大概念统领下单元复习课的教学设计与思考——以“碳和碳的氧化物”复习为例

任 慧 庄 山

（南京市科利华中学 江苏南京 210009）

《义务教育化学课程标准（2022 年版）》［1］指出：“基于大概念的建构，整体设计和合理实施单元教学，注重启发式、互动式、探究式教学，引导学生自主学习，开展以化学实验为主的多样化探究活动；创设真实问题情境，倡导‘做中学’‘用中学’‘创中学’，开展项目式学习，重视跨学科实践活动。”依据课程标准，在设计核心素养导向下、大概念统领下的单元复习课，可以让学生在核心素养提高的同时，提高他们的社会责任感，实现学科育人；同时也能使学生形成化学观念、发展科学思维。下面以人教版九年级化学上册第六单元“碳和碳的氧化物”的复习为例，探究大概念统领下的单元复习课的教学设计策略。

一、单元内容及教学主线

本单元的知识模块主要包括3部分：碳单质、碳的氧化物、二氧化碳制取的研究，其主要特点是物质种类多、物质转化多、研究物质的实验多、涉及的化学概念多、与生活和环境的联系多。

1.大概念和学习内容

《义务教育化学课程标准（2022 年版）》提出：“每个学习主题围绕大概念选取多维度的具体学习内容，既包括核心知识，又包括对思维方法、探究实践和情感态度价值观等方面的要求，充分发挥大概念对实现知识的结构化和素养化的功能价值”［2］。依据课标要求，本单元大概念及其统领下的学习内容如表1所示。

表1 “碳和碳的氧化物”的大概念统领下学习内容

2.学生学情和核心素养

在新授课学习中，学生能从物质元素组成的角度初步认识多种含碳物质，但并不能从化合价、微观结构等多角度分析、认识含碳物质；通过教材中的“实验探究”的学习，学生已初步认识了有关碳单质、碳的化合物的相关性质及发生的化学变化，但利用化学反应实现物质转化的科学思维未能得到发展，也未真正形成“物质化学变化”的化学观念［3］。学生在前面的学习中未充分开展自主学习活动，与同学交流合作的学习机会较少，未能充分提升自主、合作、探究的能力。本单元含碳物质与自然、科学、技术、环境等有着密切的关系。在前面的学习中学生对社会热点如“碳中和与碳达峰”的问题并没有充分的讨论和价值判断，学生对社会可持续发展的认识比较肤浅，未充分树立责任担当的意识。

3.设计理念和教学主线

基于学习内容与学生学情和素养分析，本单元复习课的教学设计的理念是从物质类别的角度分析含碳物质的性质，根据含碳物质的性质认识含碳物质的转化，在转化中提高自己的科学探究能力，在科学、技术、社会、环境产生的相关问题中提升解决问题的能力，感悟常见含碳物质的应用对社会发展的价值、对环境的影响，能有意识运用所学的知识或寻求相关证据参与社会性议题的讨论，增强其社会责任感。依据设计理念，本单元复习课中的教学主线见图1。

图1 “碳和碳的氧化物”复习课课堂教学主线

二、教学目标

根据课程标准的内容要求、学业要求和学业质量标准，并围绕大概念对实现知识的结构化和素养化的功能价值，制定如下教学目标。

（1）通过搜索含碳物质，利用作图法、比较法认识含碳物质的组成和结构；依据物质的组成和结构进一步分类认识物质，认识物质的多样性，进而提高对“物质的组成”大概念的认识。

（2）通过探究验证物质中含有碳元素的方法，利用物质变化及变化中元素守恒的视角认识含碳物质的化学变化及转化，初步形成认识化学反应的系统思维意识，建立验证物质中含碳元素的方法模型，从而深化“物质的变化和转化”大概念的理解。

（3）通过操作化学实验，认识实验的重要性，学会在不同实验中选择正确装置的基本技能，初步形成化学实验探究的一般思路与方法，真正让学生在“做中学、创中学”中发展自己的科学思维，强化自己的创新意识，增进对“化学科学本质”大概念的感悟。

（4）通过分析社会议题——海水酸化、碳中和，进一步认识二氧化碳对自然、社会的影响，理解科学、技术、社会、环境的相互关系；认识物质变化规律在解决与环境、人类健康等相关的问题中的作用，体会化学是推动人类社会可持续发展的重要力量，最终为践行“化学与可持续发展”大概念提供土壤［4］。

三、教学过程

1.含碳物质大搜索，感受物质多样性

活动1：寻找含碳物质并分类。

［教师提问］除了我们在前面的学习中认识的含碳物质外，生活、自然界中还有很多含碳物质，请大家找出视频中的含碳化合物，并在价类图上写出化学式。

［情景建构］播放《丰富多彩的含碳物质》的视频。

［学生活动］认真观看、快速回忆，写出刚才播放的视频中所呈现的含碳物质的化学式，并进行小组交流、评价，最后将视频中出现的含碳物质书写在价类图的对应位置上（见图2）。

