基于UbD的初中化学大概念主题单元复习教学设计

蔡辉舞 王锋 洪兹田

摘要： 以“基于物质类别认识物质的性质与变化”大概念统领单元复习教学，以“有反应无明显现象的实验探究”为载体，呈现逆向设计理念视角下教学设计的探索与实践，通过构建促进学生理解的多维教学结构，注重“教、学、评”一体化，促进具体知识背后的大概念外显和化学课程核心素养落地。

关键词： UbD理论； 大概念； 有反应无明显现象的实验探究； 主题单元复习教学； 初中化学

文章编号： 1005-6629（2023）03-0034-07

中图分类号： G633.8

文献标识码： B

1  问题的提出

《义务教育化学课程标准（2022年版）》要求：教师应积极探索大概念统领下的课堂教学，实施单元整体教学，开展以化学实验为主的多样化的学科活动，促进科学思维培养，注重实施“教、学、评”一体化，实现从知识为本到素养发展的课堂教学转变［1］。

追求“理解”的逆向教学设计（Understanding by Design，简称UbD）是指教师在教学设计前，首先要先关注预期的学习结果，教学评价优于教学活动的开展，是从学习结果开始的“以终为始”的逆向思考［2］。逆向教学设计主张以大概念和重要的表现性任务为核心，使学生更容易理解而达到预期学习结果。教学过程中，教师应结合课程标准相关要求进行单元逆向教学设计，提升学生化学课程核心素养，引发深度学习。

2  UbD逆向教学设计和大概念单元教学

UbD逆向教学设计最主要的特征是“理解”和“逆向”。“理解”的主要特征表现是对大概念的理解和构建，将大概念转化成可以解决的、有启发性的起到媒介作用的基本问题，通过问题的结构化引导“理解”结构化，完成对“大概念”的形成和内化。“逆向”的主要特征表现为“结果”“证据”“活动”三者间的逆向因果关联。UbD逆向设计包括三个阶段（见图1）。

逆向设计目标先行，将评估环节的设计前置，大大改善了教学目标达成的随机性，使预期结果、关键表现以及教与学的体验之间产生更大的一致性，有利于学习情况的实时反馈、证据的及时调整甚至新的积累，从而形成螺旋式发展的教学设计闭环，这也是UbD逆向设计将评估证据逆向前置的价值所在。

大概念是反映化学学科本质，具有高度概括性、统摄性及迁移价值的思想观念，体现了核心素养在化学学科各主题中的内容化和特质化要求。大概念统领的单元教学内容框架包括5个维度：课程标准明确需要建构的大概念（big idea， B）、需要学习的核心知识（core knowledge， C）、需要掌握的基本思路与方法（method， M）、需要形成的重要态度（attitude， A），以及需要经历的必做实验及实践活动（practice， P）［3］。通过BCMAP五维一体的结构，引导学生直面真实的问题场景，在科学探究及学科实践活动中经历和体验，掌握和理解核心知识，形成和发展科学思维方法，孕育和树立情感态度与价值观。

3  基于UbD的大概念主题单元教学设计实践

3.1  主题单元分析——建构大概念

“有反应无明显现象的实验探究”主题单元是人教版九年级下册的一个中考复习单元。学生已经学习了二氧化碳、酸、碱、盐等重要物质的性质及用途，能从感知与记忆水平层面知道具体物质的事实性知识。但是，从物质类别视角，对于重要知识间的内在关联以及学科本质理解上的学科思想与方法，还缺乏知识的系统性和认识思路的结构化。在化学学习中，許多化学反应通常伴随着明显现象，但也有些反应真发生却未能观察到明显实验现象，针对这类反应的综合探究，学生往往缺乏思考方向，依靠传统做题解决了具体知识和技能的学习，但无法促进学生科学思维、关键能力和价值观的发展与形成。这类“有反应无明显现象的实验探究”主题包含：CO2与水、CO2与NaOH、 NaOH与盐酸、NaOH的变质等，这些内容较分散，但有共同的学科特质。

