基于培育科学探究素养关键活动与发展路径的教学实践

摘    要：科学探究素养可从实践层面激励学生勇于创新，发展实践探究能力，提升问题解决能力，成为具有社会担当的合格公民。在科学探究素养的培育过程中，设计能引发学生开展探究的真实情境问题是关键，而促进学生对知识进行迁移整合、训练学生的高阶思维、使学生形成科学思维方法是根本。教师可从问题生成、开展探究、证据推理、合作交流出发，建构培育科学探究素养关键活动与发展路径的模型。具体教学中，教师可参照模型，创设情境问题以推动概念理解，开展科学探究以引导获取证据，训练高阶思维以优化认知模型，落实科学探究素养的培育。

关键词：科学探究素养；关键活动；发展路径；高中化学

对科学探究素养，《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》（以下简称“《课程标准》”）指出，要“能发现和提出有探究价值的问题；能从问题和假设出发，依据探究目的，设计探究方案，运用化学实验、调查等方法进行实验探究”，并且它可“从实践层面激励学生勇于创新”。因此，培育科学探究素养，可引导学生在密切联系生活实际中，发展实践探究能力，提升问题解决能力，成为具有社会担当的合格公民。但当前，由于教学内容多、时间紧，对学生思维要求高，学生存在个体差异，部分学生的参与度不够、实验动手能力不强等现实问题，导致课堂上的科学探究活动流于形式，难以使学生的科学探究素养得到发展。为解决此问题，笔者经长期实践，探索出了一条有效的路径。下面，笔者先谈谈如何建构培育科学探究素养关键活动与发展路径的模型，再以人教版普通高中教科书《化学》必修第二册第六章第一节中的“化学反应与电能”教学为例，给出具体的操作方法，期望能给一线教师以参考。

一、建构培育科学探究素养关键活动与发展路径的模型

科学探究学习是发展学生科学探究素养的重要路径，是学生逐步增进科学知识理解的过程，也是知识迁移与创新能力发展的过程［1］。在科学探究素养的培育过程中，设计能引发学生开展探究的真实情境问题是关键，而促进学生对知识进行迁移整合、训练学生的高阶思维、使学生形成科学思维方法是根本。由于物理学科与化学学科在科学探究中具有相似性，因此，笔者借鉴《普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）》对科学探究活动和科学探究素养的论述，并将其整合进高中化学教学，从问题生成、开展探究、证据推理、合作交流出发，建构培育科学探究素养关键活动与发展路径的模型（如图1所示）。

问题生成是培育科学探究素养的前提，指引导学生在真实情境场域中，通过观察、分析、讨论、猜想，展现概念理解，发现和提出有探究价值的问题；开展探究是培育科学探究素养的基础，指引领学生从问题的假设出发，作出猜想，设计探究方案，再动手实验，并通过科学推理等思维方法获取证据；证据推理是培育科学探究素养的保障，指组织学生开展分析、综合、比较、归纳等高阶思维训练的合作交流活动，进而开展建模、分析、表达、洞见等证据推理，深化概念理解，形成解决真实问题的认知模型。在此基础上，将科学探究过程获得的模型认知进行实践应用，解决问题，训练高阶思维，形成结构化认识，进一步发展科学态度与社会责任，是学生科学探究素养得到发展的标志。需要说明的是，合作交流不单独存在，而是融入其他三个关键活动之中。

二、教材内容、学情解析及教学目标制订

（一）教材内容解析

在“化学反应与热能”的基础上，“化学反应与电能”进一步介绍化学能的另一种转化形式——电能，主要内容包括化学能转化为电能的途径、原电池的构成、原理、常见化学电池四个部分，涉及氧化还原反应、物质的性质、电解质溶液和物理学中的电学等相关知识。该节内容能为后续学习双池原电池和电解池打下基础，并为认识新型电池和设计电池提供一般模型。另外，该节介绍了“发展中的燃料电池”“电池研发人员”等内容，并要求学生调查了解车用能源及不同类型电池的性能、构成、特点、应用范围及发展历史，彰显了化学学科的价值与社会责任。

