基于化學核心觀念建構的教學設計

陳晶君

摘要： 從化學核心觀念建構的角度對“化學變化中的能量變化”主題進行了教學設計，基于概念前測創設問題情境，運用引導探究的方法從現象事實到規律總結，從宏觀辨識到微觀探析再到符號表征循序漸進地建構概念，體驗科學活動的完整過程。并在教學過程中運用移動終端、微課等信息化技術手段，提高教學效率，拓展教學的時間和空間。

關鍵詞： 觀念建構； 化學變化中的能量變化； 教學設計

文章編號： 1005-6629（2018）4-0045-05 中圖分類號： G633.8 文獻標識碼： B

1 問題的提出

愛因斯坦在“物理學和實在”一文中說“科學的目的，一方面是盡可能完整地理解所有感性經驗之間的聯系，另一方面是通過最少個數的基本概念和基本關系的使用來達到理解的目的”。科學的目的就是要找到紛繁復雜的大千世界里的各種事物和現象間的聯系、規律，再建構科學理論，最終回答一些大問題，形成科學的核心觀念[1]。化學科學的核心觀念是在化學科學認識活動中形成并指導化學科學認識活動的基本觀念，而“能量觀”是化學的核心觀念之一，它是在建構解釋物質及其轉化的化學科學理論的認識中概括而來的。

從能量角度認識化學反應是高中化學教學的重要內容，也是學生“能量觀”建構的重要方面。學生“能量觀”的形成與發展是以相關具體知識的學習為基礎的，“化學變化中的能量變化”是發展學生“能量觀”認識的重要載體，它涉及較為豐富的事實性知識和概念性知識，這些知識與“能量觀”之間存在的實質性聯系可以用圖1所示知

圖1 “能量觀”視角下的“化學變化中的能量變化”知識層級分析

識層級圖來體現。從“能量觀”來理解“化學變化中的能量變化”，就是要對相關教學內容有整體把握，理清事實、概念及觀念之間的關系，抓住關鍵性內容，教給學生有組織的知識體系，而不是將孤立零碎的、毫無聯系的知識教給學生[2]。

基于以上思考，本文就“化學變化中的能量變化”為例，開展基于核心觀念建構的教學設計，從教學活動設計的角度和如何依托信息化平臺、移動終端技術更好地落實核心觀念建構進行實踐。

2 “化學變化中的能量變化”教學設計

2.1 教學分析——梳理核心觀念建構路徑

科學認識活動有兩大基本任務： 一是探尋自然現象及其之間的基本聯系，即探尋科學規律；二是對自然現象及其規律進行解釋，即建構科學理論。科學規律是回答“有什么”或“是什么”的問題，科學理論是回答“為什么”的問題。只有從這兩個角度的結合上認識自然，才算得上較為完整的科學認識活動[3]。

“化學變化中的能量變化”是高中化學（滬科版）一年級第一學期第四章的第二節，本課為第一課時，根據《上海市高中化學學科教學基本要求》，知識內容為“放熱反應和吸熱反應（學習水平： B級）”、“熱化學方程式（學習水平： C級）”。從核心觀念建構的角度來看，基于在實驗事實中感受到的化學反應中的能量變化，學生依據釋放或吸收熱量對化學反應進行分類（放熱反應和吸熱反應），從化學反應伴隨著能量變化的宏觀現象深入到分析其微觀原因，并嘗試從符號表征和定量的角度認識化學反應釋放或吸收的熱量，最終加以應用。由此梳理出“實驗感知→理論探析→問題表征→實際應用”的核心觀念建構路徑，見圖2。

圖2 “化學變化中的能量變化”核心觀念建構路徑

2.2 教學目標——突出學科核心觀念的提升

（1） 知道熱能是化學變化中能量變化的一種主要形式，理解不同化學反應中的熱效應。理解化學變化中能量變化示意圖和熱化學方程式。

（2） 通過感知典型化學變化中的能量變化，學會從能量變化和微粒變化等多個視角探究化學反應；通過從能量轉化到化學鍵變化的視角認識化學反應中的熱效應，學習從宏觀辨識到微觀探析研究化學變化的方法；通過實驗感受、理論分析以及用化學語言表達化學反應的熱效應，認識科學研究中透過現象看本質，由定性判斷到定量分析的方法。

