培養學生“科學探究與創新意識”素養的高中化學課堂實踐
——以選擇性必修課程“原電池”為例

福建省三明第一中學 陳 嫦

“科學探究與創新意識”注重培養學生求實創新的學習態度，注重培養學生嚴謹認真的思維方式，學生的學習能力與核心素養均得到發展。為此，培養學生“科學探究與創新意識”素養，具有非常重要的學科價值。筆者以魯科版選擇性必修1“化學能轉化為電能——原電池”課堂實踐為例，重點探討如何培養學生“科學探究與創新意識”素養，力求將素養培養融入課堂教學。

一、“科學探究與創新意識”的內涵

認識科學探究是進行科學解釋和發現、創造和應用的科學實踐活動；能發現和提出有探究價值的問題；能從問題和假設出發，依據探究目的，設計探究方案，運用化學實驗、調查等方法進行實驗探究；勤于實踐，善于合作，敢于質疑，勇于創新。如何引導學生發現問題、進行探究、努力創新、解決問題是教師教學研究的重點。研究型、創新型人才是現代社會極其需求的人才。“科學探究與創新意識”關注學生綜合素質的發展，素養關注學生未來的發展，是學生終身學習以及適應社會發展的基礎。

二、目前存在的問題

1.課堂教學缺乏科學探究與創新意識。

目前，課堂教學普遍存在重傳授知識，忽視演繹、推導的過程，忽視引導學生對問題大膽質疑。課堂停留在淺層次教學，缺“一探究竟”的深層次教學，少關注學生多元化思維的建構。課堂是核心素養落實的根本點，因此教學意識必須要轉變。

2.學生缺乏科學探究與創新意識。

有相當一部分學生認為高中化學知識點散、亂、雜，化學的學習在于背知識點，這樣的學生在學習中不能靈活運用知識點，學習收獲甚微。還有部分學生認知水平、分析問題的能力有限，同時缺乏自主學習能力及對化學問題的敏感度，對事物少鉆研少質疑，習慣于被動地接受知識，這樣的學習是低效且無趣的。

三、“科學探究與創新意識”素養教學設計

1.教材分析。

對教材分析，根據教學內容的地位和作用設計教學過程，可有效提升教學效果。原電池是對學過的氧化還原反應、電解質、能量轉化等知識的復習，同時也為電化學其他知識的學習打好基礎。原電池在中學化學方面有著眾多的應用，例如：加快反應速率、比較金屬失電子能力、金屬的防護等。原電池在生產、生活、航天、國防科技等方面有著廣泛的應用，學好原電池，有利于推動社會的進步與發展。

2.學情分析。

學生已初步了解原電池，對氧化還原反應中電子得失有深刻的認識；學生已具備一定的科學探究能力，課堂上學生交流合作、自主設計并完成實驗，學生動手完成原電裝置及鹽橋的制作，原電池教學層層遞進，學生對知識的理解從理論上升到實踐，有助于學生科學探究、創新意識等學科素養的提升。

據了解，學生對于原電池的學習仍存在不少困惑。例如：如何結合電學、自發的氧化還原反應、微粒運動等知識理解電流的產生？如何理解半反應在兩個不同電極上發生？金屬活潑性與正負極選擇有什么關系？兩個電極的活潑性是否一定不同？

3.“教、學、評”一體化的教學目標。

（1）能分析水果電池、單液、雙液原電池的原理，掌握原電池的構成條件、電極反應式的書寫。舊知識到新知識，從具體現象到抽象思維再到概念的形成，結合三重表征建立原電池的認知模型。學生的模型認知、證據推理素養得以提升。

（2）通過引導學生設計實驗、改進實驗、動手操作、分組實驗，實現從理論到實踐的轉變，培養學生合作探究、勇于創新的優秀品質。

（3）能舉例說明原電池的應用，感受化學對人們現代生活的巨大貢獻。關注原電池過程中能量的轉化，能從自身做起，節能環保、綠色低碳、簡約生活。

4.整體教學思路。

“科學探究與創新意識”的化學課堂將知識獲取的整個過程呈現給學生，從知識到能力到素養的提升均隱藏在整個探究過程中。綜合所有問題的結論構建知識體系，通過對問題的思考提升素養水平。整體教學思路如圖所示，通過實驗情境，生成遞進的問題，在教師的引導下，學生自主進階式的探究，培養學生科學思維，努力落實“教、學、評”一體化的教學目標。

