基于發展學生學科核心素養的有機高分子單元教學設計

葉依叢 邵傳強

關鍵詞：學科核心素養;單元教學設計;有機高分子;防病毒口罩濾芯材料

單元教學設計是指形成單元主題并圍繞單元主題對教學目標、單元教學過程進行籌劃的過程性設計。它既注重課時目標的分解落實，更著眼于分階段促進學生學科知識體系、學科核心觀念的系統性建構，是落實學科核心素養的基本單位。單元教學設計的支點是構建契合單元目標的教學主題，開展跨課時的主題式教學。主題式教學以真實情境為載體，從中挖掘有教育價值的材料和議題，將學科知識的獲得蘊藏于主題情境下的問題解決中，實現知識網絡的自主建構以及學科核心素養的發展。

在抗擊新冠病毒過程中，化學技術是一種不可替代的力量，公民主動或被動地接受著化學科普教育，這為教與學提供了真實情境，將抗疫這一社會性議題引入教學，以基于主題的單元教學形式將相關教學目標落到實處。口罩是重要的抗疫物資，通過媒體宣傳，學生對其材料、性能已經有了初步認識。本文結合化學學科特點與育人價值，確立以“防病毒口罩濾芯材料的設計與發展”為主題進行有機高分子單元教學的設計。

1教學價值分析

該主題承載化學核心知識。構成防病毒口罩的主要材料為高分子化合物，通過探索口罩防護功能的微觀原理，從宏微結合的視角認識高分子化合物的組成、結構與性質的關聯;通過探尋并優化口罩濾芯材料的結構，建立單體與聚合物結構之間的關系，認識聚合反應的特點。該主題將高分子化合物的組成、結構、合成與優化等知識包含其中，并通過一定的邏輯關系串聯起來，為實現知識有意義的建構提供了極佳場景。

該主題蘊含化學學科思想方法。根據學生的認知程序，教學圍繞“病毒的宏觀特性-口罩材料所需具備的功能-材料的微觀結構特征”的設計思路展開，為學生形成學科核心思想方法搭建適切的平臺。既深化了有機化學“結構-性質-用途”的認識視角，又滲透了“產品功能-材料性質-材料結構-選擇材料”的化工產品設計思路。引導學生學會用化學的視角認識和理解客觀世界，用化學知識和方法解決生活生產中的問題。

該主題體現了綠色化學的價值觀念。評估防病毒口罩在生產和使用過程中對環境和資源的影響，引導學生從環境保護和可持續發展的角度對口罩濾芯材料的改進提出創造性建議，并用已有的科研成果進行佐證。這有助于學生將知識與自然、社會相關聯，樹立“綠色化學”思想，形成“化學-技術-環境-社會”和諧共生的價值觀念。

2教學目標確立

“有機高分子化合物”的教學內容位于《有機化學基礎》最后一章，此前學生已學習了課程標準要求的有機化學基礎知識。2017年版《普通高中化學課程標準》將“聚合物的結構特點”和“合成高分子”作為核心概念，并對其提出內容要求：了解聚合物的組成與結構特點;認識單體和單體單元（鏈節）及其與聚合物結構的關系;了解加聚反應和縮聚反應的特點;認識合成纖維的組成和結構特點;了解新型高分子材料的優異性能及其在高新技術領域中的作用。

基于課標要求、學生已有認識水平和高分子材料在抗擊病毒戰役中的重要價值，結合主題教學具體內容內在的邏輯關系，關聯學生已有的知識水平與認知能力，確立本單元的教學目標、課時內容及課時目標如表1所示。

3單元設計構思

圍繞“防病毒口罩濾芯材料的設計與發展”主題，明確與教學目標相關的核心知識，將知識融合在真實情境中，充分挖掘核心知識的素養發展功能，設計一系列挑戰性任務，展開探究活動。

通過課內師生共同探討與課外學生自主探究相結合，在解決問題的過程中逐步掌握核心知識，豐富有機高分子的認識方式，提升解決問題的關鍵能力，樹立綠色化學的價值觀念。單元教學設計的整體構思如圖1所示。

