基于化學學科大概念的單元整體教學設計

劉臣　何彩霞

摘要： 以學科大概念為抓手開展單元教學是學科核心素養落地的重要途徑。以化學選擇性必修1中的“化學反應與電能”為載體，以“化學反應與能量”大概念為統領，闡述了

構建電化學知識的結構、形成認識電化學的思路方法以及結合學生能力發展的單元教學與實踐的相關策略。

關鍵詞： 中學化學； 大概念； 單元整體教學； 化學反應與電能

文章編號： 10056629（2023）11003406 中圖分類號： G633.8 文獻標識碼： B

《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱化學新課標）基于學科本質凝練了化學學科核心素養，構建了以大概念為統領的課程主題和模塊，強調“以學科大概念為核心”“有目的、有計劃地進行認識思路和核心觀念的結構化設計”，以促進學科核心素養的落實［1］。“單元”是指基于學科核心素養、學生認知規律和學生知識邏輯體系建構的基本教學單位，是依據課程標準分解所形成的大概念來確定的。“單元教學”是落實核心素養的重要途徑之一［2］，需要“結合學生的已有經驗，對學段、模塊或主題、單元和課時教學目標進行整體規劃和設計”［3］。

作為重要的化學概念原理知識，“化學反應與電能”是對氧化還原反應、化學反應中的能量變化、水溶液、離子反應、金屬活動性順序等知識的綜合運用，有助于學生了解化學能與電能相互轉化所遵循的基本原理和規律，認識化學能與電能相互轉化的實際意義和重要作用，是培養學生對于學科知識綜合理解和應用的很好的切入點［4］。

依據以學科大概念為統領促進學生知識理解、思維發展和能力培養同步協調統一的化學教學主張［5］，現以“化學反應與能量”學科大概念為引領，

針對選擇性必修1中的“化學反應與電能”單元教學展開深入探討。

1 大概念統攝下單元知識分析

大概念是指反映學科本質，具有抽象性、概括性、統攝性和廣泛遷移價值的學科觀念、思想和方法等［6］。

單元教學的構建，依賴于教師對學科知識本質的把握，以及依此形成的對學生知識理解、思維發展和能力培養的期待及系統考慮。聚焦學科本質，分析和挖掘具體知識背后更為本質的思想方法（大概念），并以大概念來統整相關內容，將具體知識內容與大概念建立關聯或對接，為單元教學指引方向，就成為系統分析和構建單元教學的關鍵所在［7］。

“化學反應與電能”屬于選擇性必修1課程“主題1化學反應與能量”下的重要內容。從學科角度看，一定條件下物質發生化學反應生成新物質，伴隨著能量變化，可以實現化學能與其他形式能量的轉化，這是有關“化學反應與能量”的學科大概念。

以此為視角分析“化學反應與電能”單元知識，其意義體現在多個方面。首先，能夠豐富學生的認識角度和認識內容，形成對“化學能與電能相互轉化”的認識，即化學能與電能的相互轉化需要通過氧化還原反應、借助一定的裝置才能實現；其次，將化學反應與電能的能量轉化形式、過程以及效率等問題，與電解質溶液中離子移動、導線中電子移動、電極反應等微觀原理及其實現這一轉化的裝置條件聯系起來，能夠增進學生對“化學反應與電能”知識的整體把握，幫助學生建立分析和解決相關問題的思路與方法［8］，發展學生的模型認知；其三，由此可以引導學生認識化學能與電能相互轉化在“物質制備與轉化”“能量轉化”等方面的實際意義和重要作用。

基于上述分析，將“化學反應與能量”學科大概念與“能量轉化”跨學科大概念［9］相對接，并將其與“化學反應與能量”單元知識相關聯，同時結合化學反應進行的方向、速率、限度等反應原理內容，梳理出大概念統攝下的“化學反應與電能”單元知識層級結構（見圖1）。以此為依托，按照知識理解、模型建構及應用實踐的學習進程，引導學生認識化學能與電能相互轉化所遵循的規律，領悟將其應用于解決實際問題的一般過程與思路方法。

2 學生的已有知識基礎與能力分析

2.1 學生已有知識基礎分析

在必修階段“主題3物質結構基礎與化學反應規律”的學習中，從知識與能力層面，學生已經學習了一些吸熱與放熱反應，了解到化學反應體系能量的變化與化學鍵的斷裂和形成有關，知道化學反應可以實現化學能與其他能量形式的轉化。以鋅銅單液原電池為例認識化學能可以轉化為電能，從氧化還原反應的角度初步認識原電池的工作原理，能初步分析一些化學電池的構造與性能；從情感與態度層面，認識到能源合理利用的重要性，并發現單液原電池能量轉化效率低等實際問題，產生了對提高電池能量效率的好奇心和探求欲。

