培養(yǎng)學(xué)生“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識”素養(yǎng)的高中化學(xué)課堂實(shí)踐-以選擇性必修課程“原電池”為例

“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識”注重培養(yǎng)學(xué)生求實(shí)創(chuàng)新的學(xué)習(xí)態(tài)度，注重培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真的思維方式，學(xué)生的學(xué)習(xí)能力與核心素養(yǎng)均得到發(fā)展。為此，培養(yǎng)學(xué)生“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識”素養(yǎng)，具有非常重要的學(xué)科價值。筆者以魯科版選擇性必修1“化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能——原電池”課堂實(shí)踐為例，重點(diǎn)探討如何培養(yǎng)學(xué)生“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識”素養(yǎng)，力求將素養(yǎng)培養(yǎng)融入課堂教學(xué)。一、“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識”的內(nèi)涵認(rèn)識科學(xué)探究是進(jìn)行科學(xué)解釋和發(fā)現(xiàn)、創(chuàng)造和應(yīng)用的科學(xué)實(shí)踐活動；能發(fā)現(xiàn)和提出有探究價值的問題；能從問題和假設(shè)出發(fā)，依據(jù)探究目的，設(shè)計(jì)探究方案，運(yùn)用化學(xué)實(shí)驗(yàn)、調(diào)查等方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究；勤于實(shí)踐，善于合作，敢于質(zhì)疑，勇于創(chuàng)新。如何引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、進(jìn)行探究、努力創(chuàng)新、解決問題是教師教學(xué)研究的重點(diǎn)。研究型、創(chuàng)新型人才是現(xiàn)代社會極其需求的人才。“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識”關(guān)注學(xué)生綜合素質(zhì)的發(fā)展，素養(yǎng)關(guān)注學(xué)生未來的發(fā)展，是學(xué)生終身學(xué)習(xí)以及適應(yīng)社會發(fā)展的基礎(chǔ)。二、目前存在的問題1.課堂教學(xué)缺乏科學(xué)探究與創(chuàng)新意識。目前，課堂教學(xué)普遍存在重傳授知識，忽視演繹、推導(dǎo)的過程，忽視引導(dǎo)學(xué)生對問題大膽質(zhì)疑。課堂停留在淺層次教學(xué)，缺“一探究竟”的深層次教學(xué)，少關(guān)注學(xué)生多元化思維的建構(gòu)。課堂是核心素養(yǎng)落實(shí)的根本點(diǎn)，因此教學(xué)意識必須要轉(zhuǎn)變。2.學(xué)生缺乏科學(xué)探究與創(chuàng)新意識。有相當(dāng)一部分學(xué)生認(rèn)為高中化學(xué)知識點(diǎn)散、亂、雜，化學(xué)的學(xué)習(xí)在于背知識點(diǎn)，這樣的學(xué)生在學(xué)習(xí)中不能靈活運(yùn)用知識點(diǎn)，學(xué)習(xí)收獲甚微。還有部分學(xué)生認(rèn)知水平、分析問題的能力有限，同時缺乏自主學(xué)習(xí)能力及對化學(xué)問題的敏感度，對事物少鉆研少質(zhì)疑，習(xí)慣于被動地接受知識，這樣的學(xué)習(xí)是低效且無趣的。三、“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識”素養(yǎng)教學(xué)設(shè)計(jì)1.教材分析。對教材分析，根據(jù)教學(xué)內(nèi)容的地位和作用設(shè)計(jì)教學(xué)過程，可有效提升教學(xué)效果。