“素養(yǎng)為本”背景下的化學(xué)創(chuàng)新意識(shí)培養(yǎng)

覃琦 陳延林

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》（以下簡(jiǎn)稱2017版課標(biāo)）提出的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)包括宏觀辨識(shí)與微觀探析、變化觀念與平衡思想、證據(jù)推理與模型認(rèn)知、科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)、科學(xué)精神與社會(huì)責(zé)任五個(gè)方面，創(chuàng)新意識(shí)是其中的重要內(nèi)容之一。“素養(yǎng)為本”的高中化學(xué)教學(xué)要求教師注重把課內(nèi)知識(shí)傳授延伸到課外實(shí)踐應(yīng)用，著力培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和能力。

創(chuàng)新意識(shí)是在解決問(wèn)題過(guò)程中自覺形成的一種突破常規(guī)的意識(shí)。教學(xué)中，教師可以采用加減法、逆向法、類比法、聯(lián)想法、迂回法等方法培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)。在原電池原理教學(xué)中，如果按常規(guī)直接依照教材編排安排教學(xué)，以知識(shí)傳授為主，就很難培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究意識(shí)和創(chuàng)新思維，學(xué)生對(duì)原電池的自發(fā)發(fā)生反應(yīng)、電流的產(chǎn)生、離子電子流動(dòng)方向等只能死記硬背，無(wú)法上升到對(duì)新型電池的理解層面。本文以電池的發(fā)展歷程為背景，以“素養(yǎng)為本”理念為指引，探討如何在“原電池”教學(xué)設(shè)計(jì)中培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)。

一、探究原電池的原理

【教學(xué)導(dǎo)入】高中生對(duì)生活中使用的干電池比較熟悉，教師課前布置學(xué)生每人收集2節(jié)廢舊大號(hào)干電池。上課伊始，教師指導(dǎo)學(xué)生拆解舊的干電池，觀察干電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，然后從對(duì)干電池的結(jié)構(gòu)探究引申到原電池裝置構(gòu)成的學(xué)習(xí)上來(lái)。

【教學(xué)目的】實(shí)物探究，可以讓學(xué)生有意識(shí)地把生活中的化學(xué)和教材中的化學(xué)知識(shí)聯(lián)系起來(lái)，加深學(xué)生對(duì)電池構(gòu)造的印象，提高學(xué)生的宏觀辨識(shí)能力，激發(fā)學(xué)生的探究愿望，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)。

（一）動(dòng)手實(shí)驗(yàn)

【教師活動(dòng)】教師組織學(xué)生到實(shí)驗(yàn)室上課，并指導(dǎo)學(xué)生動(dòng)手實(shí)驗(yàn)，探究電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)，并提出下列問(wèn)題：

（1）電池由哪幾部分構(gòu)成？

（2）電池內(nèi)部的碳棒是什么極？

（3）電池的負(fù)極在哪里？

（4）電池內(nèi)部黑色粉末的作用是什么？

提出問(wèn)題后，教師把學(xué)生分成4個(gè)小組，要求學(xué)生組內(nèi)討論。學(xué)生無(wú)法回答第4個(gè)問(wèn)題時(shí)，教師不是直接告知答案，而是引導(dǎo)學(xué)生利用信息技術(shù)在課堂上查閱資料，培養(yǎng)學(xué)生解決問(wèn)題的路徑思維。

【學(xué)生活動(dòng)】學(xué)生在教師指導(dǎo)下，拆開舊的大號(hào)干電池，探究干電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。學(xué)生經(jīng)過(guò)討論并結(jié)合干電池的使用經(jīng)驗(yàn)，很快就可以回答老師提出的前3個(gè)問(wèn)題：

（1）電池由鋅筒、碳棒、黑色粉末三部分組成。

（2）碳棒是電池的正極。

（3）鋅筒是電池的負(fù)極。

對(duì)第4個(gè)問(wèn)題學(xué)生一時(shí)答不上來(lái)。各小組通過(guò)網(wǎng)上查閱資料后，結(jié)合物理學(xué)的閉合電路原理得出了答案：黑色粉末能夠?qū)щ?，便于形成閉合回路。

【化學(xué)核心素養(yǎng)價(jià)值體現(xiàn)】本環(huán)節(jié)通過(guò)創(chuàng)設(shè)新穎的教學(xué)情境，激發(fā)學(xué)生自主探究的積極性，體現(xiàn)了證據(jù)推理與模型認(rèn)知的化學(xué)核心素養(yǎng)價(jià)值觀。學(xué)生能通過(guò)實(shí)驗(yàn)收集科學(xué)證據(jù)和確立尋找證據(jù)的途徑，為預(yù)測(cè)電池革新可能出現(xiàn)的結(jié)果打下知識(shí)基礎(chǔ)，搭建起解決深層次化學(xué)問(wèn)題的思維框架。

