“碳” 索未來

童潔　謝鴻雁

摘要：以學科大概念指導的高三化學反應原理大單元教學，是新課程改革理念的體現，也是新高考評價體系的要求。經過教學實踐研究，建構高中化學大概念統領下的單元主題教學設計策略：依據課程標準確定大概念，根據核心概念以及相關的基本概念明確單元教學目標，細化項目任務，設計教學內容與學習形式。

關鍵詞：大概念 ? 化學反應原理 ? 單元教學

一、案例設計背景

《普通高中化學課程標準》（2017版，以下簡稱“課程標準”）中提及要“進一步精選學科內容，重視以學科大概念為核心，使課程內容結構化，以主題為引領，使課程內容情境化，促進學科核心素養的落實”。[1]所以將大概念作為理論核心指導教師設計教學活動是非常有必要的。

化學反應原理模塊是高考評價中學生的必備重點知識，“變化觀念和平衡思想”是化學學科核心素養的思維核心，通過該模塊的學習學生能逐步形成并完善這一素養，樹立學習和研究化學的志向。理論性較強是該模塊的特點，學生在學習該模塊的基本概念、基本原理時，更需要對隱含在基本概念、原理中的學科思想和方法進行深度學習，也就是用專家的思維方式去學習概念。劉徽教授指出，大概念即反映學科專家思維方式的概念、觀念和結論。[2]因此我們以學科大概念為指導，進行化學反應原理的單元主題教學。

在全球氣候急劇變化的背景下，處理大氣中過多的CO2已成為一個亟待解決的問題。以“碳中和”為背景，可以在真實問題情境中考查化學反應原理模塊核心知識、關鍵能力，體現育人目標及學科核心素養。因此，我們設計基于大概念指導的“碳中和”背景下的化學反應原理單元復習，解決高三復習課時緊、任務重、知識瑣碎、學習枯燥等一系列問題，在學生運用知識解決問題的同時提升學科能力，落實核心素養。

二、案例設計策略

（一）概念網絡構建

首先依據課程標準、知識內容構建化學反應原理單元概念網絡。

（二）單元教學目標

在大概念統領下，依據概念網絡圖中的核心概念和基本概念，設計以下單元教學目標。

1.通過課前完成預習案，總結CO2及其他含碳物質的微觀結構特征，熟練掌握物質在“位、構、性”中的相互關系，并能用于解釋某些化學反應現象。

2.通過構建消除大氣中CO2路徑價——類圖，理解氧化還原反應原理，并學會從價態和類別的視角設計反應原理、判斷反應能否發生，感受國家科學技術的蓬勃發展，提升民族自豪感。

3.通過“碳中和”反應焓變的計算以及反應方向的判斷，學會用微觀視角解釋化學反應的宏觀表象，如吸熱反應與放熱反應等。

4.利用查閱資料的方式擴大知識的認知范圍，學會查閱文獻資料、搜集網絡資源等，提高獲取信息的能力，學會處理信息。

5.通過書寫電催化二氧化碳還原的電極反應式，掌握電化學原理，并能利用電化學原理分析“碳中和”路徑的可行性，了解工業生產條件的影響因素，用嚴謹的科學態度面對生產生活中的問題。

6.通過重整反應歷程的判斷，知道活化能與反應歷程的關系，學會選擇催化劑，感受化學世界的豐富多彩。

7.通過“碳中和”反應的轉化率、平衡常數的計算，了解化學反應調控對工業生產的重要作用，體驗科學探索之路的艱辛。

（三）項目任務劃分

依據本單元的學科大概念和單元教學目標，我們將化學反應原理單元劃分為三個學習項目——物質變化、能量變化、反應調控。

（四）教學設計及實施

【情境】2022年9月1日太原能源低碳發展論壇在晉陽湖國際會議中心開幕。論壇的主題是“能源、雙碳、發展”，雙碳指的是“碳達峰、碳中和”。碳達峰簡單來說，就是二氧化碳達到峰值，是指我國承諾2030年前，二氧化碳的排放不再增長，達到峰值之后逐步降低。碳中和是指企業或其他組織測算出在一定時間內直接或間接產生的溫室氣體排放總量，然后通過節能減排、植物造樹造林等方式，抵消自身產生的二氧化碳排放量，從而實現二氧化碳“零排放”。就是產生了多少“碳”量，就要通過某些方式來削減或者消除這些“碳”量對環境的影響，實現自身“零排放”。[3]簡單來說，碳中和就是要消除排放到大氣中的CO2。

