黎耀中 唐靜 張小麗

【摘 要】本文以高中化學(xué)重要的理論性知識—— 電解池為例，基于WWHW教學(xué)模式，以化學(xué)知識的本質(zhì)來源為依據(jù)，從學(xué)生認(rèn)知理論出發(fā)進(jìn)行教學(xué)設(shè)計，提出根本上轉(zhuǎn)變教學(xué)形式、構(gòu)建模型認(rèn)知、促進(jìn)學(xué)生化學(xué)核心素養(yǎng)的培養(yǎng)等策略。

【關(guān)鍵詞】WWHW教學(xué)模式 教學(xué)設(shè)計 電解池

【中圖分類號】G ?【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A

【文章編號】0450-9889（2021）02-0094-04

2016年9月教育部正式公布《中國學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)》，《普通高中化學(xué)新課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》隨之提出5個維度的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)，特別指出教師可以通過改變學(xué)生的學(xué)習(xí)方式來落實化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的養(yǎng)成是一個自我建設(shè)和不斷提高的過程，教師要引導(dǎo)學(xué)生積極開展建構(gòu)性學(xué)習(xí)、問題解決性學(xué)習(xí)等，促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)方法的轉(zhuǎn)變。

一、WWHW教學(xué)模式的含義

WWHW是一種基于知識認(rèn)識論的教學(xué)模式，注重對教材知識的認(rèn)知和拓展，迎合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律。W（Why）指“為什么要研究該知識？目前遇到哪些問題需要本節(jié)課的知識來解決？”W（What）指“本節(jié)知識點的本質(zhì)是什么？包含哪些內(nèi)容？”H（How）指“如何研究本節(jié)內(nèi)容？從哪些角度進(jìn)行研究？”W（What）指“本節(jié)知識能夠解決日常生活、生產(chǎn)工藝等哪些方面的問題？有什么樣的價值？”

然而，學(xué)生的認(rèn)知水平主要是基于教師的認(rèn)知理念，取決于教師教學(xué)方法的變換，傳統(tǒng)的教學(xué)認(rèn)知主要關(guān)注“知識是什么”“有什么作用”。本文基于WWHW教學(xué)模式，從教師的認(rèn)知理論出發(fā)，提出要從根本上改變教師的教學(xué)形式、改變學(xué)生的學(xué)習(xí)方式，以促進(jìn)學(xué)生化學(xué)核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。

二、基于WWHW教學(xué)模式的案例設(shè)計

（一）為什么要研究電解池

【觀看科學(xué)小當(dāng)家（視頻）】

某些上門推銷凈水器的人員，用自來水和該公司經(jīng)過凈水器凈化的“純凈水”做實驗（自來水可看作礦物質(zhì)水）（見圖1），他們使用一根鐵棒作為陽極，一根鋁棒作為陰極，插入自來水并連接電源，幾分鐘后發(fā)現(xiàn)自來水中形成了令人觸目驚心的黃棕色沉淀，消費(fèi)者看到日常飲用的自來水中居然含有如此令人惡心的物質(zhì)，便產(chǎn)生了解和購買凈水器的興趣。

【創(chuàng)設(shè)情境】“凈水器”推銷騙局，并提出問題

問題1：推銷員做的實驗其原理是原電池原理嗎？你還記得原電池的知識嗎？

問題2：自來水怎么就不能喝了呢？

設(shè)計意圖：創(chuàng)造一個與水密切相關(guān)的情境，讓學(xué)生感受身邊的化學(xué);水的電解是初中就已有的知識，學(xué)生對新知識的學(xué)習(xí)充滿期待，想要揭露凈水器的騙局;樹立嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度，自覺抵制偽科學(xué)。

（二）電解池是什么

復(fù)習(xí)原電池的原理與反應(yīng)條件，結(jié)合英國化學(xué)家Humphry Davy對電解原理的貢獻(xiàn)事跡解釋電解的原理。

