立足学科核心素养的化学单元学习

彭了 冯岸超

摘要：以“微粒及其相互作用”单元学习的设计和实施为案例，从学习目标的确定，核心表现型任务群的设立，评价与反思几个方面论述了单元的设计和落实核心素养的效果，为立足核心素养的化学单元的设计提供参考。

关键词：核心素养；单元学习；物质结构；微粒及其相互作用

文章编号：1008-0546（2022）01-0036-07中图分类号：G632.41文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.01.009

根据《普通高中化学课程标准（2017年版）》[1]（以下简称新课标），“证据推理与模型认知”属于高中化学学科要求的学科核心素养之一，其中“模型认知”的具体内涵为“知道可以通过分析、推理等方法认识研究对象的本质特征，构成要素及其相互关系，建立认知模型，并能运用模型解释化学现象，揭示现象的本质和规律”。“模型认知”是学生在高中阶段形成的重要的化学学科的思想和方法之一，是解决复杂化学问题的思维框架的基础，对于帮助学生形成未来发展需要的正确价值观、必备品格和关键能力有重要的作用和价值。

在新课标[1]修订的基础之上，北京师范大学王磊教授团队主持编纂了新的《物质结构与性质》的选择性必修教材，并且由山东科学技术出版社出版[2-3]。新的鲁科版教材包含“原子结构”，“化学键与分子间作用力”以及“物质的聚集状态与物质性质”三个章节的内容，体现了学生从原子结构，到微粒相互作用，再到物质聚集状态，从物质的结构，到物质的性质和功能的学习进阶。

结合国内外对于“模型”学习进程的研究[4-6]，参照布卢姆教育目标分类学[7]和韦伯知识深度模型[8]对认知维度的划分，“模型认知”能力水平划分为“认识模型”“理解模型”“运用模型”“建构模型”四个水平。其中“运用模型”即学生能够利用模型描述物理或化学变化过程，解释化学事实，根据模型预测物质的性质和变化等，而“建构模型”即学生能够建构模型来展示和解释现象是如何发生的，讨论模型的适用范围和局限性，根据证据或批判性思维优化模型以提高模型的解释力等。

在过去的教学过程中，绝大多数教师和学生均表示“物质结构与性质”内容的难度较大，一方面，在过去10多年，“物质结构和性质”的相关内容都不在北京等省市的高考要求之内，教师缺少完整的教学经验；另一方面，涉及物质结构的知识相对细碎繁多，交错复杂。相比于无机化学和有机化学等与学生生活紧密联系的内容，物质结构的理论知识相对较为抽象，不易理解，体现了“模型”学习的难度。因此，我们希望结合国内外对于“模型”学习的研究，设计基于“认识模型”“理解模型”“运用模型”“建构模型”的表现型任务，并且基于学科大概念形成学习单元，以不同微粒之间的不同相互作用力作为线索，引导学生深入认识物质的结构和性质之间的关系，发展化学学科“证据推理与模型认知”“宏观辨识与微观探析”等核心素养，最终提高学生在真实情境中分析和解决问题的能力。

一、学习单元设计基础：课程标准

根据新课标[1]，“微粒及其相互作用”（物质结构）属于必修课程“主题3物质结构基础与化学反应规律”，选修课程“模块2物质结构与性质”中的“主题2微粒间的相互作用与物质的性质”的内容范畴。总体要求提升有关物質结构的基本认识，深入认识物质的结构与性质之间的关系，发展“宏观辨识与微观探析”“证据推理与模型认知”等化学学科核心素养，其具体对应的内涵和要求如表1所示。

二、学习单元设计

1.单元学习目标

将课程标准转化为学习目标是单元学习的核心问题，相关的策略和流程在有关文献中已经讨论[9]。通过基于课程标准的关键词解构，基于核心素养的单元核心重构，基于单元学习任务的学习者目标的转化，以及学习迁移和学习建构的互补，得到的“微粒及其相互作用”的单元学习目标如表2所示。

