浅析“电解水实验”在不同教学阶段的应用
浅析“电解水实验”在不同教学阶段的应用An Analysis of the Applications of the "Water Electrolysis" in Different Stages of Teaching
秦 蕾 （北京大学附属中学 100190）
摘要：在化学新课程改革教学观念转变的背景下，如何发挥实验在教学中的作用已不容忽视。文章以学科观念的构建为主线，从物质组成、宏观与微观、能量转化等多个角度剖析了贯穿初、高中化学课程的电解水实验在不同教学阶段的应用。
关键词：电解水 实验 学科观念
义务教育阶段的化学课程“可以帮助学生理解化学对社会发展的作用，能从化学的视角去认识科学、技术、社会和生活方面的有关问题……”；高中新课程标准指出：“高中化学课程是科学教育的重要组成部分，它对提高学生的科学素养、促进学生全面发展有着不可替代的作用”。从中不难悟出，中学化学教学不单是传授化学知识，更重要的是引导学生去体会知识内容中所蕴含的化学思想观念以及具有化学学科特点的认识论和方法论。
化学研究物质的组成、结构、性质、变化规律以及变化过程中的定量关系。对于物质的认识是一个由宏观到微观、由定性到定量、由个别到一般的逐步深化的过程。化学作为一门以实验为基础的学科，实验是帮助学生体验学习过程、构建学科观念（“学科观念”可能不大好界定。科学上的一些观念很难说它是哪个学科独有的。）的重要手段。在教学中实验的呈现无疑使得抽象的问题得以具体化、形象化。
教学中怎样通过实验来进一步阐释概念的深层内涵，培养学科的观念和方法呢？例如，在初、高中课程的不同阶段均出现了电解水的实验（如图1所示），下面结合不同教学阶段的具体内容探索电解水实验在教学中的应用。
1 初中阶段——有关物质组成观念的建立
初中教材第三单元课题1中通过电解水实验来帮助学生认识水的组成，从教材内容的设置上，在教学中所起的作用如下：
1.1 以史实启发学生认识研究物质组成的方法
水是生活中不可缺少的物质，但是化学史上对于水组成的认识却经历了很长的时间，18世纪末，在前人探索的基础上拉瓦锡通过对水的生成、让水蒸气通过烧红的枪管得到“易燃空气”的实验，才得出了水不是由一种元素组成的结论。后来人们通过电解水的实验进一步证实了拉瓦锡的结论。
化学发展史上是在17~18世纪，人们才逐渐明确了元素的概念（这句话不通，删去“化学发展史上是”即可。其实，改为“人们到17~18世纪才逐渐明确了元素的概念”更顺些。）——不能分解成更简单物质的东西。对水组成认识过程的介绍，可以启发学生了解不断分解物质直到不能再分解为止，是人类认识物质组成的一种方法，为今后学生对物质组成进行分析提供借鉴的方法。
1.2 在变化中揭示化学反应的实质
通电后电极上出现气泡，经收集后证实分别为氢气和氧气，说明水在通电时发生了变化，试管中生成了完全不同于水的新物质，但是在通电前后参与反应的元素种类并没有变化，从而揭示出化学反应的实质：组成水的元素在反应过程中进行了重组，形成了新物质。
多次实验两试管中所收集的气体体积比总是约为1：2，这个比例关系与组成水的氢、氧元素间一定存在着某种联系，从而为日后高中气体摩尔体积的教学打下伏笔。
1.3 从宏观与微观的角度认识物质的组成
实验中可以得出在宏观上水由氢、氧两种元素组成，从元素的角度为物质分类奠定了基础。从微观的角度来看，显然水的分解不同于水的蒸发，在通电的条件下水能被分解，说明水分子是由更小的微粒组成的，即氢原子和氧原子，此二者是这个化学变化中不能再分的最小粒子；氢原子间、氧原子间重新结合，生成氢气、氧气，进一步呼应：化学反应的实质是组成物质的元素进行了重新组合形成了新物质。
水虽然是学生非常熟悉的物质，但怎样以化学的视角来认识水，学生是陌生的。以电解水的实验为载体，通过对水认知过程的分析，渗透了物质组成认识过程和方法的教育。
（这段的标题是“物质组成观念的建立”，可是文中似乎没有指出“物质组成观念”的内涵，即这种观念对物质组成的基本认识是什么？我认为有关物质组成的观念有两个，即“元素观”和“微粒观”，两者虽有内在联系，但还是应分述。文中有这层意思，但提得不够明确。故建议标题加“有关”二字。）
下面的阐述是我对“科学观念”的认识，供你参考：“科学观念”是指人们对自然界物
