基于核心素養(yǎng)培育的課堂教學(xué)設(shè)計(jì)
——以“化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)為例

江蘇省昆山震川高級(jí)中學(xué)(215300) 沈玉紅

“化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能”是高中化學(xué)板塊中“化學(xué)反應(yīng)與能量”單元中的內(nèi)容，是高中化學(xué)反應(yīng)原理的重要內(nèi)容之一。從教材安排上看，它起到了承上啟下的作用；從實(shí)驗(yàn)角度看，本單元包括知識(shí)、操作、探究、評(píng)價(jià)能力等。而這時(shí)的學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了元素化合物知識(shí)、氧化還原反應(yīng)原理及單液原電池的基本構(gòu)成，并能夠判斷電池的正負(fù)極，書寫簡單原電池的總反應(yīng)方程式及正負(fù)電極反應(yīng)方程式。并且學(xué)生已經(jīng)具備了一定的實(shí)驗(yàn)操作、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新能力。

在這樣的教材與學(xué)情基礎(chǔ)上，基于新課程標(biāo)準(zhǔn)對(duì)學(xué)生核心素養(yǎng)能力的發(fā)展目標(biāo)，以及化學(xué)以實(shí)驗(yàn)為主的學(xué)科特點(diǎn)，教師在選修“化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能”部分的內(nèi)容時(shí)，可以進(jìn)行如下的實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)。

1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)

(1)通過觀察、分析及實(shí)驗(yàn)探究，理解鹽橋的作用及雙液原電池的優(yōu)勢。

(2)通過對(duì)生活中常見電池的分析與探討，完善原有原電池的認(rèn)識(shí)模型。

(3)通過對(duì)手機(jī)電板、汽車、飛機(jī)供電電池的分析與選擇，促進(jìn)化學(xué)學(xué)科的思維方式。

(4)通過氫氧燃料電池、氫氯燃料電池的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，以及廢舊電池的處理與回收，提升創(chuàng)新能力，形成環(huán)境保護(hù)與可持續(xù)發(fā)展理念，增強(qiáng)社會(huì)責(zé)任感。

2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)

(1)自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，探究鹽橋的作用。

(2)設(shè)計(jì)探究實(shí)驗(yàn)，探究串聯(lián)原電池的優(yōu)勢。

(3)設(shè)計(jì)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，探究氫氧燃料電池的原理。

(4)設(shè)計(jì)氫氯燃料電池的綠色實(shí)驗(yàn)方案。

3 實(shí)驗(yàn)方法設(shè)計(jì)

3.1 情景引入法

利用相關(guān)視頻及圖片的引入，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。

3.2 分組討論法

實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，4位學(xué)生為一個(gè)學(xué)習(xí)小組，進(jìn)行分組討論與探究實(shí)驗(yàn)。

3.3 實(shí)驗(yàn)探究法

實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，分別進(jìn)行4個(gè)分組實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)：探究鹽橋的作用；探究多個(gè)正負(fù)極串聯(lián)原電池的優(yōu)勢；探究氫氧燃料電池供電裝置設(shè)計(jì)；探究氫氯燃料電池綠色供電方式。通過實(shí)驗(yàn)探究的設(shè)計(jì)，提升學(xué)生實(shí)驗(yàn)?zāi)芰εc思維能力。

3.4 創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)法

燃料電池中的燃料很多為氣體，這就要求對(duì)原電池裝置的設(shè)計(jì)進(jìn)行創(chuàng)新，設(shè)計(jì)一個(gè)更適用于氣體的電池實(shí)驗(yàn)裝置。

3.5 電壓表測量法

由于用電流表時(shí)，容易滿偏，長時(shí)間使用容易造成電流表的損壞，所以本實(shí)驗(yàn)教學(xué)采用電壓測量法。

4 教學(xué)過程設(shè)計(jì)

4.1 視頻引入

利用“尋秦記”中關(guān)于原電池的視頻引入，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

提問：這樣的裝置真可以為我們提供穩(wěn)定電流嗎?

