作為一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科，實(shí)驗(yàn)是幫助學(xué)生體驗(yàn)學(xué)習(xí)過程、構(gòu)建學(xué)科觀念（“學(xué)科觀念”可能不大好界定。科學(xué)上的一些觀念很難說(shuō)它是哪個(gè)學(xué)科獨(dú)有的。）的重要手段。在教學(xué)中實(shí)驗(yàn)的呈現(xiàn)無(wú)疑使得抽象的問題得以具體化、形象化。
教學(xué)中怎樣通過實(shí)驗(yàn)來(lái)進(jìn)一步闡釋概念的深層內(nèi)涵，培養(yǎng)學(xué)科的觀念和方法呢？例如，在初、高中課程的不同階段均出現(xiàn)了電解水的實(shí)驗(yàn)（如圖1所示），下面結(jié)合不同教學(xué)階段的具體內(nèi)容探索電解水實(shí)驗(yàn)在教學(xué)中的應(yīng)用。
1 初中階段——有關(guān)物質(zhì)組成觀念的建立
初中教材第三單元課題1中通過電解水實(shí)驗(yàn)來(lái)幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)水的組成，從教材內(nèi)容的設(shè)置上，在教學(xué)中所起的作用如下：
1.1 以史實(shí)啟發(fā)學(xué)生認(rèn)識(shí)研究物質(zhì)組成的方法
水是生活中不可缺少的物質(zhì)，但是化學(xué)史上對(duì)于水組成的認(rèn)識(shí)卻經(jīng)歷了很長(zhǎng)的時(shí)間，18世紀(jì)末，在前人探索的基礎(chǔ)上拉瓦錫通過對(duì)水的生成、讓水蒸氣通過燒紅的槍管得到“易燃空氣”的實(shí)驗(yàn)，才得出了水不是由一種元素組成的結(jié)論。后來(lái)人們通過電解水的實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步證實(shí)了拉瓦錫的結(jié)論。
化學(xué)發(fā)展史上是在17~18世紀(jì)，人們才逐漸明確了元素的概念（這句話不通，刪去“化學(xué)發(fā)展史上是”即可。其實(shí)，改為“人們到17~18世紀(jì)才逐漸明確了元素的概念”更順些。）——不能分解成更簡(jiǎn)單物質(zhì)的東西。對(duì)水組成認(rèn)識(shí)過程的介紹，可以啟發(fā)學(xué)生了解不斷分解物質(zhì)直到不能再分解為止，是人類認(rèn)識(shí)物質(zhì)組成的一種方法，為今后學(xué)生對(duì)物質(zhì)組成進(jìn)行分析提供借鑒的方法。
1.2 在變化中揭示化學(xué)反應(yīng)的實(shí)質(zhì)
通電后電極上出現(xiàn)氣泡，經(jīng)收集后證實(shí)分別為氫氣和氧氣，說(shuō)明水在通電時(shí)發(fā)生了變化，試管中生成了完全不同于水的新物質(zhì)，但是在通電前后參與反應(yīng)的元素種類并沒有變化，從而揭示出化學(xué)反應(yīng)的實(shí)質(zhì)：組成水的元素在反應(yīng)過程中進(jìn)行了重組，形成了新物質(zhì)。
多次實(shí)驗(yàn)兩試管中所收集的氣體體積比總是約為1：2，這個(gè)比例關(guān)系與組成水的氫、氧元素間一定存在著某種聯(lián)系，從而為日后高中氣體摩爾體積的教學(xué)打下伏筆。
1.3 從宏觀與微觀的角度認(rèn)識(shí)物質(zhì)的組成
