基于真实问题情境下的高中实验精品课教学设计

关键词：高中化学；实验改进；科学探究；工业生产

中图分类号：G633.8    文献标识码：B    文章编号：1009-010X（2024）02-0061-04

一、学情分析

氯碱工业是高中化学教材详细介绍的化学工业之一，电解饱和食盐水是氯碱工业中的重要反应，也是高中化学课堂教学中一个非常重要的实验。不同版本教材对于电解饱和食盐水实验的呈现也有所不同，具体情况见表1。

对比可知，除了人教版教材在选修1中直接给出氯碱工业使用离子交换膜电解饱和食盐水的原理示意图外，苏教版、鲁科版、沪科技版三个版本教材在必修或选修阶段均选择在此之前设置了电解饱和食盐水的实验，并给出相应的实验装置图。相比之下，有关此内容人教版教材的设置无疑是更有难度，但同时也为我们师生留出了更多的空白。

学生虽然已经基本掌握电解原理，知道常见物质的检验方法，能对简单的问题进行分析。但是学生对于电解原理的知识，仅仅停留于书本表面，并没有一个感性的认识。本节实验教学精品课旨在利用所学知识，来解决真实的问题情景，模拟将电解饱和食盐水实验从实验室迁移到真正的氯碱工业的过程，让学生实现从书本知识到实际生产的过渡，从而将化学核心素养落到实处。

二、实验教学目标

懂原理会分析：通过电解饱和食盐水实验的教学，巩固电解原理，让学生掌握电极反应式的书写，学会检验电解产物的方法，进一步构建认知模型。

能设计真探究：通过小组合作，设计、评价、优化并实施实验方案，体会科学探究的过程，培养创新思维能力。

会应用有态度：能将所学知识运用于真正的生活、生产中，积极承担社会责任。

三、实验教学重、难点

实验教学重点：电解原理的应用，电极反应的分析和表征。

实验教学难点：实验改进方案的设计及优化。

四、实验教学过程

（一）实验导入，激发兴趣

【师】现场演示趣味小实验“会吐泡泡的锡纸”，将两片锡纸分别接在电池的正负极上，用手捏住，然后再将其放入到盛有饱和食盐水的塑料小碗中，观察到锡纸的表面“吐”出很多小气泡，就好像在水下呼吸一样（见图1）。

【师】这个趣味小实验利用了什么原理？

【生】电解池。

【师】请写出电极反应式和总反应式，并思考各个产物该如何检验？

【生】某学生作答结果（见图2）。

（二）分析装置，发现不足

【师】能否将该装置放大化投入量产？存在哪些不足之处？请小组讨论并完成在学案上。（提示：可以从安全性、产品检验、产品纯度等三个方向进行思考）

【生】进行小组讨论，完成学案上的相应内容。

教师投屏展示了两个小组的成果，并引导学生一起进行分析评价，最终总结出如下几条不足之处。

（三）设计实验，解决问题

【师】针对以上不足，继续进行小组讨论，设计改进方案，在学案上画出简易装置图。

【生】小组讨论，设计改进方案，画简易装置图。

教师投屏展示了两组比较有代表性的改进方案（见图3和图4），并和学生一起进行分析评价。

【师】改进方案1有哪些优缺点？

【生1】利用盐桥实现了阴阳两室的分离，避免了H2、Cl2混合爆炸和Cl2、NaOH溶液反应产生杂质，并且实现了Cl2和NaOH的检验，这是该方案的优点。

【生2】其缺点是Cl2没有进行尾气处理，会污染空气，H2也不好检验。

【师】那改进方案2呢？

【生3】方案2利用具支U型管，将Cl2通入NaOH溶液中实现了Cl2的尾气处理，并且利用小试管收集H2，再进行爆鸣实验，实现了对H2的检验，正好弥补了方案1的不足。

【师】右上的小方框（湿润的淀粉-KI试纸）代表什么意思？谁来解释一下。

【生4】这里代表的意思是不检验的时候将导管通入NaOH溶液中来吸收Cl2，检验时就将导管取出靠近湿润的碘粉-KI试纸。

【生5】取出导管检验Cl2时同样也会造成Cl2的少量泄漏。

【师】是的，这位同学质疑地非常好！接下来请同学们思考，能否将Cl2的检验和吸收组合在同一个连续的装置里？

【生6】可以在中间加一个硬质玻璃管，用来放置湿润的淀粉-KI试纸。

【师】非常棒！请同学们仔细观察一下L型导管的长短和孔径，能否将湿润的淀粉-KI试纸放入其中呢？

【生】可以。

【师】这样一来，我们就相当于巧妙地给实验装置进行了一点小瘦身处理。除此之外，老师提醒大家用该方案中的方式检验H2时，需要集满一小试管的H2，耗时较长。有没有其它更简单的方式呢？

