“素养为本”背景下的化学创新意识培养

覃琦 陈延林

《普通高中化学课程标准（2017年版）》（以下简称2017版课标）提出的化学学科核心素养包括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五个方面，创新意识是其中的重要内容之一。“素养为本”的高中化学教学要求教师注重把课内知识传授延伸到课外实践应用，着力培养学生的创新意识和能力。

创新意识是在解决问题过程中自觉形成的一种突破常规的意识。教学中，教师可以采用加减法、逆向法、类比法、联想法、迂回法等方法培养学生的创新意识。在原电池原理教学中，如果按常规直接依照教材编排安排教学，以知识传授为主，就很难培养学生的科学探究意识和创新思维，学生对原电池的自发发生反应、电流的产生、离子电子流动方向等只能死记硬背，无法上升到对新型电池的理解层面。本文以电池的发展历程为背景，以“素养为本”理念为指引，探讨如何在“原电池”教学设计中培养学生的创新意识。

一、探究原电池的原理

【教学导入】高中生对生活中使用的干电池比较熟悉，教师课前布置学生每人收集2节废旧大号干电池。上课伊始，教师指导学生拆解旧的干电池，观察干电池的内部结构，然后从对干电池的结构探究引申到原电池装置构成的学习上来。

【教学目的】实物探究，可以让学生有意识地把生活中的化学和教材中的化学知识联系起来，加深学生对电池构造的印象，提高学生的宏观辨识能力，激发学生的探究愿望，培养学生的创新意识。

（一）动手实验

【教师活动】教师组织学生到实验室上课，并指导学生动手实验，探究电池内部结构，并提出下列问题：

（1）电池由哪几部分构成？

（2）电池内部的碳棒是什么极？

（3）电池的负极在哪里？

（4）电池内部黑色粉末的作用是什么？

提出问题后，教师把学生分成4个小组，要求学生组内讨论。学生无法回答第4个问题时，教师不是直接告知答案，而是引导学生利用信息技术在课堂上查阅资料，培养学生解决问题的路径思维。

【学生活动】学生在教师指导下，拆开旧的大号干电池，探究干电池的内部结构。学生经过讨论并结合干电池的使用经验，很快就可以回答老师提出的前3个问题：

（1）电池由锌筒、碳棒、黑色粉末三部分组成。

（2）碳棒是电池的正极。

（3）锌筒是电池的负极。

对第4个问题学生一时答不上来。各小组通过网上查阅资料后，结合物理學的闭合电路原理得出了答案：黑色粉末能够导电，便于形成闭合回路。

【化学核心素养价值体现】本环节通过创设新颖的教学情境，激发学生自主探究的积极性，体现了证据推理与模型认知的化学核心素养价值观。学生能通过实验收集科学证据和确立寻找证据的途径，为预测电池革新可能出现的结果打下知识基础，搭建起解决深层次化学问题的思维框架。

（二）原理探究

【教师活动】教师根据干电池的结构，结合教材内容进行原电池原理教学。教师实验展示（学生分成A、B、C、D四个小组同步进行实验），边解说边实验：如果我们把锌筒换成锌片，碳棒换成铜片，黑色粉末改成稀硫酸溶液（如图1），那么我们可以得到与该实验相关的第一组问题：

