系统思维视角下的高中化学单元教学研究

崔馨月 金京一

［摘 要］系统思维视角下的单元教学，是为发展学生的学科核心素养而对传统教学设计进行的研究与优化。氮及其化合物作为高考的重要考点，具有重要的教学地位与研究意义。文章根据课程标准要求，对“氮的循环”这一主题进行单元教学设计。

［关键词］系统思维；高中化学；单元教学；氮的循环

［中图分类号］    G633.8        ［文獻标识码］    A        ［文章编号］    1674-6058（2023）35-0060-04

为了满足新时代对我国国民素质和人才培养的新要求，我国颁布了新课程标准，并明确提出培养学生的学科核心素养是高中阶段教育的主要目标。系统思维是源于系统论的一个概念，将其具体化，并在中学化学的相关教学中探索形成教与学的良性互动系统，可以达到培养学生学科核心素养的目的。

化学学科中的系统思维是化学教学关注的重要内容，是学生学习和发展的方向，是学业水平和落实学科核心素养的重要体现。对化学单元教学进行整体设计是全面发展学生学科核心素养的有效途径，而运用系统思维对教学过程中的目标制定、内容设计等进行整体规划指导，可以将二者进行融合，从而为单元教学提供新的理论指导。以单元教学为载体进行教学可以让学生认识到元素及其化合物的相关知识点虽然内容较多，但内容之间存在一定的逻辑性，并非孤立、琐碎的知识。另外，通过元素及其化合物的学习，学生可以认识到学科知识与自然界和社会生产生活是紧密相关的，从而形成系统思维，学会从整体的视角分析和解决问题。

一、基于系统思维的教学设计思路

（一）系统思维与单元教学概述

系统思维是源于系统论的一个比较抽象的概念，其要求从整体性出发分析对象，将整体性贯穿思考过程的始终，还要求从全局出发，以全新的角度系统地观察对象。将系统思维融入化学教学，就是将化学学科看作一个系统。而将化学学科知识之间、化学学科与社会环境之间以及化学教学系统各要素之间存在的相互联系呈现出来，是系统思维方法在化学教学中的体现。

单元教学是指教师在仔细研读教材与课程标准之后，按照具体的教学情况将教材中的知识进行重构，重新划分教学单元，并对新划分的教学单元进行整体设计，最终实现学生学科核心素养的发展。本文以“氮的循环”为主题进行单元教学的设计，将氮的固定、氮肥以及工业制硝酸等知识涵盖其中，并联系生产生活实际，充分体现氮元素及其化合物之间的相互转化关系，同时让学生学会从元素价态的角度认识物质的性质和物质之间的转化关系。

（二）教学内容分析

元素及其化合物是高中化学教学的重要内容，贯穿高中化学的整个知识体系。物质世界是由元素组成的，因此元素及其化合物的学习可以让学生认识到化学学科与生活实际是紧密联系的，如海水中的卤族元素、氮的循环、铁的冶炼等贴近生活的内容更容易激发学生的学习兴趣，同时元素部分是中学化学其他知识学习的基础。因此，在元素及其化合物的教学中可以适当地融入结构理论部分的知识，从而为学生学习物质结构知识打下基础，让学生树立“结构决定性质，性质决定用途”的化学观念，形成知识网络。

“氮及其化合物”是人教版高中化学必修二第五章第二节中的内容，主要包括氮及氮的固定、一氧化氮和二氧化氮、氨和铵盐、硝酸、酸雨及防治等。教材知识点的设置是按照“单质—氧化物—化合物”的顺序循序渐进的，以学生熟悉的雷电现象开始，从自然界的氮循环到有人类活动参与的氮循环，从实验室到工业生产，多角度地让学生了解氮的循环过程中物质的转换以及氮循环的影响。以化学学习为桥梁将自然与社会紧密联系起来，从而开阔学生的视野，引导学生形成更具系统性的思维方式，并建立知识体系。这部分内容的学习，不仅可以让学生对物质分类、氧化还原反应等知识进行运用，还可以强化学生对元素周期表部分知识的理解和运用。作为高考的重要考点，氮及其化合物具有重要的教学地位与研究意义，同时其也与社会生产生活密切相关，而自然界中氮的循环过程所涉及的知识几乎涵盖了氮及其化合物的完整知识体系。因此，选择“氮的循环”作为教学单元的主题时，可从学生的生活实际出发，在教授学生知识的同时培养学生的社会责任感，发展学生的学科核心素养。

