核心素養(yǎng)視域下高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)

隨著新一輪課程改革的推進(jìn)，化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)已成為高中化學(xué)教學(xué)改革的關(guān)鍵目標(biāo)。核心素養(yǎng)強(qiáng)調(diào)學(xué)生綜合運(yùn)用化學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問題的能力，關(guān)注學(xué)科本質(zhì)、科學(xué)探究和社會(huì)責(zé)任等多方面能力的提升。在此背景下，實(shí)驗(yàn)教學(xué)不再局限于知識(shí)驗(yàn)證，而應(yīng)成為促進(jìn)學(xué)生深度學(xué)習(xí)與素養(yǎng)養(yǎng)成的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。“化學(xué)電源”是高中化學(xué)中一項(xiàng)兼具理論性與實(shí)踐性的內(nèi)容，涉及氧化還原反應(yīng)、電化學(xué)原理及能量轉(zhuǎn)化等多個(gè)知識(shí)點(diǎn)。通過化學(xué)電源的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，不僅可以幫助學(xué)生建立宏觀與微觀、理論與實(shí)踐的聯(lián)系，還能有效提升學(xué)生的問題解決能力、科學(xué)探究能力以及環(huán)境責(zé)任意識(shí)，契合核心素養(yǎng)的培養(yǎng)目標(biāo)。本文以“化學(xué)電源”實(shí)驗(yàn)教學(xué)為切入點(diǎn)，探索在核心素養(yǎng)視域下如何優(yōu)化高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)施路徑，提升學(xué)生綜合能力，改進(jìn)教學(xué)成效。旨在為教師提供實(shí)踐范式，為高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革提供理論支持和實(shí)踐參考[1]。

一、核心素養(yǎng)與化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的關(guān)聯(lián)

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》（2017年版2020年修訂）提出化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)包括五個(gè)方面：“宏觀辨識(shí)與微觀探析”“變化觀念與平衡思想”“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)”“科學(xué)態(tài)度與社會(huì)責(zé)任”。其中“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)”強(qiáng)調(diào)通過實(shí)驗(yàn)過程提升學(xué)生的問題意識(shí)、實(shí)踐能力和創(chuàng)新思維，體現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)在核心素養(yǎng)培育中的重要作用。然而，目前高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)仍存在重知識(shí)輕實(shí)踐、重演示輕探究、重結(jié)論輕過程的問題。尤其是在“化學(xué)電源”教學(xué)中，教師常以理論講解為主，忽略對(duì)學(xué)生電池原理認(rèn)知和技術(shù)應(yīng)用能力的系統(tǒng)培養(yǎng)。而事實(shí)上，“化學(xué)電源”單元具有顯著的素養(yǎng)培養(yǎng)潛力。其理論內(nèi)容涵蓋氧化還原反應(yīng)、電化學(xué)反應(yīng)、能量轉(zhuǎn)化等核心概念；其實(shí)驗(yàn)部分涉及電極材料選擇、電壓測(cè)試、能效分析等多種科學(xué)探究過程；其社會(huì)價(jià)值聯(lián)系環(huán)保能源、綠色技術(shù)等現(xiàn)實(shí)議題。科學(xué)實(shí)踐是核心素養(yǎng)落地的關(guān)鍵路徑，而化學(xué)實(shí)驗(yàn)正是科學(xué)實(shí)踐的核心形式之一[2]。

二、教學(xué)案例設(shè)計(jì)

（一）教學(xué)框架設(shè)計(jì)

基于“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)”素養(yǎng)的培養(yǎng)要求，本教學(xué)設(shè)計(jì)采用“情境導(dǎo)入一原理探究一技術(shù)解析一創(chuàng)新應(yīng)用”的遞進(jìn)式路徑，分三階段展開，共安排3課時(shí)完成。

1.第一課時(shí)：原電池基礎(chǔ)原理驗(yàn)證

在第一課時(shí)的“原電池原理驗(yàn)證”中，學(xué)生通過分組合作，完成銅鋅原電池的構(gòu)建實(shí)驗(yàn)。結(jié)合數(shù)字化傳感器記錄實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，學(xué)生對(duì)電池輸出特性進(jìn)行對(duì)比分析，探索鐵、銅、鋁等不同電極材料及稀硫酸、檸檬汁、硫酸銅等不同電解質(zhì)溶液對(duì)電池性能的影響。教師在引導(dǎo)過程中，關(guān)鍵就在于讓學(xué)生從實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象出發(fā)，對(duì)電極反應(yīng)的電子轉(zhuǎn)移過程進(jìn)行推斷，從而理解原電池的構(gòu)成條件與反應(yīng)機(jī)理，進(jìn)而培養(yǎng)他們基于證據(jù)進(jìn)行科學(xué)推理的能力[3]。

