基于化学学科大概念的单元整体教学设计

刘臣　何彩霞

摘要： 以学科大概念为抓手开展单元教学是学科核心素养落地的重要途径。以化学选择性必修1中的“化学反应与电能”为载体，以“化学反应与能量”大概念为统领，阐述了

构建电化学知识的结构、形成认识电化学的思路方法以及结合学生能力发展的单元教学与实践的相关策略。

关键词： 中学化学； 大概念； 单元整体教学； 化学反应与电能

文章编号： 10056629（2023）11003406 中图分类号： G633.8 文献标识码： B

《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》（以下简称化学新课标）基于学科本质凝练了化学学科核心素养，构建了以大概念为统领的课程主题和模块，强调“以学科大概念为核心”“有目的、有计划地进行认识思路和核心观念的结构化设计”，以促进学科核心素养的落实［1］。“单元”是指基于学科核心素养、学生认知规律和学生知识逻辑体系建构的基本教学单位，是依据课程标准分解所形成的大概念来确定的。“单元教学”是落实核心素养的重要途径之一［2］，需要“结合学生的已有经验，对学段、模块或主题、单元和课时教学目标进行整体规划和设计”［3］。

作为重要的化学概念原理知识，“化学反应与电能”是对氧化还原反应、化学反应中的能量变化、水溶液、离子反应、金属活动性顺序等知识的综合运用，有助于学生了解化学能与电能相互转化所遵循的基本原理和规律，认识化学能与电能相互转化的实际意义和重要作用，是培养学生对于学科知识综合理解和应用的很好的切入点［4］。

依据以学科大概念为统领促进学生知识理解、思维发展和能力培养同步协调统一的化学教学主张［5］，现以“化学反应与能量”学科大概念为引领，

针对选择性必修1中的“化学反应与电能”单元教学展开深入探讨。

1 大概念统摄下单元知识分析

大概念是指反映学科本质，具有抽象性、概括性、统摄性和广泛迁移价值的学科观念、思想和方法等［6］。

单元教学的构建，依赖于教师对学科知识本质的把握，以及依此形成的对学生知识理解、思维发展和能力培养的期待及系统考虑。聚焦学科本质，分析和挖掘具体知识背后更为本质的思想方法（大概念），并以大概念来统整相关内容，将具体知识内容与大概念建立关联或对接，为单元教學指引方向，就成为系统分析和构建单元教学的关键所在［7］。

“化学反应与电能”属于选择性必修1课程“主题1化学反应与能量”下的重要内容。从学科角度看，一定条件下物质发生化学反应生成新物质，伴随着能量变化，可以实现化学能与其他形式能量的转化，这是有关“化学反应与能量”的学科大概念。

以此为视角分析“化学反应与电能”单元知识，其意义体现在多个方面。首先，能够丰富学生的认识角度和认识内容，形成对“化学能与电能相互转化”的认识，即化学能与电能的相互转化需要通过氧化还原反应、借助一定的装置才能实现；其次，将化学反应与电能的能量转化形式、过程以及效率等问题，与电解质溶液中离子移动、导线中电子移动、电极反应等微观原理及其实现这一转化的装置条件联系起来，能够增进学生对“化学反应与电能”知识的整体把握，帮助学生建立分析和解决相关问题的思路与方法［8］，发展学生的模型认知；其三，由此可以引导学生认识化学能与电能相互转化在“物质制备与转化”“能量转化”等方面的实际意义和重要作用。

基于上述分析，将“化学反应与能量”学科大概念与“能量转化”跨学科大概念［9］相对接，并将其与“化学反应与能量”单元知识相关联，同时结合化学反应进行的方向、速率、限度等反应原理内容，梳理出大概念统摄下的“化学反应与电能”单元知识层级结构（见图1）。以此为依托，按照知识理解、模型建构及应用实践的学习进程，引导学生认识化学能与电能相互转化所遵循的规律，领悟将其应用于解决实际问题的一般过程与思路方法。

2 学生的已有知识基础与能力分析

2.1 学生已有知识基础分析

在必修阶段“主题3物质结构基础与化学反应规律”的学习中，从知识与能力层面，学生已经学习了一些吸热与放热反应，了解到化学反应体系能量的变化与化学键的断裂和形成有关，知道化学反应可以实现化学能与其他能量形式的转化。以锌铜单液原电池为例认识化学能可以转化为电能，从氧化还原反应的角度初步认识原电池的工作原理，能初步分析一些化学电池的构造与性能；从情感与态度层面，认识到能源合理利用的重要性，并发现单液原电池能量转化效率低等实际问题，产生了对提高电池能量效率的好奇心和探求欲。