【回憶】原電池是一種利用自發(fā)氧化還原反應(yīng)將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置。形成原電池的前提是要有自發(fā)的氧化還原反應(yīng)。在此基礎(chǔ)上，滿足以下要求：（1）兩個具有不同活性的導(dǎo)電電極;（2）電解質(zhì)溶液;（3）構(gòu)成閉合回路。

【分析】電解池是一種將電能轉(zhuǎn)換成化學(xué)能的裝置。1800年，英國科學(xué)家尼科爾遜和卡里斯?fàn)柪迷撛韺⑺娊獬晒ΑＶ?，英國化學(xué)家戴維在此基礎(chǔ)上研究，發(fā)現(xiàn)，電解法將碳酸鉀轉(zhuǎn)化為水溶液，在電極兩側(cè)分別得到氧和氫。認(rèn)真分析后，他改用熔融的苛性鉀，實驗中與電源正極相連處有氣泡產(chǎn)生，與電源負(fù)極相連處產(chǎn)生有金屬光澤的小球，燃燒后有紫色火焰產(chǎn)生，這是鉀的首次發(fā)現(xiàn)。隨后他采用同樣的方法電解蘇打，得到了金屬鈉。戴維實驗的成功，揭示了電解的原理，電解的本質(zhì)是利用外部電源所帶來的電位差，使自發(fā)氧化還原反應(yīng)發(fā)生。當(dāng)直流電通過電解液或熔融電解液時，離子定向移動，在兩個電極上分別發(fā)生氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)，將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能儲存在反應(yīng)物中。

設(shè)計意圖：原電池和電解槽有一些相似之處，也有一些不同之處。復(fù)習(xí)原電池有助于學(xué)生通過比較原電池來理解記憶電解槽。在化學(xué)教學(xué)中引入化學(xué)史，使學(xué)生對化學(xué)的知識來源本身有深刻的認(rèn)識，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生的學(xué)科素養(yǎng)，培養(yǎng)學(xué)生的科研意識。

（三）如何探究電解池

【實驗探究1】電解氯化銅溶液（見圖2、圖3）

運(yùn)用自制的微型實驗裝置進(jìn)行電解氯化銅溶液的實驗，并引導(dǎo)學(xué)生思考以下問題。

思考1：

（1）通電前溶液中存在哪些離子？離子如何運(yùn)動？

（2）通電后，離子如何運(yùn)動？

思考2：

（1）嘗試從能量轉(zhuǎn)化的形式，歸納出電解池的定義。

（類比原電池）

（2）在實驗探究的基礎(chǔ)上，歸納出電解池的構(gòu)成條件。

（類比原電池）

思考3：

對比原電池，從以下三個方面分析電解池的陰、陽極如何確定。

（1）與電源連接的角度。

（2）電子流向角度。

（3）反應(yīng)類型角度。

設(shè)計意圖：借助生活中常用的物質(zhì)和材料微電解實驗設(shè)備，成本低、少污染，增強(qiáng)實驗的趣味性;通過實驗將微觀粒子的反應(yīng)直觀化，從宏觀到微觀，體現(xiàn)對電解池的先進(jìn)認(rèn)識。引導(dǎo)學(xué)生從現(xiàn)象中分析事物的本質(zhì)，用類比的方法學(xué)習(xí)電解池的概念，降低新知識的難度，提煉電解池的一般認(rèn)識思路。讓學(xué)生了解環(huán)境保護(hù)的重要性和資源的合理利用，培育可持續(xù)發(fā)展的意識和綠色化學(xué)的概念。

【動畫模擬】

設(shè)計意圖：從宏觀和微觀的角度理解電解池中電子的移動、陰陽離子的移動、陰陽兩極上的反應(yīng)及其變化、電流形成的過程和原理使微觀、抽象的反應(yīng)更直觀和具體，進(jìn)一步體會電解的實質(zhì)。

【圖形展示】

設(shè)計意圖：了解離子的放電順序，建立對電解過程的系統(tǒng)分析認(rèn)識的思維模型，選擇不同的思維模型解決不同的問題;了解電解規(guī)律，能判斷電解產(chǎn)物，能寫出電解電極反應(yīng)公式和總反應(yīng)公式，能夠解釋證據(jù)與結(jié)論之間的關(guān)系。

