学科大概念统领下的高中化学单元整体教学设计

韩春艳 沈坤华

［摘 要］学科大概念是单元教学的核心。文章基于“结构决定性质”化学学科大概念，以“乙醇与乙酸”教学单元为载体，以果酒和果醋的酿造为情境，将乙醇和乙酸的性质结构化地整合在一起，展示了学科大概念统领下的高中化学单元整体教学设计。该教学设计顺应学生的学习心理，可促进学生的学科知识结构化和认知结构化，有助于学生实现深度学习，同时提升学生的化学学科核心素养。

［关键词］学科大概念；单元整体教学；乙醇和乙酸；教学设计

［中图分类号］    G633.8        ［文献标识码］    A        ［文章编号］    1674-6058（2024）02-0069-04

《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》（以下简称课程标准）明确指出：“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］然而，日常教学中教师更注重课时教学设计，缺少单元整体教学的意识和方法。学生获得的多是些碎片化知识，不利于学科观念的培育及学科思维的提升。大概念是处于更高层、居于中心地位和藏于更深层次，具有认识论、方法论和价值论三重意义，因而能广泛迁移的活性观念［2］。选择一个具有统摄性的学科大概念作为单元教学的支点，结构化地组织教学，可使学生的学习由“散点”式转化为结构式，促进“知识为本”向“素养为本”的转化，撬动课堂教学方式的转型。

本文以人教版（2019年）高中化学教材必修二第七章第三节“乙醇与乙酸”的教学为例，以果酒和果醋的酿造这一真实情境贯穿整个课堂，引导学生在分析问题和解决问题的过程中，思考知识背后蕴含的学科本质，形成认识有机物的一般思路和方法，帮助学生形成“结构决定性质”的学科大概念，落实学科核心素养。

一、 学科大概念统领下的单元知识分析

“乙醇和乙酸”作为烃的衍生物知识的起点，对学生整个烃的衍生物学习观念的建构和方法引领至关重要。课程标准对“乙醇和乙酸”的要求如表1所示。

基于课程标准的要求，结合教学内容的内在逻辑关系，抽提出本单元的主题大概念“结构决定性质”，引导学生从官能团视角认识乙酸和乙醇。以该大概念为统领的“乙醇与乙酸”单元整体教学设计框架如图1所示，旨在引导学生从微观结构认识乙醇和乙酸的宏观性质，形成认识有机物性质的一般思路和方法。

二、教学目标及教学整体思路

（一）学情分析

学生在生活中已经对乙醇的物理性质、可燃性、简单用途以及乙酸的酸性有所了解。在前面的学习中，学生通过甲烷、乙烯的性质差异，初步形成“结构决定性质”的学科观念，这有利于学生进一步从官能团视角认识乙醇、乙酸的结构与性质。学生虽然具有一定的实验探究能力和证据推理能力，但是从微观视角认识有机物变化的能力尚有所欠缺，基于官能团认识有机物的能力也有待加强。

（二）单元目标及课时目标

大概念引领下的单元教学目标，上承课程目标，下接课时目标，对教学设计、教学活动有精准导向作用。基于学情和课程标准要求，“乙醇和乙酸”的单元目标及课时目标如表2所示。

（三）单元教学流程

本单元以“果醋的酿造”这一真实情境中的问题解决作为外显主线，聚焦“结构决定性质”学科大概念，将核心概念建立路径、学生认知逻辑和关键能力发展作为暗线，设计多样化的学习活动，由浅入深，层层递进，引导学生在实际问题的解决过程中不断迁移学科知识以及形成认识有机化合物的思路和方法，实现思维发展的进阶，将知识内化为能力和素养。具体教学流程如图2、图3所示。

三、单元教学片段

（一）果酒的主要成分是什么——类比迁移初探乙醇的结构

【课前任务】学生查阅资料了解果酒和果醋的酿造工艺，梳理果醋酿造的基本方案和核心流程，小组讨论酿造过程中有机化合物的转化路径是怎样的，并小组合作尝试酿造果醋。

【情境引入】小组展示抽提的果醋酿造工艺及酿醋过程中物质的转化关系。

教师：果酒中含有乙醇，分子式為C2H6O，相比乙烷多了一个氧原子。请同学们根据成键原理，使用球棍模型拼搭出乙醇可能的结构。

【活动1】乙醇球棍模型拼搭。

学生：结构可能有2种，即CH3OCH3或CH3CH2OH，两者的区别是官能团不同。

【问题1】设计实验证明乙醇的结构是哪一种，并说明设计依据。

【实验探究1】对比实验：乙醇、水分别与钠反应。

【问题2】乙醇与钠反应产生的气体是什么？如何证明？

学生：氢气；将收集的气体点燃后检验生成的产物。

【演示实验】利用氢气传感器验证产生的气体为氢气。

教师：乙醇与钠反应产生氢气，氢气中的氢原子来自碳氢键上的氢原子，还是氧氢键上的氢原子？如何证明？

【PPT投影】①实验测得46 g乙醇（1 mol）与足量的金属钠反应，可得到的氢气在标准状况下的体积为11.2 L（0.5mol）。② 钠保存在煤油中，煤油为C11～C16的烃类混合物。

