基于学生高阶思维培养的高中化学教学策略研究

郝蓓 王澍

摘要：利用数字电压传感器测量“水果电池”的电压，探究影响“水果电池”电压的因素： 电极材料、电解质、组合方式及安全性。依据实验结论设计最佳“水果电池”，利用实验结论解释化学史、生活中及未来人类如何对电池构造进行改进与发展，在问题解决过程中实现学生高阶思维的培养，达成学生核心素养的培养目标。

关键词： 学生高阶思维; 教学策略; 核心素养; 电池构造

文章编号： 1005-6629（2022）03-0032-06

中图分类号： G633.8

文献标识码： B

1 问题的提出

《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》（以下简称“新课标”）在课程目标中要求： 学生能发现和提出有探究价值的化学问题，依据探究目的设计并优化实验方案，提出进一步探究或改进实验的设想。初步学会收集各种证据，对物质的性质及其变化提出可能的假设，对复杂化学问题情境中的关键要素进行分析，建立解决复杂化学问题的思维框架，养成独立思考、敢于质疑、勇于创新的精神[1]。故而，有价值的化学问题的研究过程即是学生高阶思维的培养过程。

高阶思维也称为“高层次思考（Higher-order Thinking）”，拥有高阶思维等同于拥有高效能的思考力，它被视为21世纪不可缺乏的一种能力[2]。高阶思维也是学生在高中化学学习中需要达成的心智活动与认知能力。其内涵可归纳为三大核心要素： 创造性思维、反思批判性思维和复杂问题解决[3]。创造性思维指学生运用感知、理解、联想、创造等思维技巧解决问题的高级心理活动;反思批判性思维指学生提问、质疑、互相解答、评论、进行自我观点的改进与修正的高级心理活动;真实情境的复杂问题解决是学生将知识灵活应用到分析、解决实际问题的思维方式。

新课标对原电池的内容要求为认识化学能转化为电能，认识原电池反应原理[4]。目前教师大多比较重视深入研究原电池认知模型的建立、电极类型的判断、电解质中离子的相关反应等教学[5]。但是将有关原电池的化学史或生活中常用的电池作为案例素材，发展学生对原电池工作原理的认识，建立对电化学过程的分析思路，亦是新课标在教学策略中所倡导的。目前的研究仅把以上内容作为引入课程或衔接课程，并未进行分析解释、推论预测、设计评价等学习活动，在此过程中学生的创造性、反思批判性思维的培养则没有获得更多的关注。

鉴于此，本文以化学史、生活中及未来人类对电池构造的改进与发展为主线，紧密联系生产生活实际，注重组织课堂教学，探讨历史上电池的演变、生活中电池的设计，未来电池的发展，获得电池构造的改进与发展的方法。在真实的问题情境与复杂问题解决中，培养学生进行提问、质疑、追问、分析、反思、批判、总结等思维方式，促进思维发展，实现高阶思维的培养，并达成如“证据推理与模型认知”“变化观念与平衡思想”等核心素养的培养目标。

2 基于学生高阶思维的教学设计

新课标在“化学反应与能量主题活动与探究建议”中提出，可用生活中的材料制作简易电池。由于“水果电池”结构简单、操作方便，能够促进学生对原电池的组成结构、工作电压、连接方式等方面的理解，故本课程以“如何提高‘水果电池’电压”作为学生实验，通过学生制作“水果电池”，探究组装“水果电池”的最佳因素，建立、巩固原电池认知模型。通过化学史、生活中常用电池的构造分析和未来电池的发展趋势预测进一步评价修正模型，在活动过程中实现学生学习兴趣的激发、知识的巩固、能力的训练和素养的提升，增强学生运用化学知识解决生活问题的能力，促进高阶思维的发展。基于学生高阶思维的课程发展过程归纳为如图1所示。

2.1 利用化学史让学生感受高阶思维在科学发展过程中的作用

化学史是科学家在艰辛探究历程中不断经历思维的突破和创新的历史。化学史能提高学习的趣味性，能加深学生对基本概念的理解和掌握，还能使学生体会科学家的探究历程，引导学生理性思考和科学判断，促使学生进行深度思考，从而推动发展其高阶思维能力的发展。设置化学史教学的另一目的是让学生从对电池历史演变的分析中找到对生活中电池及未来电池改进的共通之处，体会人类科学文明螺旋上升的发展模式，如图2所示。

