基于WWHW化学教学模式的教学设计

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黎耀中 唐静 张小丽

【摘 要】本文以高中化学重要的理论性知识—— 电解池为例,基于WWHW教学模式,以化学知识的本质来源为依据,从学生认知理论出发进行教学设计,提出根本上转变教学形式、构建模型认知、促进学生化学核心素养的培养等策略。

【关键词】WWHW教学模式 教学设计 电解池

【中图分类号】G  【文献标识码】A

【文章编号】0450-9889(2021)02-0094-04

2016年9月教育部正式公布《中国学生发展核心素养》,《普通高中化学新课程标准(2017年版)》随之提出5个维度的化学学科核心素养,特别指出教师可以通过改变学生的学习方式来落实化学学科核心素养。学生化学学科核心素养的养成是一个自我建设和不断提高的过程,教师要引导学生积极开展建构性学习、问题解决性学习等,促进学生学习方法的转变。

一、WWHW教学模式的含义

WWHW是一种基于知识认识论的教学模式,注重对教材知识的认知和拓展,迎合学生的认知规律。W(Why)指“为什么要研究该知识?目前遇到哪些问题需要本节课的知识来解决?”W(What)指“本节知识点的本质是什么?包含哪些内容?”H(How)指“如何研究本节内容?从哪些角度进行研究?”W(What)指“本节知识能够解决日常生活、生产工艺等哪些方面的问题?有什么样的价值?”

然而,學生的认知水平主要是基于教师的认知理念,取决于教师教学方法的变换,传统的教学认知主要关注“知识是什么”“有什么作用”。本文基于WWHW教学模式,从教师的认知理论出发,提出要从根本上改变教师的教学形式、改变学生的学习方式,以促进学生化学核心素养的培养。

二、基于WWHW教学模式的案例设计

(一)为什么要研究电解池

【观看科学小当家(视频)】

某些上门推销净水器的人员,用自来水和该公司经过净水器净化的“纯净水”做实验(自来水可看作矿物质水)(见图1),他们使用一根铁棒作为阳极,一根铝棒作为阴极,插入自来水并连接电源,几分钟后发现自来水中形成了令人触目惊心的黄棕色沉淀,消费者看到日常饮用的自来水中居然含有如此令人恶心的物质,便产生了解和购买净水器的兴趣。

【创设情境】“净水器”推销骗局,并提出问题

问题1:推销员做的实验其原理是原电池原理吗?你还记得原电池的知识吗?

问题2:自来水怎么就不能喝了呢?

设计意图:创造一个与水密切相关的情境,让学生感受身边的化学;水的电解是初中就已有的知识,学生对新知识的学习充满期待,想要揭露净水器的骗局;树立严谨的科学态度,自觉抵制伪科学。

(二)电解池是什么

复习原电池的原理与反应条件,结合英国化学家Humphry Davy对电解原理的贡献事迹解释电解的原理。

【回忆】原电池是一种利用自发氧化还原反应将化学能转化为电能的装置。形成原电池的前提是要有自发的氧化还原反应。在此基础上,满足以下要求:(1)两个具有不同活性的导电电极;(2)电解质溶液;(3)构成闭合回路。

【分析】电解池是一种将电能转换成化学能的装置。1800年,英国科学家尼科尔逊和卡里斯尔利用该原理将水电解成功。之后,英国化学家戴维在此基础上研究,发现,电解法将碳酸钾转化为水溶液,在电极两侧分别得到氧和氢。认真分析后,他改用熔融的苛性钾,实验中与电源正极相连处有气泡产生,与电源负极相连处产生有金属光泽的小球,燃烧后有紫色火焰产生,这是钾的首次发现。随后他采用同样的方法电解苏打,得到了金属钠。戴维实验的成功,揭示了电解的原理,电解的本质是利用外部电源所带来的电位差,使自发氧化还原反应发生。当直流电通过电解液或熔融电解液时,离子定向移动,在两个电极上分别发生氧化反应和还原反应,将电能转化为化学能储存在反应物中。

