基于化学学科核心素养创设学习体验场

侯琼玮

摘要：“铜锌原电池及其原理”作为高中电化学启蒙章节，起到了承上启下的进阶作用。在新高考背景下，基于化学学科核心素养的培育，电化学的教学应注重教材与生活实际的关联，及其在生产中的迁移应用。在课堂上建立真实的问题情境，设计合适的课堂活动，使学生浸润在“体验式”的真实科研情境之中，创设学习体验场，力求还原真实的探究路径，是实现这一目标的有效途径之一。

关键词：核心素养;学生活动;学生体验;科学探究;原电池

文章编号：1008-0546（2020）11-0015-04 中图分类号：G632.41 文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2020.11.004

一、问题的提出

核心素养是学生在接受相应学段的教育过程中，逐步形成的适应个人终生发展和社会发展需要的必备品格和关键能力。高中化学学科核心素养是学生发展核心素养的重要组成部分，包括“宏观辨识与微观探析”“变化观念和平衡思想”“证据推理和模型认知”“科学探究与创新意识”和“科学态度与社会责任”5个维度，展现了学生通过化学课程学习形成的关键能力和必备品格。

上海市高中化学学科教学基本要求（试验本）中针对新高考改革增加了化学、技术与社会模块，其中涵盖了化学与生活、化学与工业的内容，旨在凸显化学是一门来源于生活、应用于实际的学科。高中化学学习的思维特点在于：从理论知识的学习到实际生产生活的升华，即应用已学化学知识分析实际问题，这是一个知识建构的过程，也是一个深刻理解化学知识并解决实际问题的过程。

学科知识和技能的形成、建立和深化是一个螺旋式上升的过程。学生在初中学习阶段接触到的电化学内容主要是水能够在电解条件下分解为氢气和氧气，由于学生并不理解电化学相关原理，因此只知其然，而不知其所以然——電能与化学能之间的转化。作为高中电化学启蒙章节，“铜锌原电池及其原理”起到了承上启下的进阶作用。在常规原电池教学中，以铜锌原电池探究实验入手，引导学生感知电能与化学能之间的转化;以铜片上产生气泡的异常现象为认知冲突点，激发学生求知欲，并以此为抓手得出原电池的电极、电极反应等相关概念，教学过程关注相关内容的逻辑顺序和知识的系统性。但是，这样的教学缺少与实际应用的纽带，学生难以感受学习内容的意义，不利于落实指向核心素养的教学要求。

高中电化学内容具有较强的理论性，反应原理、电极判断等内容与生活实际存在一定距离。《普通高中化学课程标准》中提出电化学的教学要求为“认识化学能与电能转化的实际意义及其重要应用”，强调了电化学的理论学习对于生产实际的指导作用。单世乾提出“电化学教学应充分挖掘生产实际素材，设计合适的实验探究活动来学习原电池的基本原理，引导学生理解电池的改进与发展的理论依据及方法，从而应用于生产实际问题的解决”。

因此，电化学的教学应：（1）利用好已有知识，注重教学素材与生活实际的关联;（2）注重理论知识在生产实际中的迁移应用。基于以上两点，笔者认为，在课堂上应建立真实的问题情境，以实验探究活动为载体，强化学生从理论到实际的“体验”过程，使学生充分“浸润”在真实的问题探究环境中，以实现从书本知识到实际生活生产的思维转变。笔者以“化学史”为线索，从原电池的起源说起、探究原电池生电奥秘并亲自设计电池，旨在以学生为主角重现历史，体会电池设计与发展的科学思想以及培养敢于质疑和创新的科学精神，发展学生的“科学探究与创新意识”等核心素养。

二、基于核心素养的学生活动设计

1.解析教学要求

《上海市高中化学学科教学基本要求（试验本）》（以下简称“基本要求”）中对基础型课程氧化还原反应中的原电池部分作了如下要求（表1）：

基础型课程侧重“认知”理论，而拓展型课程更侧重“应用”理论指导实际。在新授课教学中，教师既不能一味关注基础型知识的落实，也不宜过度提升思维要求，因此，“度”的把握不容小觑。合理设计组织“体验式”课堂教学活动，使学生浸润在真实的问题情境中，是调控把握“度”的方式之一。

《基本要求》中对学习经历作如下描述：选择身边常见化学试剂或身边的物质与常用仪器制作简易原电池，观察、记录有关实验现象，运用分析、演绎、类比等方法对宏观现象进行微观解释和表达，体验化学变化中能量转化的独特魅力。从中不难看出其要求教师关注学生思维发展，将理论学习与科学研究相联系，引导学生思考现象背后存在的规律等要求。“身边”的取材方式有利于激发学生兴趣，启迪学生的思维，更有利于将科学探究的精神延伸至课外，在生活中融会贯通核心素养。

学习的过程应是一个感性的认识经过思维加工上升到理性认知，并加以实践的过程。借助有意义的生活素材，强化学生“体验”的过程，是实现从感性到理性，从理洼再到实践的有效途径。

