基于學生化學學科核心素養(yǎng)提升的教學設計

楊勇 薛官欣 薛瑞卿 萬延嵐

摘要：以“原電池”主題為例，設置“探究電池漏液原因”“建構(gòu)電池模型”“設計簡易原電池”“電池發(fā)展史”等核心教學環(huán)節(jié)進行“原電池”的教學設計研究。整個教學設計基于化學學科五大核心素養(yǎng)，將學科核心素養(yǎng)潛移默化地滲透到教學的各個環(huán)節(jié);教學過程注重情境的創(chuàng)設、有思考價值的問題組設計以及有探究價值的活動設計;重視科學史的學習，注重學生社會責任感的培養(yǎng)。

關鍵詞：化學學科核心素養(yǎng);原電池;教學設計;普通高中

文章編號：1008-0546（2020）02-0048-04 中圖分類號：G632.41 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2020.02.015

當前我國基礎教育正從“知識本位”時代走向“核心素養(yǎng)”時代?！镀胀ǜ咧谢瘜W課程標準（2017年版）》從學科思維方式、核心觀念、認知方式和社會情懷等角度提出五大化學學科核心素養(yǎng)，分別是宏觀辨識與微觀探析、變化觀念與平衡思想、證據(jù)推理與模型認知、科學探究與創(chuàng)新意識、科學精神與社會責任，并對這五大學科核心素養(yǎng)進行了詳細深入的闡述和分析。而教學設計是聯(lián)結(jié)教育理念與教學實踐的紐帶，良好的教學設計是教師成功進行課堂教學的基礎和保障?；诖耍愿咧谢瘜W核心主題“原電池”為例，進行核心素養(yǎng)指導下的化學教學設計研究。

一、教學背景分析

1.教學內(nèi)容分析

“原電池”主題是化學學科重要的理論性知識，是學生認識化學反應與能量轉(zhuǎn)化的載體和范例，對學生學習電化學的相關知識以及提升學生對化學學科社會價值的認識有非常重要的意義。具體地，從課程標準的要求看，2017年版高中課標在課程內(nèi)容主題3“物質(zhì)結(jié)構(gòu)基礎與化學反應規(guī)律”的內(nèi)容要求部分，對“化學反應與能量轉(zhuǎn)化”主題做出了明確規(guī)定：知道化學反應可以實現(xiàn)化學能與其他能量形式的轉(zhuǎn)化，以原電池為例認識化學能可以轉(zhuǎn)化為電能，從氧化還原反應的角度初步認識原電池的工作原理;體會提高燃料的燃燒效率、開發(fā)高能清潔燃料和研制新型電池的重要性?？梢钥闯觯瑥哪芰哭D(zhuǎn)化的高度發(fā)展對化學反應的認識，從氧化還原的角度學習原電池及其工作原理，從能源應用和社會價值的角度體會化學電池的創(chuàng)新，這些方面是“原電池”主題教學的核心，同時很好地凸顯了“變化觀念”“社會責任”等化學學科核心素養(yǎng)。

從課程內(nèi)容的設置來看，“原電池”主題是高中化學必修課程“化學反應與能量轉(zhuǎn)化”模塊的重要內(nèi)容，該部分內(nèi)容既是對前面氧化還原反應和物理電學相關知識的應用、拓展和提升，又是后續(xù)選修課程深入學習電化學相關知識的必備基礎，具有承前啟后的重要作用。以最新試行的2019年版魯科版高中化學必修教材為例，教科書對原電池基本構(gòu)成和工作原理的介紹是通過氫氧燃料電池進行的，并且教材中明確提出了一個學生必做實驗——設計簡單的原電池（即經(jīng)典的Zn-Cu原電池），最后從社會應用的角度向?qū)W生展示了各種各樣的化學電池。因此，“原電池”主題的教學不應僅僅讓學生認識原電池的構(gòu)造及其工作原理，還應該從建模的角度引導學生初步設計簡單的原電池，從基本觀念的角度發(fā)展學生的變化觀念、能量觀念和化學價值觀念等。

2.學情分析

知識方面，高中生對于“化學反應與能量變化”主題，通過初中和必修1對化學與能源相關知識的學習，已經(jīng)有了一定的認識和了解，知道通過化學反應可以實現(xiàn)物質(zhì)的轉(zhuǎn)化，同時伴隨一定的能量變化;已經(jīng)學習過氧化還原反應的相關知識，知道氧化還原反應的本質(zhì)是電子的得失;在物理學科中已接觸過電學知識，對電路、電極、電流等相關內(nèi)容已有一定的知識儲備。同時，高中生與日常生活已有充分的接觸，對電池比較熟悉，有一定的基礎性認識。能力方面，高中生已經(jīng)具備一定的實驗探究能力，能夠嘗試基于一定的原理進行方案的設計，并改進實驗方案;具有一定的實驗操作能力和反思交流能力。

