基于學生高階思維培養的高中化學教學策略研究

郝蓓 王澍

摘要：利用數字電壓傳感器測量“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、組合方式及安全性。依據實驗結論設計最佳“水果電池”，利用實驗結論解釋化學史、生活中及未來人類如何對電池構造進行改進與發展，在問題解決過程中實現學生高階思維的培養，達成學生核心素養的培養目標。

關鍵詞： 學生高階思維; 教學策略; 核心素養; 電池構造

文章編號： 1005-6629（2022）03-0032-06

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

1 問題的提出

《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱“新課標”）在課程目標中要求： 學生能發現和提出有探究價值的化學問題，依據探究目的設計并優化實驗方案，提出進一步探究或改進實驗的設想。初步學會收集各種證據，對物質的性質及其變化提出可能的假設，對復雜化學問題情境中的關鍵要素進行分析，建立解決復雜化學問題的思維框架，養成獨立思考、敢于質疑、勇于創新的精神[1]。故而，有價值的化學問題的研究過程即是學生高階思維的培養過程。

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世紀不可缺乏的一種能力[2]。高階思維也是學生在高中化學學習中需要達成的心智活動與認知能力。其內涵可歸納為三大核心要素： 創造性思維、反思批判性思維和復雜問題解決[3]。創造性思維指學生運用感知、理解、聯想、創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生提問、質疑、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;真實情境的復雜問題解決是學生將知識靈活應用到分析、解決實際問題的思維方式。

新課標對原電池的內容要求為認識化學能轉化為電能，認識原電池反應原理[4]。目前教師大多比較重視深入研究原電池認知模型的建立、電極類型的判斷、電解質中離子的相關反應等教學[5]。但是將有關原電池的化學史或生活中常用的電池作為案例素材，發展學生對原電池工作原理的認識，建立對電化學過程的分析思路，亦是新課標在教學策略中所倡導的。目前的研究僅把以上內容作為引入課程或銜接課程，并未進行分析解釋、推論預測、設計評價等學習活動，在此過程中學生的創造性、反思批判性思維的培養則沒有獲得更多的關注。

鑒于此，本文以化學史、生活中及未來人類對電池構造的改進與發展為主線，緊密聯系生產生活實際，注重組織課堂教學，探討歷史上電池的演變、生活中電池的設計，未來電池的發展，獲得電池構造的改進與發展的方法。在真實的問題情境與復雜問題解決中，培養學生進行提問、質疑、追問、分析、反思、批判、總結等思維方式，促進思維發展，實現高階思維的培養，并達成如“證據推理與模型認知”“變化觀念與平衡思想”等核心素養的培養目標。

2 基于學生高階思維的教學設計

新課標在“化學反應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”結構簡單、操作方便，能夠促進學生對原電池的組成結構、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”作為學生實驗，通過學生制作“水果電池”，探究組裝“水果電池”的最佳因素，建立、鞏固原電池認知模型。通過化學史、生活中常用電池的構造分析和未來電池的發展趨勢預測進一步評價修正模型，在活動過程中實現學生學習興趣的激發、知識的鞏固、能力的訓練和素養的提升，增強學生運用化學知識解決生活問題的能力，促進高階思維的發展。基于學生高階思維的課程發展過程歸納為如圖1所示。

2.1 利用化學史讓學生感受高階思維在科學發展過程中的作用

化學史是科學家在艱辛探究歷程中不斷經歷思維的突破和創新的歷史。化學史能提高學習的趣味性，能加深學生對基本概念的理解和掌握，還能使學生體會科學家的探究歷程，引導學生理性思考和科學判斷，促使學生進行深度思考，從而推動發展其高階思維能力的發展。設置化學史教學的另一目的是讓學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，體會人類科學文明螺旋上升的發展模式，如圖2所示。

