基于化學學科核心素養創設學習體驗場

侯瓊瑋

摘要：“銅鋅原電池及其原理”作為高中電化學啟蒙章節，起到了承上啟下的進階作用。在新高考背景下，基于化學學科核心素養的培育，電化學的教學應注重教材與生活實際的關聯，及其在生產中的遷移應用。在課堂上建立真實的問題情境，設計合適的課堂活動，使學生浸潤在“體驗式”的真實科研情境之中，創設學習體驗場，力求還原真實的探究路徑，是實現這一目標的有效途徑之一。

關鍵詞：核心素養;學生活動;學生體驗;科學探究;原電池

文章編號：1008-0546（2020）11-0015-04 中圖分類號：G632.41 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2020.11.004

一、問題的提出

核心素養是學生在接受相應學段的教育過程中，逐步形成的適應個人終生發展和社會發展需要的必備品格和關鍵能力。高中化學學科核心素養是學生發展核心素養的重要組成部分，包括“宏觀辨識與微觀探析”“變化觀念和平衡思想”“證據推理和模型認知”“科學探究與創新意識”和“科學態度與社會責任”5個維度，展現了學生通過化學課程學習形成的關鍵能力和必備品格。

上海市高中化學學科教學基本要求（試驗本）中針對新高考改革增加了化學、技術與社會模塊，其中涵蓋了化學與生活、化學與工業的內容，旨在凸顯化學是一門來源于生活、應用于實際的學科。高中化學學習的思維特點在于：從理論知識的學習到實際生產生活的升華，即應用已學化學知識分析實際問題，這是一個知識建構的過程，也是一個深刻理解化學知識并解決實際問題的過程。

學科知識和技能的形成、建立和深化是一個螺旋式上升的過程。學生在初中學習階段接觸到的電化學內容主要是水能夠在電解條件下分解為氫氣和氧氣，由于學生并不理解電化學相關原理，因此只知其然，而不知其所以然——電能與化學能之間的轉化。作為高中電化學啟蒙章節，“銅鋅原電池及其原理”起到了承上啟下的進階作用。在常規原電池教學中，以銅鋅原電池探究實驗入手，引導學生感知電能與化學能之間的轉化;以銅片上產生氣泡的異?，F象為認知沖突點，激發學生求知欲，并以此為抓手得出原電池的電極、電極反應等相關概念，教學過程關注相關內容的邏輯順序和知識的系統性。但是，這樣的教學缺少與實際應用的紐帶，學生難以感受學習內容的意義，不利于落實指向核心素養的教學要求。

高中電化學內容具有較強的理論性，反應原理、電極判斷等內容與生活實際存在一定距離?！镀胀ǜ咧谢瘜W課程標準》中提出電化學的教學要求為“認識化學能與電能轉化的實際意義及其重要應用”，強調了電化學的理論學習對于生產實際的指導作用。單世乾提出“電化學教學應充分挖掘生產實際素材，設計合適的實驗探究活動來學習原電池的基本原理，引導學生理解電池的改進與發展的理論依據及方法，從而應用于生產實際問題的解決”。

因此，電化學的教學應：（1）利用好已有知識，注重教學素材與生活實際的關聯;（2）注重理論知識在生產實際中的遷移應用?；谝陨蟽牲c，筆者認為，在課堂上應建立真實的問題情境，以實驗探究活動為載體，強化學生從理論到實際的“體驗”過程，使學生充分“浸潤”在真實的問題探究環境中，以實現從書本知識到實際生活生產的思維轉變。筆者以“化學史”為線索，從原電池的起源說起、探究原電池生電奧秘并親自設計電池，旨在以學生為主角重現歷史，體會電池設計與發展的科學思想以及培養敢于質疑和創新的科學精神，發展學生的“科學探究與創新意識”等核心素養。

二、基于核心素養的學生活動設計

1.解析教學要求

《上海市高中化學學科教學基本要求（試驗本）》（以下簡稱“基本要求”）中對基礎型課程氧化還原反應中的原電池部分作了如下要求（表1）：

基礎型課程側重“認知”理論，而拓展型課程更側重“應用”理論指導實際。在新授課教學中，教師既不能一味關注基礎型知識的落實，也不宜過度提升思維要求，因此，“度”的把握不容小覷。合理設計組織“體驗式”課堂教學活動，使學生浸潤在真實的問題情境中，是調控把握“度”的方式之一。

《基本要求》中對學習經歷作如下描述：選擇身邊常見化學試劑或身邊的物質與常用儀器制作簡易原電池，觀察、記錄有關實驗現象，運用分析、演繹、類比等方法對宏觀現象進行微觀解釋和表達，體驗化學變化中能量轉化的獨特魅力。從中不難看出其要求教師關注學生思維發展，將理論學習與科學研究相聯系，引導學生思考現象背后存在的規律等要求?！吧磉叀钡娜〔姆绞接欣诩ぐl學生興趣，啟迪學生的思維，更有利于將科學探究的精神延伸至課外，在生活中融會貫通核心素養。