但是，高中生對化學反應與能量變化的認識和理解程度尚比較淺顯，將物理電學知識與化學氧化還原反應知識相結(jié)合的學習思維和學習能力有待加強;對原電池的構(gòu)造和工作原理缺乏系統(tǒng)性的認識，對模型認知和實驗創(chuàng)新能力還沒有得到系統(tǒng)訓練，因此很難從建模的角度設計原電池。因此，在教學中，要克服理論性知識的去情境化，通過模型解析、模型應用引導學生進行深層次的理解與建構(gòu)。

二、教學設計思路與化學核心素養(yǎng)的滲透

“Zn-c電池”是目前使用最廣泛的一次電池，是不可或缺的生活必需品，而“電池漏液”也是日常生活中的常見問題。因此，本教學設計基于化學學科核心素養(yǎng)的引領，以“探究電池漏液原因”作為教學情境素材進行“原電池”的教學設計研究。具體的教學設計思路如圖1所示。

首先，通過空調(diào)遙控器中電池漏液的情境導人新課，提出有思考價值的問題“為什么電池會漏液”，充分調(diào)動學生學習的積極性。繼而，向?qū)W生展示Zn-C電池的模型圖、新舊電池實物對比，使學生從外觀和結(jié)構(gòu)上對電池有初步認識。同時向?qū)W生提供Zn-C電池在使用前后的物質(zhì)變化數(shù)據(jù)，解析電池的構(gòu)造和工作原理，建構(gòu)電池模型，引出原電池和電極反應概念。在此基礎上，提供生活中常見的各種材料，引導學生基于對電池模型的理解和原電池設計的一般思路，進行簡單的原電池設計，并對設計方案進行評價、改進和實踐?；顒又?，回顧電池發(fā)展史，聚焦新能源發(fā)展方向，感悟化學學科的巨大價值，發(fā)展化學價值觀和社會責任感。最后，通過概念圖的形式進行整合提升，深化對化學核心素養(yǎng)的理解。

整個教學設計在化學核心素養(yǎng)的指導下進行，五大化學學科核心素養(yǎng)以潛移默化的方式滲透在教學的各個環(huán)節(jié)中。具體地，通過提出“電池漏液”這一生活中常見的小問題，引起學生的興趣，帶領學生探索未知，體會化學科學與日常生活的密切聯(lián)系。通過認識Zn-C電池模型圖，并分析電池工作前后在宏觀與微觀上的變化，可以使學生理解宏觀與微觀相聯(lián)系這一化學學科獨特的思維方式，并將電池在宏觀與微觀上的變化作為推理的證據(jù);將正負極的電子得失與閉合電路中的電子流動作為證據(jù)進行推理，建立電池工作模型，明確電池工作原理。整個過程是一個從收集證據(jù)，到證據(jù)推理，到模型建構(gòu)的完整的思維過程，很好地發(fā)展了學生嚴謹求實的科學精神和證據(jù)意識?；诮?gòu)的電池模型，體會原電池設計的一般思路，設計簡易原電池，在設計與實踐方案的過程中加深對模型的應用與認識，培養(yǎng)學生的探究能力和創(chuàng)新精神。最后回顧電池發(fā)展史，認識新能源在未來能源危機的作用，與課前引入的電池漏液小問題相呼應，彰顯化學學科的社會功能和價值，培養(yǎng)學生的社會責任。

三、教學過程設計

1.創(chuàng)設情境，引入新課

【創(chuàng)設情境】某同學家中空調(diào)遙控器長期沒有使用，再次使用時出現(xiàn)了“電池漏液”現(xiàn)象。提出問題：（1）電池為什么會漏液？（2）電池漏液的主要成分是什么？

【展示實物】展示某品牌全新電池實物、舊電池實物、漏液電池實物。展示電池說明書中的使用注意事項。

【學生活動】觀察實物，閱讀注意事項，思考問題。

【問題引導】該同學在使用過程中違反了哪條使用規(guī)則？這可能帶來什么后果？我們應當從何處下手解決上述問題？

【學生回答】違反了“長久不用時請將電池取出”這一注意事項，帶來了電池漏液的后果。應從電池工作過程中內(nèi)部物質(zhì)的變化入手分析電池漏液的原因。

設計意圖：課程資源是落實核心素養(yǎng)的物質(zhì)基礎。從現(xiàn)實生活中常見的“電池漏液”現(xiàn)象出發(fā)，引導學生思考問題情境，并結(jié)合新電池、舊電池和漏液電池外觀以及電池使用說明書中的注意事項，使學生對問題有初步了解和判斷，激發(fā)學生探索未知，追究真理的好奇心，引出新課。

