核心素養視域下高中化學實驗教學

隨著新一輪課程改革的推進，化學學科核心素養已成為高中化學教學改革的關鍵目標。核心素養強調學生綜合運用化學知識解決實際問題的能力，關注學科本質、科學探究和社會責任等多方面能力的提升。在此背景下，實驗教學不再局限于知識驗證，而應成為促進學生深度學習與素養養成的關鍵環節。“化學電源”是高中化學中一項兼具理論性與實踐性的內容，涉及氧化還原反應、電化學原理及能量轉化等多個知識點。通過化學電源的實驗教學，不僅可以幫助學生建立宏觀與微觀、理論與實踐的聯系，還能有效提升學生的問題解決能力、科學探究能力以及環境責任意識，契合核心素養的培養目標。本文以“化學電源”實驗教學為切入點，探索在核心素養視域下如何優化高中化學實驗教學設計與實施路徑，提升學生綜合能力，改進教學成效。旨在為教師提供實踐范式，為高中化學實驗教學改革提供理論支持和實踐參考[1]。

一、核心素養與化學實驗教學的關聯

《普通高中化學課程標準》（2017年版2020年修訂）提出化學學科核心素養包括五個方面：“宏觀辨識與微觀探析”“變化觀念與平衡思想”“證據推理與模型認知”“科學探究與創新意識”“科學態度與社會責任”。其中“科學探究與創新意識”強調通過實驗過程提升學生的問題意識、實踐能力和創新思維，體現實驗教學在核心素養培育中的重要作用。然而，目前高中化學實驗教學仍存在重知識輕實踐、重演示輕探究、重結論輕過程的問題。尤其是在“化學電源”教學中，教師常以理論講解為主，忽略對學生電池原理認知和技術應用能力的系統培養。而事實上，“化學電源”單元具有顯著的素養培養潛力。其理論內容涵蓋氧化還原反應、電化學反應、能量轉化等核心概念；其實驗部分涉及電極材料選擇、電壓測試、能效分析等多種科學探究過程；其社會價值聯系環保能源、綠色技術等現實議題。科學實踐是核心素養落地的關鍵路徑，而化學實驗正是科學實踐的核心形式之一[2]。

二、教學案例設計

（一）教學框架設計

基于“科學探究與創新意識”素養的培養要求，本教學設計采用“情境導入一原理探究一技術解析一創新應用”的遞進式路徑，分三階段展開，共安排3課時完成。

1.第一課時：原電池基礎原理驗證

在第一課時的“原電池原理驗證”中，學生通過分組合作，完成銅鋅原電池的構建實驗。結合數字化傳感器記錄實時數據，學生對電池輸出特性進行對比分析，探索鐵、銅、鋁等不同電極材料及稀硫酸、檸檬汁、硫酸銅等不同電解質溶液對電池性能的影響。教師在引導過程中，關鍵就在于讓學生從實驗現象出發，對電極反應的電子轉移過程進行推斷，從而理解原電池的構成條件與反應機理，進而培養他們基于證據進行科學推理的能力[3]。

2.第二課時：鉛蓄電池充放電特性探究

教師引入汽車使用鉛蓄電池實物模型，組織學生觀察并模擬電池充放電過程。通過數顯儀器實時監測電壓與電流的動態變化，學生進一步分析鉛蓄電池在放電過程中，負極發生Pb氧化生成PbS0₄ ，正極則發生 Pb0₂ 還原生成 PbS0₄ ，并釋放能量；在充電過程中則恰為上述反應的逆過程。學生在數據分析中理解了電極反應與能量轉化的內在聯系，并在討論環節中進一步思考電池性能衰減的原因，進而形成對可循環電池環境價值的初步認識。

3.第三課時：氫氧燃料電池創新應用

在電解水原理基礎上，學生動手組裝微型氫氧燃料電池，模擬供氫通氧過程，并通過測量不同催化劑下的輸出電壓與電流，分析能量轉換效率。部分小組還嘗試結合太陽能電池板進行制氫，實現能源自循環。實驗過程中，學生不僅鍛煉了創新設計能力，更對燃料電池在清潔能源領域的應用前景有了具體而深入的理解。

（二）創新實驗設計亮點

該案例的最大亮點在于實驗設計理念的更新與教學實踐的融合創新，體現在情境創設、技術融合和綠色理念等多個方面。

第一，在教學情境上，教師通過引入生活中常見的手機電池、汽車電瓶乃至航天器動力系統，構建出貼近學生生活、又具技術含量的階梯式真實情境。課堂導入環節播放新能源汽車廣告視頻，引導學生思考“如何提升電池續航能力”，從而自然過渡到電池性能原理的探究任務。在電極材料展示中，教師將鋅片、碳棒、鋰鈷氧化物等樣本與市售電池結構進行直觀對照，增強學生對實驗內容與現實技術之間關系的認知[4]

