An Analysis of the Applications of the "Water Electrolysis" in Different Stages of Teaching
秦 蕾 （北京大學附屬中學 100190）
摘要：在化學新課程改革教學觀念轉變的背景下，如何發揮實驗在教學中的作用已不容忽視。文章以學科觀念的構建爲主線，從物質組成、宏觀與微觀、能量轉化等多個角度剖析了貫穿初、高中化學課程的電解水實驗在不同教學階段的應用。
關鍵詞：電解水 實驗 學科觀念
義務教育階段的化學課程“可以幫助學生理解化學對社會發展的作用，能從化學的視角去認識科學、技術、社會和生活方面的有關問題……”；高中新課程標準指出：“高中化學課程是科學教育的重要組成部分，它對提高學生的科學素養、促進學生全面發展有着不可替代的作用”。從中不難悟出，中學化學教學不單是傳授化學知識，更重要的是引導學生去體會知識內容中所蘊含的化學思想觀念以及具有化學學科特點的認識論和方法論。
化學研究物質的組成、結構、性質、變化規律以及變化過程中的定量關係。對於物質的認識是一個由宏觀到微觀、由定性到定量、由個別到一般的逐步深化的過程。化學作爲一門以實驗爲基礎的學科，實驗是幫助學生體驗學習過程、構建學科觀念（“學科觀念”可能不大好界定。科學上的一些觀念很難說它是哪個學科獨有的。）的重要手段。在教學中實驗的呈現無疑使得抽象的問題得以具體化、形象化。
教學中怎樣通過實驗來進一步闡釋概念的深層內涵，培養學科的觀念和方法呢？例如，在初、高中課程的不同階段均出現了電解水的實驗（如圖1所示），下面結合不同教學階段的具體內容探索電解水實驗在教學中的應用。
1 初中階段——有關物質組成觀念的建立
初中教材第三單元課題1中通過電解水實驗來幫助學生認識水的組成，從教材內容的設置上，在教學中所起的作用如下：
1.1 以史實啓發學生認識研究物質組成的方法
水是生活中不可缺少的物質，但是化學史上對於水組成的認識卻經歷了很長的時間，18世紀末，在前人探索的基礎上拉瓦錫通過對水的生成、讓水蒸氣通過燒紅的槍管得到“易燃空氣”的實驗，才得出了水不是由一種元素組成的結論。後來人們通過電解水的實驗進一步證實了拉瓦錫的結論。
化學發展史上是在17~18世紀，人們才逐漸明確了元素的概念（這句話不通，刪去“化學發展史上是”即可。其實，改爲“人們到17~18世紀才逐漸明確了元素的概念”更順些。）——不能分解成更簡單物質的東西。對水組成認識過程的介紹，可以啓發學生了解不斷分解物質直到不能再分解爲止，是人類認識物質組成的一種方法，爲今後學生對物質組成進行分析提供借鑑的方法。
1.2 在變化中揭示化學反應的實質
通電後電極上出現氣泡，經收集後證實分別爲氫氣和氧氣，說明水在通電時發生了變化，試管中生成了完全不同於水的新物質，但是在通電前後參與反應的元素種類並沒有變化，從而揭示出化學反應的實質：組成水的元素在反應過程中進行了重組，形成了新物質。
多次實驗兩試管中所收集的氣體體積比總是約爲1：2，這個比例關係與組成水的氫、氧元素間一定存在着某種聯繫，從而爲日後高中氣體摩爾體積的教學打下伏筆。
1.3 從宏觀與微觀的角度認識物質的組成
實驗中可以得出在宏觀上水由氫、氧兩種元素組成，從元素的角度爲物質分類奠定了基礎。從微觀的角度來看，顯然水的分解不同於水的蒸發，在通電的條件下水能被分解，說明水分子是由更小的微粒組成的，即氫原子和氧原子，此二者是這個化學變化中不能再分的最小粒子；氫原子間、氧原子間重新結合，生成氫氣、氧氣，進一步呼應：化學反應的實質是組成物質的元素進行了重新組合形成了新物質。
水雖然是學生非常熟悉的物質，但怎樣以化學的視角來認識水，學生是陌生的。以電解水的實驗爲載體，通過對水認知過程的分析，滲透了物質組成認識過程和方法的教育。
（這段的標題是“物質組成觀念的建立”，可是文中似乎沒有指出“物質組成觀念”的內涵，即這種觀念對物質組成的基本認識是什麼？我認爲有關物質組成的觀念有兩個，即“元素觀”和“微粒觀”，兩者雖有內在聯繫，但還是應分述。文中有這層意思，但提得不夠明確。故建議標題加“有關”二字。）
下面的闡述是我對“科學觀念”的認識，供你參考：“科學觀念”是指人們對自然界物