2.2 学生的学习障碍及困惑

电化学知识隶属于化学热力学研究范畴，其知识体系庞杂。高中阶段电化学教学内容无论从知识的包容性、复杂性还是综合性，学生在学习理解与内化过程中都面临着诸多困难。与此同时，像“双电层理论”“电极电势”“能斯特方程”等概念自身难度较大，容易产生学习障碍，不宜直接下放到高中课堂讲授。分析学习内容及素材，学生在本单元学习中可能存在的障碍点及困惑有：（1）在“ZnCuH2SO4”双液电池中，锌的电子流动到铜表面的驱动力是什么？该装置为何可以产生电流？（2）为何锌在ZnSO4溶液中能够失去电子？（3）在原电池装置中，为何电子不能进入溶液？（4）氢氧燃料电池和电解水的电化学过程有哪些异同？（5）如何理解物质（粒子）在阴、阳两极的放电顺序，它是一成不变的吗？（6）电镀装置中，如铁上镀锌，为何Zn2+能先于H+在阴极放电？（7）电解FeCl2溶液，为何Fe2+可以源源不断地靠近阳极，并在阳极失去电子？（8）如何发现金属的腐蚀现象，并与所学电化学模型建立联系等。

2.3 学生的能力发展分析

依据大概念统摄下的“化学反应与电能”单元知识层级结构，学生在经历知识理解、模型建构及应用实践的学习进程后，其能力发展可具体表现为以下几方面：知识理解能力。能依据氧化还原反应的实质对常见化学电源及新型电池的装置特点及工作原理进行分析，并写出相关电极反应式；模型建构能力。从原理维度和装置维度建构电化学的认识模型，实现对原电池、电解池的统一认识；应用实践能力。从能量转化、物质制备及实验研究等维度，发现生活中金属的电化学腐蚀现象，应用电化学原理设计能量转化的路径和装置，应用电化学过程实现物质的制备与纯化，应用电化学方法研究物质性质及化学反应规律等。

具体来说，深刻认识学科大概念中氧化还原反应的实质是理解电化学过程的基础。初中阶段，以木炭还原氧化铜反应为认识载体，从木炭得氧、氧化铜失氧的角度认识“氧化反应”与“还原反应”的概念；必修阶段，从自然环境、生活经验及学生熟悉的事物出发，引导学生建立“氧化反应”与“还原反应”间的联系，借助铜锌原电池装置中电流表指针发生偏转验证氧化还原反应中电子的转移，进而建立电化学模型对原电池原理维度的认识；选择性必修阶段，选取合适的装置，利用氧化还原反应实现化学能和电能的相互转化，进一步学习电解原理和电解池，建立电化学模型对原理维度和装置维度的认识，从物质变化与能量变化两个维度理解相关的重要概念。进而，基于学生在必修阶段对原电池的已有认识模型展开教学，并将认识模型转化为问题解决模型，逐步提升学生应用所学知识解决实际问题的能力。如以应用电化学过程实现对物质的制备——氯碱工业的教学设计思路为例，开展原电池和电解池的对比教学，并探究溶液中离子的放电顺序。在演示实验中引导学生仔细观察电解饱和食盐水的实验现象并思考：阳极、阴极产生的气泡从何而来？气泡中可能含有哪些物质？如何进行检验？层层递进，启发学生关联“水的电离”及初中阶段学习过的“电解水实验”，通过对比两者的异同，建构对原电池和电解池两个电化学过程的统一认识模型。其次，为实现铁上镀铜、电解精炼铜等实验目的，通过设计问题解决型任务，引导学生设计出电化学装置，并阐述该装置是通过怎样的电化学过程达成了实验目的，以逐步形成基于电解模型解决问题的系统分析思路，提升学生对陌生、复杂问题的解决能力。

3 基于学科大概念的单元教学思路

单元教学思路围绕大概念进行整体设计，教学内容要为大概念的形成服务，为学生核心素养的发展服务［10］。基于落实新课标理念，着力于学生学习方式的转变及学科思维的培养，单元教学中要多创设机会让学生主动去发现和领悟，如生活中金属的腐蚀现象；教学中除采用演绎的思路，还可更多地采用概括和归纳的方法，将金属的腐蚀这一真实问题抽提成电化学模型，提供支撑素材引发学生更多的思考，如怎样形成原电池，正极、负极的反应物是什么，电解质溶液是什么等等，促使学生在具体情境问题的解决中形成概念，进而得出对电化学过程认识的关键角度及路径，促进学生的能力发展。据此，单元整体教学在知识结构化、建构学生电化学的认识角度和思路、提升学生思维的深刻性等层面对相关教学内容进行整合，如表1所示。

4 基于学科大概念的单元教学主要策略

4.1 采用对比策略，实现单元教学中的衔接、递进与发展

对比学习策略，即采用对比两种事物的异同进行学习，其中相同部分可以进行归纳，从而产生通用方法或者理论；对于不同部分，可以“优势互补”，以达成对学习内容的融合。考虑单元教学的连续性和整体性，需要关注电化学内容在必修阶段和选择性必修阶段的衔接、递进与发展。例如，从“单液原电池”到“双液原电池”，教学中采用对比策略，以任务和问题驱动教学，要学生预测“铜锌双液原电池”能否产生电流，并阐述理由，进一步诊断学生对原电池的认知水平，进而从装置维度发展学生对离子导体和盐桥的认识，从原理维度建立氧化还原反应与电极反应间的关系，围绕单元大概念，帮助学生逐步建构知识的层级结构，促使学生的知识结构化。