【實驗探究2】電解碳酸鉀溶液

【實驗探究3】電解硫酸鈉溶液

思考：結(jié)合兩個探究實驗中離子放電的先后，試分析離子的放電順序由什么決定。

陽極：

陰極：

電解過程中溶液的酸堿度是否發(fā)生變化？

思考：

（1）陰極區(qū)域pH試紙為什么呈藍(lán)色？陽極區(qū)域pH試紙為什么呈紅色？

（2）為什么電解這兩種溶液就是電解水？

設(shè)計意圖：通過實驗發(fā)現(xiàn)新的問題，通過推理解決問題，進(jìn)一步將離子的放電順序理解為還原性和氧化性的順序，從而提高對電解原理的理解。建立惰性電極時電極產(chǎn)物判斷的解題思路。

【小結(jié)】

（1）電解的原理。

（2）歸納總結(jié)出電解池的電解規(guī)律。

（3）分析電解反應(yīng)（惰性電極）的一般思路。

①明確溶液中存在哪些離子。

②陰陽兩極附近有哪些離子。

③根據(jù)陽極氧化、陰極還原，氧化性、還原性的強(qiáng)度依次判斷反應(yīng)的離子，最終得到產(chǎn)物。

（4）分析判斷產(chǎn)物的四象限法。

設(shè)計意圖：培養(yǎng)學(xué)生的概括能力和升華知識的能力，不只停留在表面;培養(yǎng)學(xué)生分析判斷電極產(chǎn)物的一般思路;從宏觀現(xiàn)象出發(fā)，建立電解原理的思維模型，能夠從不同的視角出發(fā)，總結(jié)出物質(zhì)及其變化的模型異同，確保學(xué)生模型認(rèn)知核心素養(yǎng)的落實。

（四）研究電解池的價值

1.氯堿工業(yè)

【分析】傳統(tǒng)的電解池

常規(guī)電解槽電解飽和鹽水，陽極：2Cl--2e-=Cl2↑，陰極：2H2O+2e-=H2↑+2OH-，總反應(yīng)：2H2O+2NaCl ? ?Cl2↑+H2↑+2NaOH。該裝置電解飽和食鹽水得到的產(chǎn)物不純，陽極產(chǎn)生的氯氣與溶液中的氫氧化鈉發(fā)生反應(yīng)，另外該裝置還存在安全隱患，兩電極產(chǎn)生的Cl2和H2混合遇火或遇強(qiáng)光會爆炸。

【思考】如何解決產(chǎn)品不純以及H2、Cl2混合爆炸的問題？

【解釋】避免這些問題的出現(xiàn)，就要避免OH-與Cl2的接觸，避免H2與Cl2的接觸，因此可采用陽離子交換膜將這些物質(zhì)分開（見圖4）。

【分析】氯堿工業(yè)的流程

氯堿工業(yè)用陽離子交換膜將電解槽分為陽極室和陰極室。陽極由鈦制成。陽極室與精制飽和NaCl溶液連接，氯離子放電產(chǎn)生Cl2。陰極以碳鋼為電極材料，為了提高溶液的導(dǎo)電性，將含有少量NaOH的水引入陰極室，電極反應(yīng)為：2H2O+2e-=H2↑+2OH-。由于裝置中使用的陽離子交換膜，只允許陽離子通過，陰離子和氣體都不能通過，Cl2就不會和NaOH反應(yīng)，H2和Cl2也不會混合，就可避免上述問題的出現(xiàn)。

設(shè)計意圖：從實際問題出發(fā)，將課堂知識應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)中，發(fā)揮理論對工業(yè)生產(chǎn)的指導(dǎo)作用，培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實際的觀念，針對化學(xué)工藝上存在的不足，提出解決問題的方案。