實(shí)驗(yàn)中可以得出在宏觀上水由氫、氧兩種元素組成，從元素的角度為物質(zhì)分類奠定了基礎(chǔ)。從微觀的角度來(lái)看，顯然水的分解不同于水的蒸發(fā)，在通電的條件下水能被分解，說(shuō)明水分子是由更小的微粒組成的，即氫原子和氧原子，此二者是這個(gè)化學(xué)變化中不能再分的最小粒子；氫原子間、氧原子間重新結(jié)合，生成氫氣、氧氣，進(jìn)一步呼應(yīng)：化學(xué)反應(yīng)的實(shí)質(zhì)是組成物質(zhì)的元素進(jìn)行了重新組合形成了新物質(zhì)。
水雖然是學(xué)生非常熟悉的物質(zhì)，但怎樣以化學(xué)的視角來(lái)認(rèn)識(shí)水，學(xué)生是陌生的。以電解水的實(shí)驗(yàn)為載體，通過對(duì)水認(rèn)知過程的分析，滲透了物質(zhì)組成認(rèn)識(shí)過程和方法的教育。
（這段的標(biāo)題是“物質(zhì)組成觀念的建立”，可是文中似乎沒有指出“物質(zhì)組成觀念”的內(nèi)涵，即這種觀念對(duì)物質(zhì)組成的基本認(rèn)識(shí)是什么？我認(rèn)為有關(guān)物質(zhì)組成的觀念有兩個(gè)，即“元素觀”和“微粒觀”，兩者雖有內(nèi)在聯(lián)系，但還是應(yīng)分述。文中有這層意思，但提得不夠明確。故建議標(biāo)題加“有關(guān)”二字。）
下面的闡述是我對(duì)“科學(xué)觀念”的認(rèn)識(shí)，供你參考：“科學(xué)觀念”是指人們對(duì)自然界物
質(zhì)運(yùn)動(dòng)變化規(guī)律的最基本的認(rèn)識(shí)，它是在一定的“視角”下形成的，它不僅僅是自然科學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)，更是人們頭腦中的觀點(diǎn)，這種觀點(diǎn)是穩(wěn)固的，是人們對(duì)于外來(lái)信息的刺激做出反應(yīng)的基礎(chǔ)。比如，與“能量”有關(guān)的“科學(xué)觀念”有：“任何形式的運(yùn)動(dòng)和變化都需要能量”、“能量既不能創(chuàng)生也不能消滅，而只從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式”……；與“尺度與結(jié)構(gòu)”有關(guān)的有：“物質(zhì)的性質(zhì)不僅與結(jié)構(gòu)有關(guān)，還與尺度有關(guān)”…….；與“穩(wěn)定性”有關(guān)的有：“物質(zhì)體系自發(fā)地發(fā)生變化的方向，總是由相對(duì)不穩(wěn)定的狀態(tài)，變?yōu)橄鄬?duì)穩(wěn)定的狀態(tài)；其限度是由始態(tài)的相對(duì)不平衡到達(dá)終態(tài)的相對(duì)平衡”；與“物質(zhì)組成”有關(guān)的有：“宏觀上－由元素組成”、“微觀上－由原子、分子等微粒組成”…..等等。
要說(shuō)明的是，“科學(xué)觀念”的涵蓋面比“學(xué)科觀念”大，也更具普適性。比如，有關(guān)“能量”、“穩(wěn)定性”、“尺度與結(jié)構(gòu)”等方面的觀念，都是跨學(xué)科的，很難說(shuō)它們是物理學(xué)科的還是化學(xué)學(xué)科的。
2 必修1階段——架構(gòu)宏觀與微觀的橋梁
高中必修1第一章第二節(jié)中以電解水實(shí)驗(yàn)作為氣體摩爾體積概念教學(xué)的引入。通過實(shí)驗(yàn)觀察不同時(shí)間試管內(nèi)氣體體積的變化和推算得出在相同溫度和壓強(qiáng)下，1molO2和H2體積相同的結(jié)論，從而引出氣體摩爾體積的概念，教學(xué)過程如下圖所示。
