以真实工业生产为情境的教学设计与实施

摘要

以电解池单元为例，将该单元设计为三课时，参观真实工业生产车间（电解制锌），学习电镀工艺、氯碱工业以及硫酸钠废水处理，在完成挑战性任务的过程中发展解决实际问题的能力。学生进入真实工业生产车间参观学习，抽提出电解模型，通过“电镀工艺”检验模型，通过“氯碱工业”完善模型，通过“硫酸钠废水处理”深化应用模型，让学生在真实的生产情境中获得必备知识，建立起模型认知能力，培养学生的科学探究与创新意识。

Graphical abstract

关键词

真实情境 / 工业生产 / 电解池 / 跨学科实践 / 模型认知

《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》对电解内容要求“认识化学能可以与电能之间相互转化，认识化学能与电能相互转化的实际意义及其重要作用，了解电解池的工作原理，认识电解在实际物质转化和储存能量中的具体应用”。新课程理念倡导“做中学”“用中学”“创中学”。带领学生开展跨学科实践活动，学生进入工厂参观，打通科学与技术的鸿沟，建立电解模型，并在学习电镀、氯碱工业等内容后，进一步发展模型认知能力^［1］；学生不仅增加了学习兴趣，还获得了必备知识。

1 教学内容分析

1.1 内容分析

本单元共三课时，通过参观真实工业生产车间（电解制锌），学习电镀工艺、氯碱工业以及硫酸钠废水处理，学生在真实的生产情境中获得必备知识，并通过完成挑战性任务发展解决实际问题的能力。

（1） 第一课时：带领学生参观学校附近的九华冶炼厂电解制锌车间。初中教材中的电解水和必修教材中的金属冶炼均涉及电解，学生已有电解池的前概念。此外，学生刚系统学习了原电池，掌握了电子导体、离子导体导电问题以及电极方程式的书写。在参观过程中，学生仔细观察车间设备，思考工作原理，并积极提问，工程师耐心解答，帮助学生在真实生产背景下深入思考，逐渐建立电解模型。参观结束后，要求学生绘制电解制锌的电解池模型图，并在课堂教学中进行展示。

（2） 第二课时：学生展示并分析自己绘制的电解池模型图。通过化学史料“锌币镀铜”实验，学生亲自动手操作，对宏观电极材料的选择、微观离子移动方向以及离子的变化有了更深入的理解，并能够用电极反应方程式进行表征。这一过程有效检验了学生刚建构起来的电解模型。通过预测并实施惰性电极电解饱和食盐水实验，学生得出放电顺序：Cl^->OH^-；H⁺>Na⁺，培养学生证据推理的意识。

（3） 第三课时：学生分析电解饱和食盐水的原理，为了碱能在阴极导出，防止氢氧根离子迁移到阳极区与氯气反应，必须用阳离子交换膜，从而完善电解模型。通过对电解硫酸钠溶液进行分析，学生改进实验装置，设计出双膜电解实验装置。在电解过程中，除了得到氢气和氧气外，还能同时得到硫酸和氢氧化钠。引导学生进行探究，寻找电解时离子的运动规律，培养学生深度应用电解模型解决真实问题的能力，发展学生的科学探究与创新意识。

1.2 素养呈现

通过参观电解制锌车间，学生自主建构电解装置模型，发展“宏观辨识与微观探析”“证据推理与模型认知”素养；在“锌币镀铜”的真实史料中检验学生建立的模型，并在电解饱和食盐水时应用该模型，培养学生的证据推理能力；通过氯碱工业的学习，进一步完善模型，最终设计出双模电解实验装置，培养学生的“科学探究与创新意识”素养。

2 学情分析

本节课的授课对象为高二选修化学的学生，他们已经学习过氧化还原反应、离子反应和原电池的原理等知识，并在初、高中阶段多次接触电解相关内容。但是学生对电解池的工作原理及应用的理解并不深入，尤其是处理真实问题时能力欠缺。选择性必修教材要求学生从氧化还原反应的本质分析电解池的工作原理，正确书写电极反应式，并深度理解知识，以进一步掌握氧化还原反应原理，激发其利用理论知识解决实际问题的能力。教材中的静态知识难以直接转化为学生的核心素养。因此，带领学生进入工厂，模拟实际生产过程，让学生设计并动手实验，在真实情境中修正前概念，从而形成解决实际问题的能力。

