基于化学核心素养培养的教学实录与反思
都承峰
摘要：化学是一门实践性非常强的学科。实验教学是化学教学中极其重要的教学环节之一。化学实验，尤其是对学生实验的创新，是提高化学教学魅力的保证。文章结合“化学能与电能的转化”这节课为案例，探索基于化学实验培养学生科学素养的课堂教学策略，以期提高课堂教学的有效性，充分挖掘化学实验“立德树人”、“全面育人”的实践价值。
关键词：化学实验；化学核心素养；教学实践
文章编号：1008-0546（2018）11-0057-03 中图分类号：G633.8 文献标识码：B
doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2018.11.019
化学实验教学对于全面落实培养学生科学素养的目标，具有不可替代的特殊作用。学生实验更加能体现出学科魅力，提高学生综合素养。正如我国著名的化学教育家戴安邦教授所说：“在化学教育中强调化学实验，无论如何都不会过分。化学实验室是学生学习化学最有效和收获最丰富的场所。”笔者结合“化学能与电能的转化”这节课为案例，积极探索基于化学实验培养学生科学素养的课堂教学策略，以期提高课堂教学的实效性，充分发掘“立德树人”、“全面育人”的实践价值。
一、教材分析
本节课教学内容是苏教版高一化学必修2专题二第三单元的内容，教材按照“原电池—化学电源—电解池”的顺序进行编排。从高中化学课程内容的编排来看，本节课内容既是必修1“氧化还原反应”的拓展延伸，也是能量转化的生动体现，更是金属活动性和电解质溶液知识的具体运用。
“化学能与电能的转化”的教学，不仅承担着本专题具体化学知识的教学任务，还具有整合、发展学生对化学反应认识的作用。通过本单元的学习，学生将初步能够从宏观与微观、定性与定量、本质与现象、能量转化等方面、多角度、多層面地认识化学能与电能的相互转化，促进学生对物质变化的完整认识。设计出适合全体学生的探究实验，以提高课堂的有效性就显得愈发重要。
二、设计思路
本节课采用“氢燃料电池车（氢动车）”作为学习情境，设计了创新实验，以探究氢动车的原理、体悟氢动车的智造、品味氢动车的价值三个环节为主线，以化学能与电能的相互转化为暗线，重点复习电化学的概念、原理、规律，深化化学学科核心素养。按照“宏观—微观—模型”模式进行知识建构，发展学生的科学思维，切实提升学生的科学素养。
同时，本课着眼于整合学生对化学反应与物质变化、能量变化的关系，重视能源的利用和环境保护，培养社会责任感。基于化学实验教学，帮助学生领悟化学知识、体验科学探究，充分发挥实验在学科德育和立德树人等方面的积极作用，培育化学学科核心素养。
三、教学流程
四、教学过程
【情景引入】播放视频——氢燃料电池车（氢动车），智定未来，共创新时代。
【学习任务一】探究氢动车的原理
【投影】燃料电池汽车（Fuel Cell Vehicle，简称FCV）是一种用车载燃料电池产生的电力作为动力的汽车（图1）。氢燃料电池的原理是1839年由威尔士物理学家威廉·格罗甫首先发现的，这是一种把氢氧化学能直接转化为电能的电化学设备。氢燃料电池汽车被称为“自带发电站”的汽车。
【演示实验】氢氧燃料电池发电，使玩具小汽车（图2）跑起来。
【设计意图】以燃料电池汽车为模型（图1），并始终贯穿整个教学过程，引领学生知识建构。以氢燃料电池玩具小汽车为真实情境，引出一系列的探究问题。
【问题1】汽车为什么会跑起来？涉及的化学原理是什么？发生了什么反应？反应过程中发生了什么变化？能量转化形式是什么？
【生】2H2+O2[=][点燃]2H2O，该反应既有物质变化又有能量变化。能量转化形式是化学能转化为电能。
【师】像这样的装置，我们称之为原电池。
【投影】氢燃料电池的工作原理图（图3）。
【问题2】工作时，氢气在哪个极放电？氧气在哪个极放电？电极反应如何书写？反应类型？