項目一：“碳中和”反應中的物質變化

【任務】CO2的結構與性質→構建消除大氣中CO2路徑的價類二維圖。

【學生活動】課前完成預習案→課上學生點評→判斷物質中碳元素化合價→構建消除大氣中CO2路徑的價類二維→選擇轉化劑、轉化路徑，書寫化學方程式→根據化學方程式，從生活生產圖示中找出CO2用途。

【設計意圖】構建“位——構——型”的相互關系，體現“結構決定性質，性質決定用途”的化學思維，為項目二“碳中和”反應中的能量變化、項目三“碳中和”反應調控的學習做鋪墊。

項目二：“碳中和”反應中的能量變化

2.1化學反應與熱能

【情境】CO2的轉化路徑有兩個核心反應，一個是重整反應，一個是加氫制甲醇。重整反應的可以將兩種主要的溫室氣體（甲烷和二氧化碳）直接轉化成合成氣，兼具環境效益和經濟效益，近年來重整反應的研究取得新進展。[4]

【任務】計算焓變→判斷反應的自發性

【學生活動】概念辨析→計算重整反映?H→建立?H計算模型→利用?H、?S判斷重整反映自發性→分析情境文獻圖示中重整反映歷程圖→應用模型

【設計意圖】建構模型?H計算模型，解決高考題目中?H計算、熱化學方程式書寫的問題。

2.2化學反應與電能

【情境】中國化學會網站介紹了CO2電化學轉化的可行性和研究新進展。

【任務】認識電催化還原二氧化碳→構建電化學認識模型

【學生活動】分析文獻圖示中電催化還原的產物及反應歷程→分析裝置、書寫電極反應式→建構電化學認識模型→應用模型

【設計意圖】結構電化學認識模型，利用模型解決高考題目中電化學相關的題目。

項目三：“碳中和”反應調控

【情境】習近平總書記在二十大報告中提到“推動綠色發展，促進人與自然和諧共生，積極穩妥推進碳達峰、碳中和”。繼續深度研究“碳中和”反應。

3.1化學反應速率

【任務】分析反應歷程→選擇合適催化劑。

【學生活動】知識梳理、構建化學反應速率認識模型→分析重整反應的反應歷程→選擇重整反應的催化劑→構建催化劑性質模型→應用模型。

【設計意圖】構建化學反應速率認識模型，利用模型解決高考題目中能壘、反應歷程、控速步驟判斷等相關題目。

3.2化學平衡

【任務】CH4—CO2重整反應調控→CO2催化加氫制甲醇反應調控。

【學生活動】知識梳理、構建化學平衡結構模型→分析提高甲烷轉化率的方法→尋找甲烷轉化率曲線→催化劑的使用→判斷轉化率變化的特定條件→分析條件對平衡的影響→計算Kp。

【設計意圖】建立化學平衡結構模型，解決高考題目中化學平衡移動的相關題目。

【單元小結】構建化學反應原理大單元知識框架圖，將化學反應原理模塊知識形成知識網絡，解決了“碳中和”反應能不能發生、反應速率快不快、產率高不高的問題，樹立節能減排、低碳環保的意識。

三、案例反思

在實際教學過程中，利用“碳中和”情境，將化學反應原理模塊知識用學科大概念進行整合，學生在復習的過程中運用所學知識解決實際問題的能力有所提升，素養目標得以實現。同時在教學中，運用先進的教育理念指導教學，重新建構化學教學設計的思路，不僅豐富了教學形式和內容，教師的教學理論水平也得到提升。經驗實踐研究，發現在大單元教學中教學設計一定要符合學生學情，符合學生認知規律，只有這樣的教學設計，才能更好地引導學生，發揮學生的主觀能動性。

參考文獻：

[1]中華人民共和國教育部.普通高中化學課程標準（2017年版 2020 年修訂）[S].北京：人民教育出版社，2020.

[2]劉徽.大概念教學.素養導向的單元整體教學設計[M].浙江教育出版社，2022，88.

[3]國家電力投資集團有限公司，中國國際經濟交流中心.中國碳達峰碳中和進展報告（2021）.

[4]付彧，孫予罕. CH4-CO2重整技術的挑戰與展望[J]. 中國科學：化學，2020，50（7）：16.

作者簡介：童潔，女，漢族，1984年生，山西太原人，太原市晉源區實驗中學校高中化學教師，中小學一級教師，太原市謝鴻雁高中化學提高與示范工作站學員，近期在謝鴻雁導師指導下進行大概念理念統領的單元教學研究與實踐及項目式教學研究與實踐。