基于三重表征的單元整體教學研究
——以“反應熱”概念教學為例

榮 蓉（廣東省肇慶市教師發展中心）

化學學科的內容特點決定了化學學習中，學習者必然要從宏觀、微觀和符號等方面對物質及其變化進行多種感知，從而形成化學學習獨特的三重表征：宏觀表征、微觀表征和符號表征。本文以“反應熱”概念教學為例，基于“宏觀—微觀—符號”三重表征的視角開展單元整體教學研究，突出三重表征教學對于學生建構核心概念、發展核心素養具有重要作用。

一、教學主題內容及教學現狀分析

（一）教學主題內容分析

“反應熱”是化學熱力學研究的重要內容之一，也是化學學科的核心概念之一。“反應熱”是定量描述化學反應中能量變化的物理量，是化學變化觀念的一個重要方面。《普通高中化學課程標準（2017 年版2020 年修訂）》（以下簡稱《課程標準》）對本節的內容要求為：認識化學能可以與熱能等其他形式能量之間相互轉化，能量的轉化遵循能量守恒定律。知道內能是體系內物質的各種能量的總和，受溫度、壓強、物質的聚集狀態的影響。認識化學能與熱能的相互轉化，恒溫恒壓條件下化學反應的反應熱可以用焓變表示。

從以上內容要求中我們可以抽提出“化學反應伴隨著能量變化”這一核心觀念。在這一觀念的統領下，通過“反應熱”的概念教學，希望幫助學生實現從宏觀感知到微觀探析的思維進階，從定性認識到定量分析的能力進階，發展“宏觀辨識與微觀探析”的學科核心素養。

（二）教學現狀分析

“反應熱”的內容理論性較強，教學中涉及到較多與熱化學有關的概念，如體系與環境、內能、焓與焓變、熱化學方程式、燃燒熱等。在以往的教學中，因該內容學習起來相對比較枯燥，又并非高考的重難點內容，學生通過一定量的訓練通常都能過關，故本主題內容的教學方式多為傳統的講授式，而忽略了內容之間的關聯和內容所承載的學科核心素養以及其中蘊藏的核心價值。筆者通過文獻搜索了解到，國內基于本主題發表的論文多為試題研究，教學研究論文相對較少。教學研究主要集中在實驗教學、情境創設等方面進行單課時教學設計，而鮮有經過整體規劃的單元教學研究。

二、基于三重表征單元整體教學設計思路

（一）單元教學目標

1.通過真實情境下對體系、環境、內能、焓等概念的學習，建構反應熱的概念。從宏觀角度解釋反應熱的產生與內能以及焓變的關系，從微觀層面結合物質結構知識理解反應熱產生的原因，發展學生“宏觀辨識與微觀探析”的學科核心素養。

2.通過對熱化學方程式的理解與書寫這一符號表征過程形成化學反應熱量變化的定量認識，從而進一步理解物質的能量與溫度、壓強等因素的關系，發展學生的能量觀念。

3.通過從能量釋放和環境保護的角度進行火箭推進劑的研究性學習，匯報展示學習成果，體會燃燒熱的應用價值，感受化學反應能量變化的重要價值，發展學生“科學態度與社會責任”的學科核心素養。

（二）單元教學思路

目前，我國的航空航天事業飛速發展，火箭推進劑在航天和軍事等領域具有廣泛應用。我們以“火箭推進劑”為情境主線貫穿于整個單元的學習中。通過層層遞進的3 個核心問題鏈（如圖2）設計了3 課時單元整體教學，促進學生對反應熱概念的結構化認識，從宏觀表征（體系與環境間熱交換）、微觀表征（化學鍵斷裂和形成）和符號表征（熱化學方程式）三個視角建立研究化學反應與能量的認識思路，同時體會化學反應中能量變化的重要價值。

圖1 情境與問題鏈設計

圖2 “反應熱”單元整體教學流程

（三）單元教學流程

在“火箭推進劑”的情境主線貫穿下，圍繞反應熱的概念教學分3 課時進行整體設計：課時1 進行概念的構建，從宏觀和微觀角度理解反應熱的定義以及本質；課時2 進行概念的表征，利用化學學科的獨特符號語言進行表達，提升對概念的理解；課時3 進行概念的應用，通過研究性學習的開展了解反應熱的示例——燃燒熱的概念，體會化學在生活中具體應用的價值。

三、教學實錄

（一）創設情境，宏觀表征

視頻導入：師生共同觀看“神舟十二”火箭發射視頻。提問：是什么力量讓火箭足以將自身和搭載的探測器一并托起呢？圖片資料：展示火箭的平面構造圖及常見火箭推進劑的成分，如N2H4（燃料）與O2（氧化劑）。