（3） 了解化學變化中的能量變化與人類、社會的關系，增強社會責任意識。進一步體會能量守恒定律在自然科學中的應用，體驗化學中變化與守恒的對立統一關系。

2.3 教學方法——借力信息技術高效建構核心觀念

本課核心觀念的建構過程包括了課前預學、課中研學以及課后鞏固拓展三個環節，旨在通過各種數字化資源的優化整合，幫助學生形成融會貫通的學習鏈，提升自主學習的能力。

課前通過微課學習喚起已有的知識經驗，通過概念前測卷了解學生的學情與疑惑。課堂上從學生認知角度創設問題情境，引起認知沖突，采用引導啟發的探究式教學方法幫助學生建構概念。同時，整個過程中有效利用移動終端智慧課堂的交互平臺、自主學習平臺、在線測試平臺以及同屏技術等信息化手段，提升課堂教學效率。課后則通過學習水平不同的四節微課，幫助學生根據自身的學習需求進行鞏固拓展。

3 “化學變化中的能量變化”教學過程

3.1 課前預學部分

（1） 觀看《化學變化中的能量變化》微課，回顧能量守恒定律、物質三態變化中的能量變化；知道化學變化中的能量變化的多種形式，主要為熱能；知道放熱反應、吸熱反應。

（2） 走進實驗室： 感受典型化學變化中的能量變化。

（3） 完成課前測試，上傳平臺：

問題1： “2H2+O22H2O”表示哪些含義？

問題2： 請以水為例，描述1mol物質處在三種聚集狀態時，所具有的能量高低，并說說三態變化中的能量變化，用簡潔的方法表示出來。

問題3： 什么是放熱反應？什么是吸熱反應？請舉例，并說明判斷依據。

問題4： 你在學習中還有哪些問題？

設計意圖： 現代教學認為，學生在學習某一知識前，頭腦里并不是一片空白，他們通過日常生活的各種渠道，在無意中形成了對某些事物特定的看法和思維方式，并在頭腦中沉淀下來成為自己的知識經驗。在學生已有的知識經驗中有一類是正確的，能夠為新知識的獲得提供有力的支撐點，對學生的學習起積極作用。預學部分所設計的微課學習、實驗活動以及概念前測中的問題1和問題2都旨在幫助學生喚起這些已有經驗，把它們作為學生吸收和整合新知識的“固著點”，從而引導學生順利地使原有的認知結構得到“量”的擴充。而另一類模糊的知識經驗，甚至與公認的科學概念相悖，會影響或阻礙新知識的獲得，不利于學生的學習，稱為前科學概念[4]。概念前測卷中的問題3與問題4就是為了找到這些模糊的知識經驗，幫助學生糾正它們，從而更有效地建構核心觀念。

3.2 課堂教學部分

環節一：“飛天夢”引發對能量的思考

[配樂朗誦、同步圖片展示]“天何所沓？十二焉分？日月安屬？列星安陳？”詩人屈原一首《天問》，寄予了一個民族對天的豐富想象。從嫦娥奔月到敦煌飛天，從墨子三年制木鳶到楊利偉成為“中國航天第一人”；從1999“神舟一號”無載人飛船實驗到2016“神舟十一號”帶著宇航員們遨游太空33天；從古至今，人類為了飛天的夢想付出了巨大的代價。如今我們站在巨人的肩膀上，回首這段飛天的歷史，心中同樣充滿了好奇。助人類實現遨游太空夢想的火箭，它的能量來自于哪里呢？

設計意圖： 在富有意境的配樂朗誦和圖片展示中，帶領學生回顧人類實現飛天夢，特別是中華兒女夢圓航天的簡要歷程，凸顯本節課的學習價值，激發學生作為中華兒女強烈的自豪感和無可推卸的責任，增強教育的感染力。

環節二： 理解反應的熱效應——如何判斷一個化學反應是放熱反應還是吸熱反應

[展示]部分學生的前測卷問題3答案。

[教師]如何來判斷一個反應究竟是放熱反應還是吸熱反應呢？同學們做過實驗的可以根據溫度變化情況來判斷放熱還是吸熱。但未做過實驗的呢？（展示）學生前測卷問題3答案“反應條件為加熱或燃燒的反應”。