2.2 利用数字化手段测量数据培养学生信息获取与加工能力

本节课是在国家课程基础上的拓展內容，教学内容源于国家课程却又高于国家课程。学生已经具备一定的电化学基础知识，能解决简单的如“水果电池”的设计组装等问题，故设计成单元教学： 化学史解读、水果电池设计、生活中的电池分析、未来电池畅想共四课时。借助学校STSE课程基地的数字化实验传感器，将传统实验与数字化实验相结合，让学生通过直观的数字变化将“看不到”的微观世界“可视化”，探究影响电压的因素，测量不同的“水果电池”的工作电压。根据测量的多组数据，学生通过分析数据获得组装水果电池的最优条件，并成功组装“水果电池”使二极管变亮。其过程如图3所示。

2.3 利用实验结论解释情境问题促进学生高阶思维的发展

组装“水果电池”的实验结论能否解释或应用于生活中的其他电池？为了获得稳定、更高的电压，生活中的普通锌锰干电池的设计能否用推导的结论来解释？碱性锌锰干电池在普通锌锰干电池的基础上是如何改进的？铅蓄电池的独特设计又是因为何种原因？电池的发展中为什么锂离子电池应用更广泛？锂离子电池的内部设计有没有印证实验结论？人类将从哪些方面思考未来电池的设计方案？依据以上问题链，引导学生充分利用实验结论，进行深入有效的思考。其过程如图4所示。

3 基于学生高阶思维培养的教学策略

3.1 片段1 播放关于原电池的化学史内容

[信息1]1780年伽伐尼提出“生物电”。

[信息2]1799年伏特发明“伏打电堆”。

[提问]“伏打电堆”是如何设计的？利用了什么原理？

[学生回答]使用锌片、银片与食盐水，利用原电池原理组成电池。

[追问]结合化学家戴维利用“伏打电堆”制备金属钠、钾的化学史，请说明“伏打电堆”能否广泛应用？

[学生回答]“伏打电堆”提供的电压小，电流不稳定，不易携带，不能在生活生产中广泛应用。

[信息3]1836年英国化学家丹尼尔制造出“丹尼尔电池”。

[信息4]1842年德国物理学家本生制造了“本生电池”即碳锌电池。

[提问]阅读信息3、 4，丹尼尔与本生如何改良了电池？

[学生回答]伏打电堆是单液原电池，氧化剂和还原剂直接接触，存在自放电现象。“丹尼尔电池”使用锌片、铜片作电极材料，改进成双液原电池，解决电池自放电问题。“本生电池”将电极材料改进成锌片与碳，进一步增大电极间的电极电势差。

[追问]这两种电池的改进方法有什么优点与缺点呢？

[学生回答]改进了电池的电极材料与电解质的组成，可使电池保持平稳的电流，但使用时间不长，电解质为稀硫酸，搬运不方便，也不能在生活生产中推广。

[信息5]1859年法国科学家勒克朗谢研制出现代“干电池”原型，促使20世纪初手电筒的发明。

[追问]勒克朗谢如何改进了电池？

[学生回答]改进了电极材料、电解质及组成方式，使用锌作负极，石墨作正极，二氧化锰在正极附近发生反应，氯化铵为电解质。电池使用时间更长，携带更方便。

经过200多年的研究历程，科学家逐步揭示了原电池原理，并利用原电池原理发明了电池，推动了社会的发展与进步。

设计意图： 通过播放化学史引入课程，激发学生学习兴趣，体会科学家揭示原电池原理过程的艰辛曲折与锲而不舍的精神，并将这种精神应用于学习中。通过历史上电池的更迭与发展，学生初步感受科学家在电极材料、电解质、电池组合方式等方面对电池的研究与改进，为后续电池构造的探讨埋下思考方向的伏笔。

