基于“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”的化學(xué)課堂教學(xué)實(shí)踐探索

電解池作為新課程“化學(xué)反應(yīng)原理”的重點(diǎn)知識(shí)，其相關(guān)概念和原理較為抽象，需要學(xué)生結(jié)合宏觀、微觀等多個(gè)層次進(jìn)行理解，具有較強(qiáng)的系統(tǒng)性和抽象性。因此，需要通過建構(gòu)相關(guān)概念關(guān)系的模型以形成可視化的認(rèn)知路徑去促進(jìn)學(xué)生的理解、提高學(xué)生分析并解決問題的能力。該設(shè)計(jì)以電解FeCl2溶液為載體，以電解池的模型重構(gòu)為主旨，依據(jù)學(xué)情設(shè)計(jì)環(huán)環(huán)相扣的探究活動(dòng)，并輔以數(shù)字化實(shí)驗(yàn)直觀化的展示，以期學(xué)生在解決問題的過程中建構(gòu)學(xué)科知識(shí)、掌握科學(xué)方法、提升關(guān)鍵能力，為課堂上實(shí)現(xiàn)學(xué)生核心素養(yǎng)的發(fā)展做了初步探索。一、課標(biāo)與教材分析1.課標(biāo)要求新課程標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于“電解池”部分的內(nèi)容要求為：“了解電解池的工作原理，認(rèn)識(shí)電解在實(shí)現(xiàn)物質(zhì)轉(zhuǎn)化和儲(chǔ)存能量中的具體應(yīng)用。”而教學(xué)提示部分則細(xì)化并突出了電化學(xué)部分的教學(xué)要求，如創(chuàng)設(shè)真實(shí)情境，組織學(xué)生開展分析解釋、推論預(yù)測、設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)等學(xué)習(xí)活動(dòng)，加深學(xué)生對(duì)電解池工作原理的認(rèn)識(shí)，轉(zhuǎn)變偏差認(rèn)識(shí)，建立系統(tǒng)分析思路，提高學(xué)生對(duì)本質(zhì)的認(rèn)識(shí)。2.教材分析該節(jié)內(nèi)容是復(fù)習(xí)人教版選擇性必修Ⅰ《化學(xué)反應(yīng)原理》第四章第二節(jié)“電解池”。從知識(shí)的角度看，該節(jié)部分將關(guān)注重點(diǎn)置于學(xué)生已有電解池模型的修正，提高其對(duì)電解池本質(zhì)的科學(xué)認(rèn)識(shí)，加強(qiáng)電解池模型與真實(shí)情境的有效聯(lián)系。上承原電池與電解池，有助于加深理解電化學(xué)本質(zhì)，下啟金屬的腐蝕與防護(hù)，即包含電解池的應(yīng)用，是分析理解電化學(xué)現(xiàn)象的基礎(chǔ)。從方法的角度看，該部分的學(xué)習(xí)方法以實(shí)驗(yàn)探究為主，承接了對(duì)于“原電池”和“電解池”的探究，且再探“電解原理”所涉及的多元化思維與方法也對(duì)后續(xù)金屬腐蝕與防護(hù)的學(xué)習(xí)具有一定的指導(dǎo)作用。二、教學(xué)與評(píng)價(jià)目標(biāo)1.教學(xué)目標(biāo)（1）通過創(chuàng)設(shè)電解FeCl2溶液這一工業(yè)廢水處理的問題情境，分析電解過程中基本要素的變化特點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)自身已有認(rèn)知模型存在問題，并自主修正為氧化還原反應(yīng)核心視角下的電解分析新模型，提高問題意識(shí)和敢于質(zhì)疑的精神。（2）通過對(duì)電解FeCl2溶液問題的解決與追問，積極探究實(shí)驗(yàn)事實(shí)對(duì)理論進(jìn)行證實(shí)或證偽，進(jìn)一步明確電解過程中離子濃度的差異會(huì)影響離子的放電順序。（3）通過對(duì)電解模型的修正和重構(gòu)，能認(rèn)識(shí)到科學(xué)的認(rèn)知是不斷發(fā)展、進(jìn)步的；通過離子放電能力影響因素的分析，認(rèn)識(shí)到化學(xué)反應(yīng)的復(fù)雜性，并能有意識(shí)地避免出現(xiàn)絕對(duì)化、簡單化的規(guī)律總結(jié)，明白實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)。2.