新課改背景下實驗探究對學生核心素養的培養

朱銘錚

摘 要：高中化學是高中學科領域一門重要的課程，從其新課程標準目標和要求來看，其核心是以學生為本，培養學生動手實踐能力和探究精神，全面提高學生的基本素質。如何培養學生的化學學習核心素養已成為教師學者共同探究的問題。在新課程高中化學中，化學實驗是十分重要的教學內容，闡述了通過實施開放式實驗室，教師引導學生查閱文獻資料，學生自主申報實驗課題，開展合作探究的過程。旨在提高學生的創新精神和實踐能力，提高學生探究化學本質規律的能力，從而培養學生的化學學科素養、化學信息素養、合作能力，指導學生初步了解科學前沿，從更高的境界和視野上發展自我。

關鍵詞：新課程；實驗；鋰硫電池

一、聯系實際，發現問題

隨著社會的發展，能源消耗和環境問題向我們的社會提出了巨大的挑戰，因此，發展具有高安全、高能量密度和高比容量的可充電鋰電池是現代社會發展的必要組成部分。用現實情境及問題來激活教材知識，并借此指導學生查閱文獻，了解有關科學前沿問題，并且聯系實際，自主提出申報課題，并積極了解問題的各個方面，從而培養其化學信息素養。

作為活性炭的主要原料，以木材和秸稈等為代表的生物質材料是典型的可再生資源。以稻殼為例，全國每年可產生4000萬噸，資源相當豐富。稻殼碳化后的產物中含有大量的二氧化硅（達30wt%），且多為納米級別，因此具有很高的電化學活性和吸附能力。有研究表明，在鋰硫電池正極材料中添加一定量的納米氧化物可以有效地提高硫的電化學活性，有利于提高其充放電可逆性。將高含硅量的稻殼加工成具有優異電化學活性的鋰硫電池正極載體材料，無疑是一種變廢為寶、一舉兩得的方法。基于此，本課題擬以生物質廢料為原料，開發具有一定二氧化硅含量的高比表面積稻殼活性炭，用于鋰硫二次電池正極的載體并優化硫/碳復合電極的電化學性能，為低成本、高容量的鋰硫電池的產業化提供技術支持。

二、實驗探究，合作交流

化學實驗是培養學生動手能力的主要手段，它是貫徹新課改思想，培養學生之間合作交流、科學觀察和科學思維能力的有效手段。在進行上述課題過程中，學生通過文獻數據與資料，交流確定進行實驗的材料及實驗過程。在實驗室中進行探究，課題的實驗過程如下：

（一）稻殼的碳化過程

稻殼碳經過水洗，除去表面黏附物，在100℃烘箱中烘干。將其放入管式電阻爐中，通氬氣，以每分鐘升溫6℃的速率升至450℃，然后維持2小時后降溫。

（二）稻殼的活化過程

活化劑選用氫氧化鉀，氫氧化鉀與碳化產物的質量比為3：1，加入10毫升水，攪拌充分溶解混勻后，在60℃烘箱中干燥。干燥后在450度預活化30分鐘，然后在700度活化1小時，升溫速率在6度每分鐘。自然冷卻至室溫，稀鹽酸洗滌至中性，干燥，得到稻殼活性炭載體。

（三）制備硫/碳復合材料，組裝鋰硫二次電池正極

制備硫/碳復合材料：將稻殼活性炭與升華硫以3：1混合，研磨30分鐘后均勻后置于反應釜中，加熱至155℃保溫24小時，使硫充分滲入到稻殼活性炭的孔洞之中，從而獲得一定負載量的硫/碳復合材料。

電極制作：將稻殼炭材料、導電炭黑和聚偏氟乙烯（PVDF）黏結劑按質量比7：2：1 混合，在N，N二甲基吡咯烷酮溶劑中攪拌成均勻的漿狀物，將其均勻地涂在鋁箔上，然后在60℃下真空干燥24 h。

組裝電池：在手套箱中進行電池組裝成鋰硫電池，并在電化學工作站進行性能測試。

三、分析數據，深入思考

學生通過化學概念原理和化學事實來對實驗現象與數據進行分析、綜合、比較、歸納與概括，從而提高自身的化學邏輯思維能力。通過以上的實驗過程，可得到一系列的實驗數據與圖表，再對其進行分析：

（一）SEM表征

硫/碳復合材料的SEM圖表面看不出有很多孔，說明S很可能嵌入活性炭的孔里面了。

活性稻殼炭TEM的圖上有許多黑白的點，它們代表的是小孔。這說明活性稻殼炭表面有許多小孔。

（二）熱重分析

由圖2可知，升華硫在250攝氏度左右因加熱開始質量減小，在350攝氏度失去全部質量。而硫/碳復合材料也在250攝氏度左右開始質量減小，但在600攝氏度左右質量不再下降，此時剩余碳的質量分數約為32%。因此，我們得出硫/碳復合材料中硫的質量分數約為68%。

（三）稻殼炭的電化學性能表征

圖3是稻殼炭鋰硫電池在電流密度0.1C時，循環50次的充放電性能測試。該電池初始放電比容量為780mAh/g，循環50圈之后為250mAh/g，充放電的庫倫效率為95%左右。

為了鋰硫電池的碳材料開發，本課題選擇稻殼炭將其制成電化學性能良好的鋰硫電池的正極材料。該材料具有如下優點：

（1）活化的稻殼炭具有多孔性。（2）硫/碳復合材料中硫含量高達68%，且硫很好地嵌入孔內，提高了硫的利用率。

經過以上課題的探究，相信學生對于知識與實際相聯系有進一步的認識。實驗室的開放，鼓勵了學生自行查閱資料，合作探究，動手實驗，結果分析，有效地培養了他們的綜合實踐能力，并與情感、態度相整合。現實生活同樣是“課堂”，將生活引入科學實驗，甚至會更有價值，從中培養學生核心素養。

參考文獻：

王維坤，余仲寶，苑克國，等.高比能鋰硫電池關鍵材料的研究[J].化學進展，2011（Z1）540-547.