（1）分别把锌片和铜片插入稀硫酸中，出现了什么现象？

（2）用导线把锌片与铜片连起来，同时插入稀硫酸溶液中，出现了什么现象？

（3）如果在锌片和铜片之间连接灵敏电流计，又出现了什么现象？

学生回答上述问题后，教师再依上述实验继续提出第二组问题：

（1）三组实验中，锌、铜上分别发生了什么反应？铜片上为何产生了气泡？

（2）电流流动方向如何？

（3）溶液中氢离子是怎样移动的？氢离子得到电子才变成氢气，电子又从何而来？

（4）构成原电池的条件有哪些？

【学生活动】四个小组的学生在教师的讲解下，完成装置的组装，然后观察实验现象，A、B、C三组派代表回答教师提出的第一组问题：

（1）A组观察到锌片上有大量气泡产生，铜片上没有气泡。

（2）B组观察到铜片上产生了大量气泡，锌片几乎没有气泡，实验后锌表面有腐蚀。

（3）C组观察到铜片上有大量气泡产生，锌片几乎没有气泡，同时灵敏电流计指针偏转，实验后锌表面有腐蚀。

学生在回答第一组问题后，再通过上述实验，继续回答教师提出的第二组问题：

（1）A组回答：三组实验中，铜本身都不参加反应，锌都溶解反应了。

（2）B组回答：根据电流计指针偏转方向，可推知电流方向是由铜片流向锌片。

（3）C组回答：实验2、3中，铜片上都有H2产生，发生反应式为2H++2e-=H2↑，说明铜片上聚集电子，可推理出氢离子往铜片移动并得到电子，这些电子来自锌。

（4）D组总结：原电池的构成条件——自发发生的氧化还原反应、有两个活性不同的电极、有电解质溶液、形成闭合回路。

【化学核心素养价值体现】本环节融入了创新思维，提出了开放式探究问题，体现了宏观辨识与微观探析的核心素养，引导学生将在化学宏观层面观察到的实验现象通过微观探析加以辨别。如：Cu电极上有气泡产生（宏观辨识），原因是2H++2e-=H2↑，说明溶液中的H+向铜电极移动并获得从Zn转移过来的电子（微观探析）。这样的设计能使学生理解宏微结合、变化可控，有助于学生建构化学核心知识模型。

（三）原理归纳

【教师活动】基于以上实验探究，教师和学生共同完成原电池原理归纳，设计成导学案，建立原电池装置模型和知识模型（如图2）。

【学生活动】学生完成导学案后，归纳出以下原电池原理。

1.原电池的构成条件：①自发发生的氧化还原反应;②有两个活性不同的电极;③有电解质溶液;④形成闭合回路。

2.能量转化：化学能转化成电能。

3.电极名称和电极反应

负极：氧化反应Zn-2e-=Zn2+

正极：还原反应2H++2e-=H2↑

总反应：Zn+2H+=Zn2++H2↑

4.几个流向：

电子：（-）→外电路→（+）

离子：阳离子→（+），阴离子→（-）

电流：（+）→外电路（-）→内电路→（+）

【化学核心素养价值体现】本环节让学生树立变化的观念（自发发生的氧化还原反应）和平衡的思想（得失电子守恒）。学生通过探究干电池内部结构，有意识地联系化学变化中的变化与守恒思想，逐步揭示各类变化的特征和规律，预测了某些物质在一定条件下可能发生的化学变化，从而为原电池的原理探究提供了思维保障。

二、探究原电池的应用

【教学导入】从意大利物理学家伏特发明的第一个电池到现在常见的高能电池，人类对电池的探索经历了200多年。在这一过程中，科学家们重点探索电极材料和电解质溶液的革新，不断提高电池效能、延长电池寿命。教师可以布置学生在课前观察生活中常见的蓄电池、纽扣电池、手机锂电池等实物，查询并收集当今市面上常见电池的相关资料。

【教学目的】在学习原电池原理的基础上，结合学生查阅资料获得的知識，引导学生从电极材料探索和电解质溶液变化两个角度去思考“如何提高电池的效能和延长电池的寿命”这一现实问题，培养学生的探索精神和创新意识。

【教师活动】引导学生完成实验装置连接，问学生“观察到了什么现象”;引导学生把导线断开后，再问学生“观察到了什么现象”，这样的实验能回答“如何提高电池的效能和延长电池的寿命”这一问题吗？生答“不能”后，教师接着引出：生活中见到的化学电源很多，每种化学电源的原理都是一样的，不同的是它们的电极和电解质，因此应该从这两个方面去探讨如何提高原电池的效能（开始下面两个实验，提醒学生边观察边思考）：