2.第二課時(shí)：鉛蓄電池充放電特性探究

教師引入汽車使用鉛蓄電池實(shí)物模型，組織學(xué)生觀察并模擬電池充放電過程。通過數(shù)顯儀器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電壓與電流的動(dòng)態(tài)變化，學(xué)生進(jìn)一步分析鉛蓄電池在放電過程中，負(fù)極發(fā)生Pb氧化生成PbS0₄ ，正極則發(fā)生 Pb0₂ 還原生成 PbS0₄ ，并釋放能量；在充電過程中則恰為上述反應(yīng)的逆過程。學(xué)生在數(shù)據(jù)分析中理解了電極反應(yīng)與能量轉(zhuǎn)化的內(nèi)在聯(lián)系，并在討論環(huán)節(jié)中進(jìn)一步思考電池性能衰減的原因，進(jìn)而形成對(duì)可循環(huán)電池環(huán)境價(jià)值的初步認(rèn)識(shí)。

3.第三課時(shí)：氫氧燃料電池創(chuàng)新應(yīng)用

在電解水原理基礎(chǔ)上，學(xué)生動(dòng)手組裝微型氫氧燃料電池，模擬供氫通氧過程，并通過測(cè)量不同催化劑下的輸出電壓與電流，分析能量轉(zhuǎn)換效率。部分小組還嘗試結(jié)合太陽能電池板進(jìn)行制氫，實(shí)現(xiàn)能源自循環(huán)。實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生不僅鍛煉了創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力，更對(duì)燃料電池在清潔能源領(lǐng)域的應(yīng)用前景有了具體而深入的理解。

（二）創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)亮點(diǎn)

該案例的最大亮點(diǎn)在于實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)理念的更新與教學(xué)實(shí)踐的融合創(chuàng)新，體現(xiàn)在情境創(chuàng)設(shè)、技術(shù)融合和綠色理念等多個(gè)方面。

第一，在教學(xué)情境上，教師通過引入生活中常見的手機(jī)電池、汽車電瓶乃至航天器動(dòng)力系統(tǒng)，構(gòu)建出貼近學(xué)生生活、又具技術(shù)含量的階梯式真實(shí)情境。課堂導(dǎo)入環(huán)節(jié)播放新能源汽車廣告視頻，引導(dǎo)學(xué)生思考“如何提升電池續(xù)航能力”，從而自然過渡到電池性能原理的探究任務(wù)。在電極材料展示中，教師將鋅片、碳棒、鋰鈷氧化物等樣本與市售電池結(jié)構(gòu)進(jìn)行直觀對(duì)照，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與現(xiàn)實(shí)技術(shù)之間關(guān)系的認(rèn)知[4]

第二，信息技術(shù)的有效融合，使得傳統(tǒng)定性實(shí)驗(yàn)得以轉(zhuǎn)化為定量化、可視化的科學(xué)探究過程。在鉛蓄電池實(shí)驗(yàn)中，教師引導(dǎo)學(xué)生使用數(shù)據(jù)采集裝置繪制電壓一時(shí)間變化曲線，通過對(duì)曲線斜率的解讀，引申出反應(yīng)速率與電極反應(yīng)的相關(guān)性。同時(shí)借助仿真軟件，展示鋰離子在電池正負(fù)極之間嵌入與脫嵌的過程，使原本抽象的微觀現(xiàn)象變得直觀易懂，極大地提升了學(xué)生對(duì)反應(yīng)機(jī)制的理解力。

第三，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)充分體現(xiàn)了綠色化學(xué)的理念。在裝置設(shè)計(jì)中采用滴管、電極條等微型化材料，既控制了藥品用量，又保障了實(shí)驗(yàn)安全。在電解質(zhì)選擇上，鼓勵(lì)學(xué)生嘗試使用檸檬汁、蘋果汁等日常材料替代傳統(tǒng)強(qiáng)酸溶液，既降低了環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)，也激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)造性思維。燃料電池實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)特別強(qiáng)調(diào)對(duì)催化劑材料的回收再利用，引導(dǎo)學(xué)生在技術(shù)創(chuàng)新中自覺踐行環(huán)保意識(shí)[5]。