图2 碳元素的价类图

［教师提问］炭黑、焦炭、活性炭为什么没有出现在价类图上？

［学生回答］因为它们都属于混合物，只是主要成分为碳单质。

［教师提问］为什么没有出现金刚石、石墨？

［学生回答］出现了。它们都属于碳单质，用元素符号C来表示。

［情景建构］展示金刚石、石墨、碳纳米管、石墨烯、石墨炔、T-碳等物质的结构（见图3）。

图3 碳家属成员的结构

［教师提问］他们放在价类图什么位置呢？是否属于同种物质，原因是什么？

［学生回答］都是碳单质。放在C60同一位置。因为它们的碳原子排列方式不同，属于不同的碳单质。

［教师提问］你认为判断属于同种物质的重要依据是什么？

［学生回答］组成和结构相同的物质是同一种物质。

［情景建构］展示“科技前沿”——中国T-碳的设计与合成（见图4）；请根据提供的材料，寻找最新的含碳物质，思考含碳物质越来越多的原因是什么？［5］

图4 科技日报内容展示

［学生回答］T-碳；含碳的物质可以进行人工合成，所以含碳物质也会越来越多的。

［教师小结］越来越多的碳单质的出现，正是物质多样性的体现。人们除了合成碳单质外，还合成了许许多多的含碳物质，如塑料、合成橡胶、合成纤维等。

［师生小结］常见的含碳物质。单质：金刚石、石墨、碳-60、T-碳等。化合物：一氧化碳、二氧化碳、碳酸钠、碳酸钙、碳酸等。其他含碳物质：塑料、橡胶、纤维等。

设计意图：通过对视频、科技前沿等信息资源中含碳物质的寻找，促进学生较全面地认识物质种类，深化学生对“物质多样性”大概念的理解。通过从微观结构判断物质种类和完成价类图等活动，学生学会对物质从元素组成、元素化合价、物质构成等多角度进行分类的方法，巩固“物质的组成”大概念。另外，通过对中国T-碳研究的了解，让学生认识科技力量与化学知识的相互关系，增进学生社会责任感，从而促进学生科学素养的提高。

2.验碳过程大探究，理解变化和本质

活动2：验证碳单质中含有碳元素。

［情景建构］出示两支石墨棒。

［教师提问］如何设计实验证明石墨棒中含有碳元素？

［学生活动］小组讨论，合作完成实验方案的设计。

［教师小结］同学们设计的实验方案大多是将石墨在氧气中点燃，将燃烧后产生的气体通入澄清石灰水中。反应的化学方程式为

［教师提问］该实验方案的可操作性如何？请验证。

［学生活动］小组讨论，合作分析，并进行实验。

［学生回答］实验方案在实施时，发现石墨在盛有O2的集气瓶中燃烧后，无法将气体通入澄清石灰水中，应选择将适量澄清石灰水倒入集气瓶中振荡。

［教师小结］验证碳元素存在的原理是碳单质和氧气发生化学反应，生成二氧化碳，再由二氧化碳和澄清石灰水反应生成碳酸钙，即溶液中出现浑浊来验证碳元素的存在。

［教师提问］根据碳单质的化学性质，你认为除了O2可使碳单质变为CO2，还有其他方式吗？

［教师小结］物质的性质决定物质的变化，所以考虑物质变化时一定要从物质性质入手，另外设计实验方案时还要考虑实验的可操作性，选择合适的装置。

［师生小结］验证碳单质中含有碳元素的实验方法：将碳单质和氧气或氧化铜反应，生成二氧化碳，再由二氧化碳和澄清石灰水反应生成碳酸钙，观察溶液中出现浑浊来验证碳元素的存在。

设计意图：通过证明石墨（碳单质）中含有碳元素的实验设计活动，加深对物质性质决定变化的基本观念的认识，为后面含碳物质的转化做好铺垫。本活动师生一起设计C→CO2→CaCO3的实验方案，教师引导学生从得氧、失氧角度巩固氧化还原反应的知识，促进学生对物质的结构、性质和转化关系的理解，最终深化学生对“物质的化学变化”大概念的理解。

活动3：验证含碳化合物中含有碳元素。

［情景建构］将学生分成4 组，每组提供装有CO、家用天然气（CH4）的集气瓶、装碳酸饮料的饮料瓶、装有鸡蛋壳的广口瓶各一件，并提供澄清石灰水、稀盐酸等必要的实验药品及器材［6］。