基于以上因素，在学生学习了酸碱盐重要的内容后，专门抽提出了“基于物质类别认识物质的性质与变化”大概念，进行大概念统领下的“有反应无明显现象的实验探究”拓展性主题单元复习教学。通过该主题单元学习将零散的知识主题化、结构化和素养化，引导学生通过设计实验方案，分析、解释有关的实验现象，运用综合归纳等科学方法，进行证据推理，化无形为有形，从而掌握常见酸碱盐的性质及转化，多角度表征物质变化，构建思维模型并形成证据推理意识，促进科学思维发展。

3.2  教学目标——确定预期结果

本主题单元为复习单元，目标规划不仅需要对单元内容进行学科理解，还需兼顾学科知识整合和学业质量要求。据此，设计单元复习教学目标和课时目标见表1。

课时11.1  能依据物质的组成对物质进行分类，知道同类物质在性质上具有一定的相似性，具有研究同类物质的思路。通过实验，认识CO2、酸、碱、盐的主要性质，能描述实验现象和用化学方程式表征化学反应。

1.2  与CO2有关的无明显现象反应受多因素影响，能利用控制变量法，与同伴合作设计对比实验排除无关因素的影响，构建单点到多点关联的结构化认识。

1.3  基于证据推理，会用语言或思路图表表达研究“有反应无明显现象的实验探究”的一般思路与方法，形成从个别到一般的思维建模和应用迁移。

课时22.1  通过观察分析宏观的现象证据和数字化实验的图像证据，多角度认识“酸碱中和”及“与CO2有关的反应”，构建“宏观-微观-符号-曲线”多重表征的思维方式。

2.2  初步形成从定性实验探究和定量图像表征视角研究物质性质与变化的结构化思路，并能将图像表征的认识和应用迁移到对同质问题的解决中。

课时33.1  能运用“有反应无明显现象的实验探究”的一般思路与方法，结合宏微结合和复分解反应条件，从物质类别视角选择合适的试剂进行物质的检验、物质的转化，构建酸、碱、盐间物质转化的知识结构化。

3.2  基于证据推理，能用语言或图示表达“氢氧化钠变质程度探究”的一般思路与方法，建立认知模型，并运用模型解决与化学有关的实际问题。

3.3  教学框架——大概念下的结构化设计

在“基于物质类别认识物质的性质与变化”大概念统摄下，结合BCMAP多维课程内容，形成相关主题内容的有序整体结构，使得教学目标凸显，方向清晰［4］。“有反应无明显现象的实验探究”单元教学框架如图2所示。

课时1“与CO2有关的无明显现象反应的探究”，针对“CO2与水”“CO2与NaOH溶液”无明显现象的反应，采用整合对比复习的实验探究策略，针对主题，创设从“无”到“有”的可视化实验教学情境，以问题引领，层层推进，促进认知水平和思维品质螺旋上升，凸显化学学科方法，构建思维模型（见图3），彰显实验的育人价值。

课时2“物质转化与图像表征”，将传统实验与数字化实验融合，利用手持技术，将宏观的物质变化，转化为量化的数据图像，实现了化学反应过程的可视化、场景化，让化学反应有迹可寻，使化学研究从定性走向定量。图像表征加深了对化学学科本质理解，凸显科学思维的轨迹，基于证据推理，形成了“曲线-宏观-微观-符号”四重表征的思维方式，使思维外显、素养内化，如图4所示。

课时3“氢氧化钠变质程度的探究”，在前两课时的基础上，知识和能力要求更进一步，从物质类别视角，进行实验方案的预测、评价与实施，对酸碱盐等物质性质进行重构学习，从“宏观-微观-符号”三重表征视角，形成物质检验和探究物质变质程度的思维模型（见图5）。