三、教學(xué)實(shí)施策略

（一）創(chuàng)設(shè)真實(shí)情境，激活探究動(dòng)機(jī)

“化學(xué)電源”教學(xué)內(nèi)容涉及多個(gè)抽象的電化學(xué)原理，若脫離實(shí)際應(yīng)用，容易造成學(xué)生理解的困難與學(xué)習(xí)興趣的缺失。因此，在教學(xué)實(shí)施中應(yīng)注重情境化導(dǎo)入，構(gòu)建學(xué)生熟悉而富有探究?jī)r(jià)值的真實(shí)場(chǎng)景，以激發(fā)學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)，促進(jìn)深度思維。例如，在教學(xué)導(dǎo)入階段播放神舟飛船發(fā)射視頻，提出“航天器如何保障長(zhǎng)期電力供應(yīng)？”這一開放性問題，引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注能源轉(zhuǎn)換與儲(chǔ)存的科學(xué)原理。又如，通過對(duì)比普通干電池與充電電池的壽命、成本與環(huán)保性能，引發(fā)學(xué)生對(duì)“電池技術(shù)如何影響現(xiàn)代生活”的探究興趣。此外，教師還可以結(jié)合新中國成立70周年焰火晚會(huì)案例，引入“焰色試驗(yàn)與電池放電”的關(guān)聯(lián)，讓學(xué)生思考焰火的色彩變化是否與電化學(xué)反應(yīng)有關(guān)，從而提出一系列層次性問題：“焰色試驗(yàn)屬于什么化學(xué)變化？”“其中的能量是如何轉(zhuǎn)化的？”“若用電池替代傳統(tǒng)引燃方式，如何優(yōu)化電池輸出，使焰火更加絢麗？”這一類多角度、跨情境的任務(wù)鏈，有效拓展了學(xué)生的思維維度，實(shí)現(xiàn)了學(xué)科知識(shí)、技術(shù)應(yīng)用與社會(huì)現(xiàn)實(shí)的深度聯(lián)結(jié)[6]。

（二）融合信息技術(shù)，突破認(rèn)知難點(diǎn)

電化學(xué)知識(shí)常涉及微觀粒子運(yùn)動(dòng)、電荷轉(zhuǎn)移及能量轉(zhuǎn)化等抽象概念，單靠文字與板書難以充分展現(xiàn)其機(jī)制，需借助信息技術(shù)手段提升可視化與可操作性，輔助學(xué)生突破認(rèn)知障礙。首先，通過微觀過程可視化，教師使用分子動(dòng)力學(xué)模擬軟件動(dòng)態(tài)展示鋰離子電池充放電過程，呈現(xiàn) Li⁺ 在電極材料中的遷移路徑，幫助學(xué)生在宏觀電壓變化與微觀反應(yīng)實(shí)質(zhì)之間建立邏輯關(guān)聯(lián)，從而構(gòu)建電極反應(yīng)的微觀模型。其次，借助實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，如Arduino傳感器平臺(tái)，學(xué)生可在鋅錳干電池放電實(shí)驗(yàn)中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電流、電壓衰減趨勢(shì)，并利用圖表軟件將數(shù)據(jù)可視化，分析反應(yīng)速率與電壓穩(wěn)定性之間的函數(shù)關(guān)系。這種數(shù)據(jù)化、動(dòng)態(tài)化手段提升了學(xué)生的數(shù)據(jù)處理能力和模型認(rèn)知能力。此外，利用虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，教師可以讓學(xué)生在虛擬空間“拆解”鉛蓄電池結(jié)構(gòu)，觀察 Pb0₂ 正極板、Pb負(fù)極板及稀硫酸電解液的分布與作用，解決實(shí)物拆解存在的安全風(fēng)險(xiǎn)與操作限制，進(jìn)一步拓展學(xué)生的空間思維與結(jié)構(gòu)理解能力。

（三）創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)方案，培養(yǎng)創(chuàng)新能力

