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基于学生化学学科核心素养提升的教学设计

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杨勇薛官欣薛瑞卿万延岚

摘要：以“原电池”主题为例，设置“探究电池漏液原因”“建构电池模型”“设计简易原电池”“电池发展史”等核心教学环节进行“原电池”的教学设计研究。整个教学设计基于化学学科五大核心素养，将学科核心素养潜移默化地渗透到教学的各个环节;教学过程注重情境的创设、有思考价值的问题组设计以及有探究价值的活动设计;重视科学史的学习，注重学生社会责任感的培养。

关键词：化学学科核心素养;原电池;教学设计;普通高中

文章编号：1008-0546（2020）02-0048-04 中图分类号：G632.41 文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2020.02.015

当前我国基础教育正从“知识本位”时代走向“核心素养”时代。《普通高中化学课程标准（2017年版）》从学科思维方式、核心观念、认知方式和社会情怀等角度提出五大化学学科核心素养，分别是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，并对这五大学科核心素养进行了详细深入的阐述和分析。而教学设计是联结教育理念与教学实践的纽带，良好的教学设计是教师成功进行课堂教学的基础和保障。基于此，以高中化学核心主题“原电池”为例，进行核心素养指导下的化学教学设计研究。

一、教学背景分析

1.教学内容分析

“原电池”主题是化学学科重要的理论性知识，是学生认识化学反应与能量转化的载体和范例，对学生学习电化学的相关知识以及提升学生对化学学科社会价值的认识有非常重要的意义。具体地，从课程标准的要求看，2017年版高中课标在课程内容主题3“物质结构基础与化学反应规律”的内容要求部分，对“化学反应与能量转化”主题做出了明确规定：知道化学反应可以实现化学能与其他能量形式的转化，以原电池为例认识化学能可以转化为电能，从氧化还原反应的角度初步认识原电池的工作原理;体会提高燃料的燃烧效率、开发高能清洁燃料和研制新型电池的重要性。可以看出，从能量转化的高度发展对化学反应的认识，从氧化还原的角度学习原电池及其工作原理，从能源应用和社会价值的角度体会化学电池的创新，这些方面是“原电池”主题教学的核心，同时很好地凸显了“变化观念”“社会责任”等化学学科核心素养。

从课程内容的设置来看，“原电池”主题是高中化学必修课程“化学反应与能量转化”模块的重要内容，该部分内容既是对前面氧化还原反应和物理电学相关知识的应用、拓展和提升，又是后续选修课程深入学习电化学相关知识的必备基础，具有承前启后的重要作用。以最新试行的2019年版鲁科版高中化学必修教材为例，教科书对原电池基本构成和工作原理的介绍是通过氢氧燃料电池进行的，并且教材中明确提出了一个学生必做实验——设计简单的原电池（即经典的Zn-Cu原电池），最后从社会应用的角度向学生展示了各种各样的化学电池。因此，“原电池”主题的教学不应仅仅让学生认识原电池的构造及其工作原理，还应该从建模的角度引导学生初步设计简单的原电池，从基本观念的角度发展学生的变化观念、能量观念和化学价值观念等。

2.学情分析

知识方面，高中生对于“化学反应与能量变化”主题，通过初中和必修1对化学与能源相关知识的学习，已经有了一定的认识和了解，知道通过化学反应可以实现物质的转化，同时伴随一定的能量变化;已经学习过氧化还原反应的相关知识，知道氧化还原反应的本质是电子的得失;在物理学科中已接触过电学知识，对电路、电极、电流等相关内容已有一定的知识储备。同时，高中生与日常生活已有充分的接触，对电池比较熟悉，有一定的基础性认识。能力方面，高中生已经具备一定的实验探究能力，能够尝试基于一定的原理进行方案的设计，并改进实验方案;具有一定的实验操作能力和反思交流能力。

但是，高中生对化学反应与能量变化的认识和理解程度尚比较浅显，将物理电学知识与化学氧化还原反应知识相结合的学习思维和学习能力有待加强;对原电池的构造和工作原理缺乏系统性的认识，对模型认知和实验创新能力还没有得到系统训练，因此很难从建模的角度设计原电池。因此，在教学中，要克服理论性知识的去情境化，通过模型解析、模型应用引导学生进行深层次的理解与建构。

二、教学设计思路与化学核心素养的渗透

“Zn-c电池”是目前使用最广泛的一次电池，是不可或缺的生活必需品，而“电池漏液”也是日常生活中的常见问题。因此，本教学设计基于化学学科核心素养的引领，以“探究电池漏液原因”作为教学情境素材进行“原电池”的教学设计研究。具体的教学设计思路如图1所示。