【生】对照投影图，书写、汇报。
【师】根据学情，适时插入Zn—Cu—H2SO4原电池正、负极电极反应式的书写。
【归纳】类比Zn—Cu—H2SO4原电池，归纳出原电池的构成条件和工作原理。
【设计意图】源于学生已有的知识经验和生活经验，将锌铜原电池迁移至氢燃料电池的理解上，引发知识的联想和建构，实现“原型”到“新型”的转化。
【问题3】氢燃料电池是如何将化学能直接转变为电能的？（结合电极反应式，请用完整的语言描述整个反应的工作原理。）
【投影】原电池工作原理的认知模型
【设计意图】
使学生学会一种“由表及里”、“由宏观到微观”、“由现象到本质”的科学探究方法，充分体现了“螺旋上升”的变化发展的哲学思想。深化宏观辨识、微观探析、变化观念、模型认知的化学学科素养。
【资料卡】在氢氧燃料电池中，氢气直接转化为电能，能量利用率达到60%，比传统内燃机高了整整一倍！这样大大提高了能源利用率。
数据显示，上汽集团研发的氢动车仅需大约1kg的氢就能行驶100km，加满4个储氢罐（大约5kg的氢气），只需要3min，与汽油车的加油时间相差无几，续航里程达到500km。
【设计意图】从科学的角度，培养学生从定性走向定量的学科思想。
【学习任务二】体悟氢动车的智造
【问题4】使氢动车动起来，要往里面通入氢气，那氢气从哪里来？如何获得氢气？
【生猜想】电解水，光解水，水煤气，金属与酸，氯碱工业……
【师】电解水产生的氢气、氧气能否放电？实验怎么做？
【生】先谈谈自己的初步想法，先电解，后放电。
【学生分组实验】氢氧燃料电池充放电
第一步：电解。（展示图4，提示黑线连接的是电源的负极，作为电解池的阴极，红线连接的是电源的正极，作为电解池的阳极）
第二步：放电。阴阳两极生成的气体可以短时间吸附在多孔石墨棒上，然后做放电实验。（展示图5、图6，强调分工合作，石墨棒电解5s后，不要拿出来）接上扬声器，同样是红线接红线，黑线接黑线，听到有美妙的音乐声。做完扬声器实验后，再次电解，然后接上发光二极管，看到二极管会亮。
【设计意图】通过对氢氧燃料电池的创新改造，设计出适合学生的分组实验，让学生在亲自动手实践中体会科学探究的一般过程和方法，从实验的假设到实验的探究再到对实验结果的分析，既重视化学实验基础操作的训练，又加强学生设计实验能力的培养，激发学生学习化学的兴趣，提升学生的核心素养。
【拓展应用】“冰箭—长征五号”于2016年11月3日20时43分在文昌卫星发射中心成功发射升空，成为中国运载能力最大的火箭。火箭的发动机用氢氧作为燃料。空间站的能源供应：向日时太阳能供电，电解水，作为电解池；背日时氢氧燃料电池进行能源供给，作为原电池。
【小结】
【师】可充电电池实现了化学能和电能的相互转化。
【小结】投影太极图，构建可充电电池氧化还原本质的转化模型。
【师】太極图形呈现了一种相互对立、相互转化、阴阳轮转的形式美、和谐美。我们今天研究的原电池、电解池，其本质就是氧化还原反应。氧化反应和还原反应也是既相互对立，又相互统一。
【设计意图】从氧化还原的角度对原电池、电解池的过程进行理解，培养学生“对立统一”的唯物辩证观点，从而全面提高学生的思维辩证能力和科学素养。
【学习任务三】品味氢动车的价值
【问题5】氢动车能否代替纯电动车？
【生】交流讨论，自主合作，通过辩论引发思考。
【小结】氢动车的优点和缺点。
【历史与展望】氢动车的沿革与发展
1839年，威廉·格罗甫首先发现氢燃料电池→2014年，日本上市的丰田Mirai，是第一款量产销售的氢燃料电池车→2016年，“冰箭—长征五号”发射升空→2018年，上海上汽集团交付100台氢燃料电池车→未来……
【设计意图】关注与化学有关的科学技术、社会生活、生态环境等有关问题，引导学生能用已有的知识和方法去分析问题，权衡利弊，全面提高学生的科学精神和社会责任。