（三）设计思路

1.单元教学目标

（1）能从氧化还原反应的角度分析含氮物质的相互转化关系，将含氮物质联系在一起；

（2）将含氮物质呈现在“价—类”二维图中，让学生从化合价的角度认识物质的性质并对其进行分类；

（3）将化学学科的知识系统与自然界中的氮循环系统以及人工固氮等社会生产活动联系起来，让学生形成系统化的思维方式，培养学生的社会责任感。

2.教学重难点

【教学重点】

（1）让学生从化合价的角度认识物质的性质并对其进行分类；

（2）自然界中氮循环系统的影响以及其中涉及的各物质的性质及相互转化关系；

（3）掌握工业上硝酸的制备原理及其强氧化性，了解人工固氮的意义以及工业发展对自然界的影响。

【教学难点】

（1）从元素化合价的角度认识氮及其化合物的转化关系；

（2）认识到自然、社会与学科知识的学习是紧密联系的。元素组成物质，物质组成自然界与人类社会，人类进行化学学习研究物质的结构、组成、性质和用途，人类活动又影响着自然界。

3.单元教学设计

以化学教学系统的两个子系统“化学施教”“化学学习”为两条主线，即图1中的“教师线”与“学生线”，两条主线并进，建构出适合本单元教学设计的基础思路模型。总的设计思路就是，首先确定化学施教过程的设计线：析学情，选主题→定目标，创情境→做设计，去实践→根据学生表现，适当调整→评价反馈；然后确定化学学习过程的设计线：明主题，查资料→推理分析、培养能力，合作探究、解决问题，学习新知、发展素养→教学评价。“教”与“学”共同构成了教学系统，且二者之间存在联系，因此，教师在选择单元教学主题时要充分了解学生的基本情况，选择合适的主题，进而制定教学目标和创设教学情境。另外，教师还要在实际教学中根据学生的课堂表现对教学计划进行适当的调整以及根据学生的评价反馈信息进行教学设计的优化。

二、教学过程

课时教学设计案例——“氮肥的生产和使用”

（一）联系生产生活实际，激发学生学习兴趣

【教师活动】讲述合成氨工业的发展史，联系庄稼生长需要的条件，创设情境。

【教师活动】播放“氨气泄漏”的新闻视频，让学生思考氨气的物理性质。

【学生活动】观看视频，总结氨气的物理性质：氨气密度比空气密度小，无色，有刺激性气味。

设计意图：从农业的发展导入新课，将学科系统与社会系统联系起来，让学生思考为什么合成氨在农业发展中有如此巨大的影响，氮元素对植物的生长有哪些重要作用，氨有哪些性质。

（二）跨学科知识迁移，促进知识理解

【教师活动】让学生回忆高一生物课上学过的植物细胞的物质运输方式，并思考氨气是否能直接用于氮肥。

【教师活动】先提出问题“氨气转化为液态氮肥的途径有哪些”，然后展示氨气的资料卡片，让学生思考是否可以通过将氨气溶于水的方法来得到液态氮肥。

设计意图：通过跨学科知识的迁移，让学生感受知识间的联系性和逻辑性，从而更容易接受和理解相关知识点。

（三）通过实验探究，发展学生的宏微观念，形成学科知识系统

【教师活动】演示“喷泉实验”，并提问：

1.为什么装置内会形成喷泉？（思考氨气的溶解性）

2.喷泉为什么会呈现红色？（思考氨气的化学性质）

【学生活动】观看演示实验，小组讨论总结。

【教师活动】分析实验现象：

1.因为氨气极易溶于水（1∶700），氨气溶于水后会让瓶内的压强减小，大气压就会把水压入瓶中，于是形成喷泉。

2.因为氨气与水反应后溶液呈碱性，而酚酞遇到碱性溶液会变红色，所以喷泉为红色。氨气与水的反应：NH3 +H2O?NH3·H2O?NH4++OH-。

设计意图：演示实验可以让学生直观地观察到实验现象，而实验过程中涉及的物质的性质与物质的转化，可以帮助学生建立起知识之间的联系。

【教师活动】将演示实验的装置打开，让学生闻一下氨水的气味，并让学生讨论是否可以把氨水当作氮肥使用。

【学生活动】讨论交流，总结氨水作为氮肥的优缺点。

【教师活动】总结学生的讨论结果，并引入农业生产中使用更广泛的固态氮肥。介绍常见氮肥的种类：铵态氮肥（主要成分为 NH[+4]）、硝态氮肥（主要成分为 NO[-3]）和有机氮肥——尿素［CO（NH2）2］。