质运动变化规律的最基本的认识，它是在一定的“视角”下形成的，它不仅仅是自然科学基础知识，更是人们头脑中的观点，这种观点是稳固的，是人们对于外来信息的刺激做出反应的基础。比如，与“能量”有关的“科学观念”有：“任何形式的运动和变化都需要能量”、“能量既不能创生也不能消灭，而只从一种形式转化为另一种形式”……；与“尺度与结构”有关的有：“物质的性质不仅与结构有关，还与尺度有关”…….；与“稳定性”有关的有：“物质体系自发地发生变化的方向，总是由相对不稳定的状态，变为相对稳定的状态；其限度是由始态的相对不平衡到达终态的相对平衡”；与“物质组成”有关的有：“宏观上－由元素组成”、“微观上－由原子、分子等微粒组成”…..等等。
要说明的是，“科学观念”的涵盖面比“学科观念”大，也更具普适性。比如，有关“能量”、“稳定性”、“尺度与结构”等方面的观念，都是跨学科的，很难说它们是物理学科的还是化学学科的。
2 必修1阶段——架构宏观与微观的桥梁
高中必修1第一章第二节中以电解水实验作为气体摩尔体积概念教学的引入。通过实验观察不同时间试管内气体体积的变化和推算得出在相同温度和压强下，1molO2和H2体积相同的结论，从而引出气体摩尔体积的概念，教学过程如下图所示。
电解水的实验将气体摩尔体积概念的形成过程直观化，变抽象的宏观气体体积与微粒数目间的关系形象化，进一步架构了宏观与微观的桥梁，为科学研究和实际生产中气体间的定量关系作了更为明确的阐释。关系如下：
3 必修2阶段——可以成为能量转化观念的例证
高中必修2第二章第二节化学能与电能的教材中，以居我国发电总量首位的火电为能量转化的线索开展教学，过程中能量的转化关系如下：
在如此复杂的能量过程转换之余，人们不得不面对较低的能源利用率和日益严重的污染问题。若能在此处引入电解水实验作为原电池概念教学的铺垫，将帮助学生更直观地体会化学能与电能间的相互转化过程。（“之余”指的是什么？这句话不通，且与后文联系不密切，可删去）
上段文字可改为：
可以看出，在火力发电的过程中，电能是燃料燃烧释放的能量－化学能经多次转化得到的。电解水实验的引入可帮助学生直观地体会到化学能与电能之间的相互转化。
实验名称 电解水 氢氧燃料电池
实验过程
示意
闭合S1，打开S2，进行电解
打开S1，闭合S2，二级管发光
能量转化 电能→化学能 化学能→电能
电极反应 阴极：4H++4e-=2H2↑
阳极：4OH--4e-=O2↑+2H2O 负极：2H2-4e-=4H+
正极：O2+2H2O+4e-=4OH-
化学反应 2H2O2H2↑+O2↑ 2H2+O2=2H2O
实验过程先是电解水，学生感知电能向化学能转变的过程。然后变化连接的电路，观察到在没有外接电源的闭合电路中二极管发光，引导学生分析此现象产生的原因，是由于附着在电极上的H2和O2发生反应，化学能向电能发生了转化。电解水实验的引入，并于二者的对比中突出了能量间的转化过程，成为促使学生形成能量转化观念的重要例证。
4 化学反应原理阶段——能量转化观念的深化
化学反应原理第四章第三节电解池的概念教学更是电解水这一实验内涵的拓展和深化。
4.1 电解是强制（用“强制”不准确）发生氧化还原反应过程的体现
（标题改为“电解是外界提供电能使氧化还原反应发生的过程”，可能好一些）
水发生分解反应的热化学方程式为：2H2O（l）= 2H2（g）+ O2（g），△H=571.6kJ/mol，因为△H＞0，所以必需提供能量才能使水发生分解。在研究如何使水分解的过程中可以采用多种方法来提供能量，如高温、太阳能、电解等，其中电解是在通常情况下强制水发生分解的有力手段，但由于能耗较大，从能量利用而言得不偿失（怎样理解这句话？是否有科学性的毛病？需仔细考虑。），因此水的分解技术尚待进一步研发。
（开发水分解技术的目的是为了获取清洁燃料“氢”。水分解必定要外界提供能量才能发生，一定量的水分解所需的.能量也是一定的。因此，无论怎样的技术都不可能“节省”能量。需要研发的可能主要是如何开发低成本又清洁的能源，如太阳能、风能等；还有是如何提高能源的利用率，即较高的能量转化率；再有就是如何在不“苛刻”的条件下实现能量的转化，即催化剂的研发等。）
4.2 电解是微粒（直接用“离子”。还是用“微粒”，有的电解是消耗金属电极的，如精炼铜）得失电子难易过程的体现
（标题不大顺，改为“电解的过程体现了微粒得失电子的难易程度”可能好一些。）
