基于核心素养的高中化学HSP教学设计

张抗抗

[摘   要]以诺贝尔化学奖的社会热点为背景，以化學电源的史实为探索主线，围绕能源利用率和绿色化学的学科思想进行任务驱动式教学，利用化学理论知识解决生活情境问题，有效地将化学史、科学哲学思想与社会影响的三重交互关系呈现给学生，使学生体会化学发展的过程和方法，感受化学学科的发展成就。

[关键词]核心素养;HSP;化学电源;教学设计

[中图分类号]    G633.8        [文献标识码]    A        [文章编号]    1674-6058（2021）26-0063-04

《普通高中化学课程标准（2017年版）》提出五大核心素养：宏观辨识与微观探析，变化观念与平衡思想，证据推理与模型认知，科学探究与创新意识，科学精神与社会责任。化学学科核心素养的提出让化学史实在化学教学中承载了更多的作用与意义。围绕HSP（History，Philosophy and Sociology of Science）进行的教学可以促进学生对科学本质的理解。但在教学中，史实不是孤立的，史实之间体现着推理的思想，史实与史实串成的历史线就是科学家探索世界的思想线，同时，史实是为教学内容和教学目标服务的，要能融合进教学内容，发挥其重要价值。因此，在《化学电源》一课的教学设计中注重化学史的连贯性，以电源的发展史为主线，让学生体验科学家探索的历程，同时结合生活情境，落实本节课的知识内容，感受科学探索以及经济生活双方面的影响对科技发展的推动作用，促进学生高阶思维的建立，发展学生的模型建构能力以及“科学精神与社会责任”的核心素养。

一、教学设计

1.教材分析

《化学电源》选自人教版教材选修4第四章第二节。纵向看，从必修1的单液原电池引出原电池工作原理，初步介绍化学电源，到选修4的双液、膜电池，深入分析化学电源，原电池知识呈螺旋上升。横向看，化学电源是第一节原电池模型的应用，是第三节建立电解池模型的铺垫，起着承上启下的作用。

2.基于核心素养的教学评一体化设计（见表1）

3.教学流程（见图1）

二、教学过程

1.环节一：聚焦社会热点，初识诺贝尔锂离子电池，初探化学电源

导语：2019年10月9日诺贝尔化学奖颁给了三位科学家，约翰·B·古迪纳夫、M·斯坦利·威廷汉、吉野彰，以表彰他们在锂离子电池发展上所做的贡献，瑞典皇家科学院称“他们创造出了一个可充电的世界”。那为什么诺贝尔化学奖会颁发给锂离子电池研究者？锂离子电池对我们的生活究竟有何重要意义？它的工作原理是什么？让我们一起走进电池的世界！

师：这张表（见表2）是生1课前搜集的电池信息，请大家对这些电池进行分类，并说明分类的标准是什么。

生2：一次电池是一次性电池，放电之后不能充电;二次电池可以通过充电恢复到放电前的状态。

设计意图：通过诺贝尔化学奖授予锂离子电池研究者的科学热点引课，使得学生感受到化学应用于科技的实际意义，并落实学习任务——对生活电池进行分类，体现化学学科的分类观。

2.环节二：基于化学史的原电池模型应用

【任务1】从微观角度分析解释5号“南孚”电池即碱性锌锰电池的放电原理，并用符号语言表达电极反应。

生3：负极：Zn - 2e-=Zn2+;正极：Zn2++2MnO2 + 2H2O + 2e- = 2MnOOH + Zn（OH）2 。

师：你判断正负极的依据是什么？为什么选择先写负极？

生4：因为原电池发生的是氧化还原反应，我先画双线桥，再依据得失电子判断电池的正负极。负极是金属单质时更容易判断和书写，用总方程减去一极的电极反应就是另一极的电极反应。

生5：负极电极反应书写不正确，这是碱性环境，锌离子要以沉淀的形式析出。

师：现在请大家重新整理两极的电极反应，以小组为单位，总结概括书写电极反应的一般思路。

生6：Zn + 2OH- - 2e- = Zn（OH）2 ;2MnO2 + 2H2O +2e-=2MnOOH + 2OH- 。

第一步，在总方程中标双线桥——判断正、负极;

第二步，书写好写的一极电极反应——考虑环境条件;

第三步，用总方程减去一极的电极反应得到另外一极的电极反应。

生7：我补充，第四步为通过加和进行验证（三大守恒）。

师：一次电池在使用过程中有何局限性？

生8：一次电池使用时间短，污染严重。

设计意图：利用最简单的碱性锌锰电池建立陌生电池电极反应的一般书写模型，利用小组讨论促进学生间的交流与协助，有助于课堂教学环节的过程性评价。

【任务2】从补充反应物和移除生成物的角度设计容器，并应用原电池模型和电极反应书写的一般方法绘制氢氧燃料电池微观图像。

生9：因为有两种燃料，原电池原理就是让氧化反应和还原反应分开，以教室作为比拟，氢气从前门的口进，氧气从后门的口进，两种气体分别有自己的产物，因此在另一侧分别有两个出口（如图2）。我们小组设计是酸性条件下的氢氧燃料电池。