3.4  教学评价任务设计——确定评估证据

评估证据指的是在单元或课时学习过程中利用各种正式或非正式的评估收集起来的证据［5］。多种持续性的评估，以及更大程度地关注形成性（和表现性）评估，才能产生和激发理解［6］。UbD倡导“以终为始”的基于评估证据的设计，实施多样化的评价方式，使教学更具指向性和针对性。因此，根据表1所示的教学目标，设计活动表现评价内容（见表2）。

3.5  学习活动与评价设计——“教、学、评”一体化

确定预期结果和恰当的评估证据后，设计基于大概念的学习活动，达成“教、学、评”一体化。教学目标和评估证据最终的落脚点都在课堂教学活动设计的实施中，教学目标是学习的索引，教学评价是对学习结果的检验。“有反应无明显现象的实验探究”主题单元教学活动设计如下：

3.5.1  课时1  与CO2有关的无明显现象反应的探究

［问题1］VC泡腾片溶于水产生的气体是否为CO2？

［表现性任务1］学生进行气体检验。

［学习评价］学生能很好地完成实验、描述现象、准确书写化学方程式并归纳结论。

［问题2］用注射器抽取VC泡腾片溶于水后产生的气体，注入NaOH溶液，振荡、观察不到明显现象，如何设计实验证明二者发生了反应？

［追问］往充满CO2的瓶子里倒入NaOH溶液，观察到瓶子变瘪，能否证明NaOH与CO2反应了？如何设计实验证实呢？

［表现性任务2］对于多因素影响时能使用控制变量法设计实验。从反应物减少的视角，证实无明显现象反应的真实发生，如图6。

［学习评价］水平较高的学生自如运用控制变量法完成设计任务，并进行证据推理。部分学生缺乏清晰的思维迁移路径，需教师有效引导和同伴互助，方可完成。

［问题3］CO2加水后的溶液中加入紫色石蕊试液，溶液变红。反应中有多个因素干扰，如何设计实验论证溶液变红的原因？

［表现性任务3］学生利用控制变量法探究紫色石蕊试液变红的原因（见图7）。

［学习评价］经过了表现性任务2的实践体验，对于多因素影响的反应，大部分学生都能较好地运用控制变量法设计实验方案，方案开放且多样，能准确表征化学反应、描述现象、推理归纳。

［问题4］上述实验说明了CO2能与水发生反应，能否阐述其设计思路？

［追问］能否将该设计思路运用于证明NaOH与CO2的反应？

［表现性任务4］选择不同类别的物质检验：图6实验中NaOH与CO2混合后的溶液中是否含有Na2CO3？

［学习评价］水平较高的学生思维敏捷，能运用复分解反应条件，宏微结合，选择合适的酸碱盐进行CO2-3的檢验。能筛选方案、完成实验，获取证据和结论。能与他人交流该反应研究的一般思路。水平较低的学生较难从微观角度思考物质的检验方法。

［定量评价］试题诊断评价（略）。

课时设计意图：从VC泡腾片溶于水，展开一系列针对看不到明显现象反应的探究，有趣味性和认知冲突，螺旋构建“有反应无明显现象”反应发生的认知模型。基于实验证据，提升科学论证和证据推理能力，培养实证、严谨求实的科学态度。

3.5.2  课时2  物质转化与图像表征

［问题1］浏览手机GPS运动动态轨迹图。化学反应能否也能直观呈现过程轨迹？

［表现性任务1］数字化实验——探究中和反应。往NaOH溶液中加入稀盐酸，利用pH、温度传感器，观察分析曲线动态变化（图略）。

［学习评价］水平较高的学生能解读pH和温度曲线变化的意义，能从曲线中提取关键信息，理解中和反应的学科本质。能将“曲线-宏观-微观-符号”相联系，构建四重表征思维方式。水平较低的学生较难从曲线中获取数据证据，数形解析的能力较为欠缺。