原電池是對學(xué)過的氧化還原反應(yīng)、電解質(zhì)、能量轉(zhuǎn)化等知識的復(fù)習(xí)，同時也為電化學(xué)其他知識的學(xué)習(xí)打好基礎(chǔ)。原電池在中學(xué)化學(xué)方面有著眾多的應(yīng)用，例如：加快反應(yīng)速率、比較金屬失電子能力、金屬的防護(hù)等。原電池在生產(chǎn)、生活、航天、國防科技等方面有著廣泛的應(yīng)用，學(xué)好原電池，有利于推動社會的進(jìn)步與發(fā)展。2.學(xué)情分析。學(xué)生已初步了解原電池，對氧化還原反應(yīng)中電子得失有深刻的認(rèn)識；學(xué)生已具備一定的科學(xué)探究能力，課堂上學(xué)生交流合作、自主設(shè)計(jì)并完成實(shí)驗(yàn)，學(xué)生動手完成原電裝置及鹽橋的制作，原電池教學(xué)層層遞進(jìn)，學(xué)生對知識的理解從理論上升到實(shí)踐，有助于學(xué)生科學(xué)探究、創(chuàng)新意識等學(xué)科素養(yǎng)的提升。據(jù)了解，學(xué)生對于原電池的學(xué)習(xí)仍存在不少困惑。例如：如何結(jié)合電學(xué)、自發(fā)的氧化還原反應(yīng)、微粒運(yùn)動等知識理解電流的產(chǎn)生？如何理解半反應(yīng)在兩個不同電極上發(fā)生？金屬活潑性與正負(fù)極選擇有什么關(guān)系？兩個電極的活潑性是否一定不同？3.“教、學(xué)、評”一體化的教學(xué)目標(biāo)。（1）能分析水果電池、單液、雙液原電池的原理，掌握原電池的構(gòu)成條件、電極反應(yīng)式的書寫。舊知識到新知識，從具體現(xiàn)象到抽象思維再到概念的形成，結(jié)合三重表征建立原電池的認(rèn)知模型。學(xué)生的模型認(rèn)知、證據(jù)推理素養(yǎng)得以提升。（2）通過引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、改進(jìn)實(shí)驗(yàn)、動手操作、分組實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)從理論到實(shí)踐的轉(zhuǎn)變，培養(yǎng)學(xué)生合作探究、勇于創(chuàng)新的優(yōu)秀品質(zhì)。（3）能舉例說明原電池的應(yīng)用，感受化學(xué)對人們現(xiàn)代生活的巨大貢獻(xiàn)。關(guān)注原電池過程中能量的轉(zhuǎn)化，能從自身做起，節(jié)能環(huán)保、綠色低碳、簡約生活。4.整體教學(xué)思路?！翱茖W(xué)探究與創(chuàng)新意識”的化學(xué)課堂將知識獲取的整個過程呈現(xiàn)給學(xué)生，從知識到能力到素養(yǎng)的提升均隱藏在整個探究過程中。綜合所有問題的結(jié)論構(gòu)建知識體系，通過對問題的思考提升素養(yǎng)水平。整體教學(xué)思路如圖所示，通過實(shí)驗(yàn)情境，生成遞進(jìn)的問題，在教師的引導(dǎo)下，學(xué)生自主進(jìn)階式的探究，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維，努力落實(shí)“教、學(xué)、評”一體化的教學(xué)目標(biāo)。教學(xué)環(huán)節(jié)：復(fù)習(xí)舊知→探索新知建立模型→應(yīng)用模型→完善模型教師活動：分析原理→啟發(fā)設(shè)問→協(xié)助構(gòu)建→引導(dǎo)應(yīng)用→總結(jié)歸納學(xué)生活動：思維定位→思維更新→思維提升→遷移應(yīng)用→思維拓展5.教學(xué)實(shí)施過程。（1）創(chuàng)設(shè)情境，引入新課?！編煛坎シ乓曨l“水果電池給手機(jī)充電”，引導(dǎo)學(xué)生嘗試制作水果電池?！旧繕?gòu)建電池?！編煛繂枺簩?shí)驗(yàn)有什么現(xiàn)象？為什么用酸性水果？為什么會產(chǎn)生電流？【生】分享實(shí)驗(yàn)成功的經(jīng)驗(yàn)，描述現(xiàn)象：有的小組電流計(jì)指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)，有的小組音樂卡片響起，有的小組燈泡發(fā)亮，但學(xué)生們對于電流的產(chǎn)生無法理解?！編煛考皶r點(diǎn)評學(xué)生的做法，引導(dǎo)學(xué)生從金屬片、酸性水果間可否發(fā)生氧化還原反應(yīng)，結(jié)合電子轉(zhuǎn)移初步理解電流產(chǎn)生的可能原因。