2.从教学线索到学生活动

原电池的发展过程中渗透了多种探索路径和思维方式，但是科学家的探索之路与生活实际存在一定距离，学生能够从中了解科学家探索过程的艰辛，却较难真实体会科学探索的过程，也较难内化为自己的科学探索品质。选择“身边”的物质是一种将科学情境渗透进生活的取材方式，有利于学生浸润在生活情境中感受真实的科学探索过程，课堂教学要为学生创造的情境，是能够将理论知识融人其中以达到融会贯通的目的。

此阶段学生已经了解氧化还原、化学反应伴随能量变化等知识，因此本节内容其实是基于以上内容的升华和应用，在教学设计过程中以学生活动为载体、基础型知识的落实为抓手、拓展型课程的思维方式为培养对象来开展课堂教学活动。教学设计中，需要拿捏好提升的“度”。教师先要有整体的电化学教学意识，既不能盲目提高，也要关注思维进阶。在学生活动设计中，同样也要张弛有度。

围绕着“发现电一探究电一应用电”这一教学线索，选取具有代表性意义的几个历史事件，结合现代科学背景进行适当的修改和整合，以求适应学生现有认知水平，并借此提升科学思维方式，是设计学生活动的关键所在。因此在本设计中，笔者借伽伐尼的青蛙实验作为线索，引导学生模拟情景再现，设计实验“看见电子”，从“看见电子”的多种现象中逐步构建原电池模型，并通过自制电池发动小车的活动形式对其掌握程度进行诊断。力求使学生能够准确描述分析铜锌原电池的实验现象，同时能够对原电池中电子的得失以及运动方向和规律有深度认识（图1）。

三、基于化学学科核心素养的教学实施环节

1.感受电——创设情境，初建模型

[视频]TED和BBC剪辑视频——模拟伽伐尼的青蛙实验。

[演示实验]串联原电池给玩具青蛙通电，青蛙跳舞。

[教师]尽管两种“动”的呈现方式不同，但其原理却有着异曲同工之妙。请你找找它们在组成上的相似之处。

[学生]金属、溶液。

设计意图：通过“伽伐尼的青蛙实验”的视频资料以及给玩具青蛙通电这两个以“青蛙动起来”联结起来的事件，制造不同背景但是相同原理的情境启发学生的思考。问题的产生来源于真实的情境，真实的情境可以是历史上真实发生过的事件，也可以是人为营造的场景。考虑到伽伐尼的青蛙实验在课堂演示的可行性问题，改用视频资料替代，同时结合使用原电池组给玩具青蛙通电跳舞这一环节，达到异曲同工的目的，即应用相同的实验原理，不同的呈现方式，增加了实验演示的视觉冲击性和趣味性，使学生真切感受到能量的转化过程。

[活动]利用磁性贴纸模拟伽伐尼的青蛙实验模型（可手绘添加装置）（图2）。

[教师]展示学生搭建的模型，分析是否能够再现伽伐尼的青蛙腿抽搐实验。

设计意图：基于以上对于两个青蛙实验的共同组成部分的讨论，让学生动手模拟伽伐尼的实验模型，并对是否能够再现青蛙抽搐这一实验现象进行讨论分析，旨在让学生体验“闭合回路”在构成原电池时的职能，同时通过体验搭建过程，潜移默化地形成原电池组成的雏形。

2.探究电——科学发现，始于细节

[活动]实验设计，“看见”电子。

请同学们以小组为单位，选用所提供的实验器材和试剂

①想一想，设计若干种能够“看见”电子转移的实验（表2）;

②做一做：选择其中一种或者几组实验动手做一做，注意全面观察，及时记录看到的所查反应现象。

③想一想：从这些现象中你得到什么结论？

[教师]请同学分享他们的实验结果。

[教师]结合氧化还原反应，你怎样理解“锌是负极？铜是正极？”

[学生]锌片是负极，负极失电子，因为锌片比铜片更易失电子。

[教师]最后谁得到了锌失去的电子？

[学生]氢离子（硫酸）得到电子。

[教师]在刚才的实验中，你是否找到有力的证据证实你的推理。

[学生]铜片上有气泡产生。（如果没有，请大家重复实验，找找实证）

[教师]在铜片上溶液中的氢离子得到电子生成氢气。

[教师]很多同学做了相同的实验，却不是每个人都看到气泡。相信当年一定也有许多人遇到过与蛙腿抽搐类似的事件，却唯有伽伐尼对这一宏观现象背后的微观本质进行了探析。科学的发现始于细节，止于错过，善于观察、善于发现是科学探索之路的第一步。

