新课改背景下实验探究对学生核心素养的培养

朱铭铮

摘 要：高中化学是高中学科领域一门重要的课程，从其新课程标准目标和要求来看，其核心是以学生为本，培养学生动手实践能力和探究精神，全面提高学生的基本素质。如何培养学生的化学学习核心素养已成为教师学者共同探究的问题。在新课程高中化学中，化学实验是十分重要的教学内容，阐述了通过实施开放式实验室，教师引导学生查阅文献资料，学生自主申报实验课题，开展合作探究的过程。旨在提高学生的创新精神和实践能力，提高学生探究化学本质规律的能力，从而培养学生的化学学科素养、化学信息素养、合作能力，指导学生初步了解科学前沿，从更高的境界和视野上发展自我。

关键词：新课程；实验；锂硫电池

一、联系实际，发现问题

随着社会的发展，能源消耗和环境问题向我们的社会提出了巨大的挑战，因此，发展具有高安全、高能量密度和高比容量的可充电锂电池是现代社会发展的必要组成部分。用现实情境及问题来激活教材知识，并借此指导学生查阅文献，了解有关科学前沿问题，并且联系实际，自主提出申报课题，并积极了解问题的各个方面，从而培养其化学信息素养。

作为活性炭的主要原料，以木材和秸秆等为代表的生物质材料是典型的可再生资源。以稻壳为例，全国每年可产生4000万吨，资源相当丰富。稻壳碳化后的产物中含有大量的二氧化硅（达30wt%），且多为纳米级别，因此具有很高的电化学活性和吸附能力。有研究表明，在锂硫电池正极材料中添加一定量的纳米氧化物可以有效地提高硫的电化学活性，有利于提高其充放电可逆性。将高含硅量的稻壳加工成具有优异电化学活性的锂硫电池正极载体材料，无疑是一种变废为宝、一举两得的方法。基于此，本课题拟以生物质废料为原料，开发具有一定二氧化硅含量的高比表面积稻壳活性炭，用于锂硫二次电池正极的载体并优化硫/碳复合电极的电化学性能，为低成本、高容量的锂硫电池的产业化提供技术支持。

二、实验探究，合作交流

化学实验是培养学生动手能力的主要手段，它是贯彻新课改思想，培养学生之间合作交流、科学观察和科学思维能力的有效手段。在进行上述课题过程中，学生通过文献数据与资料，交流确定进行实验的材料及实验过程。在实验室中进行探究，课题的实验过程如下：

（一）稻壳的碳化过程

稻壳碳经过水洗，除去表面黏附物，在100℃烘箱中烘干。将其放入管式电阻炉中，通氩气，以每分钟升温6℃的速率升至450℃，然后维持2小时后降温。

（二）稻壳的活化过程

活化剂选用氢氧化钾，氢氧化钾与碳化产物的质量比为3：1，加入10毫升水，搅拌充分溶解混匀后，在60℃烘箱中干燥。干燥后在450度预活化30分钟，然后在700度活化1小时，升温速率在6度每分钟。自然冷却至室温，稀盐酸洗涤至中性，干燥，得到稻壳活性炭载体。

（三）制备硫/碳复合材料，组装锂硫二次电池正极

制备硫/碳复合材料：将稻壳活性炭与升华硫以3：1混合，研磨30分钟后均匀后置于反应釜中，加热至155℃保温24小时，使硫充分渗入到稻壳活性炭的孔洞之中，从而获得一定负载量的硫/碳复合材料。

电极制作：将稻壳炭材料、导电炭黑和聚偏氟乙烯（PVDF）黏结剂按质量比7：2：1 混合，在N，N二甲基吡咯烷酮溶剂中搅拌成均匀的浆状物，将其均匀地涂在铝箔上，然后在60℃下真空干燥24 h。

组装电池：在手套箱中进行电池组装成锂硫电池，并在电化学工作站进行性能测试。

三、分析数据，深入思考

学生通过化学概念原理和化学事实来对实验现象与数据进行分析、综合、比较、归纳与概括，从而提高自身的化学逻辑思维能力。通过以上的实验过程，可得到一系列的实验数据与图表，再对其进行分析：

（一）SEM表征

硫/碳复合材料的SEM图表面看不出有很多孔，说明S很可能嵌入活性炭的孔里面了。

活性稻壳炭TEM的图上有许多黑白的点，它们代表的是小孔。这说明活性稻壳炭表面有许多小孔。

（二）热重分析

由图2可知，升华硫在250摄氏度左右因加热开始质量减小，在350摄氏度失去全部质量。而硫/碳复合材料也在250摄氏度左右开始质量减小，但在600摄氏度左右质量不再下降，此时剩余碳的质量分数约为32%。因此，我们得出硫/碳复合材料中硫的质量分数约为68%。

（三）稻壳炭的电化学性能表征

图3是稻壳炭锂硫电池在电流密度0.1C时，循环50次的充放电性能测试。该电池初始放电比容量为780mAh/g，循环50圈之后为250mAh/g，充放电的库伦效率为95%左右。

为了锂硫电池的碳材料开发，本课题选择稻壳炭将其制成电化学性能良好的锂硫电池的正极材料。该材料具有如下优点：

（1）活化的稻壳炭具有多孔性。（2）硫/碳复合材料中硫含量高达68%，且硫很好地嵌入孔内，提高了硫的利用率。

经过以上课题的探究，相信学生对于知识与实际相联系有进一步的认识。实验室的开放，鼓励了学生自行查阅资料，合作探究，动手实验，结果分析，有效地培养了他们的综合实践能力，并与情感、态度相整合。现实生活同样是“课堂”，将生活引入科学实验，甚至会更有价值，从中培养学生核心素养。

参考文献：

王维坤，余仲宝，苑克国，等.高比能锂硫电池关键材料的研究[J].化学进展，2011（Z1）540-547.