（二）学情解析

学生已经对金属活动性顺序、氧化还原反应、离子反应及化学反应能量变化等知识有一定的了解，知道锌与稀硫酸的置换反应是放热反应，初步具备从微观角度对宏观现象进行解释的能力，也具备一定的实验操作能力、实验分析能力、实验设计能力和实验探究意识。但“原电池”是全新的概念，学生在旧知（氧化还原）和新知（原电池）的过渡和模型建构上存在一定的困难，如总认为氧化剂与还原剂是直接接触反应的。同时，学生分析问题的思维不够深入，如总认为原电池的负极一定要与电解质溶液反应。此外，学生还缺乏对实验探究过程的细致了解，探究方法也不熟练，通过自主探究深入学习的能力还有待提高，缺乏解决实际问题的能力。

（三）教学目标制订

根据《课程标准》对“原电池”教学的内容与学业要求以及上述分析，笔者制订了如下教学目标。

（1）通过实验探究，理解原电池的工作原理，掌握原电池的电极反应以及电子、离子的移动方向；建构原电池认知模型，并能运用和优化模型解决一些实际问题。

（2）能够根据给定材料，设计探究原电池形成条件的实验方案并实施，归纳出原电池的构成要素，并能判断原电池，根据氧化还原反应设计简单原电池。

（3）通过系列实验探究活动，培养学生的实验观察能力、设计能力、操作能力和严谨的科学态度，引导学生形成科学的探究思路，掌握科学的探究方法。

（4）感受化学能转化为电能的社会价值和重要意义，激发科学探究热情。

三、基于培育科学探究素养关键活动与发展路径的教学实践

“化学反应与电能”这节课需要着眼于原电池思维模型的建构，从Zn－Cu－稀H2SO4原电池的原理出发，通过“简易电池的设计与制作”实验活动和习题训练，引导学生分析原电池各要素的功能及相互关系，初步建构出原电池的思维模型，帮助学生形成对化学能转化为电能的模型化理解。因此，为达成上述教学目标、落实科学探究素养的培育，笔者以图1为依据，进行了如下实践。

（一）创设情境问题，推动概念理解

素养发展建立在知识生长的基础上，离开具体知识的学习，素养发展将失去生成的可能性。问题生成与问题解决是科学探究素养的关键要素之一，是课堂开展科学探究活动的起点与终点。问题生成的质量直接决定学生在课堂上的表现（展现已有概念认识、深化概念理解、形成概念结构化认识与模型认知水平），影响学生高阶思维训练的程度以及问题解决的质量。因此，教师要创设真实的情境问题，给予学生观察、分析、讨论以及进行猜想和假设的时空，让学生能够整合自己已有的认知。由此，教师能够发现学生已有认知中存在的误解，并在接下来的科学探究活动中有针对性地指导学生修正已有认知，形成结构化的认识。

为引导学生生成高质量的问题，笔者以现实生活中传统燃油车和新能源电动车的动力源问题为真实情境，激发学生的学习兴趣和探索热情，使学生在结合已有概念认识进行探究的过程中，发现并提出有探究价值的问题。

［思考与讨论1］汽车不仅是重要的交通运输工具，也是较为普遍的代步工具。传统汽车是以燃烧燃料为动力源的，请说出这类车的能量转化形式，以及这类车的使用会带来哪些主要问题。若以氢气、甲烷等较洁净的能源为燃料，这类汽车的优点是什么？还存在哪些问题？

（学生回答略）

［过渡］随着地球环境的不断恶化，世界各国开始意识到节能减排的重要性，新能源汽车便是在这样的大趋势下发展起来的，我国的电动车产业也取得了惊人的发展。（PPT展示国产新能源电动车，提问）电动车的动力源是什么？你知道电池的能量转化形式吗？

生：电动车的动力源是电池。电池内部发生化学反应，将化学能转化为电能。

设计意图：通过分析汽油燃烧带来的环境污染问题以及氢气、甲烷作为燃料的局限性，引出开发电动汽车的必要性，并从课程价值观和社会价值的视角，引导学生认识到化学能转化为电能的可能性与必要性。

