學(xué)科大概念統(tǒng)領(lǐng)下的高中化學(xué)單元整體教學(xué)設(shè)計

韓春艷 沈坤華

［摘 要］學(xué)科大概念是單元教學(xué)的核心。文章基于“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)”化學(xué)學(xué)科大概念，以“乙醇與乙酸”教學(xué)單元為載體，以果酒和果醋的釀造為情境，將乙醇和乙酸的性質(zhì)結(jié)構(gòu)化地整合在一起，展示了學(xué)科大概念統(tǒng)領(lǐng)下的高中化學(xué)單元整體教學(xué)設(shè)計。該教學(xué)設(shè)計順應(yīng)學(xué)生的學(xué)習(xí)心理，可促進(jìn)學(xué)生的學(xué)科知識結(jié)構(gòu)化和認(rèn)知結(jié)構(gòu)化，有助于學(xué)生實現(xiàn)深度學(xué)習(xí)，同時提升學(xué)生的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

［關(guān)鍵詞］學(xué)科大概念；單元整體教學(xué)；乙醇和乙酸；教學(xué)設(shè)計

［中圖分類號］ ? ?G633.8 ? ? ? ?［文獻(xiàn)標(biāo)識碼］ ? ?A ? ? ? ?［文章編號］ ? ?1674-6058（2024）02-0069-04

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱課程標(biāo)準(zhǔn)）明確指出：“重視以學(xué)科大概念為核心，使課程內(nèi)容結(jié)構(gòu)化，以主題為引領(lǐng)，使課程內(nèi)容情境化，促進(jìn)學(xué)科核心素養(yǎng)的落實。”［1］然而，日常教學(xué)中教師更注重課時教學(xué)設(shè)計，缺少單元整體教學(xué)的意識和方法。學(xué)生獲得的多是些碎片化知識，不利于學(xué)科觀念的培育及學(xué)科思維的提升。大概念是處于更高層、居于中心地位和藏于更深層次，具有認(rèn)識論、方法論和價值論三重意義，因而能廣泛遷移的活性觀念［2］。選擇一個具有統(tǒng)攝性的學(xué)科大概念作為單元教學(xué)的支點，結(jié)構(gòu)化地組織教學(xué)，可使學(xué)生的學(xué)習(xí)由“散點”式轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)式，促進(jìn)“知識為本”向“素養(yǎng)為本”的轉(zhuǎn)化，撬動課堂教學(xué)方式的轉(zhuǎn)型。

本文以人教版（2019年）高中化學(xué)教材必修二第七章第三節(jié)“乙醇與乙酸”的教學(xué)為例，以果酒和果醋的釀造這一真實情境貫穿整個課堂，引導(dǎo)學(xué)生在分析問題和解決問題的過程中，思考知識背后蘊含的學(xué)科本質(zhì)，形成認(rèn)識有機(jī)物的一般思路和方法，幫助學(xué)生形成“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)”的學(xué)科大概念，落實學(xué)科核心素養(yǎng)。

一、 學(xué)科大概念統(tǒng)領(lǐng)下的單元知識分析

“乙醇和乙酸”作為烴的衍生物知識的起點，對學(xué)生整個烴的衍生物學(xué)習(xí)觀念的建構(gòu)和方法引領(lǐng)至關(guān)重要。課程標(biāo)準(zhǔn)對“乙醇和乙酸”的要求如表1所示。

基于課程標(biāo)準(zhǔn)的要求，結(jié)合教學(xué)內(nèi)容的內(nèi)在邏輯關(guān)系，抽提出本單元的主題大概念“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)”，引導(dǎo)學(xué)生從官能團(tuán)視角認(rèn)識乙酸和乙醇。以該大概念為統(tǒng)領(lǐng)的“乙醇與乙酸”單元整體教學(xué)設(shè)計框架如圖1所示，旨在引導(dǎo)學(xué)生從微觀結(jié)構(gòu)認(rèn)識乙醇和乙酸的宏觀性質(zhì)，形成認(rèn)識有機(jī)物性質(zhì)的一般思路和方法。