［问题2］宏观的定性实验，清晰阐述了“与CO2有关的反应”，能否利用数字化实验进行定量角度的研究呢？

［表现性任务2］数字化实验——探究“与CO2有关的反应”。借助压强传感器，比较CO2与水、饱和石灰水、饱和NaOH溶液反应的过程。开盖直接倾倒，对比分析宏观的实验现象与图像表征，解析曲线变化的化学本质。

［问题3］上述实验，在密闭条件下用注入法，如图8所示，分析压强变化曲线，你能获取哪些信息？

［追问］你会有哪些发现？

［表现性任务3］借助试题诊断性评价，解析曲线变化的意义。

［学习评价］水平较高的学生能根据NaOH与Ca（OH）2溶解性差异，通过图像证据，分析推理，证实NaOH与CO2反应；能解析三条曲线的差异、AB段增大的原因。水平较差的学生，从单条到多条曲线的对比综合分析，缺乏思维的入口和路径。

［问题4］能否利用数形结合，进行定性和定量的综合研究？

例：欲测定一瓶标签破损的稀硫酸的溶质质量分数，现取30g该稀硫酸样品于烧杯中，将溶质质量分数为10%的NaOH溶液逐滴滴入到烧杯中，边滴边搅拌，随着NaOH溶液的不断滴入，溶液pH变化如图9所示。请解决问题：（1）分析a點溶液中的溶质成分。（2）计算该稀硫酸的溶质质量分数。

［表现性任务4］根据曲线进行分析，解决上述问题。

［问题5］如何从定性和定量视角构建“有反应无明显现象”反应发生的思维模型？

［表现性任务5］展示课时结构图，对话讨论，表达交流。

［定量评价］试题诊断评价（略）。

课时设计意图：图像更直观、明了，利用数字化实验，如手机GPS运动轨迹，表征化学反应中相关量的变化，使学生从不同视角论证了化学反应的真实发生，构建多重表征思维方式。通过图像解析，培养学生读图、析图、推理、论证等重要的学习能力。通过定量评价诊断，反馈核心知识和认识思路的迁移应用水平。

3.5.3  课时3  氢氧化钠变质程度的探究

［问题1］小洪同学在进行中和反应实验时，向烧杯中的NaOH溶液滴加稀盐酸，发现有气泡产生。为何会有气泡产生？

［追问］NaOH已变质，变质的原因？除了盐酸，还能用其他类别物质进行检验吗？

［表现性任务1］分析变质原因，讨论用其他类别物质（除酸以外）进行检验。

［学习评价］该问题的解决与课时1中从生成物角度判断CO2与NaOH反应的实质相同，属于同质问题的不同呈现方式。大部分学生经过了第1课时学习，能较好地分析和应用。

［问题2］NaOH溶液已变质，变质程度如何？

［追问］部分变质和完全变质的溶液成分有何不同？

［追问］部分变质或完全变质的实质是在Na2CO3存在的情况下，检验有无NaOH。结合酸碱盐的化学性质，如何设计实验判断变质程度？

［表现性任务2］小组合作设计实验探究NaOH的变质程度。

［学习评价］物质具有独特的性质。水平较高的学生能与同伴合作优化方案，形成设计思路：先检验并除去Na2CO3，再检验是否含有NaOH。水平较低的学生对于混合物的检验缺乏思路，需要教师搭建支架不断引导，在同伴帮助下，才能明确物质的检验方法和试剂量的使用，才能结构化地应用酸碱盐间的知识联系。

［问题3］通过实验方案实施，能否总结NaOH变质程度探究的思维模型？

［追问］基于NaOH的性质，实验室应如何保存这类碱？

［表现性任务3］梳理本单元内容、单元相关检测及素养内化，考查学生认识水平的发展和学科能力的提升。

［定量评价］试题诊断评价（略）。

课时设计意图：在NaOH变质程度的探究中，基于物质类别构建酸碱盐间的联系与转化，形成了知识和认知的结构化，建立“基于物质类别认识物质性质及变化”的研究思路与方法，将具体知识背后的大概念构建并外显出来，促进学生高阶思维的发展。

