基于學(xué)生高階思維培養(yǎng)的高中化學(xué)教學(xué)策略研究

郝蓓 王澍

摘要：利用數(shù)字電壓傳感器測量“水果電池”的電壓，探究影響“水果電池”電壓的因素： 電極材料、電解質(zhì)、組合方式及安全性。依據(jù)實驗結(jié)論設(shè)計最佳“水果電池”，利用實驗結(jié)論解釋化學(xué)史、生活中及未來人類如何對電池構(gòu)造進行改進與發(fā)展，在問題解決過程中實現(xiàn)學(xué)生高階思維的培養(yǎng)，達成學(xué)生核心素養(yǎng)的培養(yǎng)目標(biāo)。

關(guān)鍵詞： 學(xué)生高階思維; 教學(xué)策略; 核心素養(yǎng); 電池構(gòu)造

文章編號： 1005-6629（2022）03-0032-06

中圖分類號： G633.8

文獻標(biāo)識碼： B

1 問題的提出

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱“新課標(biāo)”）在課程目標(biāo)中要求： 學(xué)生能發(fā)現(xiàn)和提出有探究價值的化學(xué)問題，依據(jù)探究目的設(shè)計并優(yōu)化實驗方案，提出進一步探究或改進實驗的設(shè)想。初步學(xué)會收集各種證據(jù)，對物質(zhì)的性質(zhì)及其變化提出可能的假設(shè)，對復(fù)雜化學(xué)問題情境中的關(guān)鍵要素進行分析，建立解決復(fù)雜化學(xué)問題的思維框架，養(yǎng)成獨立思考、敢于質(zhì)疑、勇于創(chuàng)新的精神[1]。故而，有價值的化學(xué)問題的研究過程即是學(xué)生高階思維的培養(yǎng)過程。

高階思維也稱為“高層次思考（Higher-order Thinking）”，擁有高階思維等同于擁有高效能的思考力，它被視為21世紀(jì)不可缺乏的一種能力[2]。高階思維也是學(xué)生在高中化學(xué)學(xué)習(xí)中需要達成的心智活動與認(rèn)知能力。其內(nèi)涵可歸納為三大核心要素： 創(chuàng)造性思維、反思批判性思維和復(fù)雜問題解決[3]。創(chuàng)造性思維指學(xué)生運用感知、理解、聯(lián)想、創(chuàng)造等思維技巧解決問題的高級心理活動;反思批判性思維指學(xué)生提問、質(zhì)疑、互相解答、評論、進行自我觀點的改進與修正的高級心理活動;真實情境的復(fù)雜問題解決是學(xué)生將知識靈活應(yīng)用到分析、解決實際問題的思維方式。

新課標(biāo)對原電池的內(nèi)容要求為認(rèn)識化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，認(rèn)識原電池反應(yīng)原理[4]。目前教師大多比較重視深入研究原電池認(rèn)知模型的建立、電極類型的判斷、電解質(zhì)中離子的相關(guān)反應(yīng)等教學(xué)[5]。但是將有關(guān)原電池的化學(xué)史或生活中常用的電池作為案例素材，發(fā)展學(xué)生對原電池工作原理的認(rèn)識，建立對電化學(xué)過程的分析思路，亦是新課標(biāo)在教學(xué)策略中所倡導(dǎo)的。目前的研究僅把以上內(nèi)容作為引入課程或銜接課程，并未進行分析解釋、推論預(yù)測、設(shè)計評價等學(xué)習(xí)活動，在此過程中學(xué)生的創(chuàng)造性、反思批判性思維的培養(yǎng)則沒有獲得更多的關(guān)注。

鑒于此，本文以化學(xué)史、生活中及未來人類對電池構(gòu)造的改進與發(fā)展為主線，緊密聯(lián)系生產(chǎn)生活實際，注重組織課堂教學(xué)，探討歷史上電池的演變、生活中電池的設(shè)計，未來電池的發(fā)展，獲得電池構(gòu)造的改進與發(fā)展的方法。在真實的問題情境與復(fù)雜問題解決中，培養(yǎng)學(xué)生進行提問、質(zhì)疑、追問、分析、反思、批判、總結(jié)等思維方式，促進思維發(fā)展，實現(xiàn)高階思維的培養(yǎng)，并達成如“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”“變化觀念與平衡思想”等核心素養(yǎng)的培養(yǎng)目標(biāo)。