2.2 利用數字化手段測量數據培養學生信息獲取與加工能力

本節課是在國家課程基礎上的拓展內容，教學內容源于國家課程卻又高于國家課程。學生已經具備一定的電化學基礎知識，能解決簡單的如“水果電池”的設計組裝等問題，故設計成單元教學： 化學史解讀、水果電池設計、生活中的電池分析、未來電池暢想共四課時。借助學校STSE課程基地的數字化實驗傳感器，將傳統實驗與數字化實驗相結合，讓學生通過直觀的數字變化將“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。根據測量的多組數據，學生通過分析數據獲得組裝水果電池的最優條件，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 利用實驗結論解釋情境問題促進學生高階思維的發展

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

3 基于學生高階思維培養的教學策略

3.1 片段1 播放關于原電池的化學史內容

[信息1]1780年伽伐尼提出“生物電”。

[信息2]1799年伏特發明“伏打電堆”。

[提問]“伏打電堆”是如何設計的？利用了什么原理？

[學生回答]使用鋅片、銀片與食鹽水，利用原電池原理組成電池。

[追問]結合化學家戴維利用“伏打電堆”制備金屬鈉、鉀的化學史，請說明“伏打電堆”能否廣泛應用？

[學生回答]“伏打電堆”提供的電壓小，電流不穩定，不易攜帶，不能在生活生產中廣泛應用。

[信息3]1836年英國化學家丹尼爾制造出“丹尼爾電池”。

[信息4]1842年德國物理學家本生制造了“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，存在自放電現象。“丹尼爾電池”使用鋅片、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點與缺點呢？

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

[信息5]1859年法國科學家勒克朗謝研制出現代“干電池”原型，促使20世紀初手電筒的發明。

[追問]勒克朗謝如何改進了電池？

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

經過200多年的研究歷程，科學家逐步揭示了原電池原理，并利用原電池原理發明了電池，推動了社會的發展與進步。

設計意圖： 通過播放化學史引入課程，激發學生學習興趣，體會科學家揭示原電池原理過程的艱辛曲折與鍥而不舍的精神，并將這種精神應用于學習中。通過歷史上電池的更迭與發展，學生初步感受科學家在電極材料、電解質、電池組合方式等方面對電池的研究與改進，為后續電池構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

[課前準備]準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，發光二極管，導線若干，數字電壓傳感器。

[投影]播放美國藝術家查蘭設計的水果電池藝術照。

[提問1]如何組裝水果電池？依據的原理是什么？

[學生回答]依據原電池原理使用不同金屬（或石墨）、水果即可構成水果電池。

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

[學生回答]二極管沒有發亮。

[追問]為什么我設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字化電壓傳感器中測電壓，數值較低。

[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？如何設計實驗來驗證你的猜測？

[學生實驗]借助數字電壓傳感器，測量當改變水果的種類、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值，總結使水果電池獲得較大電壓的最佳條件。利用實驗結論組裝水果電池，使二極管發亮。

[學生總結]成功組裝水果電池需要考慮的因素有： 電極材料、電解質種類、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，再串聯一個檸檬汁電池，最終成功組裝的水果電池可使二極管發亮。

設計意圖： 本環節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，學生能分析出許多影響因素，卻無法進行有效因果關聯。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。學生自然會考慮變量控制，從而獲得實驗結論。水果沒有電，水果設計成電池產生了電，調整水果電池使之產生更大的電壓和更大的電流。借助這一真實而復雜的情境，學生積極主動地提出問題，開展探究活動，思考、設計實驗方案驗證，并根據實驗數據進行歸納、分析、推理，最終解決問題。在此過程中，學生能夠學會運用創造性、反思批判性思維解決復雜問題，培養證據推理與模型認知的核心素養。