為此，可用實(shí)驗(yàn)事實(shí)說話，演示Zn－Cu－稀硫酸單液與雙液原電池實(shí)驗(yàn)，引導(dǎo)學(xué)生通過觀察電壓表指針變化，來分析以下幾個(gè)問題，同時(shí)進(jìn)入任務(wù)1的學(xué)習(xí)。

4.2 宏觀辨識(shí)與微觀探析

學(xué)習(xí)任務(wù)1：探討Zn－Cu－稀硫酸雙液原電池的優(yōu)勢，探究鹽橋的作用。教學(xué)流程圖如圖1所示。

評(píng)價(jià)任務(wù)1：診斷并發(fā)展學(xué)生觀察、分析的水平(基于經(jīng)驗(yàn)水平還是基于概念原理水平)和實(shí)驗(yàn)探究的水平(孤立水平還是系統(tǒng)水平)。

圖1 學(xué)習(xí)任務(wù)1教學(xué)流程圖

在學(xué)生分組設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)“探究鹽橋的作用”時(shí)，筆者給學(xué)生提供了“點(diǎn)滴板”進(jìn)行微型化操作，“鹽橋”用浸有飽和食鹽水的濾紙代替，學(xué)生選擇將紫紅色的酸性高錳酸鉀滴在濾紙上，一段時(shí)間后看到紫紅色向負(fù)極移動(dòng)，這時(shí)鹽橋的作用顯而易見，同時(shí)也解決了原電池中離子移動(dòng)方向的問題。然后通過電極方程式的書寫，實(shí)現(xiàn)從“宏觀”到“微觀”的進(jìn)階。

知識(shí)來源于生活，通過展示生活中各類電池的圖片，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)鉛蓄電池功能與構(gòu)造不同的思考，引發(fā)學(xué)生對(duì)串聯(lián)電池優(yōu)勢的探究，進(jìn)入任務(wù)2的學(xué)習(xí)。

4.3 證據(jù)推理與模型認(rèn)知

學(xué)習(xí)任務(wù)2：分析生活中常見電池的工作原理，并建立原電池的認(rèn)識(shí)模型。教學(xué)流程圖如圖2所示。

圖2 學(xué)習(xí)任務(wù)2教學(xué)流程圖

評(píng)價(jià)任務(wù)2：診斷并發(fā)展學(xué)生對(duì)原電池本質(zhì)的認(rèn)識(shí)進(jìn)階 (局部水平還是整體水平)和對(duì)原電池認(rèn)識(shí)思路的結(jié)構(gòu)化水平 (視角水平還是內(nèi)涵水平)。

探究實(shí)驗(yàn)設(shè)置用電壓表分別測定單個(gè)、2個(gè)串聯(lián)原電池及3個(gè)串聯(lián)原電池的電壓，分別為0.9V、1.9V、2.7V。通過實(shí)驗(yàn)的設(shè)置，實(shí)現(xiàn)從“定性”學(xué)習(xí)到“定量”學(xué)習(xí)的轉(zhuǎn)化。

通過情景問題：“手機(jī)電板可使用鉛蓄電池嗎?如果是汽車、飛機(jī)等需要供電呢?”引發(fā)學(xué)生進(jìn)入任務(wù)3的學(xué)習(xí)。

4.4 科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)

學(xué)習(xí)任務(wù)3：探究汽車、飛機(jī)等供電裝置的最佳選擇與產(chǎn)電原理，教學(xué)流程圖如圖3所示。

評(píng)價(jià)任務(wù)3：診斷并發(fā)展學(xué)生對(duì)化學(xué)價(jià)值的認(rèn)識(shí)水平(學(xué)科價(jià)值視角、社會(huì)價(jià)值視角、學(xué)科和社會(huì)價(jià)值視角)。

圖3 學(xué)習(xí)任務(wù)3教學(xué)流程圖

通過視頻展示氫氧燃料電池汽車的工作原理，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)燃料電池裝置設(shè)計(jì)的思考。在分析評(píng)價(jià)學(xué)生設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，展示教師的創(chuàng)新成果，并讓學(xué)生分析并探討教師的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)評(píng)價(jià)主體的多元化。

分析與評(píng)價(jià)后，教師實(shí)驗(yàn)演示創(chuàng)新型氫氧燃料電池。過程如下：通過實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了 “傳統(tǒng)”向 “創(chuàng)新”的邁進(jìn)。