电解质的水溶液中一定（删去）同时存在着溶质与溶剂的电离，在相同的条件下给予电压，阴、阳两极上哪种微粒获得或失去电子，是电极材料与溶质、溶剂电离出的阴、阳离子得失电子难易的较量（“较量”有点拟人的味道，我个人不主张这种表述。另外，离子在电解过程中是否放电，不仅取决于得失电子的难易，还与它们在溶液中的浓度有关。这段文字可再斟酌）。
阴、阳两极上微粒得失电子能力由强到弱的顺序为：
得电子：Ag+>Fe3+>Hg2+>Cu2+> H+ >Pb2+ >Sn2+>Fe2+>Zn2+>Al3+>Mg2+>Na+ >Ca2+>K+
失电子：金属阳极>S2－>I－>Br－>Cl－> OH－ >SO42－>NO3－>F－
当微粒的放电能力均强于水电离出的H+、OH-时，水不参加电解，反之，水电离出的H+或OH-必然参加电解的过程，因此在水溶液中进行的电解离不开水的电解（这句话有点费解，可删去），其实质是微粒得失电子难易过程（改为“程度”）的体现。
（感觉第4部分的立意不错—“能量转化观念的深化”。但从4.1和4.2阐述的内容看，与“能量转化观念的深化”联系得不够紧密，或者说阐述得不够清楚。是否要先明确学生关于能量转化观念的“深化的点”在何处，4.1和4.2的侧重又各在哪里，再进行论述—扣紧“观念的深化”。）
5 高三复习阶段——学科观念的整合
电解水实验的内涵随着学生基本知识的积累、基本技能的提高，化学的学科观念在逐步进行渗透。
5.1宏观与微观的思想
宏观与微观的联系是化学学科不同于其他科学的最（加：具）特征性的思维方式，在初、高中化学学习的不同阶段，电解水实验内涵的诠释不但体现了宏观与微观的思想，而且将认识物质的两个角度有机地结合了起来。
教学阶段 化学概念 宏观概念 微观概念
初中 物质组成 元素 分子、原子
必修1 气体摩尔体积 气体体积 气体分子数目
必修2 能量转化 化学能与电能的相互转化 电子转移
化学原理 电解池 电能转化为化学能 微粒得失电子能力的强弱
5.2守恒与变化的思想
引导学生透过现象，深入理解学科知识的内涵是一个非常重要的教学环节。化学学科的魅力所在便是在“变化”中渗透着“不变”，即守恒的思想，因此需要透过实验表象，深入挖掘学科的核心思想。
教学阶段 化学概念 过程变化 守恒
初中 化学变化 有新物质生成 反应前后元素守恒、原子守恒
必修1 气体摩尔体积 温度、压强影响气体体积大小 温度、压强不变分子间距不变
必修2 能量转化 能量转化方式的多样性 能量守恒
化学原理 电解池 电能转变为化学能 电子转移守恒
5.3 能变、质变与量变的思想
在学生学习化学的不同时期，电解水实验出现时的内涵各有侧重，是一个随着学生知识与能力的增长而不断“变化和发展”的实验。从最初揭示物质组成时的质变，发展到气体摩尔体积概念建立时的量变；透过一个常见氧化还原反应发生的过程，深入到化学变化中旧键的断裂与新键的生成，并最终表现为能量的转化。究其实质化学反应发生的过程中能量变化起着主导作用，量变和质变是能量变化的宏观表象。
（这段文字中，“质变”较好理解；而在上一段里刚述及化学反应中的若干“守恒”，因此，“量变”指的是什么，似应给以阐明。另外，对“量变和质变是能量变化的宏观表象”这一结论性表述是否合适，我还没考虑好。化学反应中“能量变化的宏观表象”肯定不只是“物质的量变和质变”。不过，我暂时还提不出这段文字怎样阐述更好的建议。）
纵观电解水实验在不同教学阶段的应用，可以看出化学学科对学生知识、能力和观念的培养是一个由浅入深的过程，不是单一的“谁变成谁”的过程，而是一个由内及外、从能变到质变、量变的过程，并且在宏观物质和能量的变化中蕴涵着微粒间的守恒关系。学科观念整合的高三阶段就是在认识螺旋上升过程中，引导学生对化学反应进行多层面、多维度的剖析，进一步学习以学科的视角来看待问题、以学科的观念来分析问题、以学科的方法来解决问题。
（第5部分论述的是“学科观念”整合，能否考虑在提法上把“学科观念”纳入“科学观念”。）
成文过程中得到陈康叔教授、何彩霞教授的指导，在此致以诚挚的感谢！
参考文献：
[1]张礼聪、柯友良.化学教学中实施“观念建构为本”教学设计的探索[EB/OL]. ，2007-12-10
[2]倪萌M K H Leung K Sumathy.太阳能制氢技术[J].可再生能源，2004，（3）：29-31
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