【学生活动】分析讨论确定乙醇的结构为CH3CH2OH，且在与钠反应时断裂的是氧氢键。

教师：羟基是乙醇的官能团，它决定了醇类物质的化学性质。请写出乙醇与钠反应的方程式。

设计意图：从定性和定量的角度引导学生层层递进、步步深入地认识乙醇的结构，初步建立从官能团视角认识物质的一般思路。同时，通过乙醇、水与钠反应的对比实验，让学生认识到羟基的活泼性会受其他基团的影响，培养学生的求异思维，并帮助学生从微观上理解有机物的性质和结构，发展学生的证据推理能力及科学探究能力；引导学生建立认知有机物的“宏-微-符”三重表征思维模型，进一步加深对官能团概念的理解，促进学生形成“结构决定性质”的大概念。

（二）果酒如何转化成果醋——变化中探究乙醇的性质

【资料】果酒转化成果醋的过程：乙醇→乙醛→乙酸。

【实验探究2】学生小组实验——乙醇的催化氧化实验。

教师：请同学们描述在实验过程中有哪些现象。

学生：在酒精灯上加热后铜丝由红色变为黑色，将其加入乙醇中后又变成红色，有刺激性气味气体产生。

【教师活动】提示刺激性气味的物质为乙醛，并展示乙醛的结构式。

【活动2】对比乙醇、乙醛的结构特点，借助球棍模型分析二者转化过程中化学键的断裂和形成。

【动画模拟】动画展示乙醇转化为乙醛的断键和成键过程。

【符号表征】写出反应方程式，并分析铜丝在实验过程中的作用。

【问题3】如何检验果酒在发酵成果醋的过程中产生了乙醛？

【资料】醛基可以与新制氢氧化铜在加热条件下产生砖红色沉淀。

【实验探究3】取不同时期的发酵液，检验乙醛的生成。

【问题4】如何在实验室实现乙醇到乙酸的转化？

【实验探究4】乙醇分别与重铬酸钾及酸性高锰酸钾溶液反应。

设计意图：通过实验让学生宏观感受乙醇到乙醛及乙酸的转化过程，激发学生的好奇心，并通过对各物质球棍模型结构的对比，引导学生推测物质转化过程中化学键及官能团的变化，最后通过动画模拟反应机理将微观过程可视化。学生的猜想被验证，不仅可大大提高学生学习的积极性，而且可帮助学生从化学键和官能团变化的角度深刻理解有机反应的实质，并用化学方程式符号表征，促进学生理解、内化“结构决定性质”的学科大概念，培养学生的“宏观辨识与微观探析”学科核心素养，建立研究有机物结构的一般思路和方法。

（三）如何检验果醋的生成——实验感知乙酸的酸性

【问题5】如何验证果醋酿造成功了？

学生：可测定不同时期酿造液pH的变化。

【问题6】如何设计实验验证乙酸的酸性？

【学生活动】设计实验方案，小组合作进行实验探究，交流实验现象和结论。

【问题7】乙酸和乙醇均含有羟基，为什么乙酸具有酸性，而乙醇没有酸性？

【交流讨论】对比两者结构，猜测乙酸中多了碳氧双键，可能是碳氧双键对羟基产生了影响。

教师：正是因为碳氧双键对羟基的影响，让羟基变得更活泼，使羟基上的氢氧键更容易断裂体现酸性。我们把碳氧双键和羟基所形成的基团叫作羧基，它是乙酸的官能团。

【问题8】乙酸是几元酸？如何设计实验比较乙酸、碳酸、盐酸的酸性？

【讨论交流】可利用强酸制弱酸的原理设计实验，或者测定同浓度酸的pH等。

设计意图：通过猜想、实验验证等过程，引导学生认识乙酸的酸性；通过小组合作设计实验方案比较乙酸的酸性，诊断并发展学生的实验设计能力；通过师生、生生互评，不断修正和完善实验方案，引导学生建立控制变量的思想；通过乙酸和乙醇中羟基的对比，进一步强化“结构决定性质”的大概念。