學習的過程應是一個感性的認識經過思維加工上升到理性認知，并加以實踐的過程。借助有意義的生活素材，強化學生“體驗”的過程，是實現從感性到理性，從理洼再到實踐的有效途徑。

2.從教學線索到學生活動

原電池的發展過程中滲透了多種探索路徑和思維方式，但是科學家的探索之路與生活實際存在一定距離，學生能夠從中了解科學家探索過程的艱辛，卻較難真實體會科學探索的過程，也較難內化為自己的科學探索品質。選擇“身邊”的物質是一種將科學情境滲透進生活的取材方式，有利于學生浸潤在生活情境中感受真實的科學探索過程，課堂教學要為學生創造的情境，是能夠將理論知識融人其中以達到融會貫通的目的。

此階段學生已經了解氧化還原、化學反應伴隨能量變化等知識，因此本節內容其實是基于以上內容的升華和應用，在教學設計過程中以學生活動為載體、基礎型知識的落實為抓手、拓展型課程的思維方式為培養對象來開展課堂教學活動。教學設計中，需要拿捏好提升的“度”。教師先要有整體的電化學教學意識，既不能盲目提高，也要關注思維進階。在學生活動設計中，同樣也要張弛有度。

圍繞著“發現電一探究電一應用電”這一教學線索，選取具有代表性意義的幾個歷史事件，結合現代科學背景進行適當的修改和整合，以求適應學生現有認知水平，并借此提升科學思維方式，是設計學生活動的關鍵所在。因此在本設計中，筆者借伽伐尼的青蛙實驗作為線索，引導學生模擬情景再現，設計實驗“看見電子”，從“看見電子”的多種現象中逐步構建原電池模型，并通過自制電池發動小車的活動形式對其掌握程度進行診斷。力求使學生能夠準確描述分析銅鋅原電池的實驗現象，同時能夠對原電池中電子的得失以及運動方向和規律有深度認識（圖1）。

三、基于化學學科核心素養的教學實施環節

1.感受電——創設情境，初建模型

[視頻]TED和BBC剪輯視頻——模擬伽伐尼的青蛙實驗。

[演示實驗]串聯原電池給玩具青蛙通電，青蛙跳舞。

[教師]盡管兩種“動”的呈現方式不同，但其原理卻有著異曲同工之妙。請你找找它們在組成上的相似之處。

[學生]金屬、溶液。

設計意圖：通過“伽伐尼的青蛙實驗”的視頻資料以及給玩具青蛙通電這兩個以“青蛙動起來”聯結起來的事件，制造不同背景但是相同原理的情境啟發學生的思考。問題的產生來源于真實的情境，真實的情境可以是歷史上真實發生過的事件，也可以是人為營造的場景?？紤]到伽伐尼的青蛙實驗在課堂演示的可行性問題，改用視頻資料替代，同時結合使用原電池組給玩具青蛙通電跳舞這一環節，達到異曲同工的目的，即應用相同的實驗原理，不同的呈現方式，增加了實驗演示的視覺沖擊性和趣味性，使學生真切感受到能量的轉化過程。

[活動]利用磁性貼紙模擬伽伐尼的青蛙實驗模型（可手繪添加裝置）（圖2）。

[教師]展示學生搭建的模型，分析是否能夠再現伽伐尼的青蛙腿抽搐實驗。

設計意圖：基于以上對于兩個青蛙實驗的共同組成部分的討論，讓學生動手模擬伽伐尼的實驗模型，并對是否能夠再現青蛙抽搐這一實驗現象進行討論分析，旨在讓學生體驗“閉合回路”在構成原電池時的職能，同時通過體驗搭建過程，潛移默化地形成原電池組成的雛形。

2.探究電——科學發現，始于細節

[活動]實驗設計，“看見”電子。

請同學們以小組為單位，選用所提供的實驗器材和試劑

①想一想，設計若干種能夠“看見”電子轉移的實驗（表2）;

②做一做：選擇其中一種或者幾組實驗動手做一做，注意全面觀察，及時記錄看到的所查反應現象。

③想一想：從這些現象中你得到什么結論？

[教師]請同學分享他們的實驗結果。

[教師]結合氧化還原反應，你怎樣理解“鋅是負極？銅是正極？”

[學生]鋅片是負極，負極失電子，因為鋅片比銅片更易失電子。

[教師]最后誰得到了鋅失去的電子？

[學生]氫離子（硫酸）得到電子。

[教師]在剛才的實驗中，你是否找到有力的證據證實你的推理。

[學生]銅片上有氣泡產生。（如果沒有，請大家重復實驗，找找實證）

[教師]在銅片上溶液中的氫離子得到電子生成氫氣。

[教師]很多同學做了相同的實驗，卻不是每個人都看到氣泡。相信當年一定也有許多人遇到過與蛙腿抽搐類似的事件，卻唯有伽伐尼對這一宏觀現象背后的微觀本質進行了探析?？茖W的發現始于細節，止于錯過，善于觀察、善于發現是科學探索之路的第一步。