设计意图：这一环节的设计主要有三个意图：第一，是从宏观辨识过渡到微观探析层面，借助电流表来“看见”肉眼看不见的电子转移过程。学生已有“电荷的定向移动形成电流”的知识储备，因此，能够借助电流计将可观察的宏观表象与微粒运动联系起来，建立起宏观与微观世界之间的桥梁;第二，学生活动设计中要求画出实验装置简图，旨在通过体验构图过程，构建原电池模型的图像。记录观察到的实验现象，一方面考察学生对于实验现象的观察能力，另一方面引导学生用化学用语解释化学现象，以此来概括化学原理。观察是科学研究中最重要的素质之一，科学探究和科学发现都是基于观察结果的深入探索，因此，有必要在课堂科学探索的过程中渗透这一思想——亲身体验与“科学发现”的擦肩而过，学生能够真切感悟科学探究过程中对于细节把握的重要意义;第三，“最后谁得电子”以及“从刚才的实验过程中找实证”的设置渗透“证据推理与模型认知”的核心素养，引导学生学会评价并整合搜集到的有关证据，应用逻辑推理，对所研究的问题进行诠释。

3.应用电——设计电池，延续故事

[教师]电池发展史简介（如伏打电池、丹尼尔电池）

[活动]结合原电池的相关知识，利用所提供的材料设计一个电池来发动小车，并使小车朝着指定方向启动（图3、图4），比一比，哪一组是最佳设计组。

[教师]（胜利组）说说如何迅速设计出电池。

[学生]氯化钠是电解质溶液，存在离子;碳片是导体，能够导电;镁片比碳片更容易失电子，所以镁片是负极。

[教师]将同学们刚才做的这个小小的原电池放大，就是我国首创的海洋电池，它是将同学们刚才用镁片换成铝板作为负极，碳为正极，海水为电解质溶液，利用空气中的氧气与铝反应产生电流。海洋电池大规模用于灯塔等海边或岛屿上的小规模用电，因为电线难以跨过海为灯塔供电，所以海洋电池的发明解决了这一难题。海洋电池没有怕压部件，在海洋下任何深度都可以正常工作.，海洋电池成为了海洋用电设施的能源新秀。

[教师]在最初的玩具青蛙跳舞实验中，老师正是串联了几个原电池组，为青蛙供电，这就是后来的伏打电池。

[视频]TED剪辑视频——伏打电池。

[总结]（配合BBC视频，边播放边演讲）电的故事从原电池开始，正一步步改变着我们的生产和生活。如今，各个国家电池研究已经成为每年必做的科学项目。电的故事还没有结束，也许正等待着你们去延续

设计意图：本堂课的教学基本要求中指出“复述原电池概念和原电池组成”“识别原电池的正负极及发生反应的类型”，设计这一环节的目的是对这一教学目标的反馈评价。学生在设计电池时，首先要选择合适的材料、并正确连接正负极，才能朝着实验要求的方向发动小车，其次是选择合适的溶液（酒精和氯化钠）、最后需要形成闭合回路。在电池设计过程中并没有要求学生复述原电池的构成要素，但却在潜移默化中对课堂学习情况进行了评估和当堂反馈，在学生陈述设计思想之时既能得到课堂落实结果，又强化了实践过程。而这一电池的设计原理类似于我国首创的海洋电池，因此在完成电池设计后引入海洋电池的介绍，渗透爱国主义教育，同时激励他们将所掌握的知识投入到实际生活与生产中去，是培养学生“科学态度与社会责任”的重要契机。在总结环节，配合视频的震撼音效，教师对电池的未来进行展望，将课堂主旨升华。

四.基于化学学科核心素养的实践思考

基于化学学科核心素养的教学，区别于传统教学，教学的核心目标要求实现从“获取知识”到终态目标转变为“素养发展”的认识过程目标。

在上述教学设计中，笔者将“获取知识”的过程融入对真实问题情境的探究过程中，学生在经历探究的过程中，不仅需要调动已有的知识经验，同时也需要对即时生成的新问题进行思考，以解释相应的现象。这个过程接近真实的科学探索经历：从认知冲突的产生（无电池玩具青蛙动了起来），到冲突的解决（探究生电的奥秘），再到实验结果的应用（设计电池），其中穿插了“与科学发现擦肩而过”等意外情境，力求还原真实的科学发现之路，使学生“浸润”在科学探索的海洋中，“体验”真实的科学、真实的科研。

在教学实践中笔者发现，“体验式”的学生活动不仅能够调动学生的积极性，同时也大大提高了學生的思维容量。学生成了课堂的主角，科研之路就成了剧本，学生的思维上升过程便是剧本的走势，在此过程中教师便充当着导演兼观众的角色，给予指导，给予点评。

在新高考改革的背景之下，化学教师面临着挑战，学习难度以及学习时间的把控变得尤为重要。化学学科核心素养的提出为新高考改革背景下的教学提供了一条主线，一种思路，在教学设计的过程中，应围绕着这一主旋律发展出枝繁叶茂的景象，浸润“体验式”的学生活动正是基于核心素养这一主题，提供了一种参考。