首先，通过空调遥控器中电池漏液的情境导人新课，提出有思考价值的问题“为什么电池会漏液”，充分调动学生学习的积极性。继而，向学生展示Zn-C电池的模型图、新旧电池实物对比，使学生从外观和结构上对电池有初步认识。同时向学生提供Zn-C电池在使用前后的物质变化数据，解析电池的构造和工作原理，建构电池模型，引出原电池和电极反应概念。在此基础上，提供生活中常见的各种材料，引导学生基于对电池模型的理解和原电池设计的一般思路，进行简单的原电池设计，并对设计方案进行评价、改进和实践。活动之后，回顾电池发展史，聚焦新能源发展方向，感悟化学学科的巨大价值，发展化学价值观和社会责任感。最后，通过概念图的形式进行整合提升，深化对化学核心素养的理解。

整个教学设计在化学核心素养的指导下进行，五大化学学科核心素养以潜移默化的方式渗透在教学的各个环节中。具体地，通过提出“电池漏液”這一生活中常见的小问题，引起学生的兴趣，带领学生探索未知，体会化学科学与日常生活的密切联系。通过认识Zn-C电池模型图，并分析电池工作前后在宏观与微观上的变化，可以使学生理解宏观与微观相联系这一化学学科独特的思维方式，并将电池在宏观与微观上的变化作为推理的证据;将正负极的电子得失与闭合电路中的电子流动作为证据进行推理，建立电池工作模型，明确电池工作原理。整个过程是一个从收集证据，到证据推理，到模型建构的完整的思维过程，很好地发展了学生严谨求实的科学精神和证据意识。基于建构的电池模型，体会原电池设计的一般思路，设计简易原电池，在设计与实践方案的过程中加深对模型的应用与认识，培养学生的探究能力和创新精神。最后回顾电池发展史，认识新能源在未来能源危机的作用，与课前引入的电池漏液小问题相呼应，彰显化学学科的社会功能和价值，培养学生的社会责任。

三、教学过程设计

1.创设情境，引入新课

【创设情境】某同学家中空调遥控器长期没有使用，再次使用时出现了“电池漏液”现象。提出问题：（1）电池为什么会漏液？（2）电池漏液的主要成分是什么？

【展示实物】展示某品牌全新电池实物、旧电池实物、漏液电池实物。展示电池说明书中的使用注意事项。

【学生活动】观察实物，阅读注意事项，思考问题。

【问题引导】该同学在使用过程中违反了哪条使用规则？这可能带来什么后果？我们应当从何处下手解决上述问题？

【学生回答】违反了“长久不用时请将电池取出”这一注意事项，带来了电池漏液的后果。应从电池工作过程中内部物质的变化入手分析电池漏液的原因。

设计意图：课程资源是落实核心素养的物质基础。从现实生活中常见的“电池漏液”现象出发，引导学生思考问题情境，并结合新电池、旧电池和漏液电池外观以及电池使用说明书中的注意事项，使学生对问题有初步了解和判断，激发学生探索未知，追究真理的好奇心，引出新课。

2.剖析问题，建构模型

【模型展示】展示Zn-C电池的模型图。

【教师讲解】电池的中心是碳棒，周围填充碳与二氧化锰粉末，电池内部有含NH4C1的糊状物，最外层是锌。

【学生活动】初步认识Zn-C电池的构造。

【图表展示】展示新电池与旧电池的物质组成（表1）。

【问题组-1】通过上表新旧电池物质组成的对比，思考电池在工作时发生了哪些物质变化？

【学生回答】电池工作时在中心碳棒附近处的Mn02变成MnO（OH）;糊状液体中出现了ZnCl2，同时液体的pH上升;固态的锌皮变成ZnCI2溶于糊状物。MnO2和锌皮的变化伴随着化合价的升降，即电子得失。

【教师演示】将Zn-C电池与用电器、电流表、开关连接，闭合电路，观察现象。

【学生活动】认真观察现象。

【问题组-2】结合物理学知识思考，电池工作时还会产生哪些变化？它的产生需要什么条件？它与中心碳棒和外层锌皮的电子得失存在什么关系？

【学生回答】会产生电流。产生电流的条件：具有能自由移动的电荷，产生电势差，有闭合回路，形成通路。可能是MnO2与锌片之间的电子得失使电子定向移动产生电流。

【教师讲解】电池连接用电器，形成闭合回路，电池开始工作。中心碳棒为正极，外层锌皮为负极。锌皮失去电子发生氧化反应，是负极反应物;MnO2得到电子发生还原反应，是正极反应物。电解质溶液充当离子导体，导线作为电子导体。外部电路电子从负极向正极移动，内部电路电解质中的阳离子从负极向正极移动，阴离子从正极向负极移动。这种电子得失的实质是氧化还原反应。

【教师讲解、板书】原电池、电极反应。

【建构模型】在图2中用红笔标出电流通路;用黑笔标出自由移动的电荷及移动方向;用蓝笔标出得失电子的物质。

【学生活动】标记模型，在头脑中建构起Zn-C电池模型图。

【板书】zn-C电池模型。

【问题解决】解决上课前提出的两个问题：电池为什么会漏液？电池漏液的主要成分是什么？

【学生回答，师生总结】锌皮在电池工作过程中变薄使电池发生漏液，漏液中可能含有ZnCl2、zn（OH）2以及NH4Cl。

设计意图：这一部分重点引导学生认识电池的组成和结构，将正负极物质变化和变化过程中的电子得失与电流形成的条件相互联系，建立宏观辨识与微观探析的核心素养;利用新旧电池之间的物质变化和电流表示数作为判断的证据，培养学生的证据意识，使学生学会利用证据进行推理;同时，通过学习Zn-C电池的工作原理和电极反应，培养学生的三重表征思维方式，并建立电池工作模型，加强对电池模型的认知与建构，为后续原电池的设计做好准备。