繼續(xù)通過 “問題的設(shè)置”與 “PPT的展示”，讓學(xué)生了解，很多燃料都可以做成電池，包括氫氣與氯氣。同時(shí)引導(dǎo)學(xué)生思考，像氯氣這種有毒氣體，在設(shè)計(jì)時(shí)，需注意的問題，引發(fā)學(xué)習(xí)任務(wù)4。

4.5 科學(xué)態(tài)度與社會(huì)責(zé)任

學(xué)習(xí)任務(wù)4：探究其他燃料電池的綠色化工作方式及廢舊電池的回收與重新利用，教學(xué)流程圖如圖4所示。

評(píng)價(jià)任務(wù)4：診斷并發(fā)展學(xué)生對(duì)化學(xué)學(xué)科觀念的認(rèn)識(shí)水平(理論聯(lián)系實(shí)際觀念、節(jié)約成本觀念、保護(hù)環(huán)境觀念、可持續(xù)發(fā)展觀念)。

圖4 學(xué)習(xí)任務(wù)4教學(xué)流程圖

通過引導(dǎo)學(xué)生思考像氯氣這樣的有毒氣體的原電池設(shè)計(jì)問題，從而增強(qiáng)學(xué)生的環(huán)保意識(shí)。通過對(duì)廢舊電池的處理問題的探討，提升學(xué)生可持續(xù)發(fā)展觀念。

學(xué)習(xí)的最終目的是服務(wù)于生活，服務(wù)于社會(huì)。因此，我們還進(jìn)行了課外延伸活動(dòng)，讓化學(xué)回歸生活，即學(xué)習(xí)任務(wù)5。

4.6 課后延伸

學(xué)習(xí)任務(wù)5：調(diào)查、分析并探究“我”身邊的化學(xué)電源。

評(píng)價(jià)任務(wù)5：診斷并發(fā)展學(xué)生的化學(xué)核心素養(yǎng)的水平(必修水平、選擇性必修水平、選修水平)。

調(diào)查、分析并探究“我”身邊的化學(xué)電源，并選擇一個(gè)化學(xué)電源進(jìn)行深入研究，形成探究性實(shí)驗(yàn)報(bào)告，帶入課堂與學(xué)生進(jìn)行交流與分享。

5 教學(xué)設(shè)計(jì)

5.1 特色實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)

5.1.1 微型化實(shí)驗(yàn)

利用點(diǎn)滴板進(jìn)行原電池裝置的設(shè)計(jì)，不僅節(jié)約藥品用量，便于后期廢液的處理，而且有利于進(jìn)行串聯(lián)電池的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與操作。

5.1.2 可視化設(shè)計(jì)

將鹽橋的作用、離子的移動(dòng)，用可見的顏色進(jìn)行可視化展示；串聯(lián)電路分別將2個(gè)、3個(gè)串聯(lián)電路與一個(gè)電路的電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)行可視化展示。這可以將實(shí)驗(yàn)教學(xué)簡單、生動(dòng)并高效的呈現(xiàn)給學(xué)生。

5.1.3 創(chuàng)新化設(shè)計(jì)

將氫氧燃料電池的發(fā)生裝置進(jìn)行“創(chuàng)新性”并“微型化”改進(jìn)，便于學(xué)生的操作與觀察。

另外，這個(gè)裝置還可以進(jìn)行有毒、有污染氣體的制備與實(shí)驗(yàn)，如銅與稀、濃硝酸的反應(yīng)，只要反應(yīng)前用針筒抽去空氣，反應(yīng)后再用針筒抽出產(chǎn)物氣體，即可進(jìn)行產(chǎn)物氣體的檢驗(yàn)、性質(zhì)實(shí)驗(yàn)及后續(xù)處理。

5.2 發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)