設計意圖：這一環節的設計主要有三個意圖：第一，是從宏觀辨識過渡到微觀探析層面，借助電流表來“看見”肉眼看不見的電子轉移過程。學生已有“電荷的定向移動形成電流”的知識儲備，因此，能夠借助電流計將可觀察的宏觀表象與微粒運動聯系起來，建立起宏觀與微觀世界之間的橋梁;第二，學生活動設計中要求畫出實驗裝置簡圖，旨在通過體驗構圖過程，構建原電池模型的圖像。記錄觀察到的實驗現象，一方面考察學生對于實驗現象的觀察能力，另一方面引導學生用化學用語解釋化學現象，以此來概括化學原理。觀察是科學研究中最重要的素質之一，科學探究和科學發現都是基于觀察結果的深入探索，因此，有必要在課堂科學探索的過程中滲透這一思想——親身體驗與“科學發現”的擦肩而過，學生能夠真切感悟科學探究過程中對于細節把握的重要意義;第三，“最后誰得電子”以及“從剛才的實驗過程中找實證”的設置滲透“證據推理與模型認知”的核心素養，引導學生學會評價并整合搜集到的有關證據，應用邏輯推理，對所研究的問題進行詮釋。

3.應用電——設計電池，延續故事

[教師]電池發展史簡介（如伏打電池、丹尼爾電池）

[活動]結合原電池的相關知識，利用所提供的材料設計一個電池來發動小車，并使小車朝著指定方向啟動（圖3、圖4），比一比，哪一組是最佳設計組。

[教師]（勝利組）說說如何迅速設計出電池。

[學生]氯化鈉是電解質溶液，存在離子;碳片是導體，能夠導電;鎂片比碳片更容易失電子，所以鎂片是負極。

[教師]將同學們剛才做的這個小小的原電池放大，就是我國首創的海洋電池，它是將同學們剛才用鎂片換成鋁板作為負極，碳為正極，海水為電解質溶液，利用空氣中的氧氣與鋁反應產生電流。海洋電池大規模用于燈塔等海邊或島嶼上的小規模用電，因為電線難以跨過海為燈塔供電，所以海洋電池的發明解決了這一難題。海洋電池沒有怕壓部件，在海洋下任何深度都可以正常工作.，海洋電池成為了海洋用電設施的能源新秀。

[教師]在最初的玩具青蛙跳舞實驗中，老師正是串聯了幾個原電池組，為青蛙供電，這就是后來的伏打電池。

[視頻]TED剪輯視頻——伏打電池。

[總結]（配合BBC視頻，邊播放邊演講）電的故事從原電池開始，正一步步改變著我們的生產和生活。如今，各個國家電池研究已經成為每年必做的科學項目。電的故事還沒有結束，也許正等待著你們去延續

設計意圖：本堂課的教學基本要求中指出“復述原電池概念和原電池組成”“識別原電池的正負極及發生反應的類型”，設計這一環節的目的是對這一教學目標的反饋評價。學生在設計電池時，首先要選擇合適的材料、并正確連接正負極，才能朝著實驗要求的方向發動小車，其次是選擇合適的溶液（酒精和氯化鈉）、最后需要形成閉合回路。在電池設計過程中并沒有要求學生復述原電池的構成要素，但卻在潛移默化中對課堂學習情況進行了評估和當堂反饋，在學生陳述設計思想之時既能得到課堂落實結果，又強化了實踐過程。而這一電池的設計原理類似于我國首創的海洋電池，因此在完成電池設計后引入海洋電池的介紹，滲透愛國主義教育，同時激勵他們將所掌握的知識投入到實際生活與生產中去，是培養學生“科學態度與社會責任”的重要契機。在總結環節，配合視頻的震撼音效，教師對電池的未來進行展望，將課堂主旨升華。

四.基于化學學科核心素養的實踐思考

基于化學學科核心素養的教學，區別于傳統教學，教學的核心目標要求實現從“獲取知識”到終態目標轉變為“素養發展”的認識過程目標。

在上述教學設計中，筆者將“獲取知識”的過程融入對真實問題情境的探究過程中，學生在經歷探究的過程中，不僅需要調動已有的知識經驗，同時也需要對即時生成的新問題進行思考，以解釋相應的現象。這個過程接近真實的科學探索經歷：從認知沖突的產生（無電池玩具青蛙動了起來），到沖突的解決（探究生電的奧秘），再到實驗結果的應用（設計電池），其中穿插了“與科學發現擦肩而過”等意外情境，力求還原真實的科學發現之路，使學生“浸潤”在科學探索的海洋中，“體驗”真實的科學、真實的科研。

在教學實踐中筆者發現，“體驗式”的學生活動不僅能夠調動學生的積極性，同時也大大提高了學生的思維容量。學生成了課堂的主角，科研之路就成了劇本，學生的思維上升過程便是劇本的走勢，在此過程中教師便充當著導演兼觀眾的角色，給予指導，給予點評。

在新高考改革的背景之下，化學教師面臨著挑戰，學習難度以及學習時間的把控變得尤為重要?；瘜W學科核心素養的提出為新高考改革背景下的教學提供了一條主線，一種思路，在教學設計的過程中，應圍繞著這一主旋律發展出枝繁葉茂的景象，浸潤“體驗式”的學生活動正是基于核心素養這一主題，提供了一種參考。