設(shè)計(jì)意圖：生活創(chuàng)意小實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生感受到創(chuàng)新帶來的樂趣，在真實(shí)情境中讓學(xué)生對原電池產(chǎn)生好奇，激發(fā)學(xué)生探究原電池原理的興趣。（2）課本實(shí)驗(yàn)探究?！旧客瓿蓪?shí)驗(yàn)單液銅鋅原電池?！編煛繂枺喝芤河昧慷嗌?？電路連接要注意什么？【生】記錄現(xiàn)象，思考：單液原電池的缺點(diǎn)是什么？如何改進(jìn)？學(xué)生根據(jù)課本圖片對比，可能意識到電極與溶液存在直接置換的情況，銅附著在鋅片表面阻礙反應(yīng)進(jìn)行，置換伴隨放熱，導(dǎo)致能量利用率低，電流不穩(wěn)定等問題，書寫電極反應(yīng)式。構(gòu)建雙液銅鋅原電池?！編煛恳龑?dǎo)：兩電極分處兩個燒杯，為何還能產(chǎn)生電流？兩電極間是否存在電勢差？CuSO4溶液換成稀H2SO4，可否構(gòu)成原電池？電子的移動方向如何？離子的移動方向如何？如何維持燒杯內(nèi)溶液的電中性？鹽橋的存在使裝置像不像連通器模型？一方價態(tài)升，另一方價態(tài)降，是否類似于蹺蹺板模型？鹽橋內(nèi)的物質(zhì)是什么？鹽橋的作用是什么？可否自制鹽橋？設(shè)計(jì)意圖：學(xué)生對于單液原電池掌握比較好，對于雙液原電池不甚了解，通過雙液原電池的探究，以現(xiàn)象作為證據(jù)，學(xué)生能初步推出雙液原電池的原理，證據(jù)推理的學(xué)科素養(yǎng)得以提升。利用單、雙液原電池對比認(rèn)識原電池模型，原電池本質(zhì)為自發(fā)的氧化還原反應(yīng)，這樣的反應(yīng)引發(fā)了電子流動，負(fù)極材料上電子富足，正極材料上缺少電子，導(dǎo)致雙方電勢不相等，因此電子定向移動形成電流。（3）創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)探究。【生】通過課前查資料，某學(xué)生設(shè)計(jì)的方案：果凍鹽橋制作：①用藥匙取三小勺果凍放于U形管底部。②將U形管放入100℃的熱水浴中加熱至果凍熔化。③往U形管兩端分別滴加3～4滴飽和KCl溶液，振蕩。④將U形管放入冷水浴中冷卻，果凍凝固，充當(dāng)鹽橋。其他鹽橋制作：用濕巾、濾紙、毛巾、飽和氯化鈉溶液等完成。學(xué)生通過視頻展示鹽橋制作過程，展示成果?！編煛恳龑?dǎo)：如果在家做實(shí)驗(yàn)，沒有U形管，可用什么代替？果凍可否用其他物質(zhì)替代？鹽橋工作的原理是什么？鹽橋中的離子是否會往兩個燒杯中移動？【小結(jié)】判斷是否形成原電池的思路：→自發(fā)的氧化還原化學(xué)方程式→總的離子方程式→兩半反應(yīng)即電極反應(yīng)式→失電子為負(fù)極，得電子為正極。引導(dǎo)學(xué)生從閉合回路，維持水溶液電中性角度思考鹽橋的作用。設(shè)計(jì)意圖：通過對鹽橋的創(chuàng)新制作，將科學(xué)創(chuàng)意與生活實(shí)際相聯(lián)系，能激起學(xué)生對化學(xué)學(xué)習(xí)及生活的熱愛。抓住學(xué)生自主實(shí)驗(yàn)探究的積極性，利用精心設(shè)置的問題引導(dǎo)學(xué)生思考，既鍛煉了學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作的規(guī)范性，又幫助了學(xué)生完善原電池的知識，建立思維模板。通過課本知識、查閱資料、自主創(chuàng)新，多途徑讓學(xué)生體驗(yàn)原電池的形成條件及鹽橋的本質(zhì)，構(gòu)建知識脈絡(luò)。通過宏觀（現(xiàn)象、資料）——微觀（微粒組成、運(yùn)動）——符號（電極反應(yīng)式）表征發(fā)展學(xué)生變化觀念與平衡思想，學(xué)生“探究與創(chuàng)新”素養(yǎng)得以提升。四、“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識”素養(yǎng)教學(xué)成效課后，對學(xué)生以小份測試卷形式進(jìn)行調(diào)查，主要圍繞3個點(diǎn)：知識水平要求、素養(yǎng)水平要求、學(xué)生的學(xué)習(xí)情況。10道題共計(jì)100分，平行班、實(shí)驗(yàn)班各45人，發(fā)放試卷90份，回收有效卷90份，回收率100%。