質運動變化規律的最基本的認識，它是在一定的“視角”下形成的，它不僅僅是自然科學基礎知識，更是人們頭腦中的觀點，這種觀點是穩固的，是人們對於外來信息的刺激做出反應的基礎。比如，與“能量”有關的“科學觀念”有：“任何形式的運動和變化都需要能量”、“能量既不能創生也不能消滅，而只從一種形式轉化爲另一種形式”……；與“尺度與結構”有關的有：“物質的性質不僅與結構有關，還與尺度有關”…….；與“穩定性”有關的有：“物質體系自發地發生變化的方向，總是由相對不穩定的狀態，變爲相對穩定的狀態；其限度是由始態的相對不平衡到達終態的相對平衡”；與“物質組成”有關的有：“宏觀上－由元素組成”、“微觀上－由原子、分子等微粒組成”…..等等。
要說明的是，“科學觀念”的涵蓋面比“學科觀念”大，也更具普適性。比如，有關“能量”、“穩定性”、“尺度與結構”等方面的觀念，都是跨學科的，很難說它們是物理學科的還是化學學科的。
2 必修1階段——架構宏觀與微觀的橋樑
高中必修1第一章第二節中以電解水實驗作爲氣體摩爾體積概念教學的引入。通過實驗觀察不同時間試管內氣體體積的變化和推算得出在相同溫度和壓強下，1molO2和H2體積相同的結論，從而引出氣體摩爾體積的概念，教學過程如下圖所示。
電解水的實驗將氣體摩爾體積概念的形成過程直觀化，變抽象的宏觀氣體體積與微粒數目間的關係形象化，進一步架構了宏觀與微觀的橋樑，爲科學研究和實際生產中氣體間的定量關係作了更爲明確的闡釋。關係如下：
3 必修2階段——可以成爲能量轉化觀念的例證
高中必修2第二章第二節化學能與電能的教材中，以居我國發電總量首位的火電爲能量轉化的線索開展教學，過程中能量的轉化關係如下：
在如此複雜的能量過程轉換之餘，人們不得不面對較低的能源利用率和日益嚴重的污染問題。若能在此處引入電解水實驗作爲原電池概念教學的鋪墊，將幫助學生更直觀地體會化學能與電能間的相互轉化過程。（“之餘”指的是什麼？這句話不通，且與後文聯繫不密切，可刪去）
上段文字可改爲：
可以看出，在火力發電的過程中，電能是燃料燃燒釋放的能量－化學能經多次轉化得到的。電解水實驗的引入可幫助學生直觀地體會到化學能與電能之間的相互轉化。
實驗名稱 電解水 氫氧燃料電池
實驗過程
示意
閉合S1，打開S2，進行電解
打開S1，閉合S2，二級管發光
能量轉化 電能→化學能 化學能→電能
電極反應 陰極：4H++4e-=2H2↑
陽極：4OH--4e-=O2↑+2H2O 負極：2H2-4e-=4H+
正極：O2+2H2O+4e-=4OH-
化學反應 2H2O2H2↑+O2↑ 2H2+O2=2H2O
實驗過程先是電解水，學生感知電能向化學能轉變的過程。然後變化連接的電路，觀察到在沒有外接電源的閉合電路中二極管發光，引導學生分析此現象產生的原因，是由於附着在電極上的H2和O2發生反應，化學能向電能發生了轉化。電解水實驗的引入，並於二者的對比中突出了能量間的轉化過程，成爲促使學生形成能量轉化觀念的重要例證。
4 化學反應原理階段——能量轉化觀念的深化
化學反應原理第四章第三節電解池的概念教學更是電解水這一實驗內涵的拓展和深化。
4.1 電解是強制（用“強制”不準確）發生氧化還原反應過程的體現
（標題改爲“電解是外界提供電能使氧化還原反應發生的過程”，可能好一些）
水發生分解反應的熱化學方程式爲：2H2O（l）= 2H2（g）+ O2（g），△H=571.6kJ/mol，因爲△H＞0，所以必需提供能量才能使水發生分解。在研究如何使水分解的過程中可以採用多種方法來提供能量，如高溫、太陽能、電解等，其中電解是在通常情況下強制水發生分解的有力手段，但由於能耗較大，從能量利用而言得不償失（怎樣理解這句話？是否有科學性的毛病？需仔細考慮。），因此水的分解技術尚待進一步研發。
（開發水分解技術的目的是爲了獲取清潔燃料“氫”。水分解必定要外界提供能量才能發生，一定量的水分解所需的.能量也是一定的。因此，無論怎樣的技術都不可能“節省”能量。需要研發的可能主要是如何開發低成本又清潔的能源，如太陽能、風能等；還有是如何提高能源的利用率，即較高的能量轉化率；再有就是如何在不“苛刻”的條件下實現能量的轉化，即催化劑的研發等。）
4.2 電解是微粒（直接用“離子”。還是用“微粒”，有的電解是消耗金屬電極的，如精煉銅）得失電子難易過程的體現
