培养学生“科学探究与创新意识”素养的高中化学课堂实践——以选择性必修课程“原电池”为例

福建省三明第一中学 陈 嫦

“科学探究与创新意识”注重培养学生求实创新的学习态度，注重培养学生严谨认真的思维方式，学生的学习能力与核心素养均得到发展。为此，培养学生“科学探究与创新意识”素养，具有非常重要的学科价值。笔者以鲁科版选择性必修1“化学能转化为电能——原电池”课堂实践为例，重点探讨如何培养学生“科学探究与创新意识”素养，力求将素养培养融入课堂教学。

一、“科学探究与创新意识”的内涵

认识科学探究是进行科学解释和发现、创造和应用的科学实践活动；能发现和提出有探究价值的问题；能从问题和假设出发，依据探究目的，设计探究方案，运用化学实验、调查等方法进行实验探究；勤于实践，善于合作，敢于质疑，勇于创新。如何引导学生发现问题、进行探究、努力创新、解决问题是教师教学研究的重点。研究型、创新型人才是现代社会极其需求的人才。“科学探究与创新意识”关注学生综合素质的发展，素养关注学生未来的发展，是学生终身学习以及适应社会发展的基础。

二、目前存在的问题

1.课堂教学缺乏科学探究与创新意识。

目前，课堂教学普遍存在重传授知识，忽视演绎、推导的过程，忽视引导学生对问题大胆质疑。课堂停留在浅层次教学，缺“一探究竟”的深层次教学，少关注学生多元化思维的建构。课堂是核心素养落实的根本点，因此教学意识必须要转变。

2.学生缺乏科学探究与创新意识。

有相当一部分学生认为高中化学知识点散、乱、杂，化学的学习在于背知识点，这样的学生在学习中不能灵活运用知识点，学习收获甚微。还有部分学生认知水平、分析问题的能力有限，同时缺乏自主学习能力及对化学问题的敏感度，对事物少钻研少质疑，习惯于被动地接受知识，这样的学习是低效且无趣的。

三、“科学探究与创新意识”素养教学设计

1.教材分析。

对教材分析，根据教学内容的地位和作用设计教学过程，可有效提升教学效果。原电池是对学过的氧化还原反应、电解质、能量转化等知识的复习，同时也为电化学其他知识的学习打好基础。原电池在中学化学方面有着众多的应用，例如：加快反应速率、比较金属失电子能力、金属的防护等。原电池在生产、生活、航天、国防科技等方面有着广泛的应用，学好原电池，有利于推动社会的进步与发展。

2.学情分析。

学生已初步了解原电池，对氧化还原反应中电子得失有深刻的认识；学生已具备一定的科学探究能力，课堂上学生交流合作、自主设计并完成实验，学生动手完成原电装置及盐桥的制作，原电池教学层层递进，学生对知识的理解从理论上升到实践，有助于学生科学探究、创新意识等学科素养的提升。

据了解，学生对于原电池的学习仍存在不少困惑。例如：如何结合电学、自发的氧化还原反应、微粒运动等知识理解电流的产生？如何理解半反应在两个不同电极上发生？金属活泼性与正负极选择有什么关系？两个电极的活泼性是否一定不同？

3.“教、学、评”一体化的教学目标。

（1）能分析水果电池、单液、双液原电池的原理，掌握原电池的构成条件、电极反应式的书写。旧知识到新知识，从具体现象到抽象思维再到概念的形成，结合三重表征建立原电池的认知模型。学生的模型认知、证据推理素养得以提升。

（2）通过引导学生设计实验、改进实验、动手操作、分组实验，实现从理论到实践的转变，培养学生合作探究、勇于创新的优秀品质。

（3）能举例说明原电池的应用，感受化学对人们现代生活的巨大贡献。关注原电池过程中能量的转化，能从自身做起，节能环保、绿色低碳、简约生活。

4.整体教学思路。

“科学探究与创新意识”的化学课堂将知识获取的整个过程呈现给学生，从知识到能力到素养的提升均隐藏在整个探究过程中。综合所有问题的结论构建知识体系，通过对问题的思考提升素养水平。整体教学思路如图所示，通过实验情境，生成递进的问题，在教师的引导下，学生自主进阶式的探究，培养学生科学思维，努力落实“教、学、评”一体化的教学目标。