【教师活动】演示“成烟实验”，并抛出问题：NH3是如何转化为NH[+4]的？实验生成的白烟的成分是什么？让学生带着问题观看演示实验。

【学生活动】观看演示实验，小组讨论，并得出结论：氨气与氯化氢气体反应生成的白烟成分是NH4Cl固体，化学方程式为NH3 + HCl＝NH4Cl。

【拓展思考】氨氣是否可与硫酸和硝酸反应？如果可以，其化学方程式是什么？

【学生活动】讨论交流，书写化学方程式：2NH3 + H2SO4＝（NH4）2SO4；NH3 + HNO3＝NH4NO3。

【教师活动】总结：氨气与酸反应会生成对应的铵盐，离子方程式为：NH3 + H+＝NH[+4]。

【教师活动】抛出问题：从氧化还原的角度分析NH3→HNO3发生的是什么反应？NH3可以一步转化为HNO3吗？让学生从化合价升降的角度思考氨气的化学性质。

【学生活动】小组交流讨论：NH3中的氮元素化合价是最低价，具有还原性。NH3→HNO3发生的是氧化反应。NH3中的N为-3价，HNO3中的N为+5价，故NH3不能一步转化为HNO3。

设计意图：从物质的组成、性质的角度分析从氨气到固态氮肥的转化，利用演示实验进行探究验证。

【教师活动】先向学生展示碳酸氢铵和氯化铵固体，然后打开瓶盖，让学生闻气味，并思考为什么会闻到氨气的味道。

【学生活动】合作探究实验：分别加热碳酸氢铵和氯化铵固体，并观察现象，归纳总结。

【教师活动】1.总结：铵盐不稳定，受热易分解出氨气。化学方程式为：NH4Cl[△]NH3↑+HCl；NH4HCO3 [△ ]NH3↑+CO2↑+H2O。

2.提问：除了加热铵盐，还可以用什么方法使铵根转化为氨气？

【学生活动】小组讨论，提出假设：铵盐可以与碱发生反应，并进行实验，探究氯化铵固体与氢氧化钠溶液的反应。

【教师活动】总结：铵盐可以与碱性溶液发生反应。离子方程式为：NH4++ OH-[△]NH3↑+H2O。

设计意图：开展实验探究，让学生更有参与感，可以更好地调动学生学习的积极性，并且培养学生的逻辑思维，发展学生的学科核心素养。同时，在实验探究过程中学习含氮物质的转化，有利于学生化学学科知识系统的形成。

三、教学反思

系统思维视角下的化学单元教学研究具有实践探索意义。从教师的角度看，教师需要在系统思维的指导下将教材中的知识按照不同的主题重新划分教学单元，并从新划分的教学单元出发进行教学设计，将化学知识系统与自然、社会系统联系起来，继而实施单元教学，促进学生系统思维的形成与发展。这也要求教师更深入地分析和把握课标要求以及教材内容，积极地掌握高考考点动向，不仅要提升化学知识储备，还要了解学科相关的前沿，积累一定的生活经验。从学生的角度看，学生学习的过程也是其知识网络自主构建的过程。单元教学强调知识的内在联系和规律，将分散的知识结构化、系统化，这有助于学生的课程学习更有目的性和层次性，从而锻炼学生的逻辑思维能力。同时，学生在学习过程中联系自然与社会，能更好地理解和掌握知识，认识到化学与自然以及社会发展之间的关系，也能更加灵活地运用知识认识和解决现实问题，而不是对知识进行应试化的“死记硬背”。

［   参   考   文   献   ］

［1］  中华人民共和国教育部.普通高中化学课程标准：2017年版2020年修订［M］.北京：人民教育出版社，2020.

［2］  马玉芹，张淑华，张晓霞.系统论在化学教学论教学中的应用［J］.长春理工大学学报（社会科学版），2009（6）：1026-1027.

［3］  朱立峰.化学系统思维能力：内涵与范例［J］.教育研究与评论（中学教育教学），2011（8）：61-64.

［4］  吴海霞，王祖浩.学科核心素养视域下的单元教学设计研究：以“简单的有机化合物及其应用”为例［J］.化学教学，2020（10）：45-49.

（责任编辑 罗 艳）