“碳” 索未来

童洁　谢鸿雁

摘要：以学科大概念指导的高三化学反应原理大单元教学，是新课程改革理念的体现，也是新高考评价体系的要求。经过教学实践研究，建构高中化学大概念统领下的单元主题教学设计策略：依据课程标准确定大概念，根据核心概念以及相关的基本概念明确单元教学目标，细化项目任务，设计教学内容与学习形式。

关键词：大概念   化学反应原理   单元教学

一、案例设计背景

《普通高中化学课程标准》（2017版，以下简称“课程标准”）中提及要“进一步精选学科内容，重视以学科大概念为核心，使课程内容结构化，以主题为引领，使课程内容情境化，促进学科核心素养的落实”。[1]所以将大概念作为理论核心指导教师设计教学活动是非常有必要的。

化学反应原理模块是高考评价中学生的必备重点知识，“变化观念和平衡思想”是化学学科核心素养的思维核心，通过该模块的学习学生能逐步形成并完善这一素养，树立学习和研究化学的志向。理论性较强是该模块的特点，学生在学习该模块的基本概念、基本原理时，更需要对隐含在基本概念、原理中的学科思想和方法进行深度学习，也就是用专家的思维方式去学习概念。刘徽教授指出，大概念即反映学科专家思维方式的概念、观念和结论。[2]因此我们以学科大概念为指导，进行化学反应原理的单元主题教学。

在全球气候急剧变化的背景下，处理大气中过多的CO2已成为一个亟待解决的问题。以“碳中和”为背景，可以在真实问题情境中考查化学反应原理模块核心知识、关键能力，体现育人目标及学科核心素养。因此，我们设计基于大概念指导的“碳中和”背景下的化学反应原理单元复习，解决高三复习课时紧、任务重、知识琐碎、学习枯燥等一系列问题，在学生运用知识解决问题的同时提升学科能力，落实核心素养。

二、案例设计策略

（一）概念网络构建

首先依据课程标准、知识内容构建化学反应原理单元概念网络。

（二）单元教学目标

在大概念统领下，依据概念网络图中的核心概念和基本概念，设计以下单元教学目标。

1.通过课前完成预习案，总结CO2及其他含碳物质的微观结构特征，熟练掌握物质在“位、构、性”中的相互关系，并能用于解释某些化学反应现象。

2.通过构建消除大气中CO2路径价——类图，理解氧化还原反应原理，并学会从价态和类别的视角设计反应原理、判断反应能否发生，感受国家科学技术的蓬勃发展，提升民族自豪感。

3.通过“碳中和”反应焓变的计算以及反应方向的判断，学会用微观视角解释化学反应的宏观表象，如吸热反应与放热反应等。

4.利用查阅资料的方式扩大知识的认知范围，学会查阅文献资料、搜集网络资源等，提高获取信息的能力，学会处理信息。

5.通过书写电催化二氧化碳还原的电极反应式，掌握电化学原理，并能利用电化学原理分析“碳中和”路径的可行性，了解工业生产条件的影响因素，用严谨的科学态度面对生产生活中的问题。

6.通过重整反应历程的判断，知道活化能与反应历程的关系，学会选择催化剂，感受化学世界的丰富多彩。

7.通过“碳中和”反应的转化率、平衡常数的计算，了解化学反应调控对工业生产的重要作用，体验科学探索之路的艰辛。

（三）项目任务划分

依据本单元的学科大概念和单元教学目标，我们将化学反应原理单元划分为三个学习项目——物质变化、能量变化、反应调控。

（四）教学设计及实施

【情境】2022年9月1日太原能源低碳发展论坛在晋阳湖国际会议中心开幕。论坛的主题是“能源、双碳、发展”，双碳指的是“碳达峰、碳中和”。碳达峰简单来说，就是二氧化碳达到峰值，是指我国承诺2030年前，二氧化碳的排放不再增长，达到峰值之后逐步降低。碳中和是指企业或其他组织测算出在一定时间内直接或间接产生的温室气体排放总量，然后通过节能减排、植物造树造林等方式，抵消自身产生的二氧化碳排放量，从而实现二氧化碳“零排放”。就是产生了多少“碳”量，就要通过某些方式来削减或者消除这些“碳”量对环境的影响，实现自身“零排放”。[3]简单来说，碳中和就是要消除排放到大气中的CO2。