3 教学目标

（1） 通过参观电解制锌车间，自主建构电解装置模型。

（2） 通过“锌币镀铜”活动，初步设计简单的电解池，检验建构的模型。

（3） 通过电解饱和食盐水，尝试应用模型解决实际问题，探讨离子的放电顺序与其氧化性、还原性的关系，解释或推测电解反应的产物^［2］，并能用电极反应式和总反应式进行表征。

（4） 依据氯碱工业中用阳离子交换膜电解氯化钠溶液，进一步完善模型。

（5） 通过“硫酸钠溶液变废为宝”的实验设计与实施，达到深度应用模型。

4 教学实录

4.1 第一课时（活动课）

环节一：走进九华冶炼厂。

带领兴趣小组的学生参观九华冶炼厂。学生首先接受安全教育和劳动教育，要求他们在参观中思考电解过程，发现与自己想象不符的地方，及时提出问题。

设计意图：让学生进入工厂，感受真实的生产环境，体会劳动的价值，同时了解化学在工农业生产中的重要地位，培养学生对化学的热爱，发展“科学态度与社会责任”这一学科素养。

环节二：工程师介绍电解制锌原理。

电解时，含硫酸锌的溶液循环进入电解槽，析出锌的极板与电源负极相连，因为Zn²⁺得到电子变成锌单质。从理论分析，析出锌的极板可以用什么材料？

【工程师点拨】与电源负极相连的电极称为阴极。理论上，任何金属都可以用作阴极材料，但我们工厂实际使用的材料是在铜片外包覆铝的极板。铜的导电性很强，但选择这种材料还需要考虑成本因素，同时要便于锌从极板上剥离。请猜一猜与电源正极相连的极板是什么材料？

【学生回答】是石墨。因为极板是黑色的，且石墨在电解过程中不会被消耗。如果是常见金属，它们容易失去电子并溶解到溶液中，这将导致电解制锌的过程失去意义。

【工程师点拨】在电解过程中，与电源正极相连、发生氧化反应的电极被称为阳极。在我们车间，阳极材料使用的是银铅化合物，属于惰性电极。阳极表面黑乎乎的，那是电解时生成的氧化物、硫化物等复杂化合物。虽然惰性阳极材料本身不发生反应，但该电极上是否有反应发生？

【学生回答】有反应发生。阳极附近有大量气泡产生，阳极板上发生的是失电子的氧化反应，所以生成的气体不可能是氢气，应该是氧气。

【课后作业】利用课余时间画出看见的电解槽，并准备在课堂中分享。

设计意图：真实的生产环境，既激发了学生学习的兴趣，激活了学生大脑中原有的知识，也让学生学会从化学视角分析和解决实际问题，在活动中促使学生主动建构电解模型^［3］。

4.2 第二课时

环节一：建构电解模型（电解制锌）。

【任务】回忆在化工厂的参观情况，各小组展示课余时间画出的电解槽，分析电解制取锌时离子移动的方向，写出两个电极反应方程式。

【学生分析】在电解时，Zn²⁺向阴极移动，SO₄^2-向阳极移动。阴极：\mathrm{Z}{\mathrm{n}}^{\mathrm{2}+}+\mathrm{2}{\mathrm{e}}^{-}=\mathrm{Z}\mathrm{n}；阳极：\mathrm{2}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}-\mathrm{4}{\mathrm{e}}^{-}={\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}\uparrow +\mathrm{4}{\mathrm{H}}^{+}。

设计意图：通过让学生分析电极反应及离子移动方向，有利于学生掌握核心知识，帮助学生从宏观与微观相结合的视角看待电解，建立起电解的模型。

环节二：检验电解模型（电镀）。

【情境】20世纪80年代，美国出现了较为严重的通货膨胀，而且世界范围内铜金属短缺，美国铸币厂计划用锌等廉价金属来铸造货币，再给货币镀上金属铜。

【任务1】若你是一位工程师，想一想怎样实现在锌币上镀铜？实验探究，验证猜想。

设计方案：①锌直接与硫酸铜溶液反应；②通过电解硫酸铜进行电镀。教师提供锌片和硫酸铜溶液，各小组按方案①进行实验，发现锌表面覆盖了一层红色的东西，比较粗糙，容易脱落，有的小组发现用镊子夹的时候，锌片断开。

引导学生思考：如果通过类似于工厂看见的析出锌的方法进行电镀，锌制品该与外界电源哪个电极相连？怎么才能保证电镀时溶液中的铜离子浓度几乎不变？锌制品应该与外界电源负极相连，Cu²⁺在该极得到电子析出，要想保证稳定的铜离子浓度，可以用铜做阳极。