【课外探究】氢动车的发展前景如何？能否推广使用，是大势所趋？请做课外调查研究，撰写小论文。
五、教学反思
本节课设计了不同类型的实验，承载着不同的教学功能。演示实验为学生提供感性认识材料，并在此基础上引导学生思考，从而形成化学概念、理论。学生实验培养学生实验技能和能力，养成科学态度和掌握科学方法。
作为一线化学教师，只有对化学实验教学的内涵有比较清晰的认识，才能真正意识到化学实验的重要性，才能真正自觉地运用科学的“实验观”进行化学教学，以促进实验教学的有效性。充分利用实验教学将有效地改变学生的生命状态，全面提高学生科学素养，同时也能促进教师的专业成长，教学相长，育人无界。
参考文献
[1] 于乃佳，范晓琼，徐辉，桑寿德，吴卫东.“氧化还原反应”单元整体教学设计的反思——“高端备课”项目促进化学教师专业发展记录之二[J].化学教育，2010（3）
[2] 李蓉.在理科教学中培养学生核心素养——2016年全国内地西藏班（校）优质课决赛理科组述评[J].中国民族教育，2017（1）
[3] 王云生.基础教育阶段学科核心素养及其确定——以化学学科核心素养为例[J].福建基础教育研究，2016（2）
[4] 王少刚，刘仁培，封小松.开发综合性实验培养创新能力[J].实验室研究与探索，2010，28（9）：117-120
[5] 王青豪，胡乔生.综合化学实验内容和方式的改革研究[J].江西化工，2006（3）：29-32
[6] 李晓莉，李梅.开设综合化学实验的探索与研究[J]. 广西师范学院学报，2004，21：96-98
[7] 朱莉. 改革实验教学，培养创新能力——关于开设综合实验的总结[J].实验技术与管理，2003，20（1）：70-72
[8] 龚仁喜，孟小碧，秦钢年.创新型人才培养与实验教学改革的探索与实践[J].实验技术与管理，2006，23（7）：157-161
摘要：化学是一门实践性非常强的学科。实验教学是化学教学中极其重要的教学环节之一。化学实验，尤其是对学生实验的创新，是提高化学教学魅力的保证。文章结合“化学能与电能的转化”这节课为案例，探索基于化学实验培养学生科学素养的课堂教学策略，以期提高课堂教学的有效性，充分挖掘化学实验“立德树人”、“全面育人”的实践价值。
关键词：化学实验；化学核心素养；教学实践
文章编号：1008-0546（2018）11-0057-03 中图分类号：G633.8 文献标识码：B
doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2018.11.019
化学实验教学对于全面落实培养学生科学素养的目标，具有不可替代的特殊作用。学生实验更加能体现出学科魅力，提高学生综合素养。正如我国著名的化学教育家戴安邦教授所说：“在化学教育中强调化学实验，无论如何都不会过分。化学实验室是学生学习化学最有效和收获最丰富的场所。”笔者结合“化学能与电能的转化”这节课为案例，积极探索基于化学实验培养学生科学素养的课堂教学策略，以期提高课堂教学的实效性，充分发掘“立德树人”、“全面育人”的实践价值。
一、教材分析
本节课教学内容是苏教版高一化学必修2专题二第三单元的内容，教材按照“原电池—化学电源—电解池”的顺序进行编排。从高中化学课程内容的编排来看，本节课内容既是必修1“氧化还原反应”的拓展延伸，也是能量转化的生动体现，更是金属活动性和电解质溶液知识的具体运用。
“化学能与电能的转化”的教学，不仅承担着本专题具体化学知识的教学任务，还具有整合、发展学生对化学反应认识的作用。通过本单元的学习，学生将初步能够从宏观与微观、定性与定量、本质与现象、能量转化等方面、多角度、多層面地认识化学能与电能的相互转化，促进学生对物质变化的完整认识。设计出适合全体学生的探究实验，以提高课堂的有效性就显得愈发重要。