教學環節：復習舊知→探索新知建立模型→應用模型→完善模型

教師活動：分析原理→啟發設問→協助構建→引導應用→總結歸納

學生活動：思維定位→思維更新→思維提升→遷移應用→思維拓展

5.教學實施過程。

（1）創設情境，引入新課。

【師】播放視頻“水果電池給手機充電”，引導學生嘗試制作水果電池。

【生】構建電池。

【師】問：實驗有什么現象？為什么用酸性水果？為什么會產生電流？

【生】分享實驗成功的經驗，描述現象：有的小組電流計指針發生偏轉，有的小組音樂卡片響起，有的小組燈泡發亮，但學生們對于電流的產生無法理解。

【師】及時點評學生的做法，引導學生從金屬片、酸性水果間可否發生氧化還原反應，結合電子轉移初步理解電流產生的可能原因。

設計意圖：生活創意小實驗讓學生感受到創新帶來的樂趣，在真實情境中讓學生對原電池產生好奇，激發學生探究原電池原理的興趣。

（2）課本實驗探究。

【生】完成實驗單液銅鋅原電池。

【師】問：溶液用量多少？電路連接要注意什么？

【生】記錄現象，思考：單液原電池的缺點是什么？如何改進？學生根據課本圖片對比，可能意識到電極與溶液存在直接置換的情況，銅附著在鋅片表面阻礙反應進行，置換伴隨放熱，導致能量利用率低，電流不穩定等問題，書寫電極反應式。構建雙液銅鋅原電池。

【師】引導：兩電極分處兩個燒杯，為何還能產生電流？兩電極間是否存在電勢差？CuSO4溶液換成稀H2SO4，可否構成原電池？電子的移動方向如何？離子的移動方向如何？如何維持燒杯內溶液的電中性？鹽橋的存在使裝置像不像連通器模型？一方價態升，另一方價態降，是否類似于蹺蹺板模型？鹽橋內的物質是什么？鹽橋的作用是什么？可否自制鹽橋？

設計意圖：學生對于單液原電池掌握比較好，對于雙液原電池不甚了解，通過雙液原電池的探究，以現象作為證據，學生能初步推出雙液原電池的原理，證據推理的學科素養得以提升。利用單、雙液原電池對比認識原電池模型，原電池本質為自發的氧化還原反應，這樣的反應引發了電子流動，負極材料上電子富足，正極材料上缺少電子，導致雙方電勢不相等，因此電子定向移動形成電流。

（3）創新實驗探究。

【生】通過課前查資料，某學生設計的方案：

果凍鹽橋制作：①用藥匙取三小勺果凍放于U 形管底部。②將U 形管放入100℃的熱水浴中加熱至果凍熔化。③往U 形管兩端分別滴加3～4 滴飽和KCl 溶液，振蕩。④將U 形管放入冷水浴中冷卻，果凍凝固，充當鹽橋。其他鹽橋制作：用濕巾、濾紙、毛巾、飽和氯化鈉溶液等完成。學生通過視頻展示鹽橋制作過程，展示成果。

【師】引導：如果在家做實驗，沒有U形管，可用什么代替？果凍可否用其他物質替代？鹽橋工作的原理是什么？鹽橋中的離子是否會往兩個燒杯中移動？

【小結】判斷是否形成原電池的思路：→自發的氧化還原化學方程式→總的離子方程式→兩半反應即電極反應式→失電子為負極，得電子為正極。引導學生從閉合回路，維持水溶液電中性角度思考鹽橋的作用。