本節(jié)課以實(shí)驗(yàn)為載體，引導(dǎo)學(xué)生知識到素養(yǎng)的發(fā)展，因此，筆者將《普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》中學(xué)業(yè)質(zhì)量對“素養(yǎng)4”要求的4個水平，轉(zhuǎn)化為10個測評題（表1）。其中，水平1強(qiáng)調(diào)學(xué)生對原電池的原有認(rèn)知，完成教材中銅鋅單液原電池實(shí)驗(yàn)，初步感知該裝置的缺點(diǎn)；水平2則關(guān)注學(xué)生在分析缺點(diǎn)后，通過添加燒杯、水溶液、鹽橋等操作進(jìn)行實(shí)驗(yàn)改進(jìn)；水平3側(cè)重于學(xué)生對原電池原理及構(gòu)成條件形成系統(tǒng)認(rèn)識后，能設(shè)計(jì)雙液原電池裝置，正確選擇電極、溶液順利完成實(shí)驗(yàn)；水平4注重學(xué)生拓展性地理解、改進(jìn)陌生情境下的原電池裝置。表1基于“素養(yǎng)4”水平測試卷各題平均分對比由表中數(shù)據(jù)可知，“探究與創(chuàng)新”素養(yǎng)水平1、2完成情況良好，隨著知識、素養(yǎng)水平要求提高，對應(yīng)平均分出現(xiàn)下降的現(xiàn)象，與學(xué)習(xí)規(guī)律相吻合。從整體情況看，波動比較平穩(wěn)，但仍可看出要將學(xué)生的素養(yǎng)水平提升至3、4等級存在一定的困難，學(xué)生需要一段時間理解應(yīng)用即可達(dá)到。測試卷中有關(guān)雙液、新型原電池分?jǐn)?shù)較低，究其原因，這些都需要學(xué)生在較高層面上對知識進(jìn)行宏觀把握，需要綜合運(yùn)用知識解決問題的能力。學(xué)生對于陌生情境表現(xiàn)出不適應(yīng)，這就需要教師在教學(xué)中循序漸進(jìn)，給學(xué)生充足的緩沖時間，平時教學(xué)中可將一些驗(yàn)證性的實(shí)驗(yàn)，稍作改動，變成需要學(xué)生設(shè)計(jì)、驗(yàn)證、改進(jìn)的實(shí)驗(yàn)，不斷提升學(xué)生科學(xué)探究的發(fā)散性思維能力。五、“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識”素養(yǎng)教學(xué)反思教師反思，總結(jié)教學(xué)的成與敗，教師是課堂的組織者，但課堂的主體是學(xué)生，教師反思，學(xué)生更需要反思，反思是一種反芻思維的體現(xiàn)，學(xué)生梳理整個實(shí)驗(yàn)過程，總結(jié)自己設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方案的利與弊。1.學(xué)習(xí)化學(xué)史，提升素養(yǎng)。由于時間關(guān)系，本節(jié)課并未進(jìn)行化學(xué)史教學(xué)，但不可否認(rèn)，化學(xué)史是絕好的教學(xué)素材。教學(xué)不應(yīng)局限于教材，還可以挖掘知識背后的故事，化學(xué)史展示了科學(xué)家科學(xué)研究的思路和方法，科學(xué)家敏銳的觀察、廢寢忘食的精神、實(shí)事求是的態(tài)度，對學(xué)生有著很好的引領(lǐng)示范作用。不僅提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，還提高了學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。2.利用新技能，提高效率。如果能合理使用各種教學(xué)技能，一定會讓課堂大放光彩。例如：利用動畫展示微觀粒子的定向移動，結(jié)合宏觀現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)思維的跨越；利用手持技術(shù)測電極附近離子濃度變化，定性轉(zhuǎn)向定量分析，圖表形式讓規(guī)律變得直觀；利用好希沃系統(tǒng)中的一些小技能，投屏讓學(xué)生都能看清楚現(xiàn)象，設(shè)置知識小游戲等，讓課堂更高效且有趣。3.探究要符合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律。探究應(yīng)當(dāng)從學(xué)生的學(xué)習(xí)實(shí)際出發(fā)，努力突破學(xué)生的認(rèn)知障礙，探究內(nèi)