學生：書寫火箭推進劑反應的原理；分析火箭推進劑中的能量變化；用能量示意圖表示出反應過程中物質的能量變化。

追問：化學反應為什么會產生熱量變化？我們應該如何描述化學反應產生的熱量呢？

引導點撥：以N2H4與O2反應為例，明確體系、環境、內能等概念，建立概念關系圖，學習反應熱的概念。

設計意圖：在“火箭發射”的視頻情境中感受化學反應不但有物質的變化，而且伴隨著能量的變化。通過概念關系圖理解反應熱的基本概念，并通過能量示意圖從宏觀角度分析反應熱的產生原因，形成對反應熱的初步認識。

（二）微觀表征，探尋本質

提問：化學反應的本質是什么？反應過程中為什么會有反應熱呢？小組活動：畫出N2H4與O2反應的微觀示意圖，分析反應過程中化學鍵的變化，從微觀角度討論反應熱的實質。學生：化學反應的發生本質上是化學鍵的斷裂與形成，斷裂化學鍵需要吸收能量，形成化學鍵需要放出能量。在此反應中，形成化學鍵釋放的能量高于斷裂化學鍵吸收的能量，故反應放熱。提供資料：已知在298 K、100 kPa 下，一些化學鍵的鍵能。

設計意圖：通過繪制N2H4與O2反應的微觀示意圖，幫助學生理解化學反應的微觀過程，通過鍵能計算反應熱，從微觀角度探尋化學反應的本質，從而對宏觀現象進行解釋，發展學生“宏觀辨識與微觀探析”的學科核心素養。

（三）符號表征，加深理解

引入：化學方程式是我們化學學科獨特的語言表達，第一課時大家寫出的方程式：N2H4＋O2= N2＋2H2O 代表什么含義呢？學生：代表N2H4與O2反應生成了N2和H2O。教師：化學方程式可以表達出化學反應中的物質變化，但是要同時表達出能量變化，就要用到一種特殊的化學語言——熱化學方程式。

創設情境：肼（N2H4）是一種良好的火箭燃料。在常溫常壓下，科學家測得2 mol 液態火箭推進劑N2H4與 2 mol NO2反應，生成 3 mol N2和 4 mol 水蒸氣，放出 1134.4 kJ 能量。如何表達上述過程的物質與能量的變化？

學生：自學教材內容，自主書寫熱化學方程式。小組討論：相互評價，歸納總結書寫熱化學方程式的要點。小結：（略）。

設計意圖：通過趣味性的流行語言引入課堂，讓學生感受化學語言的魅力，通過自主學習、小組合作、相互點評等學習活動，幫助學生構建熱化學方程式的書寫方法，通過“宏觀—微觀—符號”三重表征進一步理解反應熱的內涵。

（四）問題解決，提升價值

教師：我們如何比較不同燃料釋放出的能量大小？學生：分析不同燃料放出的能量的比較方法，學習燃燒熱的定義。

問題設置：火箭推進劑選擇的標準是什么？火箭推進劑的發展對人類進步有什么促進作用？“冰箭”的推進劑是什么？與以往推進劑相比有哪些優點？如何選擇家用燃料？

學生：展示匯報。各小組自選問題設置中的課題，提前查閱資料，課堂上分小組做匯報展示（略）。

設計意圖：通過研究性學習的開展，了解火箭推進劑的發展史，感受我國航空航天科技的發展，增強民族自豪感，同時培養學生的合作精神和“科學態度與社會責任”的學科核心素養。

四、單元整體教學反思

在進行單元整體教學設計時，教師要充分分析教學內容，理解學科知識之間的關聯關系，形成基于知識關聯的結構化認識，并在核心觀念的統領下幫助學生建立化學學科研究物質及反應的一般思路與視角。本單元的學習中，在“化學反應伴隨能量變化”的核心觀念引領下，我們幫助學生建立了“宏觀—微觀—符號”三重表征的認識視角，通過3 課時的進階式教學實現了單元目標。

對于具有高度抽象性的概念教學，通過構建真實情境幫助學生快速建構和理解概念是一種非常有效的教學策略。本單元通過“火箭推進劑”的情境貫穿性設計，增強了課程實施的整體性。從觀看我國火箭發射視頻出發，通過能量曲線圖的繪制，從宏觀角度構建了“物質變化伴隨著能量變化”的化學核心觀念；再通過“宏觀—微觀—符號”的三重表征實現“反應熱”概念的內涵與外延的深入理解；最后，通過研究性學習活動回歸真實情境，并通過燃燒熱的學習解決了真實情境下的實際問題——如何選擇火箭推進劑以及日常生活中的燃料？在后續的實踐練習中證明此次單元整體教學效果良好。