2.電鍍

【思考】電鍍過程中陰陽極材料和電鍍液如何選擇？

【解釋】電解池中陽極失電子，所以待鍍金屬不能放陽極，應(yīng)作為陰極材料使用。沉積金屬在陽極失去電子以獲得金屬離子，為了在陰極電鍍部分形成沉積金屬，電解液必須是含有沉積金屬離子的鹽溶液。

【分析】電鍍原理

根據(jù)電解槽的工作原理，以電鍍金屬為陽極材料，以要鍍金的產(chǎn)品為陰極材料。如果要在鐵件上鍍銅，以銅為陽極，鐵鍵為陰極，CuSO4溶液為電鍍液，陽極：Cu-2e-=Cu2+，陰極：Cu2++2e-=Cu，電解前后電鍍液的組成和酸堿性均不變（見圖5）。

設(shè)計意圖：能夠根據(jù)實際條件運(yùn)用所學(xué)知識，解決生活、生產(chǎn)中存在的問題，培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用化學(xué)知識的能力，同時也增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

3.銅的電解精煉

【思考】銅的電解精煉過程中兩極材料及電解液如何選擇？

【分析】銅的電解精煉原理

粗銅中含有鋅、鐵、銀、金等雜質(zhì)，從而降低了銅中雜質(zhì)的含量，為了提高銅的性能，回收粗銅中的貴金屬，對粗銅進(jìn)行電解精制。根據(jù)電解池的原理，陽極失去電子。因此，應(yīng)采用粗銅作為陽極材料。在電解過程中，陽極材料的金屬失去電子，使金屬正離子進(jìn)入溶液中。陰極得電子，銅離子在陰極得電子附著在陰極材料上，因此以純銅作為陰極材料，以含有相應(yīng)金屬離子的鹽溶液CuSO4作為電解液。根據(jù)金屬的活潑性知金屬失電子能力大小順序為：Zn>Fe>Ni>Cu>Ag>Au，所以電解過程中，陽極依次發(fā)生：Zn-2e-=Zn2+、Fe-2e-=Fe2+、Ni-2e-=Ni2+、Cu-2e-=Cu2+，銀和金以陽極泥的形式沉積在電解池的底部。此時溶液中的陽離子得電子能力大小順序為：Cu2+>Ni2+、Fe2+、Zn2+，所以陰極電極方程式為：Cu2++2e-=Cu，Ni2+、Fe2+、Zn2+等留在溶液中（見圖6）。

設(shè)計意圖：用課堂知識去分析工業(yè)生產(chǎn)，化學(xué)將與生活、生產(chǎn)緊密相連，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，同時進(jìn)一步鞏固電解過程中放電順序的知識，從已有的認(rèn)知模型出發(fā)，認(rèn)識模型的局限性，能夠從不同的模型出發(fā)，解釋復(fù)雜的化學(xué)問題。

4.電解冶金

【思考】金屬的冶煉有哪些方法？

根據(jù)活動性順序表，排在最后的Pt、Au，在自然界中穩(wěn)定存在，可用物理方法得到;汞和銀主要以氧化物的形式存在，可通過熱分解得到;Zn、Fe、Sn、Pb、Cu在自然界中以化合物的形式存在，可以通過熱還原得到。

【思考】活潑金屬K、Ca、Na、Mg、Al如何冶煉？

【解釋】鉀、鈣、鈉、鎂和鋁都是活性金屬，它們都以化合物的形式存在于自然界中。冶煉的本質(zhì)是使礦石中的金屬離子通過電解獲得電子，并從化合物中還原。

【思考】能否通過電解活潑金屬對應(yīng)的鹽的水溶液制備金屬單質(zhì)？

【解釋】如果電解水溶液，如NaCl溶液，其水溶液中的陰極放電為水中的H+，則無法得到鈉元素物質(zhì)，也無法通過電解鹽水溶液制備活性金屬元素物質(zhì)。

【分析】電解冶金原理

制備電解熔融狀態(tài)的鹽溶液，如電解熔融NaCl：陽極2Cl--2e-=Cl2↑，陰極：Na+ +e-=Na，總反應(yīng)：2NaClNa+Cl2↑，即可制備得到Na單質(zhì)。主要針對金屬氧化物熔點高的特點，在工業(yè)生產(chǎn)中采用電解氯化鉀、鈣、鈉、鎂等金屬氧化物的方法，在熔融狀態(tài)下制備鉀、鈣、鈉、鎂等金屬氧化物。

