大概念统领下的大单元教学设计与实施

【摘要】本文以“物质结构 元素周期律”为例，从大概念的提炼、大单元的内容分析、课时安排、实施过程等阐述大单元教学设计的具体实施过程，探讨必修课程中大概念的统领作用和大单元教学设计的优越性。

【关键词】大概念 大单元 物质结构 元素周期律 教学设计

【中图分类号】G63 【文献标识码】A

【文章编号】0450-9889（2023）05-0080-05

核心概念是大概念建构的基础。“物质结构 元素周期律”是人教版（2019年版）高中化学必修1第四章的内容，该主题包括“原子结构”“元素周期表”“元素周期律”等核心概念，通过对比不同版本的教材，笔者选取“原子结构”“元素周期表”“原子结构与元素的性质”“元素周期律”四个核心概念为基础构建大概念“位置反映结构，结构决定性质”，以此进行大单元教学设计。

从内容上看，大概念“位置反映结构，结构决定性质”包含了教材中“原子结构和元素周期表”“元素周期律”两节内容。在大概念的统领下，笔者以“元素周期表的发展”这一真实情境作为大单元教学设计的依托。“元素周期表的发展”是“原子结构和元素周期表”中科学史话的内容。该素材包括基于元素分类研究的德贝莱纳“三元素组”、基于相对原子质量与元素性质之间周期性变化规律的纽兰兹“元素八音律”等元素周期表的发展过程。这些发展过程遵循了从表面到本质、从宏观到微观的逻辑顺序，体现了科学家对科学认知的方法和观念，也囊括了“原子结构”“元素周期表”“原子结构与元素的性质”“元素周期律”这些核心概念。简而言之，以“元素周期表的发展”为大情境进行大单元教学设计，不仅能很好地凸显大概念“位置反映结构，结构决定性质”的统领作用，落实新课标的学业要求，帮助学生理解化学知识，还能使他们掌握科学研究的方法。

一、构建大概念单元结构图

首先，笔者以“位置反映结构，结构决定性质”为单元框架的起点，梳理对应的知识体系和相关概念，指导学生对本单元形成清晰的逻辑认知，构建单元结构图（如图1所示）。

二、确定单元整体教学目标

在初中阶段，学生已经学过原子结构的模型，有了一定的微粒观，知道宏观物质是由微观粒子组成的，原子结构与微粒有必然的联系，但学生学习这部分内容多是靠死记硬背。在高中必修1教材中，学生在前面已经学习了金属（Na、Fe）及其化合物，已经形成对物质感性认识的能力，学习这章可以上升为抽象思维逻辑。

（一）大单元总目标

1.通过原子结构的认知过程，原子核外电子排布规律的认知过程及物质构成的学习，学生能够形成微粒观，能从微观视角认识不同物质的本质区别，能正确认识元素“位置—结构—性质”之间的内在联系，可以根据元素在周期表的位置和原子结构的特点预测其他物质的性质，并能解释元素的性质。

2.通过对科学实验的再现，宏观实验现象的分析及实验事实的推理，建构原子结构模型，发展学生宏观辨识和微观探析、科学探究与创新意识等化学学科核心素养。

3.通过对化学史发展的学习，引导学生分析解释并发现规律，设计活动方案验证，体会科学研究的基本方法，体会科学探究“矛盾—分析现象—建立模型—解释现象”的基本过程，落实“科学态度与社会责任”的化学学科核心素养。

（二）课时安排与课时教学目标

课时安排和课时教学目标如右上表1所示。

三、设计单元教学活动

单元教学活动的设计要以学科大概念为统领，本单元的学科大概念为“位置反映結构，结构决定性质”，对学科大概念进行拆解可以得出三个关键概念，分别为：原子由原子核和核外电子构成；原子核外电子排布决定元素在周期表的位置以及元素性质。笔者从关键概念出发将本单元划分为4个课时，根据不同课时内容要求进行情境素材以及教学任务的设计（大概念统领下的“物质结构与元素周期律”的单元教学流程如下页图2所示）。

四、大单元教学实施过程

明确教学流程后要根据流程图对不同课时进行详细设计，本案例主要从情境创设、问题引导、驱动性任务以及设计意图等四个方面进行阐述。

（一）大单元情境创设

丰富多彩的物质世界是由100多种元素组成的，最初，科学家通过分类整理的方法对元素之间的联系进行研究，初步编排了元素周期表，直到1869年，门捷列夫绘制出第一张元素周期表。门捷列夫绘制的元素周期表中还留有大量“空位”给未发现的元素。直到20世纪30年代，随着原子结构的揭示，才进一步完善了元素周期表。元素周期表的发现过程，体现了科学家科学研究的方法、观念和科学精神。