（1）将锌片和碳棒同时插入稀硫酸中，实验现象有什么异同。

（2）将锌片和铜片同时插入醋酸溶液中，实验现象有什么异同。

（3）关于如何提高电池的效能，同学们有什么想法？（开放性问题，学生自由发言）

学生自由发言后，教师继续设疑：通过实验我们知道，在锌片和铜片断开的情况下，锌片可以和稀硫酸继续反应，但没有产生电流，造成不必要的损耗，缩短了电池的寿命。那么如何解决这一问题，从而延长电池的寿命呢？

对于这一问题，学生因知识有限无法作答，但教师不能直接告诉学生解决办法，而应从培养学生创新意识上进行引导：①核心问题是什么？②解决方向是什么？③提出解决方案;④实验探究验证;⑤形成解决方案。

根据学生反馈，教师对原电池装置做出改进（实验展示;学生同步）：尝试将锌片放入盛有ZnSO4溶液的烧杯中，铜片放入盛有稀H2SO4溶液的烧杯中，用导线连接锌片和铜片，观察到的结果是无电流。

教师引导：根据原电池的本质和原电池组成三要素内容，请同学们思考问题在哪里？如何解决这样的问题？

实验展示（学生同步）：教师展示盐桥实物，并把盐桥两端分别插入两个烧杯溶液中（如图3），引导学生观察现象，然后通过PPT展示盐桥的构成，让学生直观认识到U型管中装的是用饱和KCl溶液和琼胶制成的冻胶。

【学生活动】四个小组的学生在教师的指导下，完成装置的组装，并回答：两个烧杯分开，溶液间没有形成闭合回路，解决方法是使烧杯溶液连通起来，增加连通装置。然后，学生观察实验现象。各组代表反馈如下：

（1）相同：碳棒上产生大量气泡，锌片几乎没有气泡，电流表指针偏转，锌表面有腐蚀。区别：产生气体速度变快，电流表指针偏转幅度变大。

（2）相同：碳棒上有大量气泡产生，锌片几乎没有气泡，电流表指针偏转，锌表面有腐蚀。区别：产生的气体速度变慢，电流表指针偏转幅度变小。

归纳：影响原电池效能的要素：①电极活性大小;②电解质类型。

（3）生1发言：改变电极活性，可以使用更活泼的金属作为电池负极，如锂、钠、镁等。生2发言：使用新的电解质，如固态电解质等。

针对教师提出的“如何延长电池寿命”这一问题，四组学生在教师的引导下进行组内讨论，然后各组派代表反馈：核心问题是锌与硫酸接触，思考方向是锌与硫酸分离，解决方案是设计新的原电池装置并进行实验探究。（四组学生在教师的引导下，完成装置的组装）

观察实验现象后，各组代表反馈：没有气泡产生，电流表不偏转。铜片上有大量气泡产生，锌片几乎没有气泡，同时电流表指针偏转，实验后锌表面有腐蚀，说明构成了原电池。断开导线连接后，锌片不反应，有效解决了教师提出的问题。

【化学核心素养价值体现】生活与生产是创新意识产生的源泉，学生在实验过程中不断发现、不断探索，能够在尊重事实和科学依据的基础上，对实验方案进行创新优化和深度思考，唤起学生的创新愿望，培养学生的创新意识。

总之，高中化学课程中包含着丰富的贴近生活与生产的教学内容，教师除了要教好化学知识，还应有意识地挖掘教材中的知识与现实问题相联系的部分，基于学科核心素养进行教学设计。本节关于“原电池”内容的教学，就是在学生已有生活认知的基础上，运用逆向思维模式进行教学设计，让学生动手实验，从对具体事物的感性认识上升到对化学原理的理性认识，从而有效培养学生的创新意识。（题图作者左为陈延林，右为覃琦）

参考文献：

[1]贝淑妹，衷明华.基于核心素养的《原电池》教学设计[J].课程教育研究，2017（18）.

注：本文为2017年度广西教育科学“十三五”规划A类重点课题“基于学科核心素养培养的高中化学教学单元设计的研究”（课题编号2017A003）的阶段研究成果。

（责编 欧金昌）