學(xué)習(xí)任務(wù)是具體知識(shí)與核心知識(shí)的重要橋梁，是提升核心素養(yǎng)的重要紐帶。本實(shí)驗(yàn)教學(xué)共設(shè)置了5個(gè)學(xué)習(xí)任務(wù)，每個(gè)學(xué)習(xí)任務(wù)包括3～4個(gè)學(xué)習(xí)活動(dòng)，活動(dòng)的設(shè)計(jì)指向?qū)W生的能力進(jìn)階及核心素養(yǎng)的提升?！皩W(xué)習(xí)任務(wù)1”突出宏觀辨識(shí)與微觀探析；“學(xué)習(xí)任務(wù)2”突出證據(jù)推理與模型認(rèn)知，“學(xué)習(xí)任務(wù)3”突出科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)，“學(xué)習(xí)任務(wù)4”突出科學(xué)態(tài)度與社會(huì)責(zé)任，最后通過“學(xué)習(xí)任務(wù)5”的創(chuàng)設(shè)，檢驗(yàn)學(xué)生的核心素養(yǎng)所達(dá)到的水平。學(xué)生在完成任務(wù)、經(jīng)歷活動(dòng)的過程中，實(shí)現(xiàn)化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的發(fā)展。

6 教學(xué)反思

6.1 本實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程采用發(fā)展性的課堂教學(xué)評(píng)價(jià)方式

本實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中評(píng)價(jià)的方式過程化，更注重學(xué)生在探究實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)過程中思維與實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ脑u(píng)價(jià)；評(píng)價(jià)的主體多元化，采用多元化的評(píng)價(jià)主體進(jìn)行評(píng)價(jià)，如采用了教師評(píng)價(jià)、小組評(píng)價(jià)、自我評(píng)價(jià)等方式；評(píng)價(jià)的功能育人化，充分發(fā)揮評(píng)價(jià)的促進(jìn)和激勵(lì)作用，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)學(xué)生的育人功能。真正實(shí)現(xiàn)了發(fā)展性的實(shí)驗(yàn)課堂教學(xué)評(píng)價(jià)方式。

6.2 本實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程注重生活實(shí)際情景問題的創(chuàng)設(shè)

原電池的內(nèi)容與生產(chǎn)、生活有著密切聯(lián)系。“圖片展示紐扣式銀鋅電池、普通鋅錳干電池、鉛蓄電池構(gòu)造示意圖”“視頻展示氫氧燃料電池汽車工作原理”，這些真實(shí)的情景問題，引發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)了學(xué)生的探究熱情，使學(xué)生從生活走入化學(xué)之中?！皻渎热剂想姵鼐G色供電方式的探究”“各類電池的回收與處理”這些問題情景的設(shè)置，促進(jìn)了學(xué)生的思維發(fā)展，并促使學(xué)生在這一過程中體會(huì)化學(xué)學(xué)科的社會(huì)價(jià)值，提升對(duì)環(huán)境保護(hù)意識(shí)與可持續(xù)發(fā)展的觀念?！罢n后作業(yè)：調(diào)查、分析并探究‘我’身邊的化學(xué)電源”的設(shè)置，提升學(xué)生的實(shí)踐能力，發(fā)展學(xué)生的探究精神，又使學(xué)生從化學(xué)走向生活。

6.3 本實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程充分發(fā)揮了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的育人功能

本實(shí)驗(yàn)教學(xué)緊緊圍繞發(fā)展學(xué)生化學(xué)核心素養(yǎng)為前提，注重學(xué)習(xí)任務(wù)與評(píng)價(jià)任務(wù)、學(xué)習(xí)方式與評(píng)價(jià)方式的整體性、一致性設(shè)計(jì)，通過學(xué)生在小組討論與探究、創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的設(shè)置與思考等活動(dòng)中的表現(xiàn)，運(yùn)用提問與評(píng)價(jià)的方式，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，促使不同的學(xué)生得到不同的發(fā)展，發(fā)揮了實(shí)驗(yàn)教學(xué)與評(píng)價(jià)的發(fā)展與育人功能。

在整個(gè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，從生活情景引入，又讓化學(xué)走向生活，實(shí)現(xiàn)了不斷螺旋上升的過程。同時(shí)，在教學(xué)過程中，在“關(guān)注學(xué)生已有知識(shí)”“遵循學(xué)生認(rèn)知規(guī)律”的前提下，最終實(shí)現(xiàn)提升學(xué)生核心素養(yǎng)的目標(biāo)。