生10：原电池中原料的消耗会使得电势差减小，所以需要半透膜。

师：恭喜大家，你们和科学家葛洛夫想的一样。1839年，英国科学家葛洛夫证明了氢氧燃料电池的原理;1948年，葛洛夫制备出第一个氢氧燃料电池。（见图3）

师：从反应方向的角度来看，某一方向放电，另一个方向充电。1859年，Plante设计铅蓄电池，1895年，Junger设计镍镉充电电池。

【任务3】根据学生的采访视频——洗车房员工介绍给没有电的汽車电瓶充电的工作经验，让学生分组利用所学知识对充电过程进行合理的理论解释。

生11：因为是充电，与放电方向相反，但电极反应的书写思路一致。充电负极（阴极）：PbSO4+ 2e-=Pb + SO42-;充电正极（阳极）：PbSO4 - 2e-+ 2H2O=PbO2 + 4H+ + SO42-。

师：氢氧燃料电池和铅蓄电池有何局限性？

生12：氢氧燃料电池需要不断补充原料，原料罐体积大，不便捷;铅蓄电池容量不够大，铅不环保。

播放视频（二识诺贝尔锂离子电池）：2019年诺贝尔化学奖锂离子电池发展，展示锂离子电池的发展线（如图4）。

设计意图：从成本和操作上模拟科学家解决问题的过程，引导学生挖掘问题本质，既体现创新精神，又能让学生经历科学家的思考历程，感受科学研究之趣味及社会发展的无形力量。课后学生体验生活，在采访中感悟知识的应用价值以及利用科学知识辨识生活本质的成就，体现“科学精神与社会责任”的核心素养。

【任务4】根据锂离子电池图示信息，写出锂离子电池充电的总反应式。

生13：因为图示信息给出了两极的电极反应，可根据得失电子判断正负极，并将两极的电极反应加和，由此可得充电电池的总反应式：LiCoO2+C6 = Li（1-x）CoO2+LixC6。

师：从干电池到燃料电池、铅蓄电池，再到锂离子电池，评判电池的优劣有什么标准？

生14：体积小，携带便捷，耐用，环保。

师：评判电池耐用的标准是什么？

生15：查阅资料发现可依据能量密度来判断，即参与电极反应的单位质量的电极材料放出电能的大小。从表1中看到，充电锂离子电池能量密度较大，能量利用效率更高。

师：沿着化学电源发展的印迹，大家能从化学学科角度总结出电池的研究需要考量哪些方面吗？

生16：能量利用效率和绿色化学。

设计意图：从具体到一般进行方法的总结，接着落实到应用，通过小组互评总结概括判断电池优劣的标准，同时审视电池发展史。

3.环节三：回顾电源发展线，三识诺贝尔锂离子电池，展望未来

师：诺贝尔化学奖得主99岁的Goodenough提出全固体电池新构想并表示：在毁灭性的能源危机和环境问题来临前，我们还有30年的时间研发新电池并使之商业化，这就是我去世前要做的事情——留下一个更清洁、更美好的世界！这个艰巨的任务，必然是由大家一起坚守。

设计意图：回归锂离子电池，以电池评判标准为参照，以电池发展史为鉴，寻找新电池的发展基点，展望未来，再一次体现“科学精神与社会责任”化学学科核心素养。

三、课堂小结

本课的教学设计有三个亮点：聚焦学科热点;基于化学史、科学哲学思想、社会影响与原电池模型相整合;注重学生评价。从环节评价量表看，学生对原电池模型的应用逐渐清晰明了（见表3和图5）。

反思：

（1） 对电池分类时，如果告知生活通俗名称（如干电池、电动车电瓶、手机电池等），学生能马上进行分类，但是当转换成化学专业名词时学生就不能及时反馈;课下作业中如果通过生活情境“用一辆汽车的电瓶给另一辆车的电瓶充电，请用图示（从电子导体、离子导体、电极、电极反应几个角度）描述微观原理”来提出要求，学生表达的正确率只有1.85%（如图6），当语言改成“用一个充满电的铅蓄电池给另一个没有电的铅蓄电池充电”时，正确率达40.74%（如图6），说明通过转化化学学科知识来理解生活应用不是一节课就能够完成的，同时，将微观原理与宏观现象结合并能用图像表征对学生来说也是极大的挑战，需要长时间的培养。

（2）从课堂反应来看，学生在设计氢氧燃料电池时有很大障碍，小组内基本是由个别学生设计成型后其他学生才能领会设计意图，所以在不同层次学生中，设计活动的水平层次（开放度）也不一样。本班采用的是“提供思路+设计”模式;另一个班采用的是“提供方案理解+思路提炼”模式。

[   参   考   文   献   ]

[1]  何森彪，吴文中. 基于化学史实组织教学 促进学生科学素养发展：以学生深度学习原电池原理为例[J]. 化学教与学，2017（4）：36-39.

[2]  史凡，王磊. 促进学生学科能力发展的高一原电池教学关键策略[J]. 化学教育，2018（1）：19-26.

[3]  张青扬，张括志. 掌控电能 绿色出行：基于培育学科核心素养的“电化学”复习教学设计[J]. 中学化学教学参考，2018（Z1）：15-17.

[4]  王灿. 化学史中的科学发展观：以“化学电源”教学设计为例[J]. 化学教学，2014（8）：31-34.

（责任编辑 罗 艳）