二、教學(xué)目標(biāo)及教學(xué)整體思路

（一）學(xué)情分析

學(xué)生在生活中已經(jīng)對乙醇的物理性質(zhì)、可燃性、簡單用途以及乙酸的酸性有所了解。在前面的學(xué)習(xí)中，學(xué)生通過甲烷、乙烯的性質(zhì)差異，初步形成“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)”的學(xué)科觀念，這有利于學(xué)生進(jìn)一步從官能團(tuán)視角認(rèn)識乙醇、乙酸的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)。學(xué)生雖然具有一定的實驗探究能力和證據(jù)推理能力，但是從微觀視角認(rèn)識有機(jī)物變化的能力尚有所欠缺，基于官能團(tuán)認(rèn)識有機(jī)物的能力也有待加強(qiáng)。

（二）單元目標(biāo)及課時目標(biāo)

大概念引領(lǐng)下的單元教學(xué)目標(biāo)，上承課程目標(biāo)，下接課時目標(biāo)，對教學(xué)設(shè)計、教學(xué)活動有精準(zhǔn)導(dǎo)向作用。基于學(xué)情和課程標(biāo)準(zhǔn)要求，“乙醇和乙酸”的單元目標(biāo)及課時目標(biāo)如表2所示。

（三）單元教學(xué)流程

本單元以“果醋的釀造”這一真實情境中的問題解決作為外顯主線，聚焦“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)”學(xué)科大概念，將核心概念建立路徑、學(xué)生認(rèn)知邏輯和關(guān)鍵能力發(fā)展作為暗線，設(shè)計多樣化的學(xué)習(xí)活動，由淺入深，層層遞進(jìn)，引導(dǎo)學(xué)生在實際問題的解決過程中不斷遷移學(xué)科知識以及形成認(rèn)識有機(jī)化合物的思路和方法，實現(xiàn)思維發(fā)展的進(jìn)階，將知識內(nèi)化為能力和素養(yǎng)。具體教學(xué)流程如圖2、圖3所示。

三、單元教學(xué)片段

（一）果酒的主要成分是什么——類比遷移初探乙醇的結(jié)構(gòu)

【課前任務(wù)】學(xué)生查閱資料了解果酒和果醋的釀造工藝，梳理果醋釀造的基本方案和核心流程，小組討論釀造過程中有機(jī)化合物的轉(zhuǎn)化路徑是怎樣的，并小組合作嘗試釀造果醋。

【情境引入】小組展示抽提的果醋釀造工藝及釀醋過程中物質(zhì)的轉(zhuǎn)化關(guān)系。

教師：果酒中含有乙醇，分子式為C2H6O，相比乙烷多了一個氧原子。請同學(xué)們根據(jù)成鍵原理，使用球棍模型拼搭出乙醇可能的結(jié)構(gòu)。

【活動1】乙醇球棍模型拼搭。

學(xué)生：結(jié)構(gòu)可能有2種，即CH3OCH3或CH3CH2OH，兩者的區(qū)別是官能團(tuán)不同。

【問題1】設(shè)計實驗證明乙醇的結(jié)構(gòu)是哪一種，并說明設(shè)計依據(jù)。

【實驗探究1】對比實驗：乙醇、水分別與鈉反應(yīng)。

【問題2】乙醇與鈉反應(yīng)產(chǎn)生的氣體是什么？如何證明？

學(xué)生：氫氣；將收集的氣體點燃后檢驗生成的產(chǎn)物。

【演示實驗】利用氫氣傳感器驗證產(chǎn)生的氣體為氫氣。

教師：乙醇與鈉反應(yīng)產(chǎn)生氫氣，氫氣中的氫原子來自碳?xì)滏I上的氫原子，還是氧氫鍵上的氫原子？如何證明？

【PPT投影】①實驗測得46 g乙醇（1 mol）與足量的金屬鈉反應(yīng)，可得到的氫氣在標(biāo)準(zhǔn)狀況下的體積為11.2 L（0.5mol）。② 鈉保存在煤油中，煤油為C11～C16的烴類混合物。

【學(xué)生活動】分析討論確定乙醇的結(jié)構(gòu)為CH3CH2OH，且在與鈉反應(yīng)時斷裂的是氧氫鍵。

教師：羥基是乙醇的官能團(tuán)，它決定了醇類物質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)。請寫出乙醇與鈉反應(yīng)的方程式。