3.模型应用，实验创新

【设计电池】依据原电池工作原理，利用提供的试剂和生活用品，设计一个原电池。试剂和生活用品：锡纸、铁钉、84消毒液、面粉、淀粉、食盐、30%双氧水、碳棒、銅片、稀硫酸、洁厕灵、碘伏、柠檬汁、灵敏电流表。

【方法引导】图3。

【学生活动】以小组为单位进行电池设计。利用电池工作原理，选择合适试剂或用品，设计氧化还原反应，预测正极负极材料和反应。

【模型引领】完成电池模型图4。

【师生活动】对所设计的电池模型的合理性进行评价。

【学生活动】基于设计的电池模型，进行实验，记录数据。

【小组展示讲解】小组展示并讲解设计的电池。

【问题情境】提供仪器和试剂的成本，以电流强度为参考标准，你认为哪个小组设计的电池最实用？

【师生总结】综合考虑电流强度和成本，评选最优化的电池设计。

设计意图：这一部分主要引导学生基于对Zn-C电池模型的理解，从电池的工作原理出发，体会并运用原电池设计的基本思路，进行原电池设计。这一教学环节引导学生从模型建构的角度对实验方案进行设计，学生的交流合作能力、建模和证据推理能力以及实验创新能力得到很好的锻炼和发展。同时，整个实验体系开放程度大，多种试剂物品为电池的设计和电极材料的选择提供了多种可能，能够较好地提高学生的实验创新能力和推理能力。最后，权衡成本和效益做出选择和判断，从中优化方案，凸显化学科学价值。

4.回顾历史，聚焦前沿

【资料讲解】电池发展史以及电池在生活中各种应用。

【提出问题】面对当下紧迫的能源危机，如果你是一名科学家，将从哪些方面实现电池技术的发展与突破？

【学生活动】学生小组交流。

【拓展讲解】创新电极材料的重要性。介绍青岛储能产业技术研究院仿生能源与储能系统团队在低成本高比能镁/硫电池领域取得阶段性进展。

【师生总结】电极材料对电池性能有着至关重要的作用，是科学研究的重点与热点。课堂中的实验探索与科学家的实验室研究在很大程度上有著一致性，只有努力学习，不断创新，才能为社会发展贡献自己的力量。

设计意图：展示电池技术发展史，使学生明确电池技术发展的方向，感受化学学科对社会的贡献与价值，发展学生的化学学科价值观。同时，引导学生以科学家的身份继续思考，认识到电极材料是电池技术发展的关键，发展学生的科学精神和社会责任感。

5.概括整合，深化素养

【交流总结】从原电池的原理、模型和应用方面畅谈收获，绘制概念图。

【学生活动】畅所欲言总结收获，绘制概念图。

【课外拓展】每年有大量的电池使用，废旧电池的回收与处理一直是一个热门的社会问题，人们为了电池的回收处理都做了哪些事情？你有什么好的想法？

设计意图：总结提升，巩固所学知识。鼓励学生学以致用，培养社会责任感。

四、本教学设计的特色

本教学设计主要有以下特色：

（1）基于化学学科核心素养进行教学设计，将化学学科核心素养潜移默化地渗透到教学的各个环节，整个教学设计最大程度上指向发展学生的学科的核心素养。具体地，选择生活中常见的“电池漏液现象”作为问题情境素材，整个教学过程将宏观、微观与符号相联系的化学学科三重表征思维方式、证据推理能力、建模思想、实验探究能力、创新精神和社会责任等化学学科核心素养进行了不同程度的渗透。

（2）教学过程注重情境的创设、有思考价值的问题组设计以及有探究价值的活动设计。整堂课以化学学科核心素养为引导，创设现实问题情境“电池漏液”，克服了理论性知识的单调和去情境化。同时，基于此问题情境设置了一个问题组，对电池在工作时发生的物质变化、电流变化以及电极反应三个核心知识点进行了问题引导下的学习，充分调动了学生思维的积极性，建构了电池的工作模型。在此基础上，通过活动“设置简易原电池”，发展了电池设计的一般思路，深化了对电池模型的理解和应用，充分实现了情境、活动和问题的融合。

（3）重视科学史的学习，注重学生社会责任感的培养。通过对电池发展史的介绍，可以让学生体会科学研究道路的艰辛和科学家们勇于探索的科学精神，也能从中领悟电池发展的方向和趋势。整个教学设计从“电池漏液”这一现实小问题，上升到“能源电池”这一社会大问题的思考，将理论性知识赋予社会情境，体现了化学的社会功能和价值，有利于激发学生的责任感和使命感。

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