“微粒及其相互作用”单元的核心概念为：（1）能够从不同层次对具有已知结构的物质进行分类，能从不同水平预测其可能具有的性质；（2）能够结合物质的已知性质和变化，推测其可能具有的结构特点，即“结构-性质-功能”的正向和逆向的推论关系。因此，对应的核心问题分别为“物质为什么会具有特定的性质？”和“如何根据目标功能寻找合适的化学材料？”。上述表2中的单元学习目标不再基于碎片化的知识，而是聚焦于核心概念和核心问题这两个更广泛的框架之上。以核心概念和核心问题作为线索，可以引导教师从解决生活、生产中存在的实际问题的角度切入，设计表现型任务，发展学生的化学学科的核心素养。

2.核心任务（群）

在过去“物质结构和性质”有关的教学案例[10]中，绝大多数案例聚焦于观察不同相互作用的静态示意图，或者观察和分析已有的物质结构模型，其中涉及到的学科能力集中在“概括关联”和“说明论证”中，缺少对于复杂体系或者高阶学科能力的撬动，因此很难实现对于化学学科核心素养的发展。北京师范大学王磊和胡久华老师的深度学习课题组提出，只有来源于日常生产生活，能够激发学生的兴趣的学习任务，才能达成发展核心素养的目的。因此，基于深度学习的标准和学情分析，综合考虑之下，我们将“构建一套物质结构模型，装扮化学学科功能教室”作为本单元的核心任务。在学生制作完模型，如NaCl，金刚石和水的结构模型并且讨论问题之后，由同学们按照量规为每个小组的模型投票选择出最佳模型，在学科教室展出，并作为日常教学的工具。这些同学们自己制作的模型更加贴近同学学习的思维过程，能够更好地促进学生对于物质结构的理解，也是一种肯定和认可，从而能够提升学生的学习兴趣。

为了帮助学生能够成功地完成“构建模型”的核心任务，我们通过任务一帮助学生了解构成物质的基本微粒和微粒之间的相互作用的种类；在“构建模型”的核心任务完成之后，让学生进一步“运用模型”，完成对于“物质-化学反应-真实情境”的解释，强化“宏观辨识与微观探析”的核心素养，在这一过程中也不断地修正和优化自己的模型；最后，通过任务四中的思维导图整理思维过程，形成结构化的知识体系（见表3）。

（1）理解模型：微粒如何构成物质？

【教师：情境引入】给出介绍四种代表性物质（氯化钠、水、金刚石和金属铝）的典型物理化学性质的资料卡片，包括溶解性、导电性、稳定性、硬度、延展性等；

【学生活动1】阅读上述资料卡片，判断这四种物质的晶体分别由哪种微粒组成？和同学们分享根据它们的物理化学性质来进行分析推理的思维过程。

【教师：提供资料】提供离子键、共价键和金属键的相关模型，包括：Na+和Cl-之间的离子键，以及H和Cl之间的共价键的形成过程，HCl分子形成过程中的能量变化，不同轨道相互重叠的示意图和金属键模型。

【学生活动2】观察不同种类的化学键的形成过程图示，总结离子键、共价键和金属键的形成条件和判断方法。

①仿照HCl中共价键的形成过程，写出甲烷（CH4），氨（NH3）和水（H2O）中共价键的形成过程；

②在CH4分子中，四根C-H键在空间如何排列（即CH4的空间构型是什么）？为什么？NH3和H2O的空间构型又是什么样的？

③根据不同类型的化学键的形成过程，离子键、共价键和金属键具有哪些特性？（如方向性和饱和性）有哪些参数能够表征这些相互作用的强弱/特征？（如键长、重叠程度、极性、键角、键能等）

【教师：深入发掘】回顾活动1中四种不同物质的物理性质，不同的微粒是如何构成晶体的？

①以Na+和Cl-作为基本构成微粒，它们如何通过离子键形成NaCl晶体（离子晶体）？

②以C原子作为基本构成微粒，它如何通过共价键形成金刚石晶体（原子晶体/共价晶体）？

③以Al3+和自由电子作为基本构成微粒，它们如何通过金属键形成金属铝晶体（金属晶体）？

④在一个H2O分子中，H和O之间的相互作用是什么？多个H2O分子依靠什么相互作用构成H2O/冰晶体（分子晶体）？

【学生活动3：总结提升】总结四种不同晶体的异同点，包括它们的基本组成微粒，微粒之间的相互作用，以及形成过程和判断方法。这些晶体中不同类型的相互作用分别受到哪些因素的影响？