二、设计思路
本节课采用“氢燃料电池车（氢动车）”作为学习情境，设计了创新实验，以探究氢动车的原理、体悟氢动车的智造、品味氢动车的价值三个环节为主线，以化学能与电能的相互转化为暗线，重点复习电化学的概念、原理、规律，深化化学学科核心素养。按照“宏观—微观—模型”模式进行知识建构，发展学生的科学思维，切实提升学生的科学素养。
同时，本课着眼于整合学生对化学反应与物质变化、能量变化的关系，重视能源的利用和环境保护，培养社会责任感。基于化学实验教学，帮助学生领悟化学知识、体验科学探究，充分发挥实验在学科德育和立德树人等方面的积极作用，培育化学学科核心素养。
三、教学流程
四、教学过程
【情景引入】播放视频——氢燃料电池车（氢动车），智定未来，共创新时代。
【学习任务一】探究氢动车的原理
【投影】燃料电池汽车（Fuel Cell Vehicle，简称FCV）是一种用车载燃料电池产生的电力作为动力的汽车（图1）。氢燃料电池的原理是1839年由威尔士物理学家威廉·格罗甫首先发现的，这是一种把氢氧化学能直接转化为电能的电化学设备。氢燃料电池汽车被称为“自带发电站”的汽车。
【演示实验】氢氧燃料电池发电，使玩具小汽车（图2）跑起来。
【设计意图】以燃料电池汽车为模型（图1），并始终贯穿整个教学过程，引领学生知识建构。以氢燃料电池玩具小汽车为真实情境，引出一系列的探究问题。
【问题1】汽车为什么会跑起来？涉及的化学原理是什么？发生了什么反应？反应过程中发生了什么变化？能量转化形式是什么？
【生】2H2+O2[=][点燃]2H2O，该反应既有物质变化又有能量变化。能量转化形式是化学能转化为电能。
【师】像这样的装置，我们称之为原电池。
【投影】氢燃料电池的工作原理图（图3）。
【问题2】工作时，氢气在哪个极放电？氧气在哪个极放电？电极反应如何书写？反应类型？
【生】对照投影图，书写、汇报。
【师】根据学情，适时插入Zn—Cu—H2SO4原电池正、负极电极反应式的书写。
【归纳】类比Zn—Cu—H2SO4原电池，归纳出原电池的构成条件和工作原理。
【设计意图】源于学生已有的知识经验和生活经验，将锌铜原电池迁移至氢燃料电池的理解上，引发知识的联想和建构，实现“原型”到“新型”的转化。
【问题3】氢燃料电池是如何将化学能直接转变为电能的？（结合电极反应式，请用完整的语言描述整个反应的工作原理。）
【投影】原电池工作原理的认知模型
【设计意图】
使学生学会一种“由表及里”、“由宏观到微观”、“由现象到本质”的科学探究方法，充分体现了“螺旋上升”的变化发展的哲学思想。深化宏观辨识、微观探析、变化观念、模型认知的化学学科素养。
【资料卡】在氢氧燃料电池中，氢气直接转化为电能，能量利用率达到60%，比传统内燃机高了整整一倍！这样大大提高了能源利用率。
数据显示，上汽集团研发的氢动车仅需大约1kg的氢就能行驶100km，加满4个储氢罐（大约5kg的氢气），只需要3min，与汽油车的加油时间相差无几，续航里程达到500km。
【设计意图】从科学的角度，培养学生从定性走向定量的学科思想。
【学习任务二】体悟氢动车的智造
【问题4】使氢动车动起来，要往里面通入氢气，那氢气从哪里来？如何获得氢气？
【生猜想】电解水，光解水，水煤气，金属与酸，氯碱工业……
【师】电解水产生的氢气、氧气能否放电？实验怎么做？
【生】先谈谈自己的初步想法，先电解，后放电。
【学生分组实验】氢氧燃料电池充放电
第一步：电解。（展示图4，提示黑线连接的是电源的负极，作为电解池的阴极，红线连接的是电源的正极，作为电解池的阳极）
第二步：放电。阴阳两极生成的气体可以短时间吸附在多孔石墨棒上，然后做放电实验。（展示图5、图6，强调分工合作，石墨棒电解5s后，不要拿出来）接上扬声器，同样是红线接红线，黑线接黑线，听到有美妙的音乐声。做完扬声器实验后，再次电解，然后接上发光二极管，看到二极管会亮。