[學生討論1]吸熱反應是否就是需要加熱的反應呢？

教師演示實驗： Fe與S的反應（同頻器同步放大展示），學生觀察現象，討論交流。

[教師]這是一個需要加熱的放熱反應……所以，僅以反應的條件來判斷是否吸熱或放熱反應是不科學的。我們應該先要從本質上來了解為什么有些反應放熱，有些反應吸熱。

設計意圖： 回顧熟悉的吸熱反應與放熱反應，列舉核心觀念建構的基礎——事實性知識。指出學生概念中的一些模糊點，如三態的變化不屬于化學變化，故不能稱為放熱反應或吸熱反應，明確燃燒是放熱反應。捕捉學生的錯誤觀點“需要加熱的反應就是吸熱反應”，通過典型的化學反應鐵粉與硫粉加熱后所呈現的現象，讓學生在實驗中感受化學變化中的能量變化，切實體會到需要加熱的反應不一定是吸熱反應，實現概念轉變，為核心觀念的構建做好鋪墊。

[學生討論2]為什么有些反應放熱，有些反應吸熱？

[展示]概念前測問題2的部分解答（以H2O為例的物質三態變化中的能量變化，有的學生用文字表述，有的用圖示的方法）。

[教師]三態變化中，物質將吸收的熱量轉化為自身的內能，所以吸熱過程中物質的內能升高，而放熱使得內能降低。化學反應中的能量變化，應該和什么有關系呢？

設計意圖： 通過概念前測問題2，學生將已有的知識經驗“物質三態變化中的能量變化”遷移到“化學變化中的能量變化，同時通過不同答案的比較突出圖示法的優點，為后續核心觀念建構中的符號表征環節作鋪墊。

[學生活動1]以鐵和硫的反應為例，通過移動終端的智慧課堂平臺，用涂鴉的方式在坐標系中畫出反應過程中物質所含能量高低的變化（以橫坐標為反應時間進程，縱坐標為物質能量的變化），見圖3。

圖3 鐵粉與硫粉反應過程中物質所含能量高低的變化

[歸納]放熱反應： 反應物總能量>生成物總能量

吸熱反應： 反應物總能量<生成物總能量

[教師]在化學科學研究中，判斷一個反應是放熱反應還是吸熱反應，我們可以通過實驗現象來進行定性判斷或定量測定，但是某些反應由于種種原因是不能直接測得的，我們就可以通過反應物和生成物的能量高低來進行判斷。

設計意圖： 通過圖示的方法對鐵與硫反應過程中的能量變化進行剖析，明確化學反應過程中能量變化的規律，引領學生從能量這個新的角度去認識我們所熟悉的化學反應。運用移動終端的智慧課堂系統能夠提高每一個學生在討論交流中的參與度，也幫助教師更好地關注每個學生對問題的看法，找到典型案例進行講解評析，提高課堂效率。

[學生活動2]自主學習： 從宏觀到微觀，感受氫氣和氯氣生成氯化氫過程中的能量變化。在移動終端上自主選擇教師提供的微視頻以及圖片資料進行學習。

設計意圖： 根據課標要求，化學變化中的能量變化在微觀層面上的解釋僅在等級考中有要求，但就核心觀念的建構而言，微觀解釋是幫助學生理解能量變化的實質不可缺的一部分。基于以上考慮，此部分內容設計為學生在移動終端上的自主學習，認識科學活動中的一種研究方法，但不作具體要求。

環節三： 理解能量變化示意圖和熱化學方程式——如何用簡潔的語言來表示化學反應的熱效應

[學生討論3]能否用簡潔的方式來表示化學變化中的能量變化？

借助鐵粉與硫粉反應過程中的能量變化的圖示，理解吸熱反應與放熱反應的能量變化示意圖。

[展示]前測卷問題1的解答，回顧化學方程式的意義；

氫氣與氧氣生成水的不同寫法的熱化學方程式，比較得出熱化學方程式的特點和意義。

[學生活動4]推動火箭升空的能量，它產生于這樣的一個化學反應： 2N2H4+N2O43N2+4H2O，這是放熱反應還是吸熱反應？經測定，1g氣體燃料N2H4與氣體助燃劑N2O4反應，燃燒生成氮氣和水蒸氣，同時放出16.4kJ的熱量。你能用幾種簡潔的語言來表示該反應中的熱效應？（在任務單上完成后平板拍照上傳，有的學生用圖示法，有的學生用熱化學方程式。）