設(shè)計意圖：從定性和定量的角度引導(dǎo)學(xué)生層層遞進(jìn)、步步深入地認(rèn)識乙醇的結(jié)構(gòu)，初步建立從官能團(tuán)視角認(rèn)識物質(zhì)的一般思路。同時，通過乙醇、水與鈉反應(yīng)的對比實驗，讓學(xué)生認(rèn)識到羥基的活潑性會受其他基團(tuán)的影響，培養(yǎng)學(xué)生的求異思維，并幫助學(xué)生從微觀上理解有機(jī)物的性質(zhì)和結(jié)構(gòu)，發(fā)展學(xué)生的證據(jù)推理能力及科學(xué)探究能力；引導(dǎo)學(xué)生建立認(rèn)知有機(jī)物的“宏-微-符”三重表征思維模型，進(jìn)一步加深對官能團(tuán)概念的理解，促進(jìn)學(xué)生形成“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)”的大概念。

（二）果酒如何轉(zhuǎn)化成果醋——變化中探究乙醇的性質(zhì)

【資料】果酒轉(zhuǎn)化成果醋的過程：乙醇→乙醛→乙酸。

【實驗探究2】學(xué)生小組實驗——乙醇的催化氧化實驗。

教師：請同學(xué)們描述在實驗過程中有哪些現(xiàn)象。

學(xué)生：在酒精燈上加熱后銅絲由紅色變?yōu)楹谏瑢⑵浼尤胍掖贾泻笥肿兂杉t色，有刺激性氣味氣體產(chǎn)生。

【教師活動】提示刺激性氣味的物質(zhì)為乙醛，并展示乙醛的結(jié)構(gòu)式。

【活動2】對比乙醇、乙醛的結(jié)構(gòu)特點，借助球棍模型分析二者轉(zhuǎn)化過程中化學(xué)鍵的斷裂和形成。

【動畫模擬】動畫展示乙醇轉(zhuǎn)化為乙醛的斷鍵和成鍵過程。

【符號表征】寫出反應(yīng)方程式，并分析銅絲在實驗過程中的作用。

【問題3】如何檢驗果酒在發(fā)酵成果醋的過程中產(chǎn)生了乙醛？

【資料】醛基可以與新制氫氧化銅在加熱條件下產(chǎn)生磚紅色沉淀。

【實驗探究3】取不同時期的發(fā)酵液，檢驗乙醛的生成。

【問題4】如何在實驗室實現(xiàn)乙醇到乙酸的轉(zhuǎn)化？

【實驗探究4】乙醇分別與重鉻酸鉀及酸性高錳酸鉀溶液反應(yīng)。

設(shè)計意圖：通過實驗讓學(xué)生宏觀感受乙醇到乙醛及乙酸的轉(zhuǎn)化過程，激發(fā)學(xué)生的好奇心，并通過對各物質(zhì)球棍模型結(jié)構(gòu)的對比，引導(dǎo)學(xué)生推測物質(zhì)轉(zhuǎn)化過程中化學(xué)鍵及官能團(tuán)的變化，最后通過動畫模擬反應(yīng)機(jī)理將微觀過程可視化。學(xué)生的猜想被驗證，不僅可大大提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，而且可幫助學(xué)生從化學(xué)鍵和官能團(tuán)變化的角度深刻理解有機(jī)反應(yīng)的實質(zhì)，并用化學(xué)方程式符號表征，促進(jìn)學(xué)生理解、內(nèi)化“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)”的學(xué)科大概念，培養(yǎng)學(xué)生的“宏觀辨識與微觀探析”學(xué)科核心素養(yǎng)，建立研究有機(jī)物結(jié)構(gòu)的一般思路和方法。