第二，信息技術的有效融合，使得傳統定性實驗得以轉化為定量化、可視化的科學探究過程。在鉛蓄電池實驗中，教師引導學生使用數據采集裝置繪制電壓一時間變化曲線，通過對曲線斜率的解讀，引申出反應速率與電極反應的相關性。同時借助仿真軟件，展示鋰離子在電池正負極之間嵌入與脫嵌的過程，使原本抽象的微觀現象變得直觀易懂，極大地提升了學生對反應機制的理解力。

第三，實驗設計充分體現了綠色化學的理念。在裝置設計中采用滴管、電極條等微型化材料，既控制了藥品用量，又保障了實驗安全。在電解質選擇上，鼓勵學生嘗試使用檸檬汁、蘋果汁等日常材料替代傳統強酸溶液，既降低了環境污染風險，也激發了學生的創造性思維。燃料電池實驗環節特別強調對催化劑材料的回收再利用，引導學生在技術創新中自覺踐行環保意識[5]。

三、教學實施策略

（一）創設真實情境，激活探究動機

“化學電源”教學內容涉及多個抽象的電化學原理，若脫離實際應用，容易造成學生理解的困難與學習興趣的缺失。因此，在教學實施中應注重情境化導入，構建學生熟悉而富有探究價值的真實場景，以激發學習動機，促進深度思維。例如，在教學導入階段播放神舟飛船發射視頻，提出“航天器如何保障長期電力供應？”這一開放性問題，引導學生關注能源轉換與儲存的科學原理。又如，通過對比普通干電池與充電電池的壽命、成本與環保性能，引發學生對“電池技術如何影響現代生活”的探究興趣。此外，教師還可以結合新中國成立70周年焰火晚會案例，引入“焰色試驗與電池放電”的關聯，讓學生思考焰火的色彩變化是否與電化學反應有關，從而提出一系列層次性問題：“焰色試驗屬于什么化學變化？”“其中的能量是如何轉化的？”“若用電池替代傳統引燃方式，如何優化電池輸出，使焰火更加絢麗？”這一類多角度、跨情境的任務鏈，有效拓展了學生的思維維度，實現了學科知識、技術應用與社會現實的深度聯結[6]。

（二）融合信息技術，突破認知難點

電化學知識常涉及微觀粒子運動、電荷轉移及能量轉化等抽象概念，單靠文字與板書難以充分展現其機制，需借助信息技術手段提升可視化與可操作性，輔助學生突破認知障礙。首先，通過微觀過程可視化，教師使用分子動力學模擬軟件動態展示鋰離子電池充放電過程，呈現 Li⁺ 在電極材料中的遷移路徑，幫助學生在宏觀電壓變化與微觀反應實質之間建立邏輯關聯，從而構建電極反應的微觀模型。其次，借助實時數據采集系統，如Arduino傳感器平臺，學生可在鋅錳干電池放電實驗中實時監測電流、電壓衰減趨勢，并利用圖表軟件將數據可視化，分析反應速率與電壓穩定性之間的函數關系。這種數據化、動態化手段提升了學生的數據處理能力和模型認知能力。此外，利用虛擬現實實驗平臺，教師可以讓學生在虛擬空間“拆解”鉛蓄電池結構，觀察 Pb0₂ 正極板、Pb負極板及稀硫酸電解液的分布與作用，解決實物拆解存在的安全風險與操作限制，進一步拓展學生的空間思維與結構理解能力。

（三）創新實驗方案，培養創新能力

化學電源相關實驗不應局限于教材提供的經典模式，而應結合技術發展和學生實際，鼓勵其在已有框架上進行方案優化與實驗重構，從而發展學生的工程思維和創新實踐能力。在裝置設計上，教師指導學生將傳統雙槽燃料電池簡化為單槽膜電極結構，用注射器控制供氣，用LED燈驗證輸出電流，形成微型化創新實驗裝置，既提升操作安全性，又保留實驗實效性。在教學內容整合上，設計自制太陽能充電寶項目，將物理中的光伏發電原理、化學中的電極反應知識與工程中的電路結構連接起來，開展跨學科項目式實驗。通過這種綜合任務，學生不僅提升了知識遷移能力，也獲得了產品設計與工程協作的實踐經驗。在資源利用方面，引導學生通過回收廢舊干電池提取鋅皮制作簡易原電池，回收其中的 MnO₂ 用作燃料電池催化劑，實施廢棄物再生實驗，體現循環經濟理念，激發學生的社會責任感和創新探索精神。