評(píng)價(jià)目標(biāo)（1）通過對(duì)一定條件下電解FeCl2溶液的交流與點(diǎn)評(píng)，診斷并發(fā)展學(xué)生對(duì)于電解本質(zhì)即氧化還原反應(yīng)視角分析電解過程的認(rèn)識(shí)水平。（2）通過對(duì)電解FeCl2溶液陰、陽極情況的討論與點(diǎn)評(píng)，診斷并發(fā)展學(xué)生對(duì)于放電順序的認(rèn)識(shí)水平，以及實(shí)驗(yàn)探究與問題解決的能力水平。（3）通過對(duì)已修正模型的遷移應(yīng)用，診斷發(fā)展學(xué)生對(duì)重構(gòu)的電解模型的認(rèn)識(shí)進(jìn)階和認(rèn)識(shí)思路的結(jié)構(gòu)化水平，以及對(duì)化學(xué)價(jià)值的認(rèn)識(shí)水平。三、教學(xué)過程1.教學(xué)思路教學(xué)思路如圖1所示。2.具體教學(xué)過程環(huán)節(jié)一：問題驅(qū)動(dòng)選擇模型[微課]通過播放微課視頻回顧電解池內(nèi)容，包括電解池的反應(yīng)原理、放電順序及反應(yīng)類型等。[情境創(chuàng)設(shè)]用FeCl3酸性溶液脫除H2S后的廢液，通過控制條件電解得以再生（如圖2所示）。[問題1]一定條件下用石墨電極電解FeCl2溶液，可得到什么電極產(chǎn)物？[設(shè)計(jì)意圖]該環(huán)節(jié)以微課展開，促進(jìn)學(xué)生對(duì)于已有認(rèn)知模型的調(diào)用，并嘗試以此解決后續(xù)問題，培養(yǎng)學(xué)生的證據(jù)推理與模型認(rèn)知素養(yǎng)；通過高考題創(chuàng)設(shè)廢液再生情境，并引導(dǎo)學(xué)生積極思考如何解決問題，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度與社會(huì)責(zé)任。環(huán)節(jié)二：實(shí)驗(yàn)探究修正模型[過渡]同學(xué)們上述的猜想都能明確說出自己的道理，那么到底事實(shí)是如何的呢？[問題2]基于同學(xué)們的猜想，陽極可能有哪些產(chǎn)物？如何驗(yàn)證？[演示實(shí)驗(yàn)]用U型管盛裝一定量pH=3.50的0.1mol·L-1FeCl2溶液，通過2V電壓的直流電源進(jìn)行電解。一段時(shí)間無明顯現(xiàn)象，在陽極附近滴入KSCN溶液（考慮到Fe2+易被氧化，故選擇在陰極處也滴加等量KSCN溶液，避免因Fe2+自身氧化而帶來的顏色變化），觀察溶液顏色變化情況。[追問1]觀察到什么現(xiàn)象？說明什么？[追問2]Fe3+一定是通過放電生成的嗎？[數(shù)字化實(shí)驗(yàn)]那如何驗(yàn)證呢？我們來認(rèn)識(shí)一個(gè)新的實(shí)驗(yàn)儀器——氯離子濃度傳感器。其可以測定一段時(shí)間內(nèi)氯離子濃度的差異，通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，氯離子濃度無明顯變化。[總結(jié)]結(jié)合前期現(xiàn)象及傳感器數(shù)據(jù)，最終確定陽極的產(chǎn)物為Fe3+。[設(shè)問]電解產(chǎn)物的結(jié)果唯一嗎？下面請(qǐng)看實(shí)驗(yàn)（增加原演示實(shí)驗(yàn)的電壓）。[解釋說明]播放后續(xù)視頻，隨著電壓的增強(qiáng)，陽極開始有氣泡產(chǎn)生，且通過濕潤的淀粉碘化鉀試紙檢驗(yàn)為氯氣。即在電壓的影響下，氯氣是可以生成的，這可能是因?yàn)殡妷旱脑鰪?qiáng)一方面提高了放電離子的遷移速率，另一方面也提高了氯離子的失電子能力。[追問3]如何解釋對(duì)應(yīng)產(chǎn)物的生成？[評(píng)價(jià)]對(duì)于正確思路給予肯定評(píng)價(jià)，鞏固學(xué)生這一認(rèn)識(shí)；對(duì)于可能有學(xué)生提及“異性相吸原理”，及時(shí)以陽極現(xiàn)象作為引導(dǎo)，轉(zhuǎn)變學(xué)生的錯(cuò)誤觀念。[總結(jié)]通過以上實(shí)驗(yàn)探究，充分體現(xiàn)電極上離子的放電順序不是絕對(duì)的或唯一的，應(yīng)從氧化還原反應(yīng)視角，即微粒的得失電子能力去分析電解放電過程。[問題3]通過對(duì)陽極的分析，陰極應(yīng)該有哪些產(chǎn)物，先得到什么？如何驗(yàn)證？