設計意圖： 從圖示法表示H2O的三態變化中的能量變化，到作圖反映Fe與S反應過程中物質能量的變化，能量變化示意圖的表征方法應該是在學生腦海中自然浮現出來的，只需明確要關注化學變化的始態與終態；熱化學反應方程式的表征方法是這節課的一個教學重點，通過概念前測問題1，即幫助學生理解熱化學方程式的特點和意義，也進一步明確本節課的學習內容是從一個新的角度——能量的角度去認識化學變化中的規律。應用部分既呼應了本課引入部分的“飛天夢”，也體現了從宏觀現象到本質理解，再到符號表征完整建構化學核心觀念的一個過程。

3.3 課后作業部分

（1） 在移動終端平臺上完成鞏固測試題。（2）根據鞏固測試題的完成情況，自主選擇微課再學習：

a. 化學變化中的能量變化（學習水平： 合格考）

b. 鍵能與反應熱（學習水平： 等級考）

c. 化學變化中的活化能（學習水平： 化學競賽）

d. 能量利用與新能源（學習水平： 拓展視野）

設計意圖： 學生在平臺上完成鞏固測試題后立即會獲得相應的評價與指導，同時學生可以根據自己的課堂學習情況及自身的興趣愛好，選擇相應的微課進行再學習，拓展了學習的時間和空間，真正關注到每個學生的學習需求，也是對課堂上核心觀念建構的一種補充。

4 教學反思

本節課的重點是“化學變化中的能量變化”概念的建構。在進行課堂教學過程的設計時，充分關注了學生已有的知識經驗。在概念前測中反映出學生最大的問題是對于如何判斷一個反應是吸熱反應還是放熱反應相當模糊。對于有實驗感知的個別反應，學生能夠判斷；而未做過實驗沒有感知的，有些學生就用反應條件來判斷，出現了錯誤。不理解熱效應的實質也就不能抓住問題的本質來判斷分析。所以很多學生在前測中提出了“為什么有些反應放熱，有些反應吸熱？”“化學變化中的能量變化是如何產生的？”等問題。基于問題情境的啟發引導式教學中的討論問題就全部來自于學生的課堂前測卷中，正是這些逐步引導學生深入思考的問題幫助他們實現了核心觀念的建構。

課堂上，針對學生在課堂前測卷中呈現的問題和疑惑展開教學： 通過無線同屏連接的Ipad，放大典型演示實驗“鐵和硫加熱條件下的反應”的現象，讓微型實驗的現象清晰地展示在每一位學生面前；當就現象發布問題討論時，學生通過移動終端采用輸入、拍照、涂鴉等不同方式個性化地展示自己的想法，更方便師生之間和生生之間的交流互動；當就學習難點“化學變化中能量變化的微觀解釋”發布拓展學習資料時，學生在終端上自主選擇圖片、文檔或視頻動畫來進行學習，獲取所需信息；課后，學生還可以根據鞏固測試題的反饋以及自身的學習需求進行自主選擇微課學習。課前、課中、課后，信息技術的使用有效拓展了學生的學習時間和空間，為核心觀念的完整建構提供了有效的技術支持，也大大提高了課堂教學的效率，提升了學生的興趣度與參與率，幫助教師真正關注到每一個學生的個性化學習。

參考文獻：

[1]朱玉軍，王香鳳.科學核心觀念的內涵及其教育價值分析[J].化學教學，2017，（8）： 10～14.

[2]何彩霞.從能量角度認識化學反應——對必修2“化學能與熱能”教學的思考[J].教學儀器與實驗，2012，（11）： 3～6.

[3]梁永平.化學科學理解的基本視角及其核心觀念[J].化學教育，2011，（6）： 4～7.

[4]葉佩玉.中學化學教學設計[M].上海： 上海教育出版社，2016： 146～147.