4  总结与反思

本主题单元学习实现了“构建模型”到“迁移应用”的进阶学习，课堂学习氛围和谐热烈，学生参与度高，从课堂学习评价及课后学生反馈中，可发现单元教学目标基本达成。针对学生的真实表现，提出几点思考：

4.1  跳出学科桎梏，加强跨学科融合

课时1中，对于多因素影响时使用控制变量法，可从学生熟悉的学科间联系入手，搭建跨学科学习支架，实现方法迁移。气体参与造成密闭体系内压强减少的反应，图像表征中的数形结合以及宏观-曲线间的联系，通过跨学科融合，有效增进学科理解。有学生评价这样的复习课就是多彩化学变化与缜密数学思想、严谨物理推理的大融合。

4.2  遵循学习逻辑，建构思维模型

本设计应遵循学生学习逻辑，从理解、探究到建模、应用。真正在探究活动中，逐步建构“有反应无明显现象”问题的解决模型。诚如一学生所言：以前学习，知识是一点一点的，感觉有些零散，现在串起来竟成了一片，顿时豁然开朗，原来知识内部是相互联系的。

4.3  重视证据获取，培养证据推理能力

获取证据是进行证据推理的基础，应重视信息获取的技能训练，利用实验前引导、实验时深度设计、实验后交流总结，引导学生深入观察、获得准确全面的信息。图像是变化的另一种直观表征形式，应引导学生学会获取图像证据和数据证据的方法，解析图像变化趋势及关键点所表示的意义，利用多重表征，突破难点［7］。“推理”是高阶思维，涉及分析、对比、归纳等思维过程，应在“证据推理”过程中培养学生对所收集信息的处理能力，培养“实证意识”，才能进一步构建解决问题的认识思路模型［8］。

4.4  延伸学习宽度，变解题为解决问题

复习课不能深陷解题泥潭，应引导学生在真实情境中思考和解决问题。复习课时间有限，课外可对“久置石灰水的变质”继续探究，实现从一种物质到一类物质的学习。作业评价中可补充数字化实验和有关纯度的化学方程式计算，进一步从定量视角解决NaOH变质程度的探究问题，促进认识水平和高阶思维发展。课时3从物质类别角度设计方案，学生需要有较好的酸碱盐知识储备，不同学生不同设计路径，基础薄弱的生源，需创设问题解决支架，循循善诱；生源较好的，可适度开放。

逆向设计为素养导向的教学变革提供了可操作的途径，但也可能陷入机械式的模板化。模板化的设计，受模板空间和框架的影响，设计内容、意图和亮点无法具体地呈现，情感目标实施不够凸显。因此，基于UbD理论的单元设计仍需要有更多的思考与探索。

参考文献：

［1］中华人民共和国教育部制定. 义务教育化学课程标准（2022年版）［S］. 北京： 北京师范大学出版社， 2022：4.

［2］［6］（美）Grant Wiggins， Jay McTighe著. 闫寒冰等译. 追求理解的教学设计（第二版）［M］. 上海： 华东师范大学出版社， 2016.

［3］房喻， 王磊主编. 义务教育化学课程标准（2022年版）解读［M］. 北京： 高等教育出版社， 2022：7.

［4］何彩霞. 化学学科核心素养导向的大概念单元教学探讨［J］. 化学教学， 2019， （11）： 44～48.

［5］杨玉琴. “教、学、评一体化”下的目标设计与达成——基于2017版课标附录案例的批判性思考［J］. 化学教学， 2020， （9）： 3～9.

［7］光程. 初中学生化学四重表征的思维方式［J］. 教学与管理， 2021， （3）： 48～50.

［8］王锋. 初中化学“证据推理”教学策略研究［J］. 中小学教学研究， 2021， （4）： 3～8.