2 基于學(xué)生高階思維的教學(xué)設(shè)計

新課標(biāo)在“化學(xué)反應(yīng)與能量主題活動與探究建議”中提出，可用生活中的材料制作簡易電池。由于“水果電池”結(jié)構(gòu)簡單、操作方便，能夠促進學(xué)生對原電池的組成結(jié)構(gòu)、工作電壓、連接方式等方面的理解，故本課程以“如何提高‘水果電池’電壓”作為學(xué)生實驗，通過學(xué)生制作“水果電池”，探究組裝“水果電池”的最佳因素，建立、鞏固原電池認(rèn)知模型。通過化學(xué)史、生活中常用電池的構(gòu)造分析和未來電池的發(fā)展趨勢預(yù)測進一步評價修正模型，在活動過程中實現(xiàn)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的激發(fā)、知識的鞏固、能力的訓(xùn)練和素養(yǎng)的提升，增強學(xué)生運用化學(xué)知識解決生活問題的能力，促進高階思維的發(fā)展?；趯W(xué)生高階思維的課程發(fā)展過程歸納為如圖1所示。

2.1 利用化學(xué)史讓學(xué)生感受高階思維在科學(xué)發(fā)展過程中的作用

化學(xué)史是科學(xué)家在艱辛探究歷程中不斷經(jīng)歷思維的突破和創(chuàng)新的歷史?；瘜W(xué)史能提高學(xué)習(xí)的趣味性，能加深學(xué)生對基本概念的理解和掌握，還能使學(xué)生體會科學(xué)家的探究歷程，引導(dǎo)學(xué)生理性思考和科學(xué)判斷，促使學(xué)生進行深度思考，從而推動發(fā)展其高階思維能力的發(fā)展。設(shè)置化學(xué)史教學(xué)的另一目的是讓學(xué)生從對電池歷史演變的分析中找到對生活中電池及未來電池改進的共通之處，體會人類科學(xué)文明螺旋上升的發(fā)展模式，如圖2所示。

2.2 利用數(shù)字化手段測量數(shù)據(jù)培養(yǎng)學(xué)生信息獲取與加工能力

本節(jié)課是在國家課程基礎(chǔ)上的拓展內(nèi)容，教學(xué)內(nèi)容源于國家課程卻又高于國家課程。學(xué)生已經(jīng)具備一定的電化學(xué)基礎(chǔ)知識，能解決簡單的如“水果電池”的設(shè)計組裝等問題，故設(shè)計成單元教學(xué)： 化學(xué)史解讀、水果電池設(shè)計、生活中的電池分析、未來電池暢想共四課時。借助學(xué)校STSE課程基地的數(shù)字化實驗傳感器，將傳統(tǒng)實驗與數(shù)字化實驗相結(jié)合，讓學(xué)生通過直觀的數(shù)字變化將“看不到”的微觀世界“可視化”，探究影響電壓的因素，測量不同的“水果電池”的工作電壓。根據(jù)測量的多組數(shù)據(jù)，學(xué)生通過分析數(shù)據(jù)獲得組裝水果電池的最優(yōu)條件，并成功組裝“水果電池”使二極管變亮。其過程如圖3所示。

2.3 利用實驗結(jié)論解釋情境問題促進學(xué)生高階思維的發(fā)展

組裝“水果電池”的實驗結(jié)論能否解釋或應(yīng)用于生活中的其他電池？為了獲得穩(wěn)定、更高的電壓，生活中的普通鋅錳干電池的設(shè)計能否用推導(dǎo)的結(jié)論來解釋？堿性鋅錳干電池在普通鋅錳干電池的基礎(chǔ)上是如何改進的？鉛蓄電池的獨特設(shè)計又是因為何種原因？電池的發(fā)展中為什么鋰離子電池應(yīng)用更廣泛？鋰離子電池的內(nèi)部設(shè)計有沒有印證實驗結(jié)論？人類將從哪些方面思考未來電池的設(shè)計方案？依據(jù)以上問題鏈，引導(dǎo)學(xué)生充分利用實驗結(jié)論，進行深入有效的思考。其過程如圖4所示。

3 基于學(xué)生高階思維培養(yǎng)的教學(xué)策略

3.1 片段1 播放關(guān)于原電池的化學(xué)史內(nèi)容

[信息1]1780年伽伐尼提出“生物電”。

[信息2]1799年伏特發(fā)明“伏打電堆”。

[提問]“伏打電堆”是如何設(shè)計的？利用了什么原理？

[學(xué)生回答]使用鋅片、銀片與食鹽水，利用原電池原理組成電池。

[追問]結(jié)合化學(xué)家戴維利用“伏打電堆”制備金屬鈉、鉀的化學(xué)史，請說明“伏打電堆”能否廣泛應(yīng)用？

[學(xué)生回答]“伏打電堆”提供的電壓小，電流不穩(wěn)定，不易攜帶，不能在生活生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用。