（二）原理探究

【教師活動(dòng)】教師根據(jù)干電池的結(jié)構(gòu)，結(jié)合教材內(nèi)容進(jìn)行原電池原理教學(xué)。教師實(shí)驗(yàn)展示（學(xué)生分成A、B、C、D四個(gè)小組同步進(jìn)行實(shí)驗(yàn)），邊解說(shuō)邊實(shí)驗(yàn)：如果我們把鋅筒換成鋅片，碳棒換成銅片，黑色粉末改成稀硫酸溶液（如圖1），那么我們可以得到與該實(shí)驗(yàn)相關(guān)的第一組問(wèn)題：

（1）分別把鋅片和銅片插入稀硫酸中，出現(xiàn)了什么現(xiàn)象？

（2）用導(dǎo)線把鋅片與銅片連起來(lái)，同時(shí)插入稀硫酸溶液中，出現(xiàn)了什么現(xiàn)象？

（3）如果在鋅片和銅片之間連接靈敏電流計(jì)，又出現(xiàn)了什么現(xiàn)象？

學(xué)生回答上述問(wèn)題后，教師再依上述實(shí)驗(yàn)繼續(xù)提出第二組問(wèn)題：

（1）三組實(shí)驗(yàn)中，鋅、銅上分別發(fā)生了什么反應(yīng)？銅片上為何產(chǎn)生了氣泡？

（2）電流流動(dòng)方向如何？

（3）溶液中氫離子是怎樣移動(dòng)的？氫離子得到電子才變成氫氣，電子又從何而來(lái)？

（4）構(gòu)成原電池的條件有哪些？

【學(xué)生活動(dòng)】四個(gè)小組的學(xué)生在教師的講解下，完成裝置的組裝，然后觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，A、B、C三組派代表回答教師提出的第一組問(wèn)題：

（1）A組觀察到鋅片上有大量氣泡產(chǎn)生，銅片上沒有氣泡。

（2）B組觀察到銅片上產(chǎn)生了大量氣泡，鋅片幾乎沒有氣泡，實(shí)驗(yàn)后鋅表面有腐蝕。

（3）C組觀察到銅片上有大量氣泡產(chǎn)生，鋅片幾乎沒有氣泡，同時(shí)靈敏電流計(jì)指針偏轉(zhuǎn)，實(shí)驗(yàn)后鋅表面有腐蝕。

學(xué)生在回答第一組問(wèn)題后，再通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)，繼續(xù)回答教師提出的第二組問(wèn)題：

（1）A組回答：三組實(shí)驗(yàn)中，銅本身都不參加反應(yīng)，鋅都溶解反應(yīng)了。

（2）B組回答：根據(jù)電流計(jì)指針偏轉(zhuǎn)方向，可推知電流方向是由銅片流向鋅片。

（3）C組回答：實(shí)驗(yàn)2、3中，銅片上都有H2產(chǎn)生，發(fā)生反應(yīng)式為2H++2e-=H2↑，說(shuō)明銅片上聚集電子，可推理出氫離子往銅片移動(dòng)并得到電子，這些電子來(lái)自鋅。

（4）D組總結(jié)：原電池的構(gòu)成條件——自發(fā)發(fā)生的氧化還原反應(yīng)、有兩個(gè)活性不同的電極、有電解質(zhì)溶液、形成閉合回路。

【化學(xué)核心素養(yǎng)價(jià)值體現(xiàn)】本環(huán)節(jié)融入了創(chuàng)新思維，提出了開放式探究問(wèn)題，體現(xiàn)了宏觀辨識(shí)與微觀探析的核心素養(yǎng)，引導(dǎo)學(xué)生將在化學(xué)宏觀層面觀察到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象通過(guò)微觀探析加以辨別。如：Cu電極上有氣泡產(chǎn)生（宏觀辨識(shí)），原因是2H++2e-=H2↑，說(shuō)明溶液中的H+向銅電極移動(dòng)并獲得從Zn轉(zhuǎn)移過(guò)來(lái)的電子（微觀探析）。這樣的設(shè)計(jì)能使學(xué)生理解宏微結(jié)合、變化可控，有助于學(xué)生建構(gòu)化學(xué)核心知識(shí)模型。

（三）原理歸納

【教師活動(dòng)】基于以上實(shí)驗(yàn)探究，教師和學(xué)生共同完成原電池原理歸納，設(shè)計(jì)成導(dǎo)學(xué)案，建立原電池裝置模型和知識(shí)模型（如圖2）。

【學(xué)生活動(dòng)】學(xué)生完成導(dǎo)學(xué)案后，歸納出以下原電池原理。

1.原電池的構(gòu)成條件：①自發(fā)發(fā)生的氧化還原反應(yīng);②有兩個(gè)活性不同的電極;③有電解質(zhì)溶液;④形成閉合回路。

2.能量轉(zhuǎn)化：化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能。

3.電極名稱和電極反應(yīng)