（四）實施多元評價，促進素養發展

科學素養的培養不僅需要教學設計的創新，更需科學有效的評價機制加以引導和反饋。因此，本教學實施構建了過程性與終結性評價并重、量化與性質描述結合的綜合評價體系。首先，在實驗成果表達上，教師鼓勵學生繪制電池工作原理流程圖，將反應方程式、能量轉換路徑、變量控制節點標注其上，實現對知識的系統整合與可視表達，提升學生的模型建構與知識遷移能力。其次，通過設計多維評價量表，將學生在實驗中的表現劃分為方案設計、操作規范、數據分析、協作創新四個維度，每個維度設定具體的4分等級指標，并引入自評、互評與教師評價相結合的機制，增強評價的客觀性與發展性。此外，圍繞化學電源技術的社會影響，教師布置“電池技術發展中的倫理權衡”專題辯論任務，圍繞如“鋰電池的普及與鈷礦開采的環境正義問題”“氫能源的前景與制氫路徑的環境代價”等議題，引導學生以科學視角分析社會矛盾，提升其批判性思維和公共責任意識[7]

四、教學實踐反思與改進方向

（一）教學反思

盡管教學實踐取得了一定成效，但在推進過程中仍面臨一些亟待解決的問題，需在今后的教學優化中持續改進。首先，實驗條件受限，普及難度較大。如燃料電池實驗中所需的貴金屬催化劑價格高昂，且微型傳感器、數據采集設備等資源有限，制約了大范圍教學實施的可能性。其次，課時限制與探究深度之間存在矛盾。深入的探究活動常需多個課時完成，而常規教學進度難以完全容納。第三，評價方式尚不夠科學系統。當前關于創新能力的評價仍偏主觀，缺乏統一、明確的量化指標。

（二）改進建議

為進一步優化教學實踐，本文提出以下教學改進建議。第一，開發梯度實驗資源包。根據學校設備條件差異，設計基礎版、標準版和進階版的三級實驗模塊，實現教學內容的分層推進與彈性適配。第二，構建校際共享平臺。推動區域內實驗器材、教學資源共建共享，特別是對貴金屬催化劑、精密傳感器等高價值實驗資源進行集中管理與循環使用，降低教學成本。第三，將實驗教學延伸至課外調研與社會行動，組織學生走訪電池生產企業、回收處理中心，開展“城市廢舊電池回收現狀與對策”專題調查，進一步強化學生對學科知識社會價值的理解與認同[8]。

結束語

在核心素養導向下，化學實驗教學不應局限于知識驗證和技能訓練，而應成為培養學生科學精神、實踐能力與社會責任的重要載體。以化學電源為主題的實驗教學實踐表明，通過真實情境引導、信息技術融合、綠色理念滲透與創新設計驅動，能夠有效激發學生的探究興趣，拓寬科學視野，發展綜合素養。本研究從教學設計到實施策略，構建了以“探究一應用一創新”為主線的實踐路徑，在提升學生證據推理與模型認知能力的同時，也實現了科學探究與價值引領的統一。實踐表明，當實驗教學不再只是做實驗，而是成為用化學解決真實問題的過程時，學生才能真正走進化學的本質，形成對科學的理解與認同。未來的化學教學應繼續拓展實驗的開放性與實踐性，強化跨學科融合與社會連接，助力學科核心素養在課堂中真正落地、生根、開花。

參考文獻

[1]黃恭福，鄒海龍.科學實踐：“科學探究與創新意識”核心素養的意蘊[].化學教學，2020（10）：3-7，13

[2]裴菲.高中化學教學中培養學生核心素養的策略[J].新課程，2022（36）：58-59.

[3]車耀.基于學科核心素養的高中化學實驗教學策略[J].中國教育學刊，2023（12）：98.

[4]李守來.基于學科核心素養的高中化學實驗教學模式的構建[J].新課程，2022（42）：52-53.

[5]郝桂林.談基于學科核心素養的高中化學實驗教學模式的構建Ⅲ].學周刊，2023（12）：93-95.

[6]韋偉華.構建高中化學實驗探究式教學模式培養化學學科核心素養[].新課程（下），2019（5）：162.

[7]鄭麗麗.基于學科核心素養的高中化學實驗教學模式構建探究[].基礎教育論壇，2024（12）：95-97.

[8]郁俊峰.基于發展學科核心素養的高中化學實驗教學策略[J].2024（5）：22-24.