[學(xué)生]可能是Fe2+被還原成Fe，可以選擇將其置于稀鹽酸中，觀察是否有氣泡產(chǎn)生；也可能是水電離出的H+被還原成H2。[演示實(shí)驗(yàn)]回到剛剛的電解實(shí)驗(yàn)，用U型管盛裝一定量pH=3.50的0.1mol·L-1FeCl2溶液，通過2V電壓的直流電源進(jìn)行電解。[追問1]觀察到什么現(xiàn)象？說明什么？[學(xué)生]觀察到先產(chǎn)生微弱的金屬光澤，且將陰極石墨置于稀鹽酸中，有大量氣泡產(chǎn)生。[解釋說明]根據(jù)分析，應(yīng)該有體系中的H+先放電。但我們知道，當(dāng)溶液中只有H+和一些金屬離子時(shí)，體系中濃度較大位于氫前面不遠(yuǎn)的金屬（如Zn、Fe等）離子能夠先放電。如在這一體系下，F(xiàn)e2+濃度為10-1mol·L-1，而H+僅為10-3.5mol·L-1，離子濃度具有較大差異，故Fe2+優(yōu)先放電。換句話說，離子濃度也會(huì)影響離子在電極的放電順序。[輔助實(shí)驗(yàn)]同時(shí)，配合pH=1.00時(shí)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，可以看到這一體系一通電即有大量氣泡產(chǎn)生，充分論證這一結(jié)論，即電解過程中的放電順序受離子濃度的影響。[歸納總結(jié)]總結(jié)電解FeCl2溶液所解決的核心問題及其結(jié)論。[設(shè)計(jì)意圖]這一環(huán)節(jié)為該節(jié)課的核心環(huán)節(jié)，通過陰、陽極分析層層遞進(jìn)地探究，由實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象引發(fā)認(rèn)知沖突，再由實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象分析驗(yàn)證，在結(jié)合數(shù)字化實(shí)驗(yàn)逐步推理的過程中，培養(yǎng)學(xué)生的證據(jù)推理與模型認(rèn)知、科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)等素養(yǎng)。環(huán)節(jié)三：系統(tǒng)分析完善模型[情境回歸]回歸電解FeCl2溶液的廢液再生情境，呈現(xiàn)相應(yīng)的結(jié)果。再次強(qiáng)調(diào)離子濃度對(duì)于放電順序的影響。[問題4]通過本節(jié)課的學(xué)習(xí)，相信很多同學(xué)都對(duì)于電解池有r不一樣的認(rèn)識(shí)，那么現(xiàn)在大家能否重構(gòu)電解模型呢？[學(xué)生討論與交流]畫出自己目前所認(rèn)知的電解模型。[評(píng)價(jià)]通過畫出電解模型（如圖3所示）的方式，外顯學(xué)生修正后的認(rèn)知模型并進(jìn)行適當(dāng)評(píng)價(jià)。[設(shè)計(jì)意圖]診斷學(xué)生該節(jié)課的思維發(fā)展情況，通過畫圖外顯學(xué)生的認(rèn)知模型，并及時(shí)評(píng)價(jià)，真正意義上完善模型，充分完成模型的重構(gòu)，關(guān)注課堂生成的意義，發(fā)展學(xué)生的核心素養(yǎng)。環(huán)節(jié)四：情境創(chuàng)設(shè)應(yīng)用模型[過渡]接著，我們來應(yīng)用這一模型解決一些日常生產(chǎn)生活中的問題。[情境1]氯堿工業(yè)——電解飽和食鹽水[問題5]工業(yè)上為什么選用飽和食鹽水電解制備Cl2？稀溶液是否可以？[學(xué)生]考慮到離子濃度對(duì)于放電順序的影響，不可以。[追問]如何影響？[解釋說明]主要關(guān)注陽極失電子的兩大還原性粒子，即Cl-和OH-的失電子能力比較。當(dāng)氯離子濃度足夠大時(shí)，其可以在陽極先放電。[情境2]工業(yè)鍍鋅和電解制備Ca（H2PO4）2[學(xué)生]基于該節(jié)課內(nèi)容，遷移教師分析飽和食鹽水的思路，自主從氧化還原反應(yīng)視角分析能夠得失電子的離子，及其放電順序較為特別的原因，關(guān)注陰極的兩大氧化性粒子，即H+與Zn2+的比較。[總結(jié)升華]當(dāng)然，影響電解放電順序的因素還有很多，我們后續(xù)可以繼續(xù)拓展，也正因如此，才讓電解真正融入到了我們的日常生活生產(chǎn)中，為人類所用。[設(shè)計(jì)意圖]該環(huán)節(jié)圍繞3個(gè)非常重要的問題情境展開，前2個(gè)對(duì)于學(xué)生來說是非