4課時活動設計

4.1第1課時——防病毒口罩濾芯材料的特點及合成

教學環節一：基于防護功能，選擇防病毒口罩濾芯材料

[信息1]播放有關新型冠狀病毒的宣傳片。顆粒大小：100nm左右;傳播途徑：以呼吸道飛沫傳播為主。

[信息2]展示三種不同材質口罩的相關信息，如表2所示。

[任務設計]結合病毒顆粒大小和傳播方式，從防護的角度選擇最適合阻擋新型冠狀病毒的濾芯材質，并進行說明論證。

[學生活動]討論并交流，從病毒顆粒直徑大小、病毒傳播途徑、佩戴者舒適感等多角度選擇合適的濾芯材料。

[評價設計]通過對濾芯材料的選擇和說明論證，診斷并發展學生將物質性質與用途關聯的能力水平（單一角度、多角度）以及信息篩選、證據推理與論證的能力。

設計意圖：以“防病毒口罩濾芯材料的選擇”為任務，將病毒的顆粒大小、傳播方式與濾芯材料的化學組成、結構和性質一一關聯，滲透化工產品生產中“產品功能一材料性質一材料結構一材料選擇”的設計思路。提供三種常見口罩供學生選擇：一是提供給學生解讀信息，進行論證和表達的機會，培養學生證據搜集與推理能力;二是引導學生認識并不是所有口罩都能夠防病毒，指導其在生活中能基于需求、根據原理做出正確的選擇。

教學環節二：基于實物的材質，認識聚丙烯的結構與性質

[信息]提供聚丙烯材質口罩實物、口罩濾芯材料顯微照片（見圖2）、聚丙烯的球棍模型照片（見圖3）。

[任務設計]根據信息，歸納概括聚丙烯分子的結構特點，初步認識高分子化合物。

[評價設計]評價并發展學生宏微結合、概括關聯的能力。

[任務設計]結合實物了解防病毒口罩每一層的防護作用以及與之對應的高分子材料的結構特征和物理、化學性質。

[學生活動]見圖4。

[評價設計]通過對口罩每一層材料的用途、結構、性質的關聯，診斷并發展學生認識有機高分子化合物的水平（基于經驗水平、結構水平）。

設計意圖：通過“探秘口罩”，引導學生認識每一層防病毒口罩材料的用途、制作原理以及與聚丙烯相關的性質，緊緊圍繞“結構決定性質，性質決定用途”的認識思路，突出對有機物結構特征的分析。

教學環節三：基于分子結構，歸納加聚反應的特征

[任務設計]對比丙烯和聚丙烯分子的結構特點，從官能團和化學鍵角度分析推測合成聚丙烯的過程，概括加聚反應的特點。

[學生活動]見圖5。

[評價設計]診斷并發展學生對有機分子向高分子化合物轉化的認識進階（物質類別角度、官能團角度、化學鍵角度）。

設計意圖：引導學生由宏觀的物質角度到中觀的官能團角度再到微觀的化學鍵角度認識加聚反應，促進認識水平的進階。

教學環節四：基于綠色化學，認識聚丙烯的來源與去向

[信息1]以新聞的形式展示中石化官方微博內容：“我有熔噴布，誰有口罩機”。

[信息2]以圖片的形式展示白色污染對環境造成的影響。

[任務設計]設計從石油到聚丙烯的合成路線，通過聚丙烯的合成和降解過程，評價其對資源和環境的影響。

[評價設計]從思考、討論和評價的過程中診斷并發展學生是否具備主動關心與環境保護、資源開發等有關的社會熱點問題的意識。

設計意圖：通過設計“從石油原料到化工產品聚丙烯”的合成過程，形成“有機高分子合成路線”的基本設計思路，并在選擇與使用材料時，樹立與環境和諧共處、合理利用自然資源的觀念。

[課外作業]制作一份與“防病毒口罩”相關的宣傳海報，向人們宣傳疫情期間佩戴口罩的必要性、口罩選擇的依據以及如何科學處理使用過的口罩。

4.2第2課時——防病毒口罩濾芯材料的改進與發展

教學環節五：基于可降解性，改進防病毒口罩的濾芯材料

[任務設計]結合有機化學知識，優化高分子結構，實現防病毒口罩濾芯材料可降解的目標。

[學生活動]見圖6。

[評價設計]從改進口罩濾芯材料的任務人手，診斷并發展學生能從有機化合物的組成、結構、性質和轉化等多個角度分析解決問題，并發展學生的創新意識。

設計意圖：以酯化反應為新知識的生長點，倡導學生通過合作、討論等方式，利用分析、推理等思維活動，完成“設計可降解口罩濾芯材料”的任務。在體驗中獲得新知，在解決問題中增強主動性和創新性。