[信息3]1836年英國化學(xué)家丹尼爾制造出“丹尼爾電池”。

[信息4]1842年德國物理學(xué)家本生制造了“本生電池”即碳鋅電池。

[提問]閱讀信息3、 4，丹尼爾與本生如何改良了電池？

[學(xué)生回答]伏打電堆是單液原電池，氧化劑和還原劑直接接觸，存在自放電現(xiàn)象?！暗つ釥栯姵亍笔褂娩\片、銅片作電極材料，改進成雙液原電池，解決電池自放電問題。“本生電池”將電極材料改進成鋅片與碳，進一步增大電極間的電極電勢差。

[追問]這兩種電池的改進方法有什么優(yōu)點與缺點呢？

[學(xué)生回答]改進了電池的電極材料與電解質(zhì)的組成，可使電池保持平穩(wěn)的電流，但使用時間不長，電解質(zhì)為稀硫酸，搬運不方便，也不能在生活生產(chǎn)中推廣。

[信息5]1859年法國科學(xué)家勒克朗謝研制出現(xiàn)代“干電池”原型，促使20世紀(jì)初手電筒的發(fā)明。

[追問]勒克朗謝如何改進了電池？

[學(xué)生回答]改進了電極材料、電解質(zhì)及組成方式，使用鋅作負極，石墨作正極，二氧化錳在正極附近發(fā)生反應(yīng)，氯化銨為電解質(zhì)。電池使用時間更長，攜帶更方便。

經(jīng)過200多年的研究歷程，科學(xué)家逐步揭示了原電池原理，并利用原電池原理發(fā)明了電池，推動了社會的發(fā)展與進步。

設(shè)計意圖： 通過播放化學(xué)史引入課程，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，體會科學(xué)家揭示原電池原理過程的艱辛曲折與鍥而不舍的精神，并將這種精神應(yīng)用于學(xué)習(xí)中。通過歷史上電池的更迭與發(fā)展，學(xué)生初步感受科學(xué)家在電極材料、電解質(zhì)、電池組合方式等方面對電池的研究與改進，為后續(xù)電池構(gòu)造的探討埋下思考方向的伏筆。

3.2 片段2 探究影響“水果電池”電壓的因素

[課前準(zhǔn)備]準(zhǔn)備約相同大小的鎂片、鋁片、鋅片、鐵片、銅片、石墨，同批次的蘋果、香蕉、橙子、檸檬，不同濃度的檸檬汁，發(fā)光二極管，導(dǎo)線若干，數(shù)字電壓傳感器。

[投影]播放美國藝術(shù)家查蘭設(shè)計的水果電池藝術(shù)照。

[提問1]如何組裝水果電池？依據(jù)的原理是什么？

[學(xué)生回答]依據(jù)原電池原理使用不同金屬（或石墨）、水果即可構(gòu)成水果電池。

[演示]展示一個水果，制作水果電池。將水果電池連接發(fā)光二極管，觀察是否能使二極管發(fā)亮。

[學(xué)生回答]二極管沒有發(fā)亮。

[追問]為什么我設(shè)計的水果電池沒有使二極管變亮？

[演示]將水果電池連接到數(shù)字化電壓傳感器中測電壓，數(shù)值較低。

[提問2]如何改進水果電池使它具有更高的電壓？影響水果電池電壓的因素可能有哪些？

[學(xué)生討論]影響電壓的可能因素有水果的種類、水果汁濃度、電極的種類、電極與水果的接觸面積、電極間的距離……

[追問]你的猜測是否合理？如何設(shè)計實驗來驗證你的猜測？

[學(xué)生實驗]借助數(shù)字電壓傳感器，測量當(dāng)改變水果的種類、水果汁濃度、電極的種類、電極與水果的接觸面積、電極間的距離等因素時水果電池的電壓數(shù)值，總結(jié)使水果電池獲得較大電壓的最佳條件。利用實驗結(jié)論組裝水果電池，使二極管發(fā)亮。

[學(xué)生總結(jié)]成功組裝水果電池需要考慮的因素有： 電極材料、電解質(zhì)種類、組合方式。用小燒杯盛放1∶1檸檬汁（與水體積比）20mL，使用鎂與石墨作電極，調(diào)整電極間距離約為0.5cm，與檸檬汁充分接觸。將兩個檸檬汁電池并聯(lián)，再串聯(lián)一個檸檬汁電池，最終成功組裝的水果電池可使二極管發(fā)亮。