電解水的實(shí)驗(yàn)將氣體摩爾體積概念的形成過程直觀化，變抽象的宏觀氣體體積與微粒數(shù)目間的關(guān)系形象化，進(jìn)一步架構(gòu)了宏觀與微觀的橋梁，為科學(xué)研究和實(shí)際生產(chǎn)中氣體間的定量關(guān)系作了更為明確的闡釋。關(guān)系如下：
3 必修2階段——可以成為能量轉(zhuǎn)化觀念的例證
高中必修2第二章第二節(jié)化學(xué)能與電能的教材中，以居我國(guó)發(fā)電總量首位的火電為能量轉(zhuǎn)化的線索開展教學(xué)，過程中能量的轉(zhuǎn)化關(guān)系如下：
在如此復(fù)雜的能量過程轉(zhuǎn)換之余，人們不得不面對(duì)較低的能源利用率和日益嚴(yán)重的污染問題。若能在此處引入電解水實(shí)驗(yàn)作為原電池概念教學(xué)的鋪墊，將幫助學(xué)生更直觀地體會(huì)化學(xué)能與電能間的相互轉(zhuǎn)化過程。（“之余”指的是什么？這句話不通，且與后文聯(lián)系不密切，可刪去）
上段文字可改為：
可以看出，在火力發(fā)電的過程中，電能是燃料燃燒釋放的能量－化學(xué)能經(jīng)多次轉(zhuǎn)化得到的。電解水實(shí)驗(yàn)的引入可幫助學(xué)生直觀地體會(huì)到化學(xué)能與電能之間的相互轉(zhuǎn)化。
實(shí)驗(yàn)名稱 電解水 氫氧燃料電池
實(shí)驗(yàn)過程
示意
閉合S1，打開S2，進(jìn)行電解
打開S1，閉合S2，二級(jí)管發(fā)光
能量轉(zhuǎn)化 電能→化學(xué)能 化學(xué)能→電能
電極反應(yīng) 陰極：4H++4e-=2H2↑
陽(yáng)極：4OH--4e-=O2↑+2H2O 負(fù)極：2H2-4e-=4H+
正極：O2+2H2O+4e-=4OH-
化學(xué)反應(yīng) 2H2O2H2↑+O2↑ 2H2+O2=2H2O
實(shí)驗(yàn)過程先是電解水，學(xué)生感知電能向化學(xué)能轉(zhuǎn)變的過程。然后變化連接的電路，觀察到在沒有外接電源的閉合電路中二極管發(fā)光，引導(dǎo)學(xué)生分析此現(xiàn)象產(chǎn)生的原因，是由于附著在電極上的H2和O2發(fā)生反應(yīng)，化學(xué)能向電能發(fā)生了轉(zhuǎn)化。電解水實(shí)驗(yàn)的引入，并于二者的對(duì)比中突出了能量間的轉(zhuǎn)化過程，成為促使學(xué)生形成能量轉(zhuǎn)化觀念的重要例證。
4 化學(xué)反應(yīng)原理階段——能量轉(zhuǎn)化觀念的深化
化學(xué)反應(yīng)原理第四章第三節(jié)電解池的概念教學(xué)更是電解水這一實(shí)驗(yàn)內(nèi)涵的拓展和深化。
4.1 電解是強(qiáng)制（用“強(qiáng)制”不準(zhǔn)確）發(fā)生氧化還原反應(yīng)過程的體現(xiàn)
（標(biāo)題改為“電解是外界提供電能使氧化還原反應(yīng)發(fā)生的過程”，可能好一些）
水發(fā)生分解反應(yīng)的熱化學(xué)方程式為：2H2O（l）= 2H2（g）+ O2（g），△H=571.6kJ/mol，因?yàn)椤鱄＞0，所以必需提供能量才能使水發(fā)生分解。在研究如何使水分解的過程中可以采用多種方法來(lái)提供能量，如高溫、太陽(yáng)能、電解等，其中電解是在通常情況下強(qiáng)制水發(fā)生分解的有力手段，但由于能耗較大，從能量利用而言得不償失（怎樣理解這句話？是否有科學(xué)性的毛��？需仔細(xì)考慮。），因此水的分解技術(shù)尚待進(jìn)一步研發(fā)。