（三）如何檢驗果醋的生成——實驗感知乙酸的酸性

【問題5】如何驗證果醋釀造成功了？

學(xué)生：可測定不同時期釀造液pH的變化。

【問題6】如何設(shè)計實驗驗證乙酸的酸性？

【學(xué)生活動】設(shè)計實驗方案，小組合作進(jìn)行實驗探究，交流實驗現(xiàn)象和結(jié)論。

【問題7】乙酸和乙醇均含有羥基，為什么乙酸具有酸性，而乙醇沒有酸性？

【交流討論】對比兩者結(jié)構(gòu)，猜測乙酸中多了碳氧雙鍵，可能是碳氧雙鍵對羥基產(chǎn)生了影響。

教師：正是因為碳氧雙鍵對羥基的影響，讓羥基變得更活潑，使羥基上的氫氧鍵更容易斷裂體現(xiàn)酸性。我們把碳氧雙鍵和羥基所形成的基團(tuán)叫作羧基，它是乙酸的官能團(tuán)。

【問題8】乙酸是幾元酸？如何設(shè)計實驗比較乙酸、碳酸、鹽酸的酸性？

【討論交流】可利用強(qiáng)酸制弱酸的原理設(shè)計實驗，或者測定同濃度酸的pH等。

設(shè)計意圖：通過猜想、實驗驗證等過程，引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識乙酸的酸性；通過小組合作設(shè)計實驗方案比較乙酸的酸性，診斷并發(fā)展學(xué)生的實驗設(shè)計能力；通過師生、生生互評，不斷修正和完善實驗方案，引導(dǎo)學(xué)生建立控制變量的思想；通過乙酸和乙醇中羥基的對比，進(jìn)一步強(qiáng)化“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)”的大概念。

（四）果醋香味的來源——宏微結(jié)合探究酯的由來

【資料】果醋的香味主要來自酯，在酯化階段乙酸和乙醇生成有香味的乙酸乙酯。

【活動3】利用乙醇和乙酸的球棍模型，根據(jù)信息拼插出乙酸乙酯的可能結(jié)構(gòu)，并解釋說明拼插過程。

【交流討論】展示酯的可能結(jié)構(gòu)，探討斷鍵的兩種可能：①酸脫羥基醇脫氫；②醇脫羥基酸脫氫。

【問題9】如何判斷乙酸乙酯中碳氧單鍵的氧來自哪種物質(zhì)？

【知識拓展】 科學(xué)家采用同位素示蹤法，將乙醇中的氧原子標(biāo)記為18O（如圖4）。

教師：通過檢測，發(fā)現(xiàn)18O出現(xiàn)在CH3COOCH2CH3中，由此可知酯化反應(yīng)的機(jī)理是酸脫羥基醇脫氫。

【活動4】觀察乳酸的球棍模型，找出乳酸有哪些官能團(tuán)，預(yù)測乳酸的化學(xué)性質(zhì)。

【學(xué)生活動】自主思考，小組討論交流，小組代表匯報分享，小組間交流補(bǔ)充。

【教師活動】歸納總結(jié)從官能團(tuán)角度預(yù)測陌生有機(jī)物性質(zhì)的思路方法。

設(shè)計意圖：通過酯化反應(yīng)的模擬拼插，引導(dǎo)學(xué)生從結(jié)構(gòu)出發(fā)，體會反應(yīng)中的斷鍵、成鍵情況，理解酯化反應(yīng)的實質(zhì)，建構(gòu)酯化反應(yīng)斷鍵、成鍵的模型，并通過同位素示蹤法發(fā)展學(xué)生的“宏觀辨識與微觀探析”“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”學(xué)科核心素養(yǎng)；通過結(jié)構(gòu)探析、思維探究，加深學(xué)生對“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)”大概念的理解。同時，通過對乳酸性質(zhì)的預(yù)測，使學(xué)生進(jìn)一步深化“從官能團(tuán)視角認(rèn)識有機(jī)物”的思路和方法，并經(jīng)過同化、順應(yīng)知識結(jié)構(gòu)形成新的化學(xué)認(rèn)知結(jié)構(gòu)［3］。