设计意图：辨识物质构成的微粒是学习本单元“微粒及其相互作用”的基础，因此情境引入从真实生活中具有广泛用途以及学生在过往学习中接触过的物质中分别选取具有代表性的晶体，引导学生通过这些物质的性质和功能分析其构成的微粒，引导学生树立“结构决定性质，性质决定功能”的化学学科思想，并且贯穿到整个单元的学习之中。

在了解构成物质的微粒的基础之上，提供资料进而引导学生了解微粒之间的相互作用。第一个水平层级为化学键，通过分别展示典型物质的作用示意图，引导学生认识化学键形成的微观实质，总结不同种类的化学键的形成条件和判断方法。第二个水平层级为物质的聚集状态，通过总结四种典型的晶体的异同点，包括它们的基本组成微粒，微粒之间的相互作用，以及形成过程和判断方法，形成结构化的知识体系。

以上活動分别从“构成物质的微粒种类”“微粒之间的相互作用”和“物质的聚集状态”三个层次引导学生对物质结构产生思考，在学习过程中注意逻辑结构，注重总结和比较，形成类比和比较的学习思想。

（2）建构模型：构建一套物质结构模型，装扮化学教室。

【教师：情境引入】在了解了物质的基本构成微粒、相互作用和聚集状态之后，如何用模型表示这些相互作用或者晶体的结构呢？发挥你的创意，自己构建一套物质结构模型，优秀的作品还会被选为学科教室的教具，帮助更多同学的学习哦！

【学生活动】构建一套物质模型，要求：

①包含3种基本构成微粒（原子，离子和分子）和4种相互作用；4种相互作用可以体现在不同的模型中，分别为“A离子键”“B共价键（包括分子的空间结构）”“C金属键”“D分子间作用力（氢键和范德华力）”；A要求包含“晶胞结构”，B要求包含“分子的空间结构”要素，A和C鼓励包含不同的堆积方式，鼓励同一个模型中含有多种相互作用。

②模型构建完成之后，对你的模型作用进行科学描述，包括你所构建的模型的基本构成微粒，微粒之间的相互作用类型，以及形成的晶体类型。为你的作品配上一个以化学符号（电子式，结构式均可）呈现的描述说明。

③观察教室里一些常用的物质结构模型，你的模型和这些模型相比有什么异同点？有哪些优点和不足之处？尝试用自己的模型解释一些问题，以自我检验自己的模型是否构建合理，在对比和运用的过程中对自己的模型进行不断优化。

设计意图：在学生掌握“构成物质的微粒种类”“微粒之间的相互作用”和“物质的聚集状态”的知识基础之上，通过自主构建物质结构模型的任务，在创作的过程中引起学生学习的兴趣，启动学生的自我系统，同时增加学生对于各种不同微粒及它们之间的相互作用的理解。在引导学生通过自己的模型解释问题的过程中，强化“结构决定性质，性质反映结构”的基本思想，发展“宏观辨识与微观探析”的化学核心素养。在解释问题以及与常用模型的比较过程中，发现自己模型的不足并且进行修正，对“发现问题——进行改进”的科学发展过程有更好的体会，也加深了对于常用模型的理解。

（3）模型如何解释性质和功能？

【情境引入】再次回顾任务1中的四种不同物质，它们的晶体类型，微粒间相互作用的类型和它们的物理、化学性质之间有怎样的关系？

【学生活动1】如何应用我们自己构建的物质结构模型，对物质的性质和功能进行解释？针对每种晶体类型，小组一位同学列举出2-3种常见代表性的物质，对它们的常见物理、化学性质和在日常生活、生产中的应用和功能进行归纳总结，另一位同学尝试用自己的模型进行解释这些性质和功能，在解释的过程中不断地优化自己的模型。

【教师引导】在物质性质和功能解释的基础之上，能否用我们的模型，对于化学反应的相关机理和过程进行解释？

【学生活动2】选择一个反应，结合小组的模型，用模型表示反应历程。可以结合模型绘制简单示意图，也可以制作新的实物模型。可选的反应包括化合/加成反应、质子转移反应、电解反应等，其他自选反应亦可。

