基于核心素养培育的课堂教学设计——以“化学能转化为电能”的实验教学设计为例

江苏省昆山震川高级中学(215300) 沈玉红

“化学能转化为电能”是高中化学板块中“化学反应与能量”单元中的内容，是高中化学反应原理的重要内容之一。从教材安排上看，它起到了承上启下的作用；从实验角度看，本单元包括知识、操作、探究、评价能力等。而这时的学生已经学习了元素化合物知识、氧化还原反应原理及单液原电池的基本构成，并能够判断电池的正负极，书写简单原电池的总反应方程式及正负电极反应方程式。并且学生已经具备了一定的实验操作、实验设计与实验创新能力。

在这样的教材与学情基础上，基于新课程标准对学生核心素养能力的发展目标，以及化学以实验为主的学科特点，教师在选修“化学能转化为电能”部分的内容时，可以进行如下的实验教学设计。

1 实验教学目标

(1)通过观察、分析及实验探究，理解盐桥的作用及双液原电池的优势。

(2)通过对生活中常见电池的分析与探讨，完善原有原电池的认识模型。

(3)通过对手机电板、汽车、飞机供电电池的分析与选择，促进化学学科的思维方式。

(4)通过氢氧燃料电池、氢氯燃料电池的创新设计，以及废旧电池的处理与回收，提升创新能力，形成环境保护与可持续发展理念，增强社会责任感。

2 实验内容设计

(1)自主设计实验，探究盐桥的作用。

(2)设计探究实验，探究串联原电池的优势。

(3)设计创新实验，探究氢氧燃料电池的原理。

(4)设计氢氯燃料电池的绿色实验方案。

3 实验方法设计

3.1 情景引入法

利用相关视频及图片的引入，激发学生学习兴趣。

3.2 分组讨论法

实验教学过程中，4位学生为一个学习小组，进行分组讨论与探究实验。

3.3 实验探究法

实验教学过程中，分别进行4个分组实验探究活动：探究盐桥的作用；探究多个正负极串联原电池的优势；探究氢氧燃料电池供电装置设计；探究氢氯燃料电池绿色供电方式。通过实验探究的设计，提升学生实验能力与思维能力。

3.4 创新实验法

燃料电池中的燃料很多为气体，这就要求对原电池装置的设计进行创新，设计一个更适用于气体的电池实验装置。

3.5 电压表测量法

由于用电流表时，容易满偏，长时间使用容易造成电流表的损坏，所以本实验教学采用电压测量法。

4 教学过程设计

4.1 视频引入

利用“寻秦记”中关于原电池的视频引入，激发学生的学习兴趣。

提问：这样的装置真可以为我们提供稳定电流吗?

为此，可用实验事实说话，演示Zn－Cu－稀硫酸单液与双液原电池实验，引导学生通过观察电压表指针变化，来分析以下几个问题，同时进入任务1的学习。

4.2 宏观辨识与微观探析

学习任务1：探讨Zn－Cu－稀硫酸双液原电池的优势，探究盐桥的作用。教学流程图如图1所示。

评价任务1：诊断并发展学生观察、分析的水平(基于经验水平还是基于概念原理水平)和实验探究的水平(孤立水平还是系统水平)。

图1 学习任务1教学流程图

在学生分组设计实验“探究盐桥的作用”时，笔者给学生提供了“点滴板”进行微型化操作，“盐桥”用浸有饱和食盐水的滤纸代替，学生选择将紫红色的酸性高锰酸钾滴在滤纸上，一段时间后看到紫红色向负极移动，这时盐桥的作用显而易见，同时也解决了原电池中离子移动方向的问题。然后通过电极方程式的书写，实现从“宏观”到“微观”的进阶。

知识来源于生活，通过展示生活中各类电池的图片，引导学生对铅蓄电池功能与构造不同的思考，引发学生对串联电池优势的探究，进入任务2的学习。

4.3 证据推理与模型认知

学习任务2：分析生活中常见电池的工作原理，并建立原电池的认识模型。教学流程图如图2所示。

图2 学习任务2教学流程图

评价任务2：诊断并发展学生对原电池本质的认识进阶 (局部水平还是整体水平)和对原电池认识思路的结构化水平 (视角水平还是内涵水平)。

探究实验设置用电压表分别测定单个、2个串联原电池及3个串联原电池的电压，分别为0.9V、1.9V、2.7V。通过实验的设置，实现从“定性”学习到“定量”学习的转化。

通过情景问题：“手机电板可使用铅蓄电池吗?如果是汽车、飞机等需要供电呢?”引发学生进入任务3的学习。

4.4 科学探究与创新意识

学习任务3：探究汽车、飞机等供电装置的最佳选择与产电原理，教学流程图如图3所示。

评价任务3：诊断并发展学生对化学价值的认识水平(学科价值视角、社会价值视角、学科和社会价值视角)。

图3 学习任务3教学流程图

通过视频展示氢氧燃料电池汽车的工作原理，引导学生对燃料电池装置设计的思考。在分析评价学生设计的基础上，展示教师的创新成果，并让学生分析并探讨教师的创新实验，实现评价主体的多元化。