（開發(fā)水分解技術(shù)的目的是為了獲取清潔燃料“氫”。水分解必定要外界提供能量才能發(fā)生，一定量的水分解所需的能量也是一定的。因此，無(wú)論怎樣的技術(shù)都不可能“節(jié)省”能量。需要研發(fā)的可能主要是如何開發(fā)低成本又清潔的能源，如太陽(yáng)能、風(fēng)能等；還有是如何提高能源的利用率，即較高的能量轉(zhuǎn)化率；再有就是如何在不“苛刻”的條件下實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)化，即催化劑的研發(fā)等。）
4.2 電解是微粒（直接用“離子”。還是用“微�！�，有的電解是消耗金屬電極的，如精煉銅）得失電子難易過程的體現(xiàn)
（標(biāo)題不大順，改為“電解的過程體現(xiàn)了微粒得失電子的難易程度”可能好一些。）
電解質(zhì)的水溶液中一定（刪去）同時(shí)存在著溶質(zhì)與溶劑的電離，在相同的條件下給予電壓，陰、陽(yáng)兩極上哪種微粒獲得或失去電子，是電極材料與溶質(zhì)、溶劑電離出的陰、陽(yáng)離子得失電子難易的較量（“較量”有點(diǎn)擬人的味道，我個(gè)人不主張這種表述。另外，離子在電解過程中是否放電，不僅取決于得失電子的難易，還與它們?cè)谌芤褐械臐舛扔嘘P(guān)。這段文字可再斟酌）。
陰、陽(yáng)兩極上微粒得失電子能力由強(qiáng)到弱的順序?yàn)椋?br /> 得電子：Ag+>Fe3+>Hg2+>Cu2+> H+ >Pb2+ >Sn2+>Fe2+>Zn2+>Al3+>Mg2+>Na+ >Ca2+>K+
失電子：金屬陽(yáng)極>S2－>I－>Br－>Cl－> OH－ >SO42－>NO3－>F－
當(dāng)微粒的放電能力均強(qiáng)于水電離出的H+、OH-時(shí)，水不參加電解，反之，水電離出的H+或OH-必然參加電解的過程，因此在水溶液中進(jìn)行的電解離不開水的電解（這句話有點(diǎn)費(fèi)解，可刪去），其實(shí)質(zhì)是微粒得失電子難易過程（改為“程度”）的體現(xiàn)。
（感覺第4部分的立意不錯(cuò)—“能量轉(zhuǎn)化觀念的深化”。但從4.1和4.2闡述的內(nèi)容看，與“能量轉(zhuǎn)化觀念的深化”聯(lián)系得不夠緊密，或者說(shuō)闡述得不夠清楚。是否要先明確學(xué)生關(guān)于能量轉(zhuǎn)化觀念的“深化的點(diǎn)”在何處，4.1和4.2的側(cè)重又各在哪里，再進(jìn)行論述—扣緊“觀念的深化”。）
5 高三復(fù)習(xí)階段——學(xué)科觀念的整合
電解水實(shí)驗(yàn)的內(nèi)涵隨著學(xué)生基本知識(shí)的積累、基本技能的提高，化學(xué)的學(xué)科觀念在逐步進(jìn)行滲透。
5.1宏觀與微觀的思想
宏觀與微觀的聯(lián)系是化學(xué)學(xué)科不同于其他科學(xué)的最（加：具）特征性的思維方式，在初、高中化學(xué)學(xué)習(xí)的不同階段，電解水實(shí)驗(yàn)內(nèi)涵的詮釋不但體現(xiàn)了宏觀與微觀的思想，而且將認(rèn)識(shí)物質(zhì)的兩個(gè)角度有機(jī)地結(jié)合了起來(lái)。
教學(xué)階段 化學(xué)概念 宏觀概念 微觀概念
初中 物質(zhì)組成 元素 分子、原子
必修1 氣體摩爾體積 氣體體積 氣體分子數(shù)目
必修2 能量轉(zhuǎn)化 化學(xué)能與電能的相互轉(zhuǎn)化 電子轉(zhuǎn)移
化學(xué)原理 電解池 電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能 微粒得失電子能力的強(qiáng)弱
5.2守恒與變化的思想