【教师：深入挖掘】化学不仅是停留在书面上的理论，更可以帮助我们更好地理解生活中的相关问题，与生产和我们的生活有紧密的联系。那么，我们的模型是否能够够进一步用于解释或解决生活中遇到的化学问题呢？

【学生活动3】选择一个你感兴趣的与物质结构有关的论题进行科学阐释，撰写一篇小论文，可以将该项目作为研究性学习课题进行研究。要求能够结合小组构建的物质结构模型对问题进行阐述；能够紧密联系现实生活和科学的前沿进展。可选论题包括：

①“钻石”骗局（从物质结构的角度出发，设计或寻找一种钻石的替代品）；

②如果没有了氢键（氢键与生命的密切关系，如DNA，蛋白质中的氢键）；

③处处都有“相似相溶”（如蔗糖、氨和碘分别在水和四氯化碳中的溶解性）；

④破解头发的结构之谜（头发中化学键，洗发、烫发对头发结构的影响）。

设计意图：从活动1中列举的四种晶体的学习拓展到具有同种晶体类型的其他物质，体会“从个别到一般”的归纳法在学习中的应用。在理解归纳法的基础之上，通过小组内同学的互相提问，在解释问题的过程中，发现自己模型的不足并且进行修正，对模型和相互作用有更加深刻的认识，也对“发现问题——进行改进”的科学发展过程有更好的体会，发展“宏观辨识与微观探析”和“证据推理与模型认知”的学科核心素养。

在静态的物质的物理化学性质的基础之上，用小组模型表示动态的化学反应，深入理解“化学反应是旧化学键断裂、新化学键形成的过程”，最后，在综合论题的写作过程中继续“运用模型”，形成利用物质结构解释和预测物质性质，以及从物质的性质反推物质结构的解决问题模式，在写作的过程中深刻体会化学与生命科学和生活的联系，同时发展“科学态度与社会责任”的学科核心素养。

（4）梳理知识形成思维导图。

【任务布置】对本单元中的知识进行梳理，形成思维导图。结合小组的模型，小组共同梳理本章的知识网络，以思维导图的形式呈現。要求：

①与小组模型紧密联系，能够指导自己和他人使用模型进行问题解释；

②思维导图中要体现3种基本构成微粒，4种相互作用；对同一水平的不同概念进行比较和辨析；

③要求包含下列问题的答案：不同的相互作用有哪些异同点？不同的相互作用受到哪些因素的影响？如何判断不同种物质的熔沸点高低？

设计意图：总结该单元的知识点，在对同一水平的不同概念进行辨析的过程中，加深对于易混淆概念的理解，比如化学键和分子间作用力等。结合物质的结构和性质，形成自己的解释说明（从结构角度对性质进行解释）和推论预测（已知结构预测可能具有的性质）的解决问题模式，发展“证据推理与模型认知”的学科核心素养。

三、评价与反思

1.对“宏观辨识与微观探析”核心素养的发展

“宏观辨识与微观探析”是本单元最为重点发展的学科核心素养之一，只有在深入认识物质构成微粒和微粒间相互作用的基础上，学生才能够实现“从不同层次认识物质的多样性；从原子、分子水平认识物质的组成、结构和性质”。为了通过表现型任务检测学生是否达成了该目标，我们对学生完成的任务进行了深入的分析。

本单元的任务2为构建一套物质结构模型，装扮化学学科教室，经过学生的制作、讨论、修改和评选，有代表性的三个物质结构模型如图1所示。图1a为学生构建的NaCl的离子晶体结构模型，与传统的晶体结构模型不同，该结构模型采用了球形的切片来表示晶胞中位于顶点的离子。这一方面能够更好地帮助学生认识到晶体可以通过晶胞的重复堆积形成，另一方面也能够帮助学生理解晶胞中不同位置的微粒的计数原理。图1b是学生构建的氨分子的空间结构，用体积较大的蓝色柱状部分表示了氨气分子中孤对电子的存在，从而能够帮助学生形象地理解氨分子的空间结构是三角锥型的原因：因为孤对电子与N-H键有较大的排斥作用。图1c为学生构建的氨分子与水分子之间的氢键的作用，直观地体现出了一水合氨分子的空间结构，也能够帮助学生更好地理解氢键的方向性和饱和性。