再如，通过对比“铜锌双液原电池”和“氢氧燃料电池”，引导学生从氢气和氧气的反应入手，将其设计成电池装置，从而找到对双液原电池认识的发展点——电池中的反应物不一定储存在电池内部。

对于原电池和电解池的对比教学，可设计概括关联任务，使学生通过对比氢氧燃料电池和电解水两个电化学过程的差异性，从反应条件、反应方向、反应的能量变化、实现反应发生的方式等维度认识到反应中均涉及3种相同的物质，但反应发生的方向截然相反，进而理解判断原电池和电解池的关键所在——反应发生的驱动力不同，即电解装置中存在外接电源。

4.2 建立模型，转变迷思概念，提升对电化学本质的认识

对于双液原电池的教学，学生在学习过程中存在诸多迷思概念，如“锌的电子自发流动到铜表面的驱动力是什么”“为何锌在硫酸锌溶液中也能失去电子”等等。在教学过程中，可适当介绍“双电层理论”的基本概念，但不宜过多地出现专业术语，如图2和图3所示。可简要表述为当金屬M与其溶液Mn+接触时，存在以下两种趋势：（1）金属表面的原子受到溶剂分子吸引变为溶剂化的离子进入溶液，电子留在金属上，此时金属的电势低于溶液；金属越活泼，溶液越稀，此过程进行的程度越大（如Zn和Zn2+体系）；（2）溶液中的Mn+与金属表面的电子结合，沉积在金属表面，此时金属带正电，电势高于溶液；金属越不活泼，溶液越浓，此过程进行的程度越大（如Cu和Cu2+体系）。通过模型，帮助学生建立电子流动的驱动力是两电极电势的高低不同，以此厘清并转变学生的迷思概念，提高对电化学本质的认识。

4.3 基于真实情境，提升综合运用所学知识解决问题的能力

学以致用，用以促学。在课堂教学中我们既要突出基础主干知识，亦要关注学生思维过程、创新意识及

分析、解决真实问题能力的提升。以开展“为热水器碳钢内胆设计防腐方案”学生活动为例，依据“牺牲阳极法”和“外加电流法”两种电化学保护方法，从阳极金属种类的选取、金属在热水器中放置的位置、进出水口的高度等视角展开讨论，画出设计的装置图并阐述理由，促使学生将电化学模型用起来，充分发挥模型的指导功能，让学生会说、会写、会分析、会设计。再如，将2021年高考北京卷第15题进行改编，在课堂上引导学生围绕由乙烯经电解制备环氧乙烷的电化学过程展开讨论，突出应用电化学方法实现物质制备及纯化的思路和方法，体现知识的理解与运用相统一。同时，启发学生在工艺流程中找出可循环使用的物质KCl，渗透绿色化学理念，在实际问题中引导学生关注化学对生态环境和社会发展的影响。

总之，以大概念为统领设计单元整体教学，超越了教师在单一层面对某个知识点的教学。以大概念统领具体知识，建立具体知识与大概念的对接，有利于促进学生从化学知识向化学学科核心素养的转化［12］。依据学科大概念，教师把握教学内容的本质和关键，促使学生在知识结构化的学习中对学科概念原理形成系统认识，并建构认识思路和方法，以实现学生的能力发展，还需要广大教师开展更加深入的思考与探索。

参考文献：

［1］［3］［4］中华人民共和国教育部制定. 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， 69， 27～28.

［2］崔允漷. 如何开展指向学科核心素养的大单元设计［J］. 北京教育（普教）， 2019， （2）： 11～15.

［5］何彩霞主编. 核心素养导向的化学教学探索［M］. 北京： 北京教育出版社， 2019： 2.

［6］杨玉琴， 陆海燕， 吕荣冠. 学科大概念： 从课标到教材到教学的转化［J］. 化学教学， 2022， （10）： 3～8.

［7］［12］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.

［8］周庆华， 何彩霞， 王钦忠. 用“能量转化”统领“原电池”教学［J］. 教学仪器与实验， 2015， （8）： 3～6.

［9］（英）温. 哈伦编著. 韦钰译. 以大概念理念进行科学教育［M］. 北京： 科学普及出版社， 2016， （3）： 27.

［10］夏添， 王姝玮， 王珍珍. 大概念统领下“化学能与电能”单元教学设计与实践［J］. 化学教学， 2022， （12）： 48～58.

［11］吴文中. 品味化学电源发展史， 螺旋式认识原电池原理［J］. 化学教学， 2016， （12）： 85～89.

*北京市教育科学“十四五”规划2021年度一般课题“学科核心素养导向的中学化学单元深度学习实践研究”（课题编号：CDDB21219）部分研究成果。