負(fù)極：氧化反應(yīng)Zn-2e-=Zn2+

正極：還原反應(yīng)2H++2e-=H2↑

總反應(yīng)：Zn+2H+=Zn2++H2↑

4.幾個(gè)流向：

電子：（-）→外電路→（+）

離子：陽(yáng)離子→（+），陰離子→（-）

電流：（+）→外電路（-）→內(nèi)電路→（+）

【化學(xué)核心素養(yǎng)價(jià)值體現(xiàn)】本環(huán)節(jié)讓學(xué)生樹立變化的觀念（自發(fā)發(fā)生的氧化還原反應(yīng)）和平衡的思想（得失電子守恒）。學(xué)生通過(guò)探究干電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)，有意識(shí)地聯(lián)系化學(xué)變化中的變化與守恒思想，逐步揭示各類變化的特征和規(guī)律，預(yù)測(cè)了某些物質(zhì)在一定條件下可能發(fā)生的化學(xué)變化，從而為原電池的原理探究提供了思維保障。

二、探究原電池的應(yīng)用

【教學(xué)導(dǎo)入】從意大利物理學(xué)家伏特發(fā)明的第一個(gè)電池到現(xiàn)在常見的高能電池，人類對(duì)電池的探索經(jīng)歷了200多年。在這一過(guò)程中，科學(xué)家們重點(diǎn)探索電極材料和電解質(zhì)溶液的革新，不斷提高電池效能、延長(zhǎng)電池壽命。教師可以布置學(xué)生在課前觀察生活中常見的蓄電池、紐扣電池、手機(jī)鋰電池等實(shí)物，查詢并收集當(dāng)今市面上常見電池的相關(guān)資料。

【教學(xué)目的】在學(xué)習(xí)原電池原理的基礎(chǔ)上，結(jié)合學(xué)生查閱資料獲得的知識(shí)，引導(dǎo)學(xué)生從電極材料探索和電解質(zhì)溶液變化兩個(gè)角度去思考“如何提高電池的效能和延長(zhǎng)電池的壽命”這一現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，培養(yǎng)學(xué)生的探索精神和創(chuàng)新意識(shí)。

【教師活動(dòng)】引導(dǎo)學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)裝置連接，問(wèn)學(xué)生“觀察到了什么現(xiàn)象”;引導(dǎo)學(xué)生把導(dǎo)線斷開后，再問(wèn)學(xué)生“觀察到了什么現(xiàn)象”，這樣的實(shí)驗(yàn)?zāi)芑卮稹叭绾翁岣唠姵氐男芎脱娱L(zhǎng)電池的壽命”這一問(wèn)題嗎？生答“不能”后，教師接著引出：生活中見到的化學(xué)電源很多，每種化學(xué)電源的原理都是一樣的，不同的是它們的電極和電解質(zhì)，因此應(yīng)該從這兩個(gè)方面去探討如何提高原電池的效能（開始下面兩個(gè)實(shí)驗(yàn)，提醒學(xué)生邊觀察邊思考）：

（1）將鋅片和碳棒同時(shí)插入稀硫酸中，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象有什么異同。

（2）將鋅片和銅片同時(shí)插入醋酸溶液中，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象有什么異同。

（3）關(guān)于如何提高電池的效能，同學(xué)們有什么想法？（開放性問(wèn)題，學(xué)生自由發(fā)言）

學(xué)生自由發(fā)言后，教師繼續(xù)設(shè)疑：通過(guò)實(shí)驗(yàn)我們知道，在鋅片和銅片斷開的情況下，鋅片可以和稀硫酸繼續(xù)反應(yīng)，但沒有產(chǎn)生電流，造成不必要的損耗，縮短了電池的壽命。那么如何解決這一問(wèn)題，從而延長(zhǎng)電池的壽命呢？

對(duì)于這一問(wèn)題，學(xué)生因知識(shí)有限無(wú)法作答，但教師不能直接告訴學(xué)生解決辦法，而應(yīng)從培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)上進(jìn)行引導(dǎo)：①核心問(wèn)題是什么？②解決方向是什么？③提出解決方案;④實(shí)驗(yàn)探究驗(yàn)證;⑤形成解決方案。

根據(jù)學(xué)生反饋，教師對(duì)原電池裝置做出改進(jìn)（實(shí)驗(yàn)展示;學(xué)生同步）：嘗試將鋅片放入盛有ZnSO4溶液的燒杯中，銅片放入盛有稀H2SO4溶液的燒杯中，用導(dǎo)線連接鋅片和銅片，觀察到的結(jié)果是無(wú)電流。