设计意图:原电池和电解槽有一些相似之处,也有一些不同之处。复习原电池有助于学生通过比较原电池来理解记忆电解槽。在化学教学中引入化学史,使学生对化学的知识来源本身有深刻的认识,激发学生的学习兴趣,提高学生的学科素养,培养学生的科研意识。

(三)如何探究电解池

【实验探究1】电解氯化铜溶液(见图2、图3)

运用自制的微型实验装置进行电解氯化铜溶液的实验,并引导学生思考以下问题。

思考1:

(1)通电前溶液中存在哪些离子?离子如何运动?

(2)通电后,离子如何运动?

思考2:

(1)尝试从能量转化的形式,归纳出电解池的定义。

(类比原电池)

(2)在实验探究的基础上,归纳出电解池的构成条件。

(类比原电池)

思考3:

对比原电池,从以下三个方面分析电解池的阴、阳极如何确定。

(1)与电源连接的角度。

(2)电子流向角度。

(3)反应类型角度。

设计意图:借助生活中常用的物质和材料微电解实验设备,成本低、少污染,增强实验的趣味性;通过实验将微观粒子的反应直观化,从宏观到微观,体现对电解池的先进认识。引导学生从现象中分析事物的本质,用类比的方法学习电解池的概念,降低新知识的难度,提炼电解池的一般认识思路。让学生了解环境保护的重要性和资源的合理利用,培育可持续发展的意识和绿色化学的概念。

【动画模拟】

设计意图:从宏观和微观的角度理解电解池中电子的移动、阴阳离子的移动、阴阳两极上的反应及其变化、电流形成的过程和原理使微观、抽象的反应更直观和具体,进一步体会电解的实质。

【图形展示】

设计意图:了解离子的放电顺序,建立对电解过程的系统分析认识的思维模型,选择不同的思维模型解决不同的问题;了解电解规律,能判断电解产物,能写出电解电极反应公式和总反应公式,能够解释证据与结论之间的关系。

【实验探究2】电解碳酸钾溶液

【实验探究3】电解硫酸钠溶液

思考:结合两个探究实验中离子放电的先后,试分析离子的放电顺序由什么决定。

阳极:

阴极:

电解过程中溶液的酸碱度是否发生变化?

思考:

(1)阴极区域pH试纸为什么呈蓝色?阳极区域pH試纸为什么呈红色?

(2)为什么电解这两种溶液就是电解水?

设计意图:通过实验发现新的问题,通过推理解决问题,进一步将离子的放电顺序理解为还原性和氧化性的顺序,从而提高对电解原理的理解。建立惰性电极时电极产物判断的解题思路。

【小结】

(1)电解的原理。

(2)归纳总结出电解池的电解规律。

(3)分析电解反应(惰性电极)的一般思路。

①明确溶液中存在哪些离子。

②阴阳两极附近有哪些离子。

③根据阳极氧化、阴极还原,氧化性、还原性的强度依次判断反应的离子,最终得到产物。

(4)分析判断产物的四象限法。

设计意图:培养学生的概括能力和升华知识的能力,不只停留在表面;培养学生分析判断电极产物的一般思路;从宏观现象出发,建立电解原理的思维模型,能够从不同的视角出发,总结出物质及其变化的模型异同,确保学生模型认知核心素养的落实。

(四)研究电解池的价值

1.氯碱工业

【分析】传统的电解池

常规电解槽电解饱和盐水,阳极:2Cl--2e-=Cl2↑,阴极:2H2O+2e-=H2↑+2OH-,总反应:2H2O+2NaCl    Cl2↑+H2↑+2NaOH。该装置电解饱和食盐水得到的产物不纯,阳极产生的氯气与溶液中的氢氧化钠发生反应,另外该装置还存在安全隐患,两电极产生的Cl2和H2混合遇火或遇强光会爆炸。

【思考】如何解决产品不纯以及H2、Cl2混合爆炸的问题?