3.3 片段3 依據實驗結論分析生活中的電池

[問題1]水果電池能否用于生活？評價你設計的水果電池。

[學生回答]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，浪費嚴重，不能在生活生產中推廣。

[追問]生活中的普通鋅錳干電池與水果電池相比有什么優點？

[學生回答]普通鋅錳干電池能提供穩定的電流，使用時間較長，攜帶方便，可用于生活生產中。

[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構（如圖5所示），電池是怎樣改進的？

[學生回答]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壁，負極將鋅片改為鋅粉，這種結構的改變可增大電極間的接觸面積。電解質使用KOH，堿性條件下電池沒有自放電現象，單位質量輸出的電能多且儲存時間長。這種結構的改變可增大電池電壓，提供更穩定的電流，延長電池使用時長。

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

[學生回答]鉛蓄電池內部設計成柵狀結構，含有多組正負極片，電極片上有許多孔洞，內部各組柵板間并聯。這些設計均是為了減小兩電極間距離，增大電極接觸面積，從而獲得更高更穩定的電壓。

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

[學生回答]借助元素周期表計算可得，鋰、鈹的比能量較大。

[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點備受關注。不管是方形鋰離子電池還是圓柱形鋰離子電池，其內部結構中電極只有1mm厚度并高壓卷繞形成，如圖7所示。能否用實驗結論解釋這樣設計的優點？

[學生回答]這種設計結構能使電池具有超強的放電能力、平穩的高輸出電壓、更高的能量密度。這些結構特點均可以利用電極材料、電解質、組合方式等實驗結論來解釋。

[視頻]播放一段鋰離子電池相關視頻，簡單了解鋰離子電池目前的發展狀況。

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

[學生回答]該電池的設計構造符合實驗結論。

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

3.4 片段4 依據實驗結論暢想理想中的電池設計

[新聞]某小區地下車庫內，一輛某品牌電動汽車忽然冒起白煙，進而發生自燃。

[提問1]閱讀這則新聞，你認為電池的設計還需要考慮什么方面？

[學生回答]安全性！

[提問2]奇思妙想： 你理想中的電池應該怎樣設計？

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

[學生活動]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;應用于電子卡或衣物上的薄紙電池;具有可彎曲折疊、更優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點和需要改進的方面，實驗結論也可用于解釋未來電池構造的改進與發展。運用化學原理與化學技術，解決生活中的化學問題，提高人類生活質量，這是化學科學對人類的重要貢獻之一。學生充分體會到化學的學習是為了認識世界、改造世界、保護世界，化學科學的發展促進了人類物質和精神文明的進步。

4 研究體會

4.1 化學實驗是促進學生進行高階思維的重要工具

利用數字化實驗可視化特點，通過“水果電池”結構探討，將定性的宏觀的水果電池能否使二極管變亮轉變為定量的水果電池電壓的具體數值，獲得設計電池的關鍵因素，進行電池結構的微觀探析。將實驗結論充分應用于解釋電池的歷史、現在及未來發展的過程，凸顯實驗在化學教學中的重要作用。

4.2 情境問題是引領學生發展高階思維的重要手段

依據電池的歷史、現在及未來發展，提出情境問題： 科學家為什么要設計電池，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下，促進學生查閱資料、設計方案、實驗探究等，使用對比、歸納、整合、提升等科學方法解決真實情境問題。正是在解決問題的過程中，充分發揮學生的主體地位，將學生的創造性思維、反思批判性思維、復雜問題解決三者融為一體，有效地發展了學生的高階思維，提升了學生的化學學科核心素養。

參考文獻：

[1][4]中華人民共和國教育部制定. 普通高中化學課程標準（2017年版）[S]. 北京： 人民教育出版社，2018： 6，74.

[2]Cotton Kathleen. Teaching thinking skills [DB/OL]. New York. Teachers College Press. 1991.

[3]李珍珍. 基于“高階思維”培養的化學教學設計研究——以甲烷為例[D]. 曲阜： 曲阜師范大學碩士學位論文，2018.

[5]單世乾，倪娟. 基于探究實驗建構認知模型的化學教學研究——以“原電池的工作原理”教學為例[J]. 化學教學，2018，（12）： 59～64.