虽然学生自己制作的模型与通常学科教室呈现的离子晶体等的模型不同，不能尽善尽美，存在一些缺陷，但对于解决学生本章中遇到的“迷思概念”有很大的帮助。在制作模型的基础之上，让每组学生描述自己的模型，并尝试用自己的模型解释化学问题，在这一过程中不仅从不同层次认识了物质，还从宏观和微观相结合的视角分析和解决了实际问题，从而发展了“宏观辨识与微观探析”的化学学科核心素养。

2.对“证据推理与模型认知”核心素养的发展

在本单元，“证据推理与模型认知”的核心素养要求学生能将化学事实和微粒间相互作用相关理论模型进行关联和合理匹配，并能选取适当的证据从不同视角分析问题，推出合理的结论。此外，能描述和表示与微粒间相互作用有关的理论模型，指出做模型表示的具体含义，并运用理论模型解释或推测物质的组成、结构和变化。

本单元的任务3为“运用模型”，其中在小组构建的深度模型的基础上撰写小论文的活动引起了同学们的积极参加。部分同学论文中的相关摘录如下：

学生通过提供的学习资源以及自己上网搜查感兴趣的与物质结构有关的议题，并且利用自己构建的模型和所有的物质结构有关的知识进行解读。例如：在“钻石恒久远：金刚石的结构稳定之谜”中通过C-C形成的稳定的单键和原子晶体的结构，解释了钻石作为碳单质的稳定性，并且通过键长和键能等的数据比较佐证了这一点；在“如果没有了氢键”中，结合氢键的作用强度讨论了DNA结构的相对稳定性和复制的功能；在“碳vs.硅：命运的鸿沟从何而来”中，结合Si和C的成键能力和性质的对比，解释了为什么碳原子成为了生命的基础，而硅成为了电子以及半导体行业发展的基石。这些论述都体现了学生“宏观辨识与微观探析”和“证据推理与模型认知”核心素养的发展。

此外，上述论文的撰写过程，也使学生们深刻认识到了化学对于创造更多物质财富，满足人民美好生活的重大贡献，培养了学生严谨求实的科学态度，探索未知和崇尚真理的意识。学生选择的主题，如“利用雾霾合成钻石”“碳vs.硅：命运的鸿沟从何而来”“是什么让我每天發型爆炸”“如果没有了氢键”等，都与日常生活实际密切相关，体现了学生从书面知识向思考生活的转变，形成观察、思考、分析、解释生活中与化学有关的现象的习惯，继而自愿成为化学科学的宣传者，也反映了“科学态度与社会责任”的学科核心素养的发展。

综上所述，此次以“构建一套物质结构模型，装扮化学功能教室”和“运用模型解决实际问题，撰写小论文”为核心的任务群的学习，对于不同化学学科的核心素养的发展都起到了一定的促进作用。在单元学习季结束之后，绝大多数同学在访谈中表示，在该单元的学习中，自己动手制作模型，并且将其作为化学学科功能教室的教学工具，不仅增加了自己对于模型和物质结构知识的理解，而且也获得了成就感和自豪感。用自己制作的模型解决实际问题，能够更好地培养“结构决定性质，性质决定功能”的观念。因此，以后在生活中遇到其他与物质性质有关的问题，也能够更加自主地从物质结构的角度进行思考和解释。本单元的学习也对本学年的学习起到了很好的承上启下作用，对暑假的自主学习起到了总结提高、拓展升华的作用。

四、总结

总之，我们以课程标准作为单元设计的出发点，以落实核心素养作为单元实践的目标，对于“微粒及其相互作用”的单元设计和实践展开了研究。任务完成的结果表明，单元学习中包含的学习任务（群）促进了学生化学学科的“宏观辨识与微观探析”“证据推理与模型认知”“科学态度与社会责任”等学科核心素养的发展，对于化学学科其他单元的设计提供了参考和借鉴。

参考文献

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[2]王磊，陈光巨.普通高中教科书，化学，选择性必修，物质结构与性质[M].济南：山东科学技术出版社.2019.

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[10]公孙国超. 2017年版新课标下“物质结构与性质”教学研究[D].昆明：云南师范大学，2019.