（標題不大順，改爲“電解的過程體現了微粒得失電子的難易程度”可能好一些。）
電解質的水溶液中一定（刪去）同時存在着溶質與溶劑的電離，在相同的條件下給予電壓，陰、陽兩極上哪種微粒獲得或失去電子，是電極材料與溶質、溶劑電離出的陰、陽離子得失電子難易的較量（“較量”有點擬人的味道，我個人不主張這種表述。另外，離子在電解過程中是否放電，不僅取決於得失電子的難易，還與它們在溶液中的濃度有關。這段文字可再斟酌）。
陰、陽兩極上微粒得失電子能力由強到弱的順序爲：
得電子：Ag+>Fe3+>Hg2+>Cu2+> H+ >Pb2+ >Sn2+>Fe2+>Zn2+>Al3+>Mg2+>Na+ >Ca2+>K+
失電子：金屬陽極>S2－>I－>Br－>Cl－> OH－ >SO42－>NO3－>F－
當微粒的放電能力均強於水電離出的H+、OH-時，水不參加電解，反之，水電離出的H+或OH-必然參加電解的過程，因此在水溶液中進行的電解離不開水的電解（這句話有點費解，可刪去），其實質是微粒得失電子難易過程（改爲“程度”）的體現。
（感覺第4部分的立意不錯—“能量轉化觀念的深化”。但從4.1和4.2闡述的內容看，與“能量轉化觀念的深化”聯繫得不夠緊密，或者說闡述得不夠清楚。是否要先明確學生關於能量轉化觀念的“深化的點”在何處，4.1和4.2的側重又各在哪裏，再進行論述—扣緊“觀念的深化”。）
5 高三複習階段——學科觀念的整合
電解水實驗的內涵隨着學生基本知識的積累、基本技能的提高，化學的學科觀念在逐步進行滲透。
5.1宏觀與微觀的思想
宏觀與微觀的聯繫是化學學科不同於其他科學的最（加：具）特徵性的思維方式，在初、高中化學學習的不同階段，電解水實驗內涵的詮釋不但體現了宏觀與微觀的思想，而且將認識物質的兩個角度有機地結合了起來。
教學階段 化學概念 宏觀概念 微觀概念
初中 物質組成 元素 分子、原子
必修1 氣體摩爾體積 氣體體積 氣體分子數目
必修2 能量轉化 化學能與電能的相互轉化 電子轉移
化學原理 電解池 電能轉化爲化學能 微粒得失電子能力的強弱
5.2守恆與變化的思想
引導學生透過現象，深入理解學科知識的內涵是一個非常重要的教學環節。化學學科的魅力所在便是在“變化”中滲透着“不變”，即守恆的思想，因此需要透過實驗表象，深入挖掘學科的核心思想。
教學階段 化學概念 過程變化 守恆
初中 化學變化 有新物質生成 反應前後元素守恆、原子守恆
必修1 氣體摩爾體積 溫度、壓強影響氣體體積大小 溫度、壓強不變分子間距不變
必修2 能量轉化 能量轉化方式的多樣性 能量守恆
化學原理 電解池 電能轉變爲化學能 電子轉移守恆
5.3 能變、質變與量變的思想
在學生學習化學的不同時期，電解水實驗出現時的內涵各有側重，是一個隨着學生知識與能力的增長而不斷“變化和發展”的實驗。從最初揭示物質組成時的質變，發展到氣體摩爾體積概念建立時的量變；透過一個常見氧化還原反應發生的過程，深入到化學變化中舊鍵的斷裂與新鍵的生成，並最終表現爲能量的轉化。究其實質化學反應發生的過程中能量變化起着主導作用，量變和質變是能量變化的宏觀表象。
（這段文字中，“質變”較好理解；而在上一段裏剛述及化學反應中的若干“守恆”，因此，“量變”指的是什麼，似應給以闡明。另外，對“量變和質變是能量變化的宏觀表象”這一結論性表述是否合適，我還沒考慮好。化學反應中“能量變化的宏觀表象”肯定不只是“物質的量變和質變”。不過，我暫時還提不出這段文字怎樣闡述更好的建議。）
縱觀電解水實驗在不同教學階段的應用，可以看出化學學科對學生知識、能力和觀念的培養是一個由淺入深的過程，不是單一的“誰變成誰”的過程，而是一個由內及外、從能變到質變、量變的過程，並且在宏觀物質和能量的變化中蘊涵着微粒間的守恆關係。學科觀念整合的高三階段就是在認識螺旋上升過程中，引導學生對化學反應進行多層面、多維度的剖析，進一步學習以學科的視角來看待問題、以學科的觀念來分析問題、以學科的方法來解決問題。
（第5部分論述的是“學科觀念”整合，能否考慮在提法上把“學科觀念”納入“科學觀念”。）
成文過程中得到陳康叔教授、何彩霞教授的指導，在此致以誠摯的感謝！
參考文獻：
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