大概念下大单元“四步教学设计”*——以人教版“合成高分子”单元教学为例

常泽英 张玉彬 尹 萍

（1.深圳明德实验学校香蜜校区 广东深圳 518048；2.福田区教育科学研究院 广东 深圳 518048；3.深圳市福田区梅林中学 广东 深圳 518048）

大概念统领下化学大单元教学设计是当今中学化学教学的一个热点，也是落实化学核心素养，进一步深化化学课堂教学改革的一个重要突破点。核心素养的养成需要学生去探究、体验，经历一个完整的学习过程，完整的学习过程体现在教学过程中就是单元。教师要从单元整体的角度去思考学习内容的特点、共性和关联，思考知识在生活中的迁移和运用，思考每节课在单元中的价值和作用，使学生经历完整的学习过程。通过提炼大概念，建立知识之间、知识与生活的关联，促进高通道迁移，发展核心素养。

《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》指出：进一步精选了学科内容，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］。以大概念为统领，以化学大单元为载体，通过将化学中相关的概念、原理、实验、应用等内容进行整合，并引导学生从实际问题出发，构建知识体系，培养学生的创新思维和实践能力［2］。从老师的角度，以学科大概念为引领进行单元教学设计，老师需要统筹教学内容形成教学框架，使课程内容结构化，更系统地把握单元整体特征和前后关联，创设单元大情境，产生大问题，形成大任务，对学生化学学科核心素养做到有的放矢、循序渐进地培养。从学生角度，它可以帮助学生形成对单元的整体认知，更有层次、更有系统地学习，习得结构化的知识，掌握问题解决的方法，促使知识在新情境中迁移和运用。学生在复习的时候，也可以利用单元框架来复习，潜移默化地提升自己的逻辑思维和自主探究的能力。

大概念统领下化学大单元教学设计可以分为统筹分析、整体建构、课时设计、反思改进四步（图1）。第一步，统筹分析。研究分析教材、教参、课标、化学史料、视频等教学资源，整理单元内容结构图，确定单元教学目标、学习评价和核心任务，提炼出本单元化学学科大概念、核心概念（次级大概念）、基本概念。第二步，整体建构。教师在分析学生已有的知识基础上，根据单元知识的认知发展过程，对单元知识进行整合、重组、开发，创设单元大情境，形成关联且递进的学习（问题）任务。第三步，课时设计。在整体建构之后，将大任务下的若干小任务进行合理组合，依照学习任务的不同进行课时分配，设计课时目标和学生学科实践活动，引领学生自主、合作、探究，突破学习难点。第四步，反思改进，教师可以依据课堂教学效果及课后学习评价结果修正优化单元教学设计。

一、统筹分析

以大概念视野为基础的高中化学教学设计和实践，强调了教学内容的整合和融合［3］。基于学科大概念的单元教学设计，首先需要针对教学资源进行分析。《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》在选择性必修模块3的“生物大分子及合成高分子”主题中明确指出学生应“了解聚合物的组成与结构特点”“了解加聚反应和缩聚反应的特点”“了解新型高分子材料的优异性能及其在高新技术领域中的应用”等内容。因此人教版教材以高分子为主要学习对象，旨在通过有机化学的知识、方法和视角，帮助学生分析和预测高分子材料的性质，改进其功能，并设计高分子合成路线。在合成高分子中，单体的分子结构和聚合方式决定了高分子的分子结构和性质的不同，在进一步的应用和开发中，分子性质的差异将决定其在不同的领域和用途中的应用。因此，分子结构的特征决定分子的性质，分子的性质决定了它们在材料领域中的应用，这三者之间的关系在分子化学中具有重要意义。通过对合成高分子进行结构分析，认识合成高分子的结构性质与应用，培养学生宏观辨识与微观探析、证据推理与模型认知、科学精神与社会责任等化学学科素养，以便更好地实现教学目标。根据教材、教参、课标等资料，研究分析单元内容，整理出单元内容结构图（见图2），确定核心素养目标和评价目标见表1所示。

二、整体建构

在整体建构的过程中，要充分利用学生已有的基础知识和技能，以及生活体验，从而更好地理解本单元的知识。首先，在初中和必修阶段学生了解了高分子的一般概念，并在学习乙烯聚合反应的基础上学习了高分子的结构，了解了从结构的角度理解材料的性质。在日常生活中，学生接触了水杯、脸盆、轮胎、橡皮筋和衣服等高分子材料，但并不了解它们的组成和结构特点，也不了解现代高分子材料的精细方向发展。本单元要让学生认识合成高分子的两类基本方法，加聚反应和缩聚反应，以及加聚和缩聚物的结构特征。再让学生了解高分子材料的主要类别，以及各类材料中的代表物质的合成方法、结构性质和用途，以及聚酰胺纤维等体现化学社会价值的内容。通过梳理学科知识的来龙去脉，分析本单元内部的知识，确定学习的先后顺序，以及知识的认知发展过程，形成一些关联且递进的知识学习任务链（见图3），从而更好地理解本单元的学习内容。