【设计意图】通过对氢氧燃料电池的创新改造，设计出适合学生的分组实验，让学生在亲自动手实践中体会科学探究的一般过程和方法，从实验的假设到实验的探究再到对实验结果的分析，既重视化学实验基础操作的训练，又加强学生设计实验能力的培养，激发学生学习化学的兴趣，提升学生的核心素养。
【拓展应用】“冰箭—长征五号”于2016年11月3日20时43分在文昌卫星发射中心成功发射升空，成为中国运载能力最大的火箭。火箭的发动机用氢氧作为燃料。空间站的能源供应：向日时太阳能供电，电解水，作为电解池；背日时氢氧燃料电池进行能源供给，作为原电池。
【小结】
【师】可充电电池实现了化学能和电能的相互转化。
【小结】投影太极图，构建可充电电池氧化还原本质的转化模型。
【师】太極图形呈现了一种相互对立、相互转化、阴阳轮转的形式美、和谐美。我们今天研究的原电池、电解池，其本质就是氧化还原反应。氧化反应和还原反应也是既相互对立，又相互统一。
【设计意图】从氧化还原的角度对原电池、电解池的过程进行理解，培养学生“对立统一”的唯物辩证观点，从而全面提高学生的思维辩证能力和科学素养。
【学习任务三】品味氢动车的价值
【问题5】氢动车能否代替纯电动车？
【生】交流讨论，自主合作，通过辩论引发思考。
【小结】氢动车的优点和缺点。
【历史与展望】氢动车的沿革与发展
1839年，威廉·格罗甫首先发现氢燃料电池→2014年，日本上市的丰田Mirai，是第一款量产销售的氢燃料电池车→2016年，“冰箭—长征五号”发射升空→2018年，上海上汽集团交付100台氢燃料电池车→未来……
【设计意图】关注与化学有关的科学技术、社会生活、生态环境等有关问题，引导学生能用已有的知识和方法去分析问题，权衡利弊，全面提高学生的科学精神和社会责任。
【课外探究】氢动车的发展前景如何？能否推广使用，是大势所趋？请做课外调查研究，撰写小论文。
五、教学反思
本节课设计了不同类型的实验，承载着不同的教学功能。演示实验为学生提供感性认识材料，并在此基础上引导学生思考，从而形成化学概念、理论。学生实验培养学生实验技能和能力，养成科学态度和掌握科学方法。
作为一线化学教师，只有对化学实验教学的内涵有比较清晰的认识，才能真正意识到化学实验的重要性，才能真正自觉地运用科学的“实验观”进行化学教学，以促进实验教学的有效性。充分利用实验教学将有效地改变学生的生命状态，全面提高学生科学素养，同时也能促进教师的专业成长，教学相长，育人无界。
参考文献
[1] 于乃佳，范晓琼，徐辉，桑寿德，吴卫东.“氧化还原反应”单元整体教学设计的反思——“高端备课”项目促进化学教师专业发展记录之二[J].化学教育，2010（3）
[2] 李蓉.在理科教学中培养学生核心素养——2016年全国内地西藏班（校）优质课决赛理科组述评[J].中国民族教育，2017（1）
[3] 王云生.基础教育阶段学科核心素养及其确定——以化学学科核心素养为例[J].福建基础教育研究，2016（2）
[4] 王少刚，刘仁培，封小松.开发综合性实验培养创新能力[J].实验室研究与探索，2010，28（9）：117-120
[5] 王青豪，胡乔生.综合化学实验内容和方式的改革研究[J].江西化工，2006（3）：29-32
[6] 李晓莉，李梅.开设综合化学实验的探索与研究[J]. 广西师范学院学报，2004，21：96-98
[7] 朱莉. 改革实验教学，培养创新能力——关于开设综合实验的总结[J].实验技术与管理，2003，20（1）：70-72
[8] 龚仁喜，孟小碧，秦钢年.创新型人才培养与实验教学改革的探索与实践[J].实验技术与管理，2006，23（7）：157-161