［思考与讨论2］电流的实质是什么？我们学过哪些类型的化学反应？哪类化学反应可以把化学能直接转化为电能？

生：要产生电能，需要有电流产生，而电流的实质是电子的定向移动。我们学过的反应中，氧化还原反应具有这一特征，电子从还原剂转移至氧化剂。

设计意图：让学生认识到自发进行的氧化还原反应是原电池形成的前提条件，为他们探究原电池的原理提供方法指导，促使他们对化学能直接转化成电能的装置进行研究，并为下一步实验探究活动的开展作准备，促进他们认知的发展。任务开展以小组交流与讨论的方式进行，凸显个体争鸣、小组合作的智慧，培养合作探究意识。

（二）开展科学探究，引导获取证据

开展科学探究活动的目的不只是解决问题，更重要的是发展学生的科学探究素养，因此需要经过实证推理，重视实验在化学教学中的重要地位。在课堂中开展实验探究活动，不仅能调动学生的学习积极性和主动性、训练实验基本技能，还能帮助学生形成化学实验探究的一般思路与方法。笔者结合学生的认知发展特点，精心设计了三个实验任务，以此引领对原电池原理和构成要素等的实验探究活动。在此过程中，笔者引导学生围绕实验目的分析实验原理，设计实验方案，动手完成实验，提供事实证据，并基于实验事实得出结论，从而增进对科学探究的理解，发展科学探究、创新意识、证据推理等素养［2］。

笔者先以Zn－Cu－稀H2SO4原电池为例，指导学生进行实验，观察现象，思考相关问题，探究原电池中的电是怎样产生的。

【学习任务一】原电池原理解析

［学生实验1］将锌片与铜片不接触插入稀H2SO4中，观察锌片与铜片表面的现象。

［思考与讨论1］锌片表面产生的气泡是什么气体？为何铜片表面没有气泡？

生：从金属活动性顺序考虑，锌片表面产生的是氢气，而铜不能与稀H2SO4反应。

［学生实验2］再将锌片与铜片接触，观察锌片与铜片表面的现象。

［思考与讨论2］铜片表面也产生气泡，产生的是什么气体？它是怎样产生的？电子从哪里来？怎样通过实验证明？

生：从氧化还原反应的电子得失角度分析，可得出铜片表面产生的也是氢气，是锌片失去电子转移到与之接触的铜片上，溶液中的氢离子在铜片上得到电子生成的。这可通过在锌片与铜片间用导线串联上一个电流表加以验证。

［任务］分别写出锌片与铜片表面发生的电极反应式，并从氧化还原反应角度分析它们分别发生了什么反应。

（学生回答略）

师（小结）：上述实验和分析表明，通过特定的装置使氧化反应与还原反应分别在两个不同的区域进行，并使反应中转移的电子通过导体发生定向移动形成电流，可实现化学能向电能转化。这种把化学能转化为电能的装置叫作原电池，其中电子流出的一极是负极（如锌片），电子流入的一极是正极（如铜片）。

［思考与讨论3］外电路中电子从负极经过金属导线移向正极，那么，内电路稀硫酸溶液中依靠什么微粒移动形成闭合回路？请分析该微粒的运动情况。

生：电解质溶液中有阴、阳离子，它导电的原因是阴、阳离子的定向移动。氢离子向正极移动，得电子生成氢气，锌离子从负极溶出慢慢移向正极，负极的正电荷增多，溶液中的阴离子如硫酸根离子向负极移动去平衡电荷。

［实验演示］在用稀H2SO4湿润过的滤纸上放少量高锰酸钾固体，两边压上用导线相连的铜片与锌片，可观察到紫色斑点向锌片方向移动。

设计意图：通过分析铜片上氢气产生的由来，让学生理解原电池中氧化反应与还原反应在两个不同区域进行；通过电流表指针的偏转方向，可以判断原电池的正、负极；在电极反应式的书写中，理解氧化还原反应与电极反应的关系；通过设计递进式实验，引导学生根据实验现象收集证据，进行科学推理，从宏观到微观，从现象到本质，解析原电池放电的原理，有效解决所生成的问题，发展宏微结合、变化守恒和证据推理等素养。