2.剖析問題，建構(gòu)模型

【模型展示】展示Zn-C電池的模型圖。

【教師講解】電池的中心是碳棒，周圍填充碳與二氧化錳粉末，電池內(nèi)部有含NH4C1的糊狀物，最外層是鋅。

【學生活動】初步認識Zn-C電池的構(gòu)造。

【圖表展示】展示新電池與舊電池的物質(zhì)組成（表1）。

【問題組-1】通過上表新舊電池物質(zhì)組成的對比，思考電池在工作時發(fā)生了哪些物質(zhì)變化？

【學生回答】電池工作時在中心碳棒附近處的Mn02變成MnO（OH）;糊狀液體中出現(xiàn)了ZnCl2，同時液體的pH上升;固態(tài)的鋅皮變成ZnCI2溶于糊狀物。MnO2和鋅皮的變化伴隨著化合價的升降，即電子得失。

【教師演示】將Zn-C電池與用電器、電流表、開關連接，閉合電路，觀察現(xiàn)象。

【學生活動】認真觀察現(xiàn)象。

【問題組-2】結(jié)合物理學知識思考，電池工作時還會產(chǎn)生哪些變化？它的產(chǎn)生需要什么條件？它與中心碳棒和外層鋅皮的電子得失存在什么關系？

【學生回答】會產(chǎn)生電流。產(chǎn)生電流的條件：具有能自由移動的電荷，產(chǎn)生電勢差，有閉合回路，形成通路?？赡苁荕nO2與鋅片之間的電子得失使電子定向移動產(chǎn)生電流。

【教師講解】電池連接用電器，形成閉合回路，電池開始工作。中心碳棒為正極，外層鋅皮為負極。鋅皮失去電子發(fā)生氧化反應，是負極反應物;MnO2得到電子發(fā)生還原反應，是正極反應物。電解質(zhì)溶液充當離子導體，導線作為電子導體。外部電路電子從負極向正極移動，內(nèi)部電路電解質(zhì)中的陽離子從負極向正極移動，陰離子從正極向負極移動。這種電子得失的實質(zhì)是氧化還原反應。

【教師講解、板書】原電池、電極反應。

【建構(gòu)模型】在圖2中用紅筆標出電流通路;用黑筆標出自由移動的電荷及移動方向;用藍筆標出得失電子的物質(zhì)。

【學生活動】標記模型，在頭腦中建構(gòu)起Zn-C電池模型圖。

【板書】zn-C電池模型。

【問題解決】解決上課前提出的兩個問題：電池為什么會漏液？電池漏液的主要成分是什么？

【學生回答，師生總結(jié)】鋅皮在電池工作過程中變薄使電池發(fā)生漏液，漏液中可能含有ZnCl2、zn（OH）2以及NH4Cl。

設計意圖：這一部分重點引導學生認識電池的組成和結(jié)構(gòu)，將正負極物質(zhì)變化和變化過程中的電子得失與電流形成的條件相互聯(lián)系，建立宏觀辨識與微觀探析的核心素養(yǎng);利用新舊電池之間的物質(zhì)變化和電流表示數(shù)作為判斷的證據(jù)，培養(yǎng)學生的證據(jù)意識，使學生學會利用證據(jù)進行推理;同時，通過學習Zn-C電池的工作原理和電極反應，培養(yǎng)學生的三重表征思維方式，并建立電池工作模型，加強對電池模型的認知與建構(gòu)，為后續(xù)原電池的設計做好準備。

3.模型應用，實驗創(chuàng)新

【設計電池】依據(jù)原電池工作原理，利用提供的試劑和生活用品，設計一個原電池。試劑和生活用品：錫紙、鐵釘、84消毒液、面粉、淀粉、食鹽、30%雙氧水、碳棒、銅片、稀硫酸、潔廁靈、碘伏、檸檬汁、靈敏電流表。