教師引導(dǎo)：根據(jù)原電池的本質(zhì)和原電池組成三要素內(nèi)容，請(qǐng)同學(xué)們思考問(wèn)題在哪里？如何解決這樣的問(wèn)題？

實(shí)驗(yàn)展示（學(xué)生同步）：教師展示鹽橋?qū)嵨?，并把鹽橋兩端分別插入兩個(gè)燒杯溶液中（如圖3），引導(dǎo)學(xué)生觀察現(xiàn)象，然后通過(guò)PPT展示鹽橋的構(gòu)成，讓學(xué)生直觀認(rèn)識(shí)到U型管中裝的是用飽和KCl溶液和瓊膠制成的凍膠。

【學(xué)生活動(dòng)】四個(gè)小組的學(xué)生在教師的指導(dǎo)下，完成裝置的組裝，并回答：兩個(gè)燒杯分開，溶液間沒有形成閉合回路，解決方法是使燒杯溶液連通起來(lái)，增加連通裝置。然后，學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。各組代表反饋如下：

（1）相同：碳棒上產(chǎn)生大量氣泡，鋅片幾乎沒有氣泡，電流表指針偏轉(zhuǎn)，鋅表面有腐蝕。區(qū)別：產(chǎn)生氣體速度變快，電流表指針偏轉(zhuǎn)幅度變大。

（2）相同：碳棒上有大量氣泡產(chǎn)生，鋅片幾乎沒有氣泡，電流表指針偏轉(zhuǎn)，鋅表面有腐蝕。區(qū)別：產(chǎn)生的氣體速度變慢，電流表指針偏轉(zhuǎn)幅度變小。

歸納：影響原電池效能的要素：①電極活性大小;②電解質(zhì)類型。

（3）生1發(fā)言：改變電極活性，可以使用更活潑的金屬作為電池負(fù)極，如鋰、鈉、鎂等。生2發(fā)言：使用新的電解質(zhì)，如固態(tài)電解質(zhì)等。

針對(duì)教師提出的“如何延長(zhǎng)電池壽命”這一問(wèn)題，四組學(xué)生在教師的引導(dǎo)下進(jìn)行組內(nèi)討論，然后各組派代表反饋：核心問(wèn)題是鋅與硫酸接觸，思考方向是鋅與硫酸分離，解決方案是設(shè)計(jì)新的原電池裝置并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究。（四組學(xué)生在教師的引導(dǎo)下，完成裝置的組裝）

觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象后，各組代表反饋：沒有氣泡產(chǎn)生，電流表不偏轉(zhuǎn)。銅片上有大量氣泡產(chǎn)生，鋅片幾乎沒有氣泡，同時(shí)電流表指針偏轉(zhuǎn)，實(shí)驗(yàn)后鋅表面有腐蝕，說(shuō)明構(gòu)成了原電池。斷開導(dǎo)線連接后，鋅片不反應(yīng)，有效解決了教師提出的問(wèn)題。

【化學(xué)核心素養(yǎng)價(jià)值體現(xiàn)】生活與生產(chǎn)是創(chuàng)新意識(shí)產(chǎn)生的源泉，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中不斷發(fā)現(xiàn)、不斷探索，能夠在尊重事實(shí)和科學(xué)依據(jù)的基礎(chǔ)上，對(duì)實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行創(chuàng)新優(yōu)化和深度思考，喚起學(xué)生的創(chuàng)新愿望，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)。

總之，高中化學(xué)課程中包含著豐富的貼近生活與生產(chǎn)的教學(xué)內(nèi)容，教師除了要教好化學(xué)知識(shí)，還應(yīng)有意識(shí)地挖掘教材中的知識(shí)與現(xiàn)實(shí)問(wèn)題相聯(lián)系的部分，基于學(xué)科核心素養(yǎng)進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)。本節(jié)關(guān)于“原電池”內(nèi)容的教學(xué)，就是在學(xué)生已有生活認(rèn)知的基礎(chǔ)上，運(yùn)用逆向思維模式進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)，讓學(xué)生動(dòng)手實(shí)驗(yàn)，從對(duì)具體事物的感性認(rèn)識(shí)上升到對(duì)化學(xué)原理的理性認(rèn)識(shí)，從而有效培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)。（題圖作者左為陳延林，右為覃琦）

參考文獻(xiàn)：

[1]貝淑妹，衷明華.基于核心素養(yǎng)的《原電池》教學(xué)設(shè)計(jì)[J].課程教育研究，2017（18）.

注：本文為2017年度廣西教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃A類重點(diǎn)課題“基于學(xué)科核心素養(yǎng)培養(yǎng)的高中化學(xué)教學(xué)單元設(shè)計(jì)的研究”（課題編號(hào)2017A003）的階段研究成果。

（責(zé)編 歐金昌）