（四）果醋香味的来源——宏微结合探究酯的由来

【资料】果醋的香味主要来自酯，在酯化阶段乙酸和乙醇生成有香味的乙酸乙酯。

【活动3】利用乙醇和乙酸的球棍模型，根据信息拼插出乙酸乙酯的可能结构，并解释说明拼插过程。

【交流讨论】展示酯的可能结构，探讨断键的两种可能：①酸脱羟基醇脱氢；②醇脱羟基酸脱氢。

【问题9】如何判断乙酸乙酯中碳氧单键的氧来自哪种物质？

【知识拓展】 科学家采用同位素示踪法，将乙醇中的氧原子标记为18O（如图4）。

教师：通过检测，发现18O出现在CH3COOCH2CH3中，由此可知酯化反应的机理是酸脱羟基醇脱氢。

【活动4】观察乳酸的球棍模型，找出乳酸有哪些官能团，预测乳酸的化学性质。

【学生活动】自主思考，小组讨论交流，小组代表汇报分享，小组间交流补充。

【教师活动】归纳总结从官能团角度预测陌生有机物性质的思路方法。

设计意图：通过酯化反应的模拟拼插，引导学生从结构出发，体会反应中的断键、成键情况，理解酯化反应的实质，建构酯化反应断键、成键的模型，并通过同位素示踪法发展学生的“宏观辨识与微观探析”“证据推理与模型认知”学科核心素养；通过结构探析、思维探究，加深学生对“结构决定性质”大概念的理解。同时，通过对乳酸性质的预测，使学生进一步深化“从官能团视角认识有机物”的思路和方法，并经过同化、顺应知识结构形成新的化学认知结构［3］。

四、单元教学反思

（一）真实情境贯穿始终，促进学生知识结构化

大概念的抽象化、复杂化及结构化必然会导致学生认识上的困难。在教学上将大概念与真实情境有机结合，能有效降低学生的认识难度。只有在真实情境下运用一种或多种知识完成特定的任务，才能评估关键能力、必备品格与价值观念［4］。本单元围绕“果醋酿造”情境，创设“果酒到果醋的演变”“果醋酸味来源”“果醋香由何生”等具有内在逻辑关联的课时“中情境”和环节“小情境”，把零碎的知识点融入情境之中，激发学生积极地去思考、探究，自主构建醇、醛、酸、酯转化过程中的官能团和物质类别转化模型，帮助学生从知识关联的结构化走向认识思路的结构化，形成有机化合物的认识角度和一般思路，將事实性知识的认知上升为大概念理解。

（二）沉浸式体验实验探究，促进学生关键能力提升

学科大概念的形成不是一蹴而就的，需要在不同教学内容、不同教学情境下反复建构，不断丰富。本单元教学以学生为主体，使其沉浸式体验实验探究过程，并通过传感器的使用，让实验结果快速直观地呈现；探究过程中让学生小组合作交流并优化实验方案，激发学生解决问题的动力，使化学知识的学习过程成为一个可感受、可体验的过程。通过实验探究引导学生基于宏观现象，微观探析反应过程中官能团和化学键的变化以及有机物类别的转化，关注知识背后的核心内容，进一步建立有机化合物中“结构决定性质”的学科大概念，同时在探究中感悟化学的价值与魅力，发展学生的“科学探究与创新意识”“证据推理与模型认知”等学科核心素养，提升学生有机化学学习关键能力。

（三）持续性学习评价活动，促进学生学科素养进阶

单元整体学习是一个持续进阶、不断优化的过程，对单元学习成果、目标达成度的综合考查需要以持续性学习评价贯穿整个单元学习。课堂上的每一个活动都可以作为一个评价任务，基于任务的完成情况，从能力维度和素养维度对学生进行评价；多元主体参与评价，可以采取同伴互评与教师评价相结合的方式。如在对乳酸性质进行预测的阶段，通过提问、追问等方式对学生能否自主调用认识有机物的一般思路进行评价，课后可以以研究性小论文的形式公开学生的果醋酿造项目学习成果，促进学生及时自我反思，以评促学，实现学生学科素养的持续进阶。

［   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［M］.北京：人民教育出版社，2020.

［2］  李松林.以大概念为核心的整合性教学［J］.课程·教材·教法，2020（10）：56-61.

［3］  布鲁纳.教育过程［M］.邵瑞珍，译.北京：文化教育出版社，1982.

［4］  崔允漷.学科核心素养呼唤大单元教学设计［J］.上海教育科研，2019（4）：1.

（责任编辑 罗 艳）