2.2 學生的學習障礙及困惑

電化學知識隸屬于化學熱力學研究范疇，其知識體系龐雜。高中階段電化學教學內容無論從知識的包容性、復雜性還是綜合性，學生在學習理解與內化過程中都面臨著諸多困難。與此同時，像“雙電層理論”“電極電勢”“能斯特方程”等概念自身難度較大，容易產生學習障礙，不宜直接下放到高中課堂講授。分析學習內容及素材，學生在本單元學習中可能存在的障礙點及困惑有：（1）在“ZnCuH2SO4”雙液電池中，鋅的電子流動到銅表面的驅動力是什么？該裝置為何可以產生電流？（2）為何鋅在ZnSO4溶液中能夠失去電子？（3）在原電池裝置中，為何電子不能進入溶液？（4）氫氧燃料電池和電解水的電化學過程有哪些異同？（5）如何理解物質（粒子）在陰、陽兩極的放電順序，它是一成不變的嗎？（6）電鍍裝置中，如鐵上鍍鋅，為何Zn2+能先于H+在陰極放電？（7）電解FeCl2溶液，為何Fe2+可以源源不斷地靠近陽極，并在陽極失去電子？（8）如何發現金屬的腐蝕現象，并與所學電化學模型建立聯系等。

2.3 學生的能力發展分析

依據大概念統攝下的“化學反應與電能”單元知識層級結構，學生在經歷知識理解、模型建構及應用實踐的學習進程后，其能力發展可具體表現為以下幾方面：知識理解能力。能依據氧化還原反應的實質對常見化學電源及新型電池的裝置特點及工作原理進行分析，并寫出相關電極反應式；模型建構能力。從原理維度和裝置維度建構電化學的認識模型，實現對原電池、電解池的統一認識；應用實踐能力。從能量轉化、物質制備及實驗研究等維度，發現生活中金屬的電化學腐蝕現象，應用電化學原理設計能量轉化的路徑和裝置，應用電化學過程實現物質的制備與純化，應用電化學方法研究物質性質及化學反應規律等。

具體來說，深刻認識學科大概念中氧化還原反應的實質是理解電化學過程的基礎。初中階段，以木炭還原氧化銅反應為認識載體，從木炭得氧、氧化銅失氧的角度認識“氧化反應”與“還原反應”的概念；必修階段，從自然環境、生活經驗及學生熟悉的事物出發，引導學生建立“氧化反應”與“還原反應”間的聯系，借助銅鋅原電池裝置中電流表指針發生偏轉驗證氧化還原反應中電子的轉移，進而建立電化學模型對原電池原理維度的認識；選擇性必修階段，選取合適的裝置，利用氧化還原反應實現化學能和電能的相互轉化，進一步學習電解原理和電解池，建立電化學模型對原理維度和裝置維度的認識，從物質變化與能量變化兩個維度理解相關的重要概念。進而，基于學生在必修階段對原電池的已有認識模型展開教學，并將認識模型轉化為問題解決模型，逐步提升學生應用所學知識解決實際問題的能力。如以應用電化學過程實現對物質的制備——氯堿工業的教學設計思路為例，開展原電池和電解池的對比教學，并探究溶液中離子的放電順序。在演示實驗中引導學生仔細觀察電解飽和食鹽水的實驗現象并思考：陽極、陰極產生的氣泡從何而來？氣泡中可能含有哪些物質？如何進行檢驗？層層遞進，啟發學生關聯“水的電離”及初中階段學習過的“電解水實驗”，通過對比兩者的異同，建構對原電池和電解池兩個電化學過程的統一認識模型。其次，為實現鐵上鍍銅、電解精煉銅等實驗目的，通過設計問題解決型任務，引導學生設計出電化學裝置，并闡述該裝置是通過怎樣的電化學過程達成了實驗目的，以逐步形成基于電解模型解決問題的系統分析思路，提升學生對陌生、復雜問題的解決能力。

3 基于學科大概念的單元教學思路

單元教學思路圍繞大概念進行整體設計，教學內容要為大概念的形成服務，為學生核心素養的發展服務［10］。基于落實新課標理念，著力于學生學習方式的轉變及學科思維的培養，單元教學中要多創設機會讓學生主動去發現和領悟，如生活中金屬的腐蝕現象；教學中除采用演繹的思路，還可更多地采用概括和歸納的方法，將金屬的腐蝕這一真實問題抽提成電化學模型，提供支撐素材引發學生更多的思考，如怎樣形成原電池，正極、負極的反應物是什么，電解質溶液是什么等等，促使學生在具體情境問題的解決中形成概念，進而得出對電化學過程認識的關鍵角度及路徑，促進學生的能力發展。據此，單元整體教學在知識結構化、建構學生電化學的認識角度和思路、提升學生思維的深刻性等層面對相關教學內容進行整合，如表1所示。