3.2 片段2 探究影响“水果电池”电压的因素

[课前准备]准备约相同大小的镁片、铝片、锌片、铁片、铜片、石墨，同批次的苹果、香蕉、橙子、檸檬，不同浓度的柠檬汁，发光二极管，导线若干，数字电压传感器。

[投影]播放美国艺术家查兰设计的水果电池艺术照。

[提问1]如何组装水果电池？依据的原理是什么？

[学生回答]依据原电池原理使用不同金属（或石墨）、水果即可构成水果电池。

[演示]展示一个水果，制作水果电池。将水果电池连接发光二极管，观察是否能使二极管发亮。

[学生回答]二极管没有发亮。

[追问]为什么我设计的水果电池没有使二极管变亮？

[演示]将水果电池连接到数字化电压传感器中测电压，数值较低。

[提问2]如何改进水果电池使它具有更高的电压？影响水果电池电压的因素可能有哪些？

[学生讨论]影响电压的可能因素有水果的种类、水果汁浓度、电极的种类、电极与水果的接触面积、电极间的距离……

[追问]你的猜测是否合理？如何设计实验来验证你的猜测？

[学生实验]借助数字电压传感器，测量当改变水果的种类、水果汁浓度、电极的种类、电极与水果的接触面积、电极间的距离等因素时水果电池的电压数值，总结使水果电池获得较大电压的最佳条件。利用实验结论组装水果电池，使二极管发亮。

[学生总结]成功组装水果电池需要考虑的因素有： 电极材料、电解质种类、组合方式。用小烧杯盛放1∶1柠檬汁（与水体积比）20mL，使用镁与石墨作电极，调整电极间距离约为0.5cm，与柠檬汁充分接触。将两个柠檬汁电池并联，再串联一个柠檬汁电池，最终成功组装的水果电池可使二极管发亮。

设计意图： 本环节首先提出一个开放性问题： 影响水果电池电压的因素可能有哪些？由于变量太多，学生能分析出许多影响因素，却无法进行有效因果关联。紧接着再提出一个封闭性问题： 每个小组选择一个影响因素，进行实验验证。学生自然会考虑变量控制，从而获得实验结论。水果没有电，水果设计成电池产生了电，调整水果电池使之产生更大的电压和更大的电流。借助这一真实而复杂的情境，学生积极主动地提出问题，开展探究活动，思考、设计实验方案验证，并根据实验数据进行归纳、分析、推理，最终解决问题。在此过程中，学生能够学会运用创造性、反思批判性思维解决复杂问题，培养证据推理与模型认知的核心素养。

3.3 片段3 依据实验结论分析生活中的电池

[问题1]水果电池能否用于生活？评价你设计的水果电池。

[学生回答]水果电池提供的电压与电流不能满足生活中较大的电器，携带不方便，浪费严重，不能在生活生产中推广。

[追问]生活中的普通锌锰干电池与水果电池相比有什么优点？

[学生回答]普通锌锰干电池能提供稳定的电流，使用时间较长，携带方便，可用于生活生产中。

[问题2]为了进一步满足人类的生活需求，碱性锌锰干电池孕育而生。观察普通锌锰干电池与碱性锌锰干电池的结构（如图5所示），电池是怎样改进的？

[学生回答]与普通锌锰干电池相比，碱性锌锰干电池将正负极位置颠倒，正极碳与二氧化锰涂在钢外壳内壁，负极将锌片改为锌粉，这种结构的改变可增大电极间的接触面积。电解质使用KOH，碱性条件下电池没有自放电现象，单位质量输出的电能多且储存时间长。这种结构的改变可增大电池电压，提供更稳定的电流，延长电池使用时长。

[追问]随着人类生活需求的逐步提高，设计能提供更高的电压且可重复使用的电池尤为迫切。分析铅蓄电池的结构，如图6所示，这样的设计有没有印证实验结论？

[学生回答]铅蓄电池内部设计成栅状结构，含有多组正负极片，电极片上有许多孔洞，内部各组栅板间并联。这些设计均是为了减小两电极间距离，增大电极接触面积，从而获得更高更稳定的电压。

[问题3]随着科学技术特别是信息技术的发展，铅蓄电池比能量太低，污染较严重。人类需要寻找比能量更大的材料。如何提高单位质量电池的容量？哪种材料做电极更合适？借助元素周期表寻找合适的材料。

[学生回答]借助元素周期表计算可得，锂、铍的比能量较大。

[追问]由于铍及其化合物毒性大，不适合做电极，目前最理想的金属为锂。锂离子电池因能量密度高、工作电压高、使用温度范围大等优点备受关注。不管是方形锂离子电池还是圆柱形锂离子电池，其内部结构中电极只有1mm厚度并高压卷绕形成，如图7所示。能否用实验结论解释这样设计的优点？