【生7】可以将H2通入到肥皂水中，再用点燃的火柴靠近肥皂泡，看是否有爆鸣声出现。

【师】请同学们完善一下实验装置图（见图5）。其优点是利用一体化装置实现Cl2的尾气处理和三种产物的全部检验。当然，该方案同样存在不足，哪位同学继续评价一下？

【生8】阴阳两室分开但未实现完全分离，可以避免H2、Cl2混合爆炸，但是电解时间稍长，Cl2和NaOH溶液仍然会通过盐桥接触发生反应产生杂质。

（四）整合方案，优化实验

【师】请同学们继续思考能否将上述两组方案进行整合，进一步优化实验？

【生9】可以将盐桥植入到U型管中间，即只在U型管下端部分填充含有饱和KCl溶液的琼脂（见图6）。

【师】非常好！盐桥制作比较麻烦，耗时较长，咱们可以用果冻来代替。经查阅文献可知，果冻作为一种凝胶，里面的电解质如山梨酸钾等可以导电，且低浓度果冻的离子迁移速率与溶液中相差不大。接着请同学们进行分组实验。

【生】进行分组实验，实验结束后，各个小组大都观察到了以下实验现象，阴极溶液迅速变红，湿润的淀粉-KI试纸变蓝，用点燃的火柴靠近肥皂泡，有爆鸣声。另外，还有部分学生注意到湿润的淀粉-KI试纸先变蓝后褪色。

【师】为什么湿润的淀粉-KI试纸先变蓝后褪色呢？我们可以利用方程式来解释其原因。

变蓝：Cl₂+2I^-=I₂+2Cl^-

褪色：Cl₂和H₂O反应

Cl₂+H₂O＝HCl+HClO（漂白性）

Cl₂和I₂反应5Cl₂+I₂+6H₂O=10HCl+2HIO₃

【师】盐桥和果冻本质上是离子交换，但需要再生。以盐桥为例具体分析，并引导学生思考，为获取纯净的氢氧化钠溶液，还应采取哪些操作？

【生10】用饱和NaCl溶液溶液浸泡的盐桥。

【生11】在阴极室中注入纯水（含少量NaOH，增加导电性），而不是饱和NaCl溶液。

（五）结合工业生产，实验再优化

【师】现在能否将该装置放大化投入量产？

【生】原则上应该是可以的，但是盐桥需要再生，在生产过程中不太方便，可以使用离子交换膜。

【师】和学生一起探讨离子交换膜种类的选择，并总结出其工作原理为离子选择性透过，不需要再生。

【师】由此，我们结合工业生产，对实验进行了再优化，实验装置图如下（见图7），接下来进行演示实验。

【师】实验结束以后，播放小视频《氯碱产业的中国“芯”》，东岳离子膜的诞生标志着中国成为世界上第三个拥有这项核心技术的国家，从此中国氯碱工业实现了全国产化，三十年受制于人的历史被彻底改写。由此，进一步对学生进行爱国主义教育，增强民族自豪感。

（六）课后实践，应用巩固

【师】结合所学内容设计实验方案，自制家用84消毒液。

【生】某小组同学使用盛有饱和食盐水的家用塑料罐当电解池，用新鞋内的塑料泡沫和胶带将其密封，并在上方钻两个小孔，插入两根两头均削好的铅笔，用铅笔芯代替石墨棒做电极，真正实现了对知识的迁移运用（见图8）。

五、实验教学反思

本节实验教学精品课的设计未聚焦于实验的创新与改进上，而是踏踏实实以学生为主体，基于真实的问题情境，立足于氯碱工业谈电解饱和食盐水的实验探究。以趣味小实验导入新课，再通过小组合作，让学生自主设计、评价、优化并实施实验改进方案，亲身体会科学探究的过程，实现从实验室到工业生产、从书本知识到实际应用的转变，将化学核心素养落到实处。

亮点1：立足工业生产谈实验探究

亮点2：落实核心素养