教学环节：复习旧知→探索新知建立模型→应用模型→完善模型

教师活动：分析原理→启发设问→协助构建→引导应用→总结归纳

学生活动：思维定位→思维更新→思维提升→迁移应用→思维拓展

5.教学实施过程。

（1）创设情境，引入新课。

【师】播放视频“水果电池给手机充电”，引导学生尝试制作水果电池。

【生】构建电池。

【师】问：实验有什么现象？为什么用酸性水果？为什么会产生电流？

【生】分享实验成功的经验，描述现象：有的小组电流计指针发生偏转，有的小组音乐卡片响起，有的小组灯泡发亮，但学生们对于电流的产生无法理解。

【师】及时点评学生的做法，引导学生从金属片、酸性水果间可否发生氧化还原反应，结合电子转移初步理解电流产生的可能原因。

设计意图：生活创意小实验让学生感受到创新带来的乐趣，在真实情境中让学生对原电池产生好奇，激发学生探究原电池原理的兴趣。

（2）课本实验探究。

【生】完成实验单液铜锌原电池。

【师】问：溶液用量多少？电路连接要注意什么？

【生】记录现象，思考：单液原电池的缺点是什么？如何改进？学生根据课本图片对比，可能意识到电极与溶液存在直接置换的情况，铜附着在锌片表面阻碍反应进行，置换伴随放热，导致能量利用率低，电流不稳定等问题，书写电极反应式。构建双液铜锌原电池。

【师】引导：两电极分处两个烧杯，为何还能产生电流？两电极间是否存在电势差？CuSO4溶液换成稀H2SO4，可否构成原电池？电子的移动方向如何？离子的移动方向如何？如何维持烧杯内溶液的电中性？盐桥的存在使装置像不像连通器模型？一方价态升，另一方价态降，是否类似于跷跷板模型？盐桥内的物质是什么？盐桥的作用是什么？可否自制盐桥？

设计意图：学生对于单液原电池掌握比较好，对于双液原电池不甚了解，通过双液原电池的探究，以现象作为证据，学生能初步推出双液原电池的原理，证据推理的学科素养得以提升。利用单、双液原电池对比认识原电池模型，原电池本质为自发的氧化还原反应，这样的反应引发了电子流动，负极材料上电子富足，正极材料上缺少电子，导致双方电势不相等，因此电子定向移动形成电流。

（3）创新实验探究。

【生】通过课前查资料，某学生设计的方案：

果冻盐桥制作：①用药匙取三小勺果冻放于U 形管底部。②将U 形管放入100℃的热水浴中加热至果冻熔化。③往U 形管两端分别滴加3～4 滴饱和KCl 溶液，振荡。④将U 形管放入冷水浴中冷却，果冻凝固，充当盐桥。其他盐桥制作：用湿巾、滤纸、毛巾、饱和氯化钠溶液等完成。学生通过视频展示盐桥制作过程，展示成果。

【师】引导：如果在家做实验，没有U形管，可用什么代替？果冻可否用其他物质替代？盐桥工作的原理是什么？盐桥中的离子是否会往两个烧杯中移动？

【小结】判断是否形成原电池的思路：→自发的氧化还原化学方程式→总的离子方程式→两半反应即电极反应式→失电子为负极，得电子为正极。引导学生从闭合回路，维持水溶液电中性角度思考盐桥的作用。