图3 “合成高分子”单元教学内容结构框架和课时划分图

三、课时设计

1.大单元情境创设

化学是一门研究物质组成、结构、变化及其规律的自然科学，它不仅可以帮助我们认识物质，还可以帮助我们创造物质。比如冲锋衣是人们在进行户外活动时常用的衣服装备，根据冲锋衣的应用需求其面料应具有哪些功能？接下来通过本单元的学习我们可以了解掌握运用合成高分子技术设计开发冲锋衣面料的方法，并由此推广联想到合成高分子技术在人们生活和工业生产中的广泛应用。

大单元任务驱动性问题：冲锋衣在户外主要用于应对风雨等恶劣环境，所以冲锋衣面料需要具备防水功能，同时能够保证一定的透气性能（防止穿着不适），另外冲锋衣作为户外服装其面料应具有一定的耐磨性能。如何设计合成具有防水性能、透气性能和耐磨性能的高分子材料，以应用于冲锋衣的面料制造？

2.实施过程

第1课时——学习合成高分子的基本方法。

［情境创设］介绍常见冲锋衣的宣传卖点——防水透气面料：当前世界上冲锋衣防水透气面料知名度和认可度最高的是GORE-TEX，实现其防水透气功能的是一层叫做膨体聚四氟乙烯（ePTFE）薄膜，这种薄膜每平方英寸有超过90亿个小孔，这些小孔的大小约为液态水滴的万分之一，而又比气态水分子大700倍，所以在实现防水的同时又具有很好的透气性。

［教师］冲锋衣防水透气面料膨体聚四氟乙烯（ePTFE）是人工合成的高分子材料，我们根据已学知识怎样才能设计具有这样功能的高分子材料？

［学生］回顾合成聚氯乙烯的化学反应，从断键和成键的角度，理解氯乙烯在一定条件下通过相互加成的方式连接成链状的高分子聚氯乙烯。

［学生活动］以四氟乙烯为原料，书写合成聚四氟乙烯的化学方程式，并请一位学生代表在黑板上从化学键断裂和形成的角度与大家交流对加聚反应的理解。

［教师讲解并板书］通过观察以上两个反应，梳理高分子相关概念（单体、链节、聚合度、聚合物的平均相对分子质量）。

［小结］模型解析加聚反应，进行方法总结：推测加聚物的单体，一般用“折键法”——去中括号后，从右往左依次折键，最后一条折掉。并进行方法运用练习巩固。

［教师］我们曾经学过乙酸和乙醇在酸催化下发生酯化反应，该反应为可逆反应。如果用二元酸和二元醇代替一元酸和一元醇，如：乙二酸和乙二醇在酸催化下发生酯化反应，则生成连接成链状的聚酯，该反应的化学方程式是什么呢？

［学生活动］展示球棍模型模拟乙二酸和乙二醇反应原理，并写出该反应的化学方程式。

［教师引导］冲锋衣的面料除了需要满足防水透气等性能外，还需要耐磨。介绍制作冲锋衣面料所常用到的一种高分子材料——锦纶（聚己二酰己二胺）。

［学生活动］阅读教材P139聚对苯二甲酰对苯二胺的合成过程，书写并展示合成聚己二酰己二胺的化学方程式。

［小结］模型解析缩聚反应，进行方法总结：推测缩聚物的单体一般用“断键加基法”——去中括号后，将其中的酯基或肽键断开，并加上对应的端基。并进行方法运用练习巩固。

［教师］加聚反应和缩聚反应有何区别？

［学生活动］从单体结构、链节组成、聚合物的书写、化学键（官能团）的变化、反应过程中有无小分子生成、化学方程式的特点等角度总结两类聚合反应的异同。

第2 课时——掌握通用高分子材料的结构、性质和用途。

［情境创设］聚四氟乙烯是一种具有“塑料王”美誉的高分子材料，它为我们的衣食住行提供了便利。为了满足生产和生活需求，人们开发出了塑料、合成纤维、合成橡胶等具有通用用途的高分子材料，只要我们掌握它们的区别，我们可以制造出性能更优异的材料，为我们的生活提供更多的便利。请大家找找生活中常见的通用高分子材料有哪些，并将它们进行分类。

［学生活动］小组合作，展示课前收集的信息。

［教师］物质的结构决定其性质的原则同样适用于高分子，由于连接方式不同，高分子的结构大致可以分为三类：线型结构、支链型结构和网状结构，你能举例说明它们各自的特性吗？