［教师提问］根据上面所学的方法，思考如何证明一氧化碳、二氧化碳、家用天然气（CH4）、碳酸饮料中含有碳元素呢？请自主设计实验方案。

［学生活动］梳理含碳物质的类别和对应的化学性质，自主设计实验方案、自行进行实验、记录实验现象并完成实验报告。

［学生活动］分小组交流（如表2所示），相互评价。

（39） 钝 角 顶 苞 苔 Acrobolbus ciliatus（Mitt.）Schiffn. 熊源新等（2006）；杨志平（2006）

表2 学生各小组交流内容

［教师提问］除了以上验证碳元素存在的方法外，还有没有别的方法？

［学生回答］利用CO的还原性，将CO通过灼热的CuO，再将生成的气体通入澄清石灰水。

［教师讲解］设计思路正确，但CO 是在集气瓶中无法将其通过灼热氧化铜，所以需要改进实验操作。

［教师提问］能否将灼热的氧化铜放入盛于CO的集气瓶中呢？

［学生回答］将一根铜丝，在酒精灯上加热变黑后，立即插入盛有CO 的集气瓶中，多次操作后，再倒入少量澄清石灰水。

［学生实验］将一根铜丝，在酒精灯上加热变黑后，立即插入盛有CO的集气瓶中，观察到铜丝又变成红色，多次操作后，再倒入少量澄清石灰水。观察到澄清石灰水变浑浊。

［师生小结］验证物质中含有碳元素的方法：首先，梳理被检测物质的性质，其次，利用其化学性质，发生化学变化后，将其转化为CO2，最后利用CO2能使澄清石灰水变浑浊的特性来验证该物质中含有碳元素。

设计意图：通过实验设计、实验操作、小组评价、师生讨论等，让学生在活动中进一步加深对物质性质和变化的理解，归纳并掌握验证碳元素存在的方法和一般思路。在该环节中，学生还从探究实验中较全面地分析物质的化学变化，体现“做中学”的教学理念，发展了“科学思维”的同时还提升了科学探究的核心素养。

活动4：选择验证物质中含有碳元素的实验装置。

［教师提问］除了在刚才的实验中我们使用的装置外，还可以使用哪些实验装置？

［学生活动］画出实验装置图，并展示交流。

［教师活动］抽取部分学生设计的实验装置图进行投屏（见图5）。

图5 学生设计的实验装置图

［师生小结］验证碳酸饮料中含碳元素的实验装置还可以用固液常温型发生装置A，也可以用加热型装置B来促进碳酸的分解；验证鸡蛋壳中含有碳元素的装置可以用微型实验装置C（在培养皿内的小槽中滴入2 滴澄清石灰水，另一边放入几片碎鸡蛋壳，滴入几滴稀盐酸后，盖上盖子）；验证二氧化碳存在时，也可用装置D（烧杯壁上沾有澄清石灰水）。

［教师活动］引导学生根据实验目的反思实验装置的优缺点，总结装置选择的方法。

［学生活动］选择部分装置进行实验，并观察现象。

［教师讲解］使用天然气时，锅底会出现黑色的炭黑，这也说明天然气中含有碳元素。我们也可以通过不充分燃烧生成的炭黑来验证有机物中含碳元素的方法确定。

设计意图：通过开展实验操作活动，提升学生科学实践和实验操作的能力；通过实验装置的选择，提升学生的实验探究能力，真正地让“化学科学本质”大概念落地。另外，通过微型实验装置的设计，让学生践行绿色化学的思想，体现“创中学”的教学理念。化学学习离不开实际生活，通过生活中的实例，让学生感受到学有所用。