4 基于學科大概念的單元教學主要策略

4.1 采用對比策略，實現單元教學中的銜接、遞進與發展

對比學習策略，即采用對比兩種事物的異同進行學習，其中相同部分可以進行歸納，從而產生通用方法或者理論；對于不同部分，可以“優勢互補”，以達成對學習內容的融合。考慮單元教學的連續性和整體性，需要關注電化學內容在必修階段和選擇性必修階段的銜接、遞進與發展。例如，從“單液原電池”到“雙液原電池”，教學中采用對比策略，以任務和問題驅動教學，要學生預測“銅鋅雙液原電池”能否產生電流，并闡述理由，進一步診斷學生對原電池的認知水平，進而從裝置維度發展學生對離子導體和鹽橋的認識，從原理維度建立氧化還原反應與電極反應間的關系，圍繞單元大概念，幫助學生逐步建構知識的層級結構，促使學生的知識結構化。

再如，通過對比“銅鋅雙液原電池”和“氫氧燃料電池”，引導學生從氫氣和氧氣的反應入手，將其設計成電池裝置，從而找到對雙液原電池認識的發展點——電池中的反應物不一定儲存在電池內部。

對于原電池和電解池的對比教學，可設計概括關聯任務，使學生通過對比氫氧燃料電池和電解水兩個電化學過程的差異性，從反應條件、反應方向、反應的能量變化、實現反應發生的方式等維度認識到反應中均涉及3種相同的物質，但反應發生的方向截然相反，進而理解判斷原電池和電解池的關鍵所在——反應發生的驅動力不同，即電解裝置中存在外接電源。

4.2 建立模型，轉變迷思概念，提升對電化學本質的認識

對于雙液原電池的教學，學生在學習過程中存在諸多迷思概念，如“鋅的電子自發流動到銅表面的驅動力是什么”“為何鋅在硫酸鋅溶液中也能失去電子”等等。在教學過程中，可適當介紹“雙電層理論”的基本概念，但不宜過多地出現專業術語，如圖2和圖3所示。可簡要表述為當金屬M與其溶液Mn+接觸時，存在以下兩種趨勢：（1）金屬表面的原子受到溶劑分子吸引變為溶劑化的離子進入溶液，電子留在金屬上，此時金屬的電勢低于溶液；金屬越活潑，溶液越稀，此過程進行的程度越大（如Zn和Zn2+體系）；（2）溶液中的Mn+與金屬表面的電子結合，沉積在金屬表面，此時金屬帶正電，電勢高于溶液；金屬越不活潑，溶液越濃，此過程進行的程度越大（如Cu和Cu2+體系）。通過模型，幫助學生建立電子流動的驅動力是兩電極電勢的高低不同，以此厘清并轉變學生的迷思概念，提高對電化學本質的認識。

4.3 基于真實情境，提升綜合運用所學知識解決問題的能力

學以致用，用以促學。在課堂教學中我們既要突出基礎主干知識，亦要關注學生思維過程、創新意識及

分析、解決真實問題能力的提升。以開展“為熱水器碳鋼內膽設計防腐方案”學生活動為例，依據“犧牲陽極法”和“外加電流法”兩種電化學保護方法，從陽極金屬種類的選取、金屬在熱水器中放置的位置、進出水口的高度等視角展開討論，畫出設計的裝置圖并闡述理由，促使學生將電化學模型用起來，充分發揮模型的指導功能，讓學生會說、會寫、會分析、會設計。再如，將2021年高考北京卷第15題進行改編，在課堂上引導學生圍繞由乙烯經電解制備環氧乙烷的電化學過程展開討論，突出應用電化學方法實現物質制備及純化的思路和方法，體現知識的理解與運用相統一。同時，啟發學生在工藝流程中找出可循環使用的物質KCl，滲透綠色化學理念，在實際問題中引導學生關注化學對生態環境和社會發展的影響。

總之，以大概念為統領設計單元整體教學，超越了教師在單一層面對某個知識點的教學。以大概念統領具體知識，建立具體知識與大概念的對接，有利于促進學生從化學知識向化學學科核心素養的轉化［12］。依據學科大概念，教師把握教學內容的本質和關鍵，促使學生在知識結構化的學習中對學科概念原理形成系統認識，并建構認識思路和方法，以實現學生的能力發展，還需要廣大教師開展更加深入的思考與探索。

參考文獻：

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［9］（英）溫. 哈倫編著. 韋鈺譯. 以大概念理念進行科學教育［M］. 北京： 科學普及出版社， 2016， （3）： 27.

［10］夏添， 王姝瑋， 王珍珍. 大概念統領下“化學能與電能”單元教學設計與實踐［J］. 化學教學， 2022， （12）： 48～58.

［11］吳文中. 品味化學電源發展史， 螺旋式認識原電池原理［J］. 化學教學， 2016， （12）： 85～89.

*北京市教育科學“十四五”規劃2021年度一般課題“學科核心素養導向的中學化學單元深度學習實踐研究”（課題編號：CDDB21219）部分研究成果。