［学生活动］分组阅读教材P134，联系生活，交流汇报三种结构的差异。

［教师］观察保鲜膜（高压聚乙烯）和酸奶瓶（低压聚乙烯），它们都是聚乙烯塑料，用途却相差很大，简要总结高压法和低压法聚乙烯塑料的性能、用途和结构有什么关系？

［学生活动］讨论思考，根据结构决定性质的基本观念，分析分子结构的变化，判断物质的性质变化。

［教师］对比聚乙烯和酚醛树脂，请大家思考它们在生活中的不同用途，为什么线型结构和网状结构对材料性质会有影响？

［学生活动］同学观看演示实验：酸催化线型酚醛树脂的形成和碱催化网状酚醛树脂的形成。讨论，思考通过改变它们的结构，从而改变性能，用于生活中不同的方面。

［教师］纤维是人们生活中的必需品。棉花、羊毛、蚕丝和麻等是大自然赋予人们的天然纤维；合成纤维创立于20 世纪30年代。合成纤维性能优异，用途广泛，而且生产条件可控，原料来源丰富，不受自然条件影响。引导学生写出合成具有某些特殊性能的合成纤维的化学方程式。

［教师］天然橡胶为何容易老化？实验室盛哪些药品的试剂瓶的瓶塞不能用橡胶塞？

［学生活动］讨论，思考顺丁橡胶的缺点以及改进措施，体会化学键的引入对材料性能的改良，了解合成高分子材料的另一种思路。

第3课时——在功能高分子材料的学习中掌握其设计和合成方法。

［情境创设］为适应高科技产业的要求，人们开发出具有某些特殊化学、物理及医学功能的高分子材料，其中有一种特殊的高分子材料——聚四氟乙烯，它可以用来制作冲锋衣，从而让冲锋衣具有防水透气防风的功能。为了更好地理解这种材料的特性，我们需要观察它的合成路线（见图4），并了解它与其他通用高分子材料的区别，以便制造出更优异的材料，为我们的生活提供更多的便利。

图4 聚四氟乙烯的合成路线

［教师］以上合成过程中的3步反应分别属于哪些反应类型？

［学生］倾听思考，并回答问题。

［教师］将聚四氟乙烯膨体改变结构后得到的功能高分子材料和传统高分子材料相比，性能上有哪些不同？

［学生］倾听思考，并回答问题。

［教师］婴儿纸尿裤芯体材料应具有吸水、保水且不溶于水的功能，高吸水性树脂可以用于婴幼儿纸尿裤。请大家阅读教材，理解吸水性树脂和高分子分离膜的组成和结构特点是什么？

［学生活动］对比膨体聚乙烯和原料聚乙烯的分子结构，其改变了孔径大小。分组讨论交流，比较材料的性能。

［创新实践］具有网状结构的聚丙烯酸钠是一种常用的高吸水性树脂。以乙炔或丙烯制备聚丙烯酸钠的合成路线（给出部分陌生有机反应的信息）。

［学生活动］设计合成路线，交流讨论，比较不同路线的优劣。

方案1：

乙炔→丙烯氰→丙烯酸→丙烯酸钠→聚丙烯酸

方案2：

丙烯→3-氯-1-丙烯→丙烯醇→丙烯醛→丙烯酸→丙烯酸钠→聚丙烯酸

方案3：

丙烯→丙烯醛→丙烯酸→丙烯酸钠→聚丙烯酸

［教师］除了膨体聚四氟乙烯（ePTFE）外，市面上还有其他防水透气面料技术吗？

［展示资料］以德国Sympatex（新宝适）公司开发的防水透气薄膜为例，指导学生阅读介绍其技术的资料。

［教师引导］除了户外衣物用品外，防水透气的聚氨酯（PU）薄膜应该还可以应用在医疗卫生领域，例如最简单的创可贴以及各种药贴等，当然还包括现在由于新冠疫情而需求量大增的医用防护服、手套等。

［学生活动］倾听，了解我国国内目前自主研发的防水透气面料技术。

［小结］根据高分子结构和性能之间的关系，我们可以优化高分子的分子结构合成特定需求的材料，或者可以通过优化小分子结构，合成带有特定基团的小分子单体，再聚合生成高分子。

四、反思改进

依据课堂教学效果及课后学习评价结果修正优化单元教学设计。也就是说从期望学生学会什么出发，根据学生学得怎么样以及学生的素养发展是不是达到了预期，从整体上进行系统的优化、反思和改进。

选择性必修3《有机化学基础》在编写上突出“结构决定性质”“性质决定用途”的科学思想，对学生化学学科素养的培养起着非常重要的作用。本单元是对有机化学知识的复习总结与综合运用，是有机模块的收官之作，将有机物结构、性能、应用三者联系到一个整体单元来进行教学是非常必要的。在课堂中可以让学生思考有机化学知识如何联系到实际应用，结构决定性质和性质决定用途的科学思想如何体现在实际应用中，让学生提出问题，与其他学生进行讨论，以便更好地探究问题，提出更多的问题，从而更好地学习。大概念下化学大单元“四步教学设计”是笔者对大概念下大单元整体教学的一个尝试，其核心是尊重学生的认识发展脉络，将学生的认识发展脉络与单元任务完成过程中知识脉络关联起来，使学生在原有认识的基础上，形成对物质世界的整体认识，从而促进学生核心素养的发展。