引導(dǎo)學(xué)生透過現(xiàn)象，深入理解學(xué)科知識(shí)的內(nèi)涵是一個(gè)非常重要的教學(xué)環(huán)節(jié)�；瘜W(xué)學(xué)科的魅力所在便是在“變化”中滲透著“不變”，即守恒的思想，因此需要透過實(shí)驗(yàn)表象，深入挖掘?qū)W科的核心思想。
教學(xué)階段 化學(xué)概念 過程變化 守恒
初中 化學(xué)變化 有新物質(zhì)生成 反應(yīng)前后元素守恒、原子守恒
必修1 氣體摩爾體積 溫度、壓強(qiáng)影響氣體體積大小 溫度、壓強(qiáng)不變分子間距不變
必修2 能量轉(zhuǎn)化 能量轉(zhuǎn)化方式的多樣性 能量守恒
化學(xué)原理 電解池 電能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能 電子轉(zhuǎn)移守恒
5.3 能變、質(zhì)變與量變的思想
在學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的不同時(shí)期，電解水實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)時(shí)的內(nèi)涵各有側(cè)重，是一個(gè)隨著學(xué)生知識(shí)與能力的增長(zhǎng)而不斷“變化和發(fā)展”的實(shí)驗(yàn)。從最初揭示物質(zhì)組成時(shí)的質(zhì)變，發(fā)展到氣體摩爾體積概念建立時(shí)的量變；透過一個(gè)常見氧化還原反應(yīng)發(fā)生的過程，深入到化學(xué)變化中舊鍵的斷裂與新鍵的生成，并最終表現(xiàn)為能量的轉(zhuǎn)化。究其實(shí)質(zhì)化學(xué)反應(yīng)發(fā)生的過程中能量變化起著主導(dǎo)作用，量變和質(zhì)變是能量變化的宏觀表象。
（這段文字中，“質(zhì)變”較好理解；而在上一段里剛述及化學(xué)反應(yīng)中的若干“守恒”，因此，“量變”指的是什么，似應(yīng)給以闡明。另外，對(duì)“量變和質(zhì)變是能量變化的宏觀表象”這一結(jié)論性表述是否合適，我還沒考慮好�；瘜W(xué)反應(yīng)中“能量變化的宏觀表象”肯定不只是“物質(zhì)的量變和質(zhì)變”。不過，我暫時(shí)還提不出這段文字怎樣闡述更好的建議。）
縱觀電解水實(shí)驗(yàn)在不同教學(xué)階段的應(yīng)用，可以看出化學(xué)學(xué)科對(duì)學(xué)生知識(shí)、能力和觀念的培養(yǎng)是一個(gè)由淺入深的過程，不是單一的“誰(shuí)變成誰(shuí)”的過程，而是一個(gè)由內(nèi)及外、從能變到質(zhì)變、量變的過程，并且在宏觀物質(zhì)和能量的變化中蘊(yùn)涵著微粒間的守恒關(guān)系。學(xué)科觀念整合的高三階段就是在認(rèn)識(shí)螺旋上升過程中，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行多層面、多維度的剖析，進(jìn)一步學(xué)習(xí)以學(xué)科的視角來(lái)看待問題、以學(xué)科的觀念來(lái)分析問題、以學(xué)科的方法來(lái)解決問題。
（第5部分論述的是“學(xué)科觀念”整合，能否考慮在提法上把“學(xué)科觀念”納入“科學(xué)觀念”。）
成文過程中得到陳康叔教授、何彩霞教授的指導(dǎo)，在此致以誠(chéng)摯的感謝！
參考文獻(xiàn)：
[1]張禮聰、柯友良.化學(xué)教學(xué)中實(shí)施“觀念建構(gòu)為本”教學(xué)設(shè)計(jì)的探索[EB/OL]. ，2007-12-10
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