化學(xué)電源相關(guān)實(shí)驗(yàn)不應(yīng)局限于教材提供的經(jīng)典模式，而應(yīng)結(jié)合技術(shù)發(fā)展和學(xué)生實(shí)際，鼓勵(lì)其在已有框架上進(jìn)行方案優(yōu)化與實(shí)驗(yàn)重構(gòu)，從而發(fā)展學(xué)生的工程思維和創(chuàng)新實(shí)踐能力。在裝置設(shè)計(jì)上，教師指導(dǎo)學(xué)生將傳統(tǒng)雙槽燃料電池簡(jiǎn)化為單槽膜電極結(jié)構(gòu)，用注射器控制供氣，用LED燈驗(yàn)證輸出電流，形成微型化創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)裝置，既提升操作安全性，又保留實(shí)驗(yàn)實(shí)效性。在教學(xué)內(nèi)容整合上，設(shè)計(jì)自制太陽能充電寶項(xiàng)目，將物理中的光伏發(fā)電原理、化學(xué)中的電極反應(yīng)知識(shí)與工程中的電路結(jié)構(gòu)連接起來，開展跨學(xué)科項(xiàng)目式實(shí)驗(yàn)。通過這種綜合任務(wù)，學(xué)生不僅提升了知識(shí)遷移能力，也獲得了產(chǎn)品設(shè)計(jì)與工程協(xié)作的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。在資源利用方面，引導(dǎo)學(xué)生通過回收廢舊干電池提取鋅皮制作簡(jiǎn)易原電池，回收其中的 MnO₂ 用作燃料電池催化劑，實(shí)施廢棄物再生實(shí)驗(yàn)，體現(xiàn)循環(huán)經(jīng)濟(jì)理念，激發(fā)學(xué)生的社會(huì)責(zé)任感和創(chuàng)新探索精神。

（四）實(shí)施多元評(píng)價(jià)，促進(jìn)素養(yǎng)發(fā)展

科學(xué)素養(yǎng)的培養(yǎng)不僅需要教學(xué)設(shè)計(jì)的創(chuàng)新，更需科學(xué)有效的評(píng)價(jià)機(jī)制加以引導(dǎo)和反饋。因此，本教學(xué)實(shí)施構(gòu)建了過程性與終結(jié)性評(píng)價(jià)并重、量化與性質(zhì)描述結(jié)合的綜合評(píng)價(jià)體系。首先，在實(shí)驗(yàn)成果表達(dá)上，教師鼓勵(lì)學(xué)生繪制電池工作原理流程圖，將反應(yīng)方程式、能量轉(zhuǎn)換路徑、變量控制節(jié)點(diǎn)標(biāo)注其上，實(shí)現(xiàn)對(duì)知識(shí)的系統(tǒng)整合與可視表達(dá)，提升學(xué)生的模型建構(gòu)與知識(shí)遷移能力。其次，通過設(shè)計(jì)多維評(píng)價(jià)量表，將學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中的表現(xiàn)劃分為方案設(shè)計(jì)、操作規(guī)范、數(shù)據(jù)分析、協(xié)作創(chuàng)新四個(gè)維度，每個(gè)維度設(shè)定具體的4分等級(jí)指標(biāo)，并引入自評(píng)、互評(píng)與教師評(píng)價(jià)相結(jié)合的機(jī)制，增強(qiáng)評(píng)價(jià)的客觀性與發(fā)展性。此外，圍繞化學(xué)電源技術(shù)的社會(huì)影響，教師布置“電池技術(shù)發(fā)展中的倫理權(quán)衡”專題辯論任務(wù)，圍繞如“鋰電池的普及與鈷礦開采的環(huán)境正義問題”“氫能源的前景與制氫路徑的環(huán)境代價(jià)”等議題，引導(dǎo)學(xué)生以科學(xué)視角分析社會(huì)矛盾，提升其批判性思維和公共責(zé)任意識(shí)[7]

四、教學(xué)實(shí)踐反思與改進(jìn)方向

（一）教學(xué)反思

盡管教學(xué)實(shí)踐取得了一定成效，但在推進(jìn)過程中仍面臨一些亟待解決的問題，需在今后的教學(xué)優(yōu)化中持續(xù)改進(jìn)。首先，實(shí)驗(yàn)條件受限，普及難度較大。如燃料電池實(shí)驗(yàn)中所需的貴金屬催化劑價(jià)格高昂，且微型傳感器、數(shù)據(jù)采集設(shè)備等資源有限，制約了大范圍教學(xué)實(shí)施的可能性。其次，課時(shí)限制與探究深度之間存在矛盾。深入的探究活動(dòng)常需多個(gè)課時(shí)完成，而常規(guī)教學(xué)進(jìn)度難以完全容納。第三，評(píng)價(jià)方式尚不夠科學(xué)系統(tǒng)。當(dāng)前關(guān)于創(chuàng)新能力的評(píng)價(jià)仍偏主觀，缺乏統(tǒng)一、明確的量化指標(biāo)。