基于以上情境，笔者设置了大单元驱动性问题：元素之间有什么内在联系？原子结构如何帮助我们从微观角度探究元素的内在联系？元素的位置、结构、性质之间有什么内在关系？

（二）实施过程（以前两个课时为例）

第1课时：从元素周期表的发现史中认识原子结构的重要意义，初步形成大概念“位置反映结构”。

情境创设：18世纪，随着越来越多的元素被发现，科学家开始对它们进行分类整理，从而探寻元素的规律。今天我们一起来重走科学之路。现有14张元素卡片H、He、Li、C、F、K、Ca、Na、Mg、Si、Cl、Ar、Fe、Br，卡片上标注有元素的相对原子质量、单质的状态和质量数等信息。

问题1：根据卡片所给信息对其进行排序，并说出排序的依据。

教师引导：这些排序原则在元素周期表的发展史中有科学家做过类似的探究，结合元素周期表的发展史找出来（元素周期表发展史如图3所示）。

学生活动1：小组合作进行元素排序，展示排序结果，说明排序依据。

（1）按相对原子质量排序（由小到大或由大到小）；

（2）按质量数排序；

（3）按单质的状态排序。

【设计意图】学生通过卡片信息对元素进行排序，展示排序结果，讲述排序依据，使思维外显化，促使学生的自我反思能力和相互评价能力得到提升。

问题2：以上不同的排序方式，哪种更能反映实质呢？

学生回答：德贝莱纳将性质相似的元素分为一组，纽兰兹把元素按相对分子质量由小到大的顺序编号排序，性质相似的元素排在同一横行中。门捷列夫按相对分子质量由小到大的顺序对元素进行排列编号，并把性质相似的元素排到同一纵列。门捷列夫的排列方式更合理，如He性质与Ar相似，应排在一起。

【设计意图】引导学生从排序中抓住分类的关键点，并在对比分析中自主调动所学知识辨识方法的合理性及不同依据之间的联系。

问题3：展示1871年的门捷列夫元素周期表，找出碲和碘的位置，再结合它们的信息思考两者“位置颠倒”的原因。

教师引导：1913年，英国物理学家莫塞莱运用X射线测定原子核所带的正电荷数。通过实验数据证明用核电荷数（原子序数）代替相对分子质量排序更符合元素性质的周期性变化规律。随着原子结构的揭示，元素周期表的研究得到完善。

（展示原子结构发现史）

【设计意图】通过元素卡片带领学生重走科学之路，并在科学史实的引导下，体会科学研究“发现问题—做出猜想—验证方案—形成结论”的精神。

问题4：原子结构的三个观点揭示原子的哪些信息？

学生通过阅读原子结构发现史料，认识原子的结构特点，初步形成“位置反映结构”的大概念。

第2课时：从元素周期表的发现史中认识元素在周期表中的位置与原子结构之间的关系，建立大概念“位置反映结构”。

情境创设：根据图片中14个元素的原子结构特点对这些元素进行编排：H、He、Li、C、F、K、Ca、Na、Mg、Si、Cl、Ar、Fe、Br。

问题1：上述元素可以按照原子结构的哪些特点编排？

生1：可以按电子层数编排，也可以按最外层电子数编排。电子层数相同的元素放在同一横行；最外层电子数相同的又放在同一纵列，综合考虑原子序数由小到大的顺序。

生2：按电子层数和原子半径编排，电子层数相同的在同一行，按原子半径由小到大的顺序编排。

教师引导：按照原子序数排序，Fe应该在Ar之后，但它与Ar的性质却不相似，它的位置在哪里才合适呢？

学生活动1：查阅元素周期表，分小组讨论。

【设计意图】通过元素周期表的排布与原子结构的分析，加深学生对“位置反映结构”的理解，体会元素周期表在化学发展中的重要性，培养学生“科学探究与社会责任”的核心素养。

问题2：结合原子结构示意图，德贝莱纳“三元素组”中的氪（Kr）、氙（Xe）、氡（Rn）、镓（Ga）、铟（In）、铊（Tl）应排在元素周期表的哪个位置？

学生活动2：结合原子结构示意图，分析这些元素的电子层数和最外层电子数，将氪（Kr）、氙（Xe）、氡（Rn）依次排在氖（Ne）之后；镓（Ga）、铟（In）、铊（Tl）依次排在铝（Al）之后。