四、單元教學(xué)反思

（一）真實情境貫穿始終，促進(jìn)學(xué)生知識結(jié)構(gòu)化

大概念的抽象化、復(fù)雜化及結(jié)構(gòu)化必然會導(dǎo)致學(xué)生認(rèn)識上的困難。在教學(xué)上將大概念與真實情境有機(jī)結(jié)合，能有效降低學(xué)生的認(rèn)識難度。只有在真實情境下運用一種或多種知識完成特定的任務(wù)，才能評估關(guān)鍵能力、必備品格與價值觀念［4］。本單元圍繞“果醋釀造”情境，創(chuàng)設(shè)“果酒到果醋的演變”“果醋酸味來源”“果醋香由何生”等具有內(nèi)在邏輯關(guān)聯(lián)的課時“中情境”和環(huán)節(jié)“小情境”，把零碎的知識點融入情境之中，激發(fā)學(xué)生積極地去思考、探究，自主構(gòu)建醇、醛、酸、酯轉(zhuǎn)化過程中的官能團(tuán)和物質(zhì)類別轉(zhuǎn)化模型，幫助學(xué)生從知識關(guān)聯(lián)的結(jié)構(gòu)化走向認(rèn)識思路的結(jié)構(gòu)化，形成有機(jī)化合物的認(rèn)識角度和一般思路，將事實性知識的認(rèn)知上升為大概念理解。

（二）沉浸式體驗實驗探究，促進(jìn)學(xué)生關(guān)鍵能力提升

學(xué)科大概念的形成不是一蹴而就的，需要在不同教學(xué)內(nèi)容、不同教學(xué)情境下反復(fù)建構(gòu)，不斷豐富。本單元教學(xué)以學(xué)生為主體，使其沉浸式體驗實驗探究過程，并通過傳感器的使用，讓實驗結(jié)果快速直觀地呈現(xiàn)；探究過程中讓學(xué)生小組合作交流并優(yōu)化實驗方案，激發(fā)學(xué)生解決問題的動力，使化學(xué)知識的學(xué)習(xí)過程成為一個可感受、可體驗的過程。通過實驗探究引導(dǎo)學(xué)生基于宏觀現(xiàn)象，微觀探析反應(yīng)過程中官能團(tuán)和化學(xué)鍵的變化以及有機(jī)物類別的轉(zhuǎn)化，關(guān)注知識背后的核心內(nèi)容，進(jìn)一步建立有機(jī)化合物中“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)”的學(xué)科大概念，同時在探究中感悟化學(xué)的價值與魅力，發(fā)展學(xué)生的“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識”“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”等學(xué)科核心素養(yǎng)，提升學(xué)生有機(jī)化學(xué)學(xué)習(xí)關(guān)鍵能力。

（三）持續(xù)性學(xué)習(xí)評價活動，促進(jìn)學(xué)生學(xué)科素養(yǎng)進(jìn)階

單元整體學(xué)習(xí)是一個持續(xù)進(jìn)階、不斷優(yōu)化的過程，對單元學(xué)習(xí)成果、目標(biāo)達(dá)成度的綜合考查需要以持續(xù)性學(xué)習(xí)評價貫穿整個單元學(xué)習(xí)。課堂上的每一個活動都可以作為一個評價任務(wù)，基于任務(wù)的完成情況，從能力維度和素養(yǎng)維度對學(xué)生進(jìn)行評價；多元主體參與評價，可以采取同伴互評與教師評價相結(jié)合的方式。如在對乳酸性質(zhì)進(jìn)行預(yù)測的階段，通過提問、追問等方式對學(xué)生能否自主調(diào)用認(rèn)識有機(jī)物的一般思路進(jìn)行評價，課后可以以研究性小論文的形式公開學(xué)生的果醋釀造項目學(xué)習(xí)成果，促進(jìn)學(xué)生及時自我反思，以評促學(xué)，實現(xiàn)學(xué)生學(xué)科素養(yǎng)的持續(xù)進(jìn)階。

［ ? 參 ? 考 ? 文 ? 獻(xiàn) ? ］

［1］ ?中華人民共和國教育部.普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)：2017年版2020年修訂［M］.北京：人民教育出版社，2020.

［2］ ?李松林.以大概念為核心的整合性教學(xué)［J］.課程·教材·教法，2020（10）：56-61.

［3］ ?布魯納.教育過程［M］.邵瑞珍，譯.北京：文化教育出版社，1982.

［4］ ?崔允漷.學(xué)科核心素養(yǎng)呼喚大單元教學(xué)設(shè)計［J］.上海教育科研，2019（4）：1.

（責(zé)任編輯 羅 艷）