设计意图：通过对盐桥的创新制作，将科学创意与生活实际相联系，能激起学生对化学学习及生活的热爱。抓住学生自主实验探究的积极性，利用精心设置的问题引导学生思考，既锻炼了学生实验操作的规范性，又帮助了学生完善原电池的知识，建立思维模板。通过课本知识、查阅资料、自主创新，多途径让学生体验原电池的形成条件及盐桥的本质，构建知识脉络。通过宏观（现象、资料）——微观（微粒组成、运动）——符号（电极反应式）表征发展学生变化观念与平衡思想，学生“探究与创新”素养得以提升。

四、“科学探究与创新意识”素养教学成效

课后，对学生以小份测试卷形式进行调查，主要围绕3 个点：知识水平要求、素养水平要求、学生的学习情况。10 道题共计100 分，平行班、实验班各45 人，发放试卷90 份，回收有效卷90 份，回收率100%。

本节课以实验为载体，引导学生知识到素养的发展，因此，笔者将《普通高中课程标准（2017 年版）》中学业质量对“素养4”要求的4 个水平，转化为10 个测评题（表1）。其中，水平1 强调学生对原电池的原有认知，完成教材中铜锌单液原电池实验，初步感知该装置的缺点；水平2 则关注学生在分析缺点后，通过添加烧杯、水溶液、盐桥等操作进行实验改进；水平3 侧重于学生对原电池原理及构成条件形成系统认识后，能设计双液原电池装置，正确选择电极、溶液顺利完成实验；水平4 注重学生拓展性地理解、改进陌生情境下的原电池装置。

表1 基于“素养4”水平测试卷各题平均分对比

由表中数据可知，“探究与创新”素养水平1、2 完成情况良好，随着知识、素养水平要求提高，对应平均分出现下降的现象，与学习规律相吻合。从整体情况看，波动比较平稳，但仍可看出要将学生的素养水平提升至3、4 等级存在一定的困难，学生需要一段时间理解应用即可达到。测试卷中有关双液、新型原电池分数较低，究其原因，这些都需要学生在较高层面上对知识进行宏观把握，需要综合运用知识解决问题的能力。学生对于陌生情境表现出不适应，这就需要教师在教学中循序渐进，给学生充足的缓冲时间，平时教学中可将一些验证性的实验，稍作改动，变成需要学生设计、验证、改进的实验，不断提升学生科学探究的发散性思维能力。

五、“科学探究与创新意识”素养教学反思

教师反思，总结教学的成与败，教师是课堂的组织者，但课堂的主体是学生，教师反思，学生更需要反思，反思是一种反刍思维的体现，学生梳理整个实验过程，总结自己设计的实验方案的利与弊。

1.学习化学史，提升素养。

由于时间关系，本节课并未进行化学史教学，但不可否认，化学史是绝好的教学素材。教学不应局限于教材，还可以挖掘知识背后的故事，化学史展示了科学家科学研究的思路和方法，科学家敏锐的观察、废寝忘食的精神、实事求是的态度，对学生有着很好的引领示范作用。不仅提高了学生的学习兴趣，还提高了学生的科学素养。

2.利用新技能，提高效率。

如果能合理使用各种教学技能，一定会让课堂大放光彩。例如：利用动画展示微观粒子的定向移动，结合宏观现象，实现思维的跨越；利用手持技术测电极附近离子浓度变化，定性转向定量分析，图表形式让规律变得直观；利用好希沃系统中的一些小技能，投屏让学生都能看清楚现象，设置知识小游戏等，让课堂更高效且有趣。

3.探究要符合学生的认知规律。

探究应当从学生的学习实际出发，努力突破学生的认知障碍，探究内容可以是教材、试题、生产生活、前沿科学等，为了让学生乐于探究、勇于创新，设置的问题要注意难度、梯度、开放度，层层递进，逐步达到教学目标。

提高学生的科学探究与创新能力，不应只是在于几个实验的操作、问题的思考、知识的识记，更多的是一种方法的培养，学生具备了相应的学科探究能力，学生在不断的探究实践中会发现探究的无穷魅力，且乐在其中。实验探究以基本化学概念为理论指导，以学生动手实验为科学实践，紧扣化学核心素养，将素养目标落实到实验教学中去。