分析与评价后，教师实验演示创新型氢氧燃料电池。过程如下：通过实验，实现了 “传统”向 “创新”的迈进。

继续通过 “问题的设置”与 “PPT的展示”，让学生了解，很多燃料都可以做成电池，包括氢气与氯气。同时引导学生思考，像氯气这种有毒气体，在设计时，需注意的问题，引发学习任务4。

4.5 科学态度与社会责任

学习任务4：探究其他燃料电池的绿色化工作方式及废旧电池的回收与重新利用，教学流程图如图4所示。

评价任务4：诊断并发展学生对化学学科观念的认识水平(理论联系实际观念、节约成本观念、保护环境观念、可持续发展观念)。

图4 学习任务4教学流程图

通过引导学生思考像氯气这样的有毒气体的原电池设计问题，从而增强学生的环保意识。通过对废旧电池的处理问题的探讨，提升学生可持续发展观念。

学习的最终目的是服务于生活，服务于社会。因此，我们还进行了课外延伸活动，让化学回归生活，即学习任务5。

4.6 课后延伸

学习任务5：调查、分析并探究“我”身边的化学电源。

评价任务5：诊断并发展学生的化学核心素养的水平(必修水平、选择性必修水平、选修水平)。

调查、分析并探究“我”身边的化学电源，并选择一个化学电源进行深入研究，形成探究性实验报告，带入课堂与学生进行交流与分享。

5 教学设计

5.1 特色实验教学设计

5.1.1 微型化实验

利用点滴板进行原电池装置的设计，不仅节约药品用量，便于后期废液的处理，而且有利于进行串联电池的实验设计与操作。

5.1.2 可视化设计

将盐桥的作用、离子的移动，用可见的颜色进行可视化展示；串联电路分别将2个、3个串联电路与一个电路的电压数据进行对比，进行可视化展示。这可以将实验教学简单、生动并高效的呈现给学生。

5.1.3 创新化设计

将氢氧燃料电池的发生装置进行“创新性”并“微型化”改进，便于学生的操作与观察。

另外，这个装置还可以进行有毒、有污染气体的制备与实验，如铜与稀、浓硝酸的反应，只要反应前用针筒抽去空气，反应后再用针筒抽出产物气体，即可进行产物气体的检验、性质实验及后续处理。

5.2 发展学生核心素养

学习任务是具体知识与核心知识的重要桥梁，是提升核心素养的重要纽带。本实验教学共设置了5个学习任务，每个学习任务包括3～4个学习活动，活动的设计指向学生的能力进阶及核心素养的提升。“学习任务1”突出宏观辨识与微观探析；“学习任务2”突出证据推理与模型认知，“学习任务3”突出科学探究与创新意识，“学习任务4”突出科学态度与社会责任，最后通过“学习任务5”的创设，检验学生的核心素养所达到的水平。学生在完成任务、经历活动的过程中，实现化学学科核心素养的发展。

6 教学反思

6.1 本实验教学过程采用发展性的课堂教学评价方式

本实验教学过程中评价的方式过程化，更注重学生在探究实验设计与实验过程中思维与实验能力的评价；评价的主体多元化，采用多元化的评价主体进行评价，如采用了教师评价、小组评价、自我评价等方式；评价的功能育人化，充分发挥评价的促进和激励作用，实现实验教学对学生的育人功能。真正实现了发展性的实验课堂教学评价方式。

6.2 本实验教学过程注重生活实际情景问题的创设

原电池的内容与生产、生活有着密切联系。“图片展示纽扣式银锌电池、普通锌锰干电池、铅蓄电池构造示意图”“视频展示氢氧燃料电池汽车工作原理”，这些真实的情景问题，引发了学生的学习兴趣，激发了学生的探究热情，使学生从生活走入化学之中。“氢氯燃料电池绿色供电方式的探究”“各类电池的回收与处理”这些问题情景的设置，促进了学生的思维发展，并促使学生在这一过程中体会化学学科的社会价值，提升对环境保护意识与可持续发展的观念。“课后作业：调查、分析并探究‘我’身边的化学电源”的设置，提升学生的实践能力，发展学生的探究精神，又使学生从化学走向生活。

6.3 本实验教学过程充分发挥了实验教学的育人功能

本实验教学紧紧围绕发展学生化学核心素养为前提，注重学习任务与评价任务、学习方式与评价方式的整体性、一致性设计，通过学生在小组讨论与探究、创新实验的设置与思考等活动中的表现，运用提问与评价的方式，充分调动学生的积极性，促使不同的学生得到不同的发展，发挥了实验教学与评价的发展与育人功能。

在整个实验教学过程中，从生活情景引入，又让化学走向生活，实现了不断螺旋上升的过程。同时，在教学过程中，在“关注学生已有知识”“遵循学生认知规律”的前提下，最终实现提升学生核心素养的目标。