設(shè)計意圖： 本環(huán)節(jié)首先提出一個開放性問題： 影響水果電池電壓的因素可能有哪些？由于變量太多，學(xué)生能分析出許多影響因素，卻無法進行有效因果關(guān)聯(lián)。緊接著再提出一個封閉性問題： 每個小組選擇一個影響因素，進行實驗驗證。學(xué)生自然會考慮變量控制，從而獲得實驗結(jié)論。水果沒有電，水果設(shè)計成電池產(chǎn)生了電，調(diào)整水果電池使之產(chǎn)生更大的電壓和更大的電流。借助這一真實而復(fù)雜的情境，學(xué)生積極主動地提出問題，開展探究活動，思考、設(shè)計實驗方案驗證，并根據(jù)實驗數(shù)據(jù)進行歸納、分析、推理，最終解決問題。在此過程中，學(xué)生能夠?qū)W會運用創(chuàng)造性、反思批判性思維解決復(fù)雜問題，培養(yǎng)證據(jù)推理與模型認(rèn)知的核心素養(yǎng)。

3.3 片段3 依據(jù)實驗結(jié)論分析生活中的電池

[問題1]水果電池能否用于生活？評價你設(shè)計的水果電池。

[學(xué)生回答]水果電池提供的電壓與電流不能滿足生活中較大的電器，攜帶不方便，浪費嚴(yán)重，不能在生活生產(chǎn)中推廣。

[追問]生活中的普通鋅錳干電池與水果電池相比有什么優(yōu)點？

[學(xué)生回答]普通鋅錳干電池能提供穩(wěn)定的電流，使用時間較長，攜帶方便，可用于生活生產(chǎn)中。

[問題2]為了進一步滿足人類的生活需求，堿性鋅錳干電池孕育而生。觀察普通鋅錳干電池與堿性鋅錳干電池的結(jié)構(gòu)（如圖5所示），電池是怎樣改進的？

[學(xué)生回答]與普通鋅錳干電池相比，堿性鋅錳干電池將正負極位置顛倒，正極碳與二氧化錳涂在鋼外殼內(nèi)壁，負極將鋅片改為鋅粉，這種結(jié)構(gòu)的改變可增大電極間的接觸面積。電解質(zhì)使用KOH，堿性條件下電池沒有自放電現(xiàn)象，單位質(zhì)量輸出的電能多且儲存時間長。這種結(jié)構(gòu)的改變可增大電池電壓，提供更穩(wěn)定的電流，延長電池使用時長。

[追問]隨著人類生活需求的逐步提高，設(shè)計能提供更高的電壓且可重復(fù)使用的電池尤為迫切。分析鉛蓄電池的結(jié)構(gòu)，如圖6所示，這樣的設(shè)計有沒有印證實驗結(jié)論？

[學(xué)生回答]鉛蓄電池內(nèi)部設(shè)計成柵狀結(jié)構(gòu)，含有多組正負極片，電極片上有許多孔洞，內(nèi)部各組柵板間并聯(lián)。這些設(shè)計均是為了減小兩電極間距離，增大電極接觸面積，從而獲得更高更穩(wěn)定的電壓。

[問題3]隨著科學(xué)技術(shù)特別是信息技術(shù)的發(fā)展，鉛蓄電池比能量太低，污染較嚴(yán)重。人類需要尋找比能量更大的材料。如何提高單位質(zhì)量電池的容量？哪種材料做電極更合適？借助元素周期表尋找合適的材料。

[學(xué)生回答]借助元素周期表計算可得，鋰、鈹?shù)谋饶芰枯^大。

[追問]由于鈹及其化合物毒性大，不適合做電極，目前最理想的金屬為鋰。鋰離子電池因能量密度高、工作電壓高、使用溫度范圍大等優(yōu)點備受關(guān)注。不管是方形鋰離子電池還是圓柱形鋰離子電池，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)中電極只有1mm厚度并高壓卷繞形成，如圖7所示。能否用實驗結(jié)論解釋這樣設(shè)計的優(yōu)點？

[學(xué)生回答]這種設(shè)計結(jié)構(gòu)能使電池具有超強的放電能力、平穩(wěn)的高輸出電壓、更高的能量密度。這些結(jié)構(gòu)特點均可以利用電極材料、電解質(zhì)、組合方式等實驗結(jié)論來解釋。