[学生回答]这种设计结构能使电池具有超强的放电能力、平稳的高输出电压、更高的能量密度。这些结构特点均可以利用电极材料、电解质、组合方式等实验结论来解释。

[视频]播放一段锂离子电池相关视频，简单了解锂离子电池目前的发展状况。

[追问]2018年全球汽车动力锂离子电池企业出货量排名第一的是我国某民族企业。我国某自主品牌电动汽车使用的即是我国自主研发的锂离子电池。观察该电池的构造示意图，如图8所示，有无印证实验结论？

[学生回答]该电池的设计构造符合实验结论。

设计意图： 用学生实验获得的结论解释生活中电池的构造，既是对实验结论的应用，也是对生活电池从构造上的更深入了解。学生体会每种电池的设计都有其优点，随着科学技术的进步，特别是材料学的发展，每种电池又有其不足之处，需要改进。而改进方式仍依据学生实验所得结论。同时，学生认识到电池的发展也要依托能源、材料、技术的进步，在问题解决过程中感知科学技术进步的曲折螺旋式上升趋势。不同电池构造的解释过程既需要学生具有创造性思维，又要进行反思批判性思维，才能进行复杂问题的解决，教学过程正是促进学生高阶思维发展的过程。

3.4 片段4 依据实验结论畅想理想中的电池设计

[新闻]某小区地下车库内，一辆某品牌电动汽车忽然冒起白烟，进而发生自燃。

[提问1]阅读这则新闻，你认为电池的设计还需要考虑什么方面？

[学生回答]安全性！

[提问2]奇思妙想： 你理想中的电池应该怎样设计？

[学生活动]小组探讨，交流想法。未来电池的设计也要考虑： 电极材料、电解质、组合方式及安全性。

[学生活动]查阅资料、小组讨论，分享各组了解到的未来电池。譬如，使用新型纳米材料石墨烯做电极材料;使用核动力做电池能源;只需更换新的电解液就可以快速充电的无膜流动电池;应用于电子卡或衣物上的薄紙电池;具有可弯曲折叠、更优越加工性的纸制太阳能电池;寿命可长达20年之久的氚电池。

设计意图： 电池方便人类的生活，推动社会的进步，但是每种电池均有其优点和需要改进的方面，实验结论也可用于解释未来电池构造的改进与发展。运用化学原理与化学技术，解决生活中的化学问题，提高人类生活质量，这是化学科学对人类的重要贡献之一。学生充分体会到化学的学习是为了认识世界、改造世界、保护世界，化学科学的发展促进了人类物质和精神文明的进步。

4 研究体会

4.1 化学实验是促进学生进行高阶思维的重要工具

利用数字化实验可视化特点，通过“水果电池”结构探讨，将定性的宏观的水果电池能否使二极管变亮转变为定量的水果电池电压的具体数值，获得设计电池的关键因素，进行电池结构的微观探析。将实验结论充分应用于解释电池的历史、现在及未来发展的过程，凸显实验在化学教学中的重要作用。

4.2 情境问题是引领学生发展高阶思维的重要手段

依据电池的历史、现在及未来发展，提出情境问题： 科学家为什么要设计电池，为什么要改进电池，从哪些方面改进电池？在有效的情境问题引领下，促进学生查阅资料、设计方案、实验探究等，使用对比、归纳、整合、提升等科学方法解决真实情境问题。正是在解决问题的过程中，充分发挥学生的主体地位，将学生的创造性思维、反思批判性思维、复杂问题解决三者融为一体，有效地发展了学生的高阶思维，提升了学生的化学学科核心素养。

参考文献：

[1][4]中华人民共和国教育部制定. 普通高中化学课程标准（2017年版）[S]. 北京： 人民教育出版社，2018： 6，74.

[2]Cotton Kathleen. Teaching thinking skills [DB/OL]. New York. Teachers College Press. 1991.

[3]李珍珍. 基于“高阶思维”培养的化学教学设计研究——以甲烷为例[D]. 曲阜： 曲阜师范大学硕士学位论文，2018.

[5]单世乾，倪娟. 基于探究实验建构认知模型的化学教学研究——以“原电池的工作原理”教学为例[J]. 化学教学，2018，（12）： 59～64.