3.除碳方法大汇总，巩固转化大概念

活动5：探究二氧化碳的吸收方法。

［教师提问］除了生活中含碳物质的转化外，我们自然界中的含碳物质也在昼夜不停地发生转化，同学们能想到自然界中含碳物质的变化吗？

［学生回答］植物的光合作用，CO2→C6H12O6；植物的呼吸作用C6H12O6→CO2。

［教师提问］除此之外，在这两个过程中二氧化碳还能与大气中的哪种气体实现转化呢，该循环对自然界有何意义呢？

［学生回答］氧气。该循环的意义是维持大气中二氧化碳和氧气的相对平衡，使大气中各气体含量相对稳定。

［教师提问］自然界中除了植物的光合作用能吸收CO2外，小组讨论、思考还有什么途径能吸收CO2？

［学生回答］海水吸收二氧化碳。

［教师提问］海洋是地球上最大的储水库，其储水量约占全球总储水量的96.5%，海水是不是可以大量吸收二氧化碳呢？

［学生回答］海水肯定能吸收很多，而且根据海水的量可推测它对CO2的吸收肯定能大大降低大气中CO2的量。

［教师提问］大家查阅教材判断CO2是否可以无限制溶解在水中与水反应呢，如果大量吸收CO2对海洋生物有怎样的影响呢？

［学生回答］在常温常压下，1 体积水中可溶解1体积二氧化碳，大量的二氧化碳溶于水会导致海洋酸化，影响海洋生物的多样性。

［教师讲解］如果大气中排放大量二氧化碳，对大气、对海洋都会有怎样的影响呢？一起看来聆听气候会议中专家的解答（见图6）。

图6 世界气候会议题议

设计意图：化学离不开生活，更离不开大自然，这个环节达到实现跨学科学习的目的，让学生感受到生物和化学在研究、探究自然中的价值，更重要的是引导学生能从内因和外因、量变与质变等方面较全面地分析物质的化学变化，还能用对立统一、联系发展和动态平衡的观点思考、分析化学反应，这是“科学思维”的核心内容，真正地让学生进行跨学科实践，促进大概念“化学与跨学科实践”的内化。

活动6：践行“双碳”理念。

［教师讲解］目前CO2排放量很多，对自然生态系统、人类的生活环境产生极大的影响。习近平主席在2020年提出了“碳中和与碳达峰”理念，根据课前对该理念的了解，思考2020 年后全球CO2含量的走势（见图7）。

图7 2020年后全球二氧化碳浓度的三种走势猜想

［学生活动］学生阅读并思考，试着用作图法表示可能的变化，小组讨论思考的成果。

［教师提问］要解决CO2排放问题，我们的宗旨是将CO2转化为其他物质，你能设计出多少种二氧化碳的转化方法呢？试着用概念图的方式表示出来。

［学生回答］根据今天实验探索中所习得的物质间转化方法，用概念图的形式表示出来（见图8）。

图8 物质转化图

［教师提问］你们想到了用碱液吸收、植树造林等方法，还有其他更好的方法吗？咱一起看看科学家怎么做的（见图9），根据科学家的研究成果，来谈谈你们的感受。

图9 二氧化碳的利用

［学生回答］将CO2变为燃料油，变废为宝，还可以循环利用。我们可以将CO2收集起来，然后再利用。

［教师小结］回答得非常好，这就是我们今后要认识的CO2捕捉与利用技术。通过今天的学习，请完成一篇微写作。主题是作为社会一员，有何方法能缓解或改变二氧化碳的排放，让我们的环境和生态能绿色地运行？题目自拟，形式最好图文表结合，字数500字以内。

［教师讲解］物质的转化方法有很多，随着不断学习，我们还将认识更多的物质，物质的转化也会更加的丰富，相信有一天，你们也会像科学家一样预测并实现在一定条件下物质可能发生的化学变化。

设计意图：通过学习化学知识，学生认识并参与社会政治的决策，培养学生的社会责任感，通过化学与生活、自然的联系，实现学科融合，从而实践学科育人的理念。除此之外更重要的是让学生广视角地认识物质的变化及变化的条件，让学生体会解决环境问题的方法，最终提高“科学思维”的核心素养。

四、创新与反思

1.强化化学观念的形成、科学思维的发展

本节单元复习课通过多样的活动、自主实验探究等多种方式对含碳物质的分类、含碳物质的性质及含碳物质间转化等化学观念进行了深入的强化，在强化过程中，带领学生基于事实和逻辑进行独立思考和判断，学会了多种科学思维方法，比如分类、分析、比较等，这些方法对学生科学思维的发展起到了重要的作用。不管是化学观念的强化还是科学思维的发展，最终都是促进学生对化学学科大概念的理解。

2.注重学生自主的科学探究与实践

联系生活，在真实的问题情景中选择有意义的探究问题，引导学生经历真实的探究过程，加强探究活动中的科学思维。在验证碳元素方法探究中，学生建构了物质转化的一般方法，初步建立了验证元素的模型，增进学生对化学科学及科学探究本质的理解，在自主科学探究中，学生还根据不同问题创新实验装置，真正实现了“做中学”“创中学”。

3.充分发挥了化学学科育人的功能

结合生产生活、社会发展、科技进步等方面的典型事例，引导学生认识化学科学在创造新物质、应对人类面临的重大挑战中的作用，彰显化学家作出的创新性贡献和展现出的科学家精神，增进了社会责任感。学生的思维方式从知识走向学科，从低阶走向高阶，核心素养有了较大的提升，尤其是“科学思维”有了进一步的发展，让学生真正地感受到了化学与生活、自然、科技的联系，更加高层次的认识物质的变化及意义。此外通过实验方案、实验装置的设计与优化，提升了学生科学探究的能力，践行了绿色化学的理念［7］。

由于课时的安排，本节课没有更多地引导学生从定量的角度分析二氧化碳的吸收和转化，也没有关注到变化中的能量变化。另外，本节课主要让学生通过两个实验探究完成验证含碳元素的方法总结，时间允许的情况下还可以再增加一些有效的实验探究，让学生真正地从做中学，从学中思，更有效地实现学科育人。