【思考】鋁元素是如何制備的？AlCl3的電解法能制備Al嗎？

【解釋】AlCl3是一種共價化合物。在熔融狀態(tài)下，AlCl3沒有自由移動的離子，也不導(dǎo)電。因此，Al不能在熔融狀態(tài)下電解AlCl3制備。工業(yè)上，金屬鋁是由熔融狀態(tài)的氧化鋁電解而成的。由于Al2O3的熔點較高，電解過程中需要加入冰晶石來降低電解的熔點。陽極：2O2--4e-=O2↑，陰極：Al3++3e-=Al，總反應(yīng)：2Al2O3（熔融） 4Al + 3O2↑。

設(shè)計意圖：步步引導(dǎo)得出活潑金屬單質(zhì)的制備方法，增強(qiáng)學(xué)生對問題的分析能力，同時運(yùn)用課堂知識解決工業(yè)生產(chǎn)問題，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

【思維拓展】如果你是凈水器公司的職員，公司老總想讓你設(shè)計一款可以出酸性水或堿性水的凈水器，你該怎么設(shè)計？（見圖7）并寫出凈水器的工作原理。（見圖8）

思考：我們能得到弱堿性水或弱酸性水嗎？

【課后拓展】家庭自制消毒液。

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

利用家里的電池、導(dǎo)線、廢飲料瓶、食鹽等，組裝一套電解氯化鈉溶液的裝置。

設(shè)計意圖：本課程的第一部分和最后一部分將幫助學(xué)生用所學(xué)知識解決實際問題，實現(xiàn)“化學(xué)源于生活，服務(wù)于生活”的價值。培養(yǎng)核心化學(xué)社會責(zé)任素養(yǎng)，深刻理解化學(xué)、技術(shù)、社會與環(huán)境的關(guān)系。將課堂知識運(yùn)用到日常生活中，提高學(xué)習(xí)積極性，為后續(xù)學(xué)習(xí)做好準(zhǔn)備。

WWHW教學(xué)模式用于指導(dǎo)電解池的學(xué)習(xí)，符合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，能幫助學(xué)生厘清自己的學(xué)習(xí)思路，有利于學(xué)生對知識的深入理解;幫助學(xué)生從知識認(rèn)識論的角度出發(fā)，擴(kuò)展思維方式，從更深層面去分析知識，理解知識的本質(zhì)，改變學(xué)習(xí)方式。從化學(xué)史與化學(xué)發(fā)展科學(xué)趨勢設(shè)置多樣化的化學(xué)課程，應(yīng)重視教學(xué)內(nèi)容結(jié)構(gòu)化的整合，從多維度評價學(xué)生核心素養(yǎng)在不同階段的實施情況，實現(xiàn)“教、學(xué)、評”一體化;從解決生活、生產(chǎn)的問題出發(fā)，將“問—學(xué)—用”緊密聯(lián)系在一起，真正實現(xiàn)將化學(xué)知識付諸生活及生產(chǎn)實踐，體現(xiàn)化學(xué)課程目標(biāo)的價值追求。

【參考文獻(xiàn)】

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[4]湯蕾.學(xué)習(xí)遷移理論在高中化學(xué)教學(xué)中的實踐研究[D].武漢：華中師范大學(xué)2016.

【作者簡介】黎耀中（1981— ），男，廣西玉林人，大學(xué)本科學(xué)歷，高級教師，研究方向為化學(xué)教育;唐 靜（1992— ），女，廣西桂林人，碩士研究生學(xué)歷，二級教師，研究方向為化學(xué)教育;張小麗（1995— ），女，廣西桂林人，大學(xué)本科學(xué)歷，二級教師，研究方向為化學(xué)教育。

（責(zé)編 李小林）