【解释】避免这些问题的出现,就要避免OH-与Cl2的接触,避免H2与Cl2的接触,因此可采用阳离子交换膜将这些物质分开(见图4)。

【分析】氯碱工业的流程

氯碱工业用阳离子交换膜将电解槽分为阳极室和阴极室。阳极由钛制成。阳极室与精制饱和NaCl溶液连接,氯离子放电产生Cl2。阴极以碳钢为电极材料,为了提高溶液的导电性,将含有少量NaOH的水引入阴极室,电极反应为:2H2O+2e-=H2↑+2OH-。由于装置中使用的阳离子交换膜,只允许阳离子通过,阴离子和气体都不能通过,Cl2就不会和NaOH反应,H2和Cl2也不会混合,就可避免上述问题的出现。

设计意图:从实际问题出发,将课堂知识应用到工业生产中,发挥理论对工业生产的指导作用,培养学生理论联系实际的观念,针对化学工艺上存在的不足,提出解决问题的方案。

2.电镀

【思考】电镀过程中阴阳极材料和电镀液如何选择?

【解释】电解池中阳极失电子,所以待镀金属不能放阳极,应作为阴极材料使用。沉积金属在阳极失去电子以获得金属离子,为了在阴极电镀部分形成沉积金属,电解液必须是含有沉积金属离子的盐溶液。

【分析】电镀原理

根据电解槽的工作原理,以电镀金属为阳极材料,以要镀金的产品为阴极材料。如果要在铁件上镀铜,以铜为阳极,铁键为阴极,CuSO4溶液为电镀液,阳极:Cu-2e-=Cu2+,阴极:Cu2++2e-=Cu,电解前后电镀液的组成和酸碱性均不变(见图5)。

设计意图:能够根据实际条件运用所学知识,解决生活、生产中存在的问题,培养学生应用化学知识的能力,同时也增强学生的学习积极性。

3.铜的电解精炼

【思考】铜的电解精炼过程中两极材料及电解液如何选择?

【分析】铜的电解精炼原理

粗铜中含有锌、铁、银、金等杂质,从而降低了铜中杂质的含量,为了提高铜的性能,回收粗铜中的贵金属,对粗铜进行电解精制。根据电解池的原理,阳极失去电子。因此,应采用粗铜作为阳极材料。在电解过程中,阳极材料的金属失去电子,使金属正离子进入溶液中。阴极得电子,铜离子在阴极得电子附着在阴极材料上,因此以纯铜作为阴极材料,以含有相应金属离子的盐溶液CuSO4作为电解液。根据金属的活泼性知金属失电子能力大小顺序为:Zn>Fe>Ni>Cu>Ag>Au,所以电解过程中,阳极依次发生:Zn-2e-=Zn2+、Fe-2e-=Fe2+、Ni-2e-=Ni2+、Cu-2e-=Cu2+,银和金以阳极泥的形式沉积在电解池的底部。此时溶液中的阳离子得电子能力大小顺序为:Cu2+>Ni2+、Fe2+、Zn2+,所以阴极电极方程式为:Cu2++2e-=Cu,Ni2+、Fe2+、Zn2+等留在溶液中(见图6)。

设计意图:用课堂知识去分析工业生产,化学将与生活、生产紧密相连,提高学生的学习积极性,同时进一步巩固电解过程中放电顺序的知识,从已有的认知模型出发,认识模型的局限性,能够从不同的模型出发,解释复杂的化学问题。

4.电解冶金

【思考】金属的冶炼有哪些方法?

根据活动性顺序表,排在最后的Pt、Au,在自然界中稳定存在,可用物理方法得到;汞和银主要以氧化物的形式存在,可通过热分解得到;Zn、Fe、Sn、Pb、Cu在自然界中以化合物的形式存在,可以通过热还原得到。

【思考】活泼金属K、Ca、Na、Mg、Al如何冶炼?