项目一：“碳中和”反应中的物质变化

【任务】CO2的结构与性质→构建消除大气中CO2路径的价类二维图。

【学生活动】课前完成预习案→课上学生点评→判断物质中碳元素化合价→构建消除大气中CO2路径的价类二维→选择转化剂、转化路径，书写化学方程式→根据化学方程式，从生活生产图示中找出CO2用途。

【设计意图】构建“位——构——型”的相互关系，体现“结构决定性质，性质决定用途”的化学思维，为项目二“碳中和”反应中的能量变化、项目三“碳中和”反应调控的学习做铺垫。

项目二：“碳中和”反应中的能量变化

2.1化学反应与热能

【情境】CO2的转化路径有两个核心反应，一个是重整反应，一个是加氢制甲醇。重整反应的可以将两种主要的温室气体（甲烷和二氧化碳）直接转化成合成气，兼具环境效益和经济效益，近年来重整反应的研究取得新进展。[4]

【任务】计算焓变→判断反应的自发性

【学生活动】概念辨析→计算重整反映?H→建立?H计算模型→利用?H、?S判断重整反映自发性→分析情境文献图示中重整反映历程图→应用模型

【设计意图】建构模型?H计算模型，解决高考题目中?H计算、热化学方程式书写的问题。

2.2化学反应与电能

【情境】中国化学会网站介绍了CO2电化学转化的可行性和研究新进展。

【任务】认识电催化还原二氧化碳→构建电化学认识模型

【学生活动】分析文献图示中电催化还原的产物及反应历程→分析装置、书写电极反应式→建构电化学认识模型→应用模型

【设计意图】结构电化学认识模型，利用模型解决高考题目中电化学相关的题目。

项目三：“碳中和”反应调控

【情境】习近平总书记在二十大报告中提到“推动绿色发展，促进人与自然和谐共生，积极稳妥推进碳达峰、碳中和”。继续深度研究“碳中和”反应。

3.1化学反应速率

【任务】分析反应历程→选择合适催化剂。

【学生活动】知识梳理、构建化学反应速率认识模型→分析重整反应的反应历程→选择重整反应的催化剂→构建催化剂性质模型→应用模型。

【设计意图】构建化学反应速率认识模型，利用模型解决高考题目中能垒、反应历程、控速步骤判断等相关题目。

3.2化学平衡

【任务】CH4—CO2重整反应调控→CO2催化加氢制甲醇反应调控。

【学生活动】知识梳理、构建化学平衡结构模型→分析提高甲烷转化率的方法→寻找甲烷转化率曲线→催化剂的使用→判断转化率变化的特定条件→分析条件对平衡的影响→计算Kp。

【设计意图】建立化学平衡结构模型，解决高考题目中化学平衡移动的相关题目。

【单元小结】构建化学反应原理大单元知识框架图，将化学反应原理模块知识形成知识网络，解决了“碳中和”反应能不能发生、反应速率快不快、产率高不高的问题，树立节能减排、低碳环保的意识。

三、案例反思

在实际教学过程中，利用“碳中和”情境，将化学反应原理模块知识用学科大概念进行整合，学生在复习的过程中运用所学知识解决实际问题的能力有所提升，素养目标得以实现。同时在教学中，运用先进的教育理念指导教学，重新建构化学教学设计的思路，不仅丰富了教学形式和内容，教师的教学理论水平也得到提升。经验实践研究，发现在大单元教学中教学设计一定要符合学生学情，符合学生认知规律，只有这样的教学设计，才能更好地引导学生，发挥学生的主观能动性。

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）[S].北京：人民教育出版社，2020.

[2]刘徽.大概念教学.素养导向的单元整体教学设计[M].浙江教育出版社，2022，88.

[3]国家电力投资集团有限公司，中国国际经济交流中心.中国碳达峰碳中和进展报告（2021）.

[4]付彧，孙予罕. CH4-CO2重整技术的挑战与展望[J]. 中国科学：化学，2020，50（7）：16.

作者简介：童洁，女，汉族，1984年生，山西太原人，太原市晋源区实验中学校高中化学教师，中小学一级教师，太原市谢鸿雁高中化学提高与示范工作站学员，近期在谢鸿雁导师指导下进行大概念理念统领的单元教学研究与实践及项目式教学研究与实践。