【任务2】学生实验（图1）。阴极为锌制品，阳极为铜片，电镀液为CuSO₄溶液。

【任务3】请独立书写电镀铜过程中所发生的电极反应方程式。

阳极：\mathrm{C}\mathrm{u}-\mathrm{2}{\mathrm{e}}^{-}\stackrel{}{̿}\mathrm{C}{\mathrm{u}}^{\mathrm{2}+}；阴极：\mathrm{C}{\mathrm{u}}^{\mathrm{2}+}+\mathrm{2}{\mathrm{e}}^{-}\stackrel{}{̿}\mathrm{C}\mathrm{u}。

设计意图：以化学史料为情境，让学生进行角色扮演，通过设置挑战性的任务，并基于任务开展分析、实验等多种活动，在完成任务的过程中发展学科核心素养。

环节三：应用电解模型（电解饱和食盐水）。

【情境】电解在我们日常生活中、工农业生产中有着广泛的应用，展示我国最早建立的上海天原化工厂的图片，并介绍氯碱工业产品的应用。采用惰性电极电解饱和食盐水时，溶液中有哪些离子，离子又如何移动？

【学生分析】饱和食盐水中有H⁺、Na⁺、Cl^-、OH^-，通电时H⁺、Na⁺移向阴极，Cl^-、OH^-移向阳极。根据电解原理，电解饱和食盐水时阴、阳极上放电的离子分别是H⁺、Cl^-。

【任务1】检验惰性电极电解饱和食盐水时两极产物，并写出电极反应方程式。

创新实验：在表面皿上用滤纸蘸饱和食盐水，两端分别用铅笔芯做电极，在电极附近各放一张pH试纸，用湿润的淀粉碘化钾试纸检验两极产物。学生观察现象，发现阳极区淀粉碘化钾试纸变蓝，说明有氯气产生，阴极区pH试纸变成很深的黑色。

【任务2】分析阴阳两极离子放电顺序。

【学生分析】阳极离子放电顺序Cl^->OH^-；阴极离子放电顺序H⁺>Na⁺。

【任务3】写出两极反应、总反应化学方程式及离子反应方程式。

阳极：\mathrm{2}\mathrm{C}{\mathrm{l}}^{-}-\mathrm{2}{\mathrm{e}}^{-}\stackrel{}{̿}\mathrm{C}{\mathrm{l}}_{\mathrm{2}}\uparrow（氧化反应）；

阴极：\mathrm{2}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}+\mathrm{2}{\mathrm{e}}^{-}\stackrel{}{̿}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\uparrow +\mathrm{2}\mathrm{O}{\mathrm{H}}^{-}（还原反应）；

化学方程式：\mathrm{2}\mathrm{N}\mathrm{a}\mathrm{C}\mathrm{l}+\mathrm{2}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}\stackrel{\mathrm{电}}{̿}\mathrm{2}\mathrm{N}\mathrm{a}\mathrm{O}\mathrm{H}+\mathrm{C}{\mathrm{l}}_{\mathrm{2}}\uparrow +{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\uparrow；

离子方程式：\mathrm{2}\mathrm{C}{\mathrm{l}}^{-}+\mathrm{2}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}\stackrel{\mathrm{电}}{̿}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\uparrow +\mathrm{C}{\mathrm{l}}_{\mathrm{2}}\uparrow +\mathrm{2}\mathrm{O}{\mathrm{H}}^{-}。

【教师总结】电解饱和食盐水可以制备烧碱、氢气和氯气，电解饱和食盐水的工业生产叫氯碱工业。

设计意图：通过预测惰性电极电解饱和食盐水实际的电解过程，以及对电解产物的检验，学生得出放电顺序：Cl^->OH^-；H⁺>Na⁺，培养学生证据推理的意识，发展学生应用电解模型的能力。

4.3 第三课时

环节一：完善电解模型（单膜电解氯化钠溶液）。

【情境】工业上通过电解法生产氯碱如何实现连续生产？

【任务1】展示实验室电解饱和食盐水的微型实验装置（图2），分析优缺点，如何改进为工业生产？

【学生分析】在实际工业生产中要避免Cl₂与NaOH溶液接触发生反应。（反应方程式：\mathrm{C}{\mathrm{l}}_{\mathrm{2}}+\mathrm{2}\mathrm{N}\mathrm{a}\mathrm{O}\mathrm{H}\stackrel{}{̿}\mathrm{N}\mathrm{a}\mathrm{C}\mathrm{l}+\mathrm{N}\mathrm{a}\mathrm{C}\mathrm{l}\mathrm{O}+{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}）；还要避免生成物H₂和Cl₂混合，因两者混合遇火或遇强光容易发生爆炸。