（二）改進(jìn)建議

為進(jìn)一步優(yōu)化教學(xué)實(shí)踐，本文提出以下教學(xué)改進(jìn)建議。第一，開發(fā)梯度實(shí)驗(yàn)資源包。根據(jù)學(xué)校設(shè)備條件差異，設(shè)計(jì)基礎(chǔ)版、標(biāo)準(zhǔn)版和進(jìn)階版的三級(jí)實(shí)驗(yàn)?zāi)K，實(shí)現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容的分層推進(jìn)與彈性適配。第二，構(gòu)建校際共享平臺(tái)。推動(dòng)區(qū)域內(nèi)實(shí)驗(yàn)器材、教學(xué)資源共建共享，特別是對(duì)貴金屬催化劑、精密傳感器等高價(jià)值實(shí)驗(yàn)資源進(jìn)行集中管理與循環(huán)使用，降低教學(xué)成本。第三，將實(shí)驗(yàn)教學(xué)延伸至課外調(diào)研與社會(huì)行動(dòng)，組織學(xué)生走訪電池生產(chǎn)企業(yè)、回收處理中心，開展“城市廢舊電池回收現(xiàn)狀與對(duì)策”專題調(diào)查，進(jìn)一步強(qiáng)化學(xué)生對(duì)學(xué)科知識(shí)社會(huì)價(jià)值的理解與認(rèn)同[8]。

結(jié)束語

在核心素養(yǎng)導(dǎo)向下，化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)不應(yīng)局限于知識(shí)驗(yàn)證和技能訓(xùn)練，而應(yīng)成為培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)精神、實(shí)踐能力與社會(huì)責(zé)任的重要載體。以化學(xué)電源為主題的實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐表明，通過真實(shí)情境引導(dǎo)、信息技術(shù)融合、綠色理念滲透與創(chuàng)新設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)，能夠有效激發(fā)學(xué)生的探究興趣，拓寬科學(xué)視野，發(fā)展綜合素養(yǎng)。本研究從教學(xué)設(shè)計(jì)到實(shí)施策略，構(gòu)建了以“探究一應(yīng)用一創(chuàng)新”為主線的實(shí)踐路徑，在提升學(xué)生證據(jù)推理與模型認(rèn)知能力的同時(shí)，也實(shí)現(xiàn)了科學(xué)探究與價(jià)值引領(lǐng)的統(tǒng)一。實(shí)踐表明，當(dāng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)不再只是做實(shí)驗(yàn)，而是成為用化學(xué)解決真實(shí)問題的過程時(shí)，學(xué)生才能真正走進(jìn)化學(xué)的本質(zhì)，形成對(duì)科學(xué)的理解與認(rèn)同。未來的化學(xué)教學(xué)應(yīng)繼續(xù)拓展實(shí)驗(yàn)的開放性與實(shí)踐性，強(qiáng)化跨學(xué)科融合與社會(huì)連接，助力學(xué)科核心素養(yǎng)在課堂中真正落地、生根、開花。

參考文獻(xiàn)

[1]黃恭福，鄒海龍.科學(xué)實(shí)踐：“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)”核心素養(yǎng)的意蘊(yùn)[].化學(xué)教學(xué)，2020（10）：3-7，13

[2]裴菲.高中化學(xué)教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)的策略[J].新課程，2022（36）：58-59.

[3]車耀.基于學(xué)科核心素養(yǎng)的高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)策略[J].中國教育學(xué)刊，2023（12）：98.

[4]李守來.基于學(xué)科核心素養(yǎng)的高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的構(gòu)建[J].新課程，2022（42）：52-53.

[5]郝桂林.談基于學(xué)科核心素養(yǎng)的高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的構(gòu)建Ⅲ].學(xué)周刊，2023（12）：93-95.

[6]韋偉華.構(gòu)建高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)探究式教學(xué)模式培養(yǎng)化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)[].新課程（下），2019（5）：162.

[7]鄭麗麗.基于學(xué)科核心素養(yǎng)的高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式構(gòu)建探究[].基礎(chǔ)教育論壇，2024（12）：95-97.

[8]郁俊峰.基于發(fā)展學(xué)科核心素養(yǎng)的高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)策略[J].2024（5）：22-24.