[視頻]播放一段鋰離子電池相關(guān)視頻，簡單了解鋰離子電池目前的發(fā)展?fàn)顩r。

[追問]2018年全球汽車動力鋰離子電池企業(yè)出貨量排名第一的是我國某民族企業(yè)。我國某自主品牌電動汽車使用的即是我國自主研發(fā)的鋰離子電池。觀察該電池的構(gòu)造示意圖，如圖8所示，有無印證實驗結(jié)論？

[學(xué)生回答]該電池的設(shè)計構(gòu)造符合實驗結(jié)論。

設(shè)計意圖： 用學(xué)生實驗獲得的結(jié)論解釋生活中電池的構(gòu)造，既是對實驗結(jié)論的應(yīng)用，也是對生活電池從構(gòu)造上的更深入了解。學(xué)生體會每種電池的設(shè)計都有其優(yōu)點，隨著科學(xué)技術(shù)的進步，特別是材料學(xué)的發(fā)展，每種電池又有其不足之處，需要改進。而改進方式仍依據(jù)學(xué)生實驗所得結(jié)論。同時，學(xué)生認(rèn)識到電池的發(fā)展也要依托能源、材料、技術(shù)的進步，在問題解決過程中感知科學(xué)技術(shù)進步的曲折螺旋式上升趨勢。不同電池構(gòu)造的解釋過程既需要學(xué)生具有創(chuàng)造性思維，又要進行反思批判性思維，才能進行復(fù)雜問題的解決，教學(xué)過程正是促進學(xué)生高階思維發(fā)展的過程。

3.4 片段4 依據(jù)實驗結(jié)論暢想理想中的電池設(shè)計

[新聞]某小區(qū)地下車庫內(nèi)，一輛某品牌電動汽車忽然冒起白煙，進而發(fā)生自燃。

[提問1]閱讀這則新聞，你認(rèn)為電池的設(shè)計還需要考慮什么方面？

[學(xué)生回答]安全性！

[提問2]奇思妙想： 你理想中的電池應(yīng)該怎樣設(shè)計？

[學(xué)生活動]小組探討，交流想法。未來電池的設(shè)計也要考慮： 電極材料、電解質(zhì)、組合方式及安全性。

[學(xué)生活動]查閱資料、小組討論，分享各組了解到的未來電池。譬如，使用新型納米材料石墨烯做電極材料;使用核動力做電池能源;只需更換新的電解液就可以快速充電的無膜流動電池;應(yīng)用于電子卡或衣物上的薄紙電池;具有可彎曲折疊、更優(yōu)越加工性的紙制太陽能電池;壽命可長達20年之久的氚電池。

設(shè)計意圖： 電池方便人類的生活，推動社會的進步，但是每種電池均有其優(yōu)點和需要改進的方面，實驗結(jié)論也可用于解釋未來電池構(gòu)造的改進與發(fā)展。運用化學(xué)原理與化學(xué)技術(shù)，解決生活中的化學(xué)問題，提高人類生活質(zhì)量，這是化學(xué)科學(xué)對人類的重要貢獻之一。學(xué)生充分體會到化學(xué)的學(xué)習(xí)是為了認(rèn)識世界、改造世界、保護世界，化學(xué)科學(xué)的發(fā)展促進了人類物質(zhì)和精神文明的進步。

4 研究體會

4.1 化學(xué)實驗是促進學(xué)生進行高階思維的重要工具

利用數(shù)字化實驗可視化特點，通過“水果電池”結(jié)構(gòu)探討，將定性的宏觀的水果電池能否使二極管變亮轉(zhuǎn)變?yōu)槎康乃姵仉妷旱木唧w數(shù)值，獲得設(shè)計電池的關(guān)鍵因素，進行電池結(jié)構(gòu)的微觀探析。將實驗結(jié)論充分應(yīng)用于解釋電池的歷史、現(xiàn)在及未來發(fā)展的過程，凸顯實驗在化學(xué)教學(xué)中的重要作用。

4.2 情境問題是引領(lǐng)學(xué)生發(fā)展高階思維的重要手段

依據(jù)電池的歷史、現(xiàn)在及未來發(fā)展，提出情境問題： 科學(xué)家為什么要設(shè)計電池，為什么要改進電池，從哪些方面改進電池？在有效的情境問題引領(lǐng)下，促進學(xué)生查閱資料、設(shè)計方案、實驗探究等，使用對比、歸納、整合、提升等科學(xué)方法解決真實情境問題。正是在解決問題的過程中，充分發(fā)揮學(xué)生的主體地位，將學(xué)生的創(chuàng)造性思維、反思批判性思維、復(fù)雜問題解決三者融為一體，有效地發(fā)展了學(xué)生的高階思維，提升了學(xué)生的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

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