設計意圖：通過對鹽橋的創新制作，將科學創意與生活實際相聯系，能激起學生對化學學習及生活的熱愛。抓住學生自主實驗探究的積極性，利用精心設置的問題引導學生思考，既鍛煉了學生實驗操作的規范性，又幫助了學生完善原電池的知識，建立思維模板。通過課本知識、查閱資料、自主創新，多途徑讓學生體驗原電池的形成條件及鹽橋的本質，構建知識脈絡。通過宏觀（現象、資料）——微觀（微粒組成、運動）——符號（電極反應式）表征發展學生變化觀念與平衡思想，學生“探究與創新”素養得以提升。

四、“科學探究與創新意識”素養教學成效

課后，對學生以小份測試卷形式進行調查，主要圍繞3 個點：知識水平要求、素養水平要求、學生的學習情況。10 道題共計100 分，平行班、實驗班各45 人，發放試卷90 份，回收有效卷90 份，回收率100%。

本節課以實驗為載體，引導學生知識到素養的發展，因此，筆者將《普通高中課程標準（2017 年版）》中學業質量對“素養4”要求的4 個水平，轉化為10 個測評題（表1）。其中，水平1 強調學生對原電池的原有認知，完成教材中銅鋅單液原電池實驗，初步感知該裝置的缺點；水平2 則關注學生在分析缺點后，通過添加燒杯、水溶液、鹽橋等操作進行實驗改進；水平3 側重于學生對原電池原理及構成條件形成系統認識后，能設計雙液原電池裝置，正確選擇電極、溶液順利完成實驗；水平4 注重學生拓展性地理解、改進陌生情境下的原電池裝置。

表1 基于“素養4”水平測試卷各題平均分對比

由表中數據可知，“探究與創新”素養水平1、2 完成情況良好，隨著知識、素養水平要求提高，對應平均分出現下降的現象，與學習規律相吻合。從整體情況看，波動比較平穩，但仍可看出要將學生的素養水平提升至3、4 等級存在一定的困難，學生需要一段時間理解應用即可達到。測試卷中有關雙液、新型原電池分數較低，究其原因，這些都需要學生在較高層面上對知識進行宏觀把握，需要綜合運用知識解決問題的能力。學生對于陌生情境表現出不適應，這就需要教師在教學中循序漸進，給學生充足的緩沖時間，平時教學中可將一些驗證性的實驗，稍作改動，變成需要學生設計、驗證、改進的實驗，不斷提升學生科學探究的發散性思維能力。

五、“科學探究與創新意識”素養教學反思

教師反思，總結教學的成與敗，教師是課堂的組織者，但課堂的主體是學生，教師反思，學生更需要反思，反思是一種反芻思維的體現，學生梳理整個實驗過程，總結自己設計的實驗方案的利與弊。

1.學習化學史，提升素養。

由于時間關系，本節課并未進行化學史教學，但不可否認，化學史是絕好的教學素材。教學不應局限于教材，還可以挖掘知識背后的故事，化學史展示了科學家科學研究的思路和方法，科學家敏銳的觀察、廢寢忘食的精神、實事求是的態度，對學生有著很好的引領示范作用。不僅提高了學生的學習興趣，還提高了學生的科學素養。

2.利用新技能，提高效率。

如果能合理使用各種教學技能，一定會讓課堂大放光彩。例如：利用動畫展示微觀粒子的定向移動，結合宏觀現象，實現思維的跨越；利用手持技術測電極附近離子濃度變化，定性轉向定量分析，圖表形式讓規律變得直觀；利用好希沃系統中的一些小技能，投屏讓學生都能看清楚現象，設置知識小游戲等，讓課堂更高效且有趣。

3.探究要符合學生的認知規律。

探究應當從學生的學習實際出發，努力突破學生的認知障礙，探究內容可以是教材、試題、生產生活、前沿科學等，為了讓學生樂于探究、勇于創新，設置的問題要注意難度、梯度、開放度，層層遞進，逐步達到教學目標。

提高學生的科學探究與創新能力，不應只是在于幾個實驗的操作、問題的思考、知識的識記，更多的是一種方法的培養，學生具備了相應的學科探究能力，學生在不斷的探究實踐中會發現探究的無窮魅力，且樂在其中。實驗探究以基本化學概念為理論指導，以學生動手實驗為科學實踐，緊扣化學核心素養，將素養目標落實到實驗教學中去。