【解释】钾、钙、钠、镁和铝都是活性金属,它们都以化合物的形式存在于自然界中。冶炼的本质是使矿石中的金属离子通过电解获得电子,并从化合物中还原。

【思考】能否通过电解活泼金属对应的盐的水溶液制备金属单质?

【解释】如果电解水溶液,如NaCl溶液,其水溶液中的阴极放电为水中的H+,则无法得到钠元素物质,也无法通过电解盐水溶液制备活性金属元素物质。

【分析】电解冶金原理

制备电解熔融状态的盐溶液,如电解熔融NaCl:阳极2Cl--2e-=Cl2↑,阴极:Na+ +e-=Na,总反应:2NaClNa+Cl2↑,即可制备得到Na单质。主要针对金属氧化物熔点高的特点,在工业生产中采用电解氯化钾、钙、钠、镁等金属氧化物的方法,在熔融状态下制备钾、钙、钠、镁等金属氧化物。

【思考】铝元素是如何制备的?AlCl3的电解法能制备Al吗?

【解释】AlCl3是一种共价化合物。在熔融状态下,AlCl3没有自由移动的离子,也不导电。因此,Al不能在熔融状态下电解AlCl3制备。工业上,金属铝是由熔融状态的氧化铝电解而成的。由于Al2O3的熔点较高,电解过程中需要加入冰晶石来降低电解的熔点。阳极:2O2--4e-=O2↑,阴极:Al3++3e-=Al,总反应:2Al2O3(熔融) 4Al + 3O2↑。

设计意图:步步引导得出活泼金属单质的制备方法,增强学生对问题的分析能力,同时运用课堂知识解决工业生产问题,提高学生的学习兴趣。

【思维拓展】如果你是净水器公司的职员,公司老总想让你设计一款可以出酸性水或碱性水的净水器,你该怎么设计?(见图7)并写出净水器的工作原理。(见图8)

思考:我们能得到弱碱性水或弱酸性水嗎?

【课后拓展】家庭自制消毒液。

原理:Cl2+2NaOH=NaCl+NaClO+H2O(消毒液有效成分:NaClO)

利用家里的电池、导线、废饮料瓶、食盐等,组装一套电解氯化钠溶液的装置。

设计意图:本课程的第一部分和最后一部分将帮助学生用所学知识解决实际问题,实现“化学源于生活,服务于生活”的价值。培养核心化学社会责任素养,深刻理解化学、技术、社会与环境的关系。将课堂知识运用到日常生活中,提高学习积极性,为后续学习做好准备。

WWHW教学模式用于指导电解池的学习,符合学生的认知规律,能帮助学生厘清自己的学习思路,有利于学生对知识的深入理解;帮助学生从知识认识论的角度出发,扩展思维方式,从更深层面去分析知识,理解知识的本质,改变学习方式。从化学史与化学发展科学趋势设置多样化的化学课程,应重视教学内容结构化的整合,从多维度评价学生核心素养在不同阶段的实施情况,实现“教、学、评”一体化;从解决生活、生产的问题出发,将“问—学—用”紧密联系在一起,真正实现将化学知识付诸生活及生产实践,体现化学课程目标的价值追求。

【参考文献】

[1]罗敏.将学生发展核心素养目标切实贯彻到学校教育中的思考[J].中国教育技术装备,2017(7).

[2]屈春芸.基于生本体验,构建学科观念——“电解池的工作原理及应用”教学设计与思考[J].化学教与学,2016(9).

[3]文泽.高中化学如何有效进行绿色化学教学[J].读与写(上旬刊),2019(31).

[4]汤蕾.学习迁移理论在高中化学教学中的实践研究[D].武汉:华中师范大学2016.

【作者简介】黎耀中(1981— ),男,广西玉林人,大学本科学历,高级教师,研究方向为化学教育;唐 静(1992— ),女,广西桂林人,硕士研究生学历,二级教师,研究方向为化学教育;张小丽(1995— ),女,广西桂林人,大学本科学历,二级教师,研究方向为化学教育。

(责编 李小林)

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