问题3：观察最终编排的元素周期表，总结元素周期表的排布规则。

学生活动3：观察并发现规律——同一横行电子层数相同，同一纵行最外层电子数相同。第四周期开始出现B组元素，第六周期有镧系元素，第七周期有锕系元素。

【设计意图】通过对化学史中新元素原子结构的分析，找到他们在周期表中的位置，完善大概念“位置反映结构”。

阶段性任务解决：据报道，俄罗斯科学家合成出114号元素的原子，该原子质量数为289，该元素应排在周期表什么位置？

学生活动4：分析114号元素原子核外电子排布方式，结合电子层数和最外层电子数确定它在周期表的位置。

【设计意图】通过对未知元素原子结构的分析，确定其在周期表中的位置。教师收集学生的任务评价并做出反馈，从反馈结果可判断出学生的学习目标是否达成，并在反馈任务评价过程中，促进学生对科学探索之路的熟悉度，建立“位置反映结构”这一核心概念，为下一课时的核心概念“结构决定性质”学习做好铺垫。

（三）后续实施建议

通过前两个课时的学习，学生已经了解了元素的原子结构和元素位置的关系，掌握了原子的结构特点和元素周期表的结构。在接下来的两个课时里，教师可以继续利用学生上节课判断出的114号元素在周期表的位置，对其性质进行预测，并提出检验方法的设想引发学生思考。教师要先从学生熟悉的碱金属元素和卤素的性质进行实验对比探究，发现其与原子结构的关系，让学生体验“位置—结构—性质”之间的相互作用，具备根据位置和结构推测元素性质的关键能力，并进一步解决114號元素的性质验证。最后一个课时可通过项目式学习的方式，让学生在思考和实验验证过程中总结出元素周期性递变规律，并能用该规律解释元素的相关性质。

五、教学评价与反思

本单元的设计共4个课时、13个任务，每个任务的设计和实施过程都尽可能考虑学生能力的差异。从实施过程来看，整个单元的课程学习，学生都能在具体的情境中主动参与和思考，并在辨析过程中逐步获得学科必备的知识和能力。本单元教学设计和实施过程中有以下几个亮点。

（一）对大概念的理解准确到位

本单元教学教师站在较高的高度理解“结构决定性质，位置反映结构”这一大概念，并在设计前对该大概念进行了精细解读。

（二）大单元中的必备知识与真实情境融会贯通

以真实情境为主线的设计贯穿整个单元，学生在情境中思考，参与实践探究，降低了获取解决真实情境所需知识的难度，同时促进了化学学科核心素养的形成与发展。

（三）驱动性问题高效实用

大单元教学设计的关键点是创设有价值的情境任务，通过情境设计真实性问题，激发学生的学习兴趣。本单元的情境问题连结了学生的已有经验，符合学生的真实水平，并通过14种元素的知识卡片，使情境问题的解决更可行，让学生在解决问题的过程中获取所需知识水到渠成。本单元教学中，真实情境与驱动性问题和知识的有效整合，促进了教学的高效完成。

（四）项目式学习促进大概念目标进阶

本单元第4课时通过项目式学习的方式进一步巩固学生的必备知识，诊断学生的关键能力和学科核心素养的落实情况，无形中促进了大概念的目标进阶。第4课时的项目式学习主题为探讨大概念“位置反映结构 结构决定性质”在第三周期元素中的应用，突破了学习的重点和难点。在项目式学习过程中学生还能体会科学探究“矛盾—分析现象—建立模型—解释现象”的基本发展过程，构建“发现问题—做出猜想—验证方案—形成结论”的探究模型，在实践中发展了学生的科学探究与创新意识、证据推理与模型认知、宏观辨识与微观探析等化学学科核心素养。

参考文献

［1］徐洁.基于大概念的教学设计优化［M］.上海：华东师范大学出版社，2021.

［2］中华人民共和国教育部.普通高中化学课程标准（2017年版）［M］.北京：人民教育出版社，2018.

［3］刘徽.大概念教学：素养导向的单元整体设计［M］.北京：教育科学出版社，2022.

［4］张雄鹰.大概念统领下的大单元教学设计的实践探索［J］.中学化学教学参考，2021（12）.

［5］龚贤，顾红霞.基于学科理解的高中化学教学设计［J］.化学教与学，2022（10）.

注：本文系南宁市“十四五”规划课题“基于‘素养为本的高中化学有效性课堂教学研究”（2021C018）的研究成果。

作者简介：王英（1985— ），贵州凯里人，本科，学士，一级教师，主要研究方向为高中化学解题模型构建。

（责编 林 剑）