【方法引導】圖3。

【學生活動】以小組為單位進行電池設計。利用電池工作原理，選擇合適試劑或用品，設計氧化還原反應，預測正極負極材料和反應。

【模型引領】完成電池模型圖4。

【師生活動】對所設計的電池模型的合理性進行評價。

【學生活動】基于設計的電池模型，進行實驗，記錄數(shù)據(jù)。

【小組展示講解】小組展示并講解設計的電池。

【問題情境】提供儀器和試劑的成本，以電流強度為參考標準，你認為哪個小組設計的電池最實用？

【師生總結(jié)】綜合考慮電流強度和成本，評選最優(yōu)化的電池設計。

設計意圖：這一部分主要引導學生基于對Zn-C電池模型的理解，從電池的工作原理出發(fā)，體會并運用原電池設計的基本思路，進行原電池設計。這一教學環(huán)節(jié)引導學生從模型建構(gòu)的角度對實驗方案進行設計，學生的交流合作能力、建模和證據(jù)推理能力以及實驗創(chuàng)新能力得到很好的鍛煉和發(fā)展。同時，整個實驗體系開放程度大，多種試劑物品為電池的設計和電極材料的選擇提供了多種可能，能夠較好地提高學生的實驗創(chuàng)新能力和推理能力。最后，權(quán)衡成本和效益做出選擇和判斷，從中優(yōu)化方案，凸顯化學科學價值。

4.回顧歷史，聚焦前沿

【資料講解】電池發(fā)展史以及電池在生活中各種應用。

【提出問題】面對當下緊迫的能源危機，如果你是一名科學家，將從哪些方面實現(xiàn)電池技術(shù)的發(fā)展與突破？

【學生活動】學生小組交流。

【拓展講解】創(chuàng)新電極材料的重要性。介紹青島儲能產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院仿生能源與儲能系統(tǒng)團隊在低成本高比能鎂/硫電池領域取得階段性進展。

【師生總結(jié)】電極材料對電池性能有著至關重要的作用，是科學研究的重點與熱點。課堂中的實驗探索與科學家的實驗室研究在很大程度上有著一致性，只有努力學習，不斷創(chuàng)新，才能為社會發(fā)展貢獻自己的力量。

設計意圖：展示電池技術(shù)發(fā)展史，使學生明確電池技術(shù)發(fā)展的方向，感受化學學科對社會的貢獻與價值，發(fā)展學生的化學學科價值觀。同時，引導學生以科學家的身份繼續(xù)思考，認識到電極材料是電池技術(shù)發(fā)展的關鍵，發(fā)展學生的科學精神和社會責任感。

5.概括整合，深化素養(yǎng)

【交流總結(jié)】從原電池的原理、模型和應用方面暢談收獲，繪制概念圖。

【學生活動】暢所欲言總結(jié)收獲，繪制概念圖。

【課外拓展】每年有大量的電池使用，廢舊電池的回收與處理一直是一個熱門的社會問題，人們?yōu)榱穗姵氐幕厥仗幚矶甲隽四男┦虑椋磕阌惺裁春玫南敕ǎ?/p>

設計意圖：總結(jié)提升，鞏固所學知識。鼓勵學生學以致用，培養(yǎng)社會責任感。

四、本教學設計的特色

本教學設計主要有以下特色：

（1）基于化學學科核心素養(yǎng)進行教學設計，將化學學科核心素養(yǎng)潛移默化地滲透到教學的各個環(huán)節(jié)，整個教學設計最大程度上指向發(fā)展學生的學科的核心素養(yǎng)。具體地，選擇生活中常見的“電池漏液現(xiàn)象”作為問題情境素材，整個教學過程將宏觀、微觀與符號相聯(lián)系的化學學科三重表征思維方式、證據(jù)推理能力、建模思想、實驗探究能力、創(chuàng)新精神和社會責任等化學學科核心素養(yǎng)進行了不同程度的滲透。

（2）教學過程注重情境的創(chuàng)設、有思考價值的問題組設計以及有探究價值的活動設計。整堂課以化學學科核心素養(yǎng)為引導，創(chuàng)設現(xiàn)實問題情境“電池漏液”，克服了理論性知識的單調(diào)和去情境化。同時，基于此問題情境設置了一個問題組，對電池在工作時發(fā)生的物質(zhì)變化、電流變化以及電極反應三個核心知識點進行了問題引導下的學習，充分調(diào)動了學生思維的積極性，建構(gòu)了電池的工作模型。在此基礎上，通過活動“設置簡易原電池”，發(fā)展了電池設計的一般思路，深化了對電池模型的理解和應用，充分實現(xiàn)了情境、活動和問題的融合。

（3）重視科學史的學習，注重學生社會責任感的培養(yǎng)。通過對電池發(fā)展史的介紹，可以讓學生體會科學研究道路的艱辛和科學家們勇于探索的科學精神，也能從中領悟電池發(fā)展的方向和趨勢。整個教學設計從“電池漏液”這一現(xiàn)實小問題，上升到“能源電池”這一社會大問題的思考，將理論性知識賦予社會情境，體現(xiàn)了化學的社會功能和價值，有利于激發(fā)學生的責任感和使命感。