【教师点拨】在实际工业生产中，有阴、阳离子交换膜，能让相应的离子通过，而电性不同的离子不能通过，氯碱工业装置如图3所示。

【任务2】分析氯碱工业应该用哪一种交换膜最合适。

【学生分析】为了得到纯净产品，防止OH^-和Cl₂接触，必须用阳离子交换膜。使用阳离子交换膜将电解槽隔成阴极室和阳极室，它只允许阳离子（\mathrm{N}{\mathrm{a}}^{+}）通过，而阻止阴离子（\mathrm{C}{\mathrm{l}}^{-}、\mathrm{O}{\mathrm{H}}^{-}）和气体通过。这样既能防止阴极产生的H₂和阳极产生的Cl₂相混合而引起爆炸，又能避免Cl₂和NaOH作用生成NaClO而影响烧碱的质量^［4］。

设计意图：利用氯碱工业装置，引导学生通过微观离子移动分析实际问题，加深对氯碱工业的理解，同时通过真实的问题情境，引导学生开展实验探究活动，将理论知识运用到实际的解决问题中，体验科学探究的乐趣，更好地落实“科学探究”核心素养。

环节二：深度应用模型（变硫酸钠废水为宝）。

【情境】将上述装置中饱和食盐水替换为硫酸钠溶液，可以制备烧碱吗？

【任务1】分析该装置电解硫酸钠溶液，并写出阴极电极反应方程式。

【学生分析】硫酸钠溶液中Na⁺向阴极移动，H⁺的氧化性比Na⁺强。在阴极产生氢气，同时可以产生NaOH，电极反应为：\mathrm{2}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}+\mathrm{2}{\mathrm{e}}^{-}\stackrel{}{̿}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\uparrow +\mathrm{2}\mathrm{O}{\mathrm{H}}^{-}。

【任务2】阳极若想得到较纯净的硫酸溶液可以利用所学离子交换膜知识如何改进？

【学生分析】阳极要想得到较纯净的产品可以再使用一层阴离子交换膜将阳极区与原料隔开。

【任务3】各小组讨论并设计出能用于变硫酸钠废水为宝的实验装置。

实验装置如图4所示。从中间区加硫酸钠溶液，电解时，左边为阳极，水电离出的氢氧根离子失去电子，变成氧气，硫酸根离子向左移动，在左边可得到较纯净的硫酸。右边为阴极，水电离出的氢离子得到电子，变成氢气，溶液中可得到较纯净的氢氧化钠。

【任务4】展示双模三池电解池。

设计意图：理论变为实践需要经过很多的再设计，各种离子交换膜在实际生产、生活中具有广泛的应用价值，让学生认识现代科技的新应用，这正是核心观念统领教学蕴含深层次理解和应用知识的一个体现。

5 教学反思

本单元共安排3课时，通过带领学生进入电解制锌车间，在实际生产中进行教学，学生全身心投入学习中，在工程师的点拨中主动建构起电解的认知模型，将电极反应、离子移动方向等核心知识与氧化还原及原电池原理知识结构化。通过化学史中“锌币镀铜”等挑战性任务，让学生检验自己建构起来的电解模型。以氯碱工业生产为情境，让学生在分析电解饱和食盐水过程中，理解离子放电顺序，应用模型去解决实际问题。为了得到更纯净的产品、防止发生危险并实现连续生产，在实际生产中电解饱和食盐水时需使用阳离子交换膜。最后通过“变硫酸钠废水为宝”这一挑战性任务，学生在电化学认识的广度、深度和条理性上得到更大发展。

参考文献

[1] 王菲菲，毕华林.系统思维指导下绿色化学教育的目标与实施策略［J］.化学教育（中英文），2024，45（05）：5-11.

[2] 杨玉芬.基于“证据推理与模型认知”的化学概念教学实践：以“氧化还原反应及其应用”为例［J］.中学化学教学参考，2023（11）：20-25.

[3] 胡绮妙.基于“多元导学”的酸碱盐复习的探索：以“探究氢氧化钠变质”复习课为例［J］.化学教学，2017（02）：44-49.

[4] 刘长军，席跃超.“电解”多媒体教学设计片段［J］.化学教学，2008（05）：42-44.

基金资助

安徽省教育装备课题“现代教育技术支撑下高中理科跨学科实践教学的实施研究”(ZB23049)

池州市教育科学研究课题“学科融合视域下高三化学复习教学实践研究”(JK2024016)