教學環節六：基于科研成果，分析可降解防病毒口罩濾芯材料

[信息1]呈現科研論文《防霧霾納米濾芯及其口罩的開發與生產》（節選）——聚丁二酸丁二酯為濾芯材料。

[任務設計1]閱讀文獻，尋找證據說明論證聚丁二酸丁二酯作為防病毒口罩濾芯材料的優點。

[評價設計1]從學生認識有機物的角度和對結構一性質一用途之問的關聯性論證，診斷并發展學生信息篩選能力以及認識物質的水平（孤立水平、系統水平）。

[任務設計2]以石油為原料，設計合成聚丁二酸丁[學生活動]見圖7。

[評價設計2]通過合成路線設計活動，診斷并發展學生對有機物轉化的認識水平（基于物質、反應、官能團）。

設計意圖：通過合成方案的設計、評價、優化及文獻佐證，提高學生的自我效能感。引導學生進一步體悟宏觀和微觀相結合解決實際問題的視角。

教學環節七：基于綠色化學，展望防病毒口罩濾芯材料的發展前景

[信息1]“玉米塑料”在自然環境中的循環示意圖，如圖8所示。

[任務設計]寫出乳酸合成聚乳酸的化學方程式，根據循環圖和已有知識，論證聚乳酸作為未來口罩濾芯材料所具備的優勢。

[學生活動]交流討論，發表觀點。師生共同歸納總結，得出聚乳酸材料的優勢：（1）聚乳酸結構決定了其適合制作成細長的纖維，能形成孔徑較小的濾芯材料;（2）聚乳酸吸水性差;（3）聚乳酸來源于非石油資源，可再生;（4）聚乳酸可以生物降解，降解物可循環利用，廢棄物對環境沖擊小;（5）……

[評價設計]通過對該議題的討論，診斷并發展學生對化學價值的認識水平（學科價值視角、社會價值視角、學科和社會價值視角）。

設計意圖：以聚乳酸為話題，引導學生從結構特點、來源和去向等多角度分析其作為未來口罩濾芯材料所具備的優勢，引導學生認同化工應用中的綠色化學思想，主動關心與環境保護、資源開發等有關的社會熱點問題，形成與環境和諧共處、合理利用資源的觀念。

教學環節八：基于核心素養，建構思維模型

[任務設計]梳理防病毒口罩濾芯材料的設計與發展路徑，建構有機高分子認知模型，如圖9所示;凝練化工產品設計模型，如圖10所示。

設計意圖：將核心知識和認識思路結構化，凝練研究有機物的關鍵角度和思路，發展學生認識有機物的關鍵能力——滿足個人發展需求。將知識結構進一步整合，挖掘該知識結構框架中蘊含的物質轉化的意義與價值，關注物質轉化對環境和資源的影響，有助于學生形成利用化學知識改造世界所秉持的價值觀念和必備品格——滿足社會發展需求。

[課外作業]查閱資料，選擇一種能進行空氣過濾的高分子材料，從結構、性質、轉化等角度分析和論證其優勢，制作成ppt，與同學分享。

5教學實踐反思

該主題的單元教學體現了真情境、真體驗、真探究、真分享。首先，疫情背景下，選擇“口罩”這一重要的抗疫物資為情境貫穿教學始終，學生對學習充滿了期待。其次，在課堂教學中充分調動學生的感官系統，初識口罩濾芯材料階段，學生剪開口罩，通過看、摸、聞、撕等活動，體驗口罩三層材料的區別（孔徑大小、纖維粗細等）。其三，以“結構-性質-用途”的核心思路引導學生有序地認識和改進材料：如從環保角度要求口罩材料須可降解，引導學生從官能團角度思考“需要引入何種官能團以及如何引入該官能團”等問題，學生結合已有知識創造性地提出用聚酯代替聚丙烯作為口罩濾芯材料，實現了認識水平的跨越。最后，在實踐分享階段，大多數學生都能從“外觀直覺、微觀結構、理化性質、材料來源、廢棄處理”等角度介紹新型口罩濾芯材料，較好地達成了教學目標，實現了學科方法建構和學科價值引領。通過反思該教學實踐以及修改完善整個過程，闡述幾點教學策略。

（1）創造體驗機會，鏈接生活與科學。課堂教學中應給予學生體驗的機會，眼、耳、鼻、觸等多感官刺激將有效驅動學生思考宏觀現象背后的微觀原理，鏈接生活世界與科學世界，同時也培養了學生用“化學眼光”洞察生活的能力。

（2）落實實踐活動，促進學習方式轉變。倡導開展課外實踐活動，如“查找新型口罩濾芯材料”并進行交流展示。教師通過學生的表現，評估其是否構建起認識高分子材料的視角和思路，并從素養發展的角度進行指導;學生在分享交流過程中，拓展了視野，搭建了基礎知識與科技前沿之間的橋梁。將學習從課內延伸到課外，拓展了學習的時間和空間，促進了學習方式的轉變。

（3）堅持STSE理念，滲透社會責任感培育。教師進行教學設計時，要敏銳地捕捉蘊含化學學科知識、與生活相關的社會問題，將科學知識和技術合理還原到真實情境中組織教學;在教學實施的過程中，以STSE理念統攝并推進課堂，引導學生在發現問題、分析問題、解決問題的過程中樹立人與社會、自然和諧共處的價值理念。