立足學科核心素養的化學單元學習

彭了 馮岸超

摘要：以“微粒及其相互作用”單元學習的設計和實施為案例，從學習目標的確定，核心表現型任務群的設立，評價與反思幾個方面論述了單元的設計和落實核心素養的效果，為立足核心素養的化學單元的設計提供參考。

關鍵詞：核心素養；單元學習；物質結構；微粒及其相互作用

文章編號：1008-0546（2022）01-0036-07中圖分類號：G632.41文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.01.009

根據《普通高中化學課程標準（2017年版）》[1]（以下簡稱新課標），“證據推理與模型認知”屬于高中化學學科要求的學科核心素養之一，其中“模型認知”的具體內涵為“知道可以通過分析、推理等方法認識研究對象的本質特征，構成要素及其相互關系，建立認知模型，并能運用模型解釋化學現象，揭示現象的本質和規律”。“模型認知”是學生在高中階段形成的重要的化學學科的思想和方法之一，是解決復雜化學問題的思維框架的基礎，對于幫助學生形成未來發展需要的正確價值觀、必備品格和關鍵能力有重要的作用和價值。

在新課標[1]修訂的基礎之上，北京師范大學王磊教授團隊主持編纂了新的《物質結構與性質》的選擇性必修教材，并且由山東科學技術出版社出版[2-3]。新的魯科版教材包含“原子結構”，“化學鍵與分子間作用力”以及“物質的聚集狀態與物質性質”三個章節的內容，體現了學生從原子結構，到微粒相互作用，再到物質聚集狀態，從物質的結構，到物質的性質和功能的學習進階。

結合國內外對于“模型”學習進程的研究[4-6]，參照布盧姆教育目標分類學[7]和韋伯知識深度模型[8]對認知維度的劃分，“模型認知”能力水平劃分為“認識模型”“理解模型”“運用模型”“建構模型”四個水平。其中“運用模型”即學生能夠利用模型描述物理或化學變化過程，解釋化學事實，根據模型預測物質的性質和變化等，而“建構模型”即學生能夠建構模型來展示和解釋現象是如何發生的，討論模型的適用范圍和局限性，根據證據或批判性思維優化模型以提高模型的解釋力等。

在過去的教學過程中，絕大多數教師和學生均表示“物質結構與性質”內容的難度較大，一方面，在過去10多年，“物質結構和性質”的相關內容都不在北京等省市的高考要求之內，教師缺少完整的教學經驗；另一方面，涉及物質結構的知識相對細碎繁多，交錯復雜。相比于無機化學和有機化學等與學生生活緊密聯系的內容，物質結構的理論知識相對較為抽象，不易理解，體現了“模型”學習的難度。因此，我們希望結合國內外對于“模型”學習的研究，設計基于“認識模型”“理解模型”“運用模型”“建構模型”的表現型任務，并且基于學科大概念形成學習單元，以不同微粒之間的不同相互作用力作為線索，引導學生深入認識物質的結構和性質之間的關系，發展化學學科“證據推理與模型認知”“宏觀辨識與微觀探析”等核心素養，最終提高學生在真實情境中分析和解決問題的能力。

一、學習單元設計基礎：課程標準

根據新課標[1]，“微粒及其相互作用”（物質結構）屬于必修課程“主題3物質結構基礎與化學反應規律”，選修課程“模塊2物質結構與性質”中的“主題2微粒間的相互作用與物質的性質”的內容范疇。總體要求提升有關物質結構的基本認識，深入認識物質的結構與性質之間的關系，發展“宏觀辨識與微觀探析”“證據推理與模型認知”等化學學科核心素養，其具體對應的內涵和要求如表1所示。

二、學習單元設計

1.單元學習目標

將課程標準轉化為學習目標是單元學習的核心問題，相關的策略和流程在有關文獻中已經討論[9]。通過基于課程標準的關鍵詞解構，基于核心素養的單元核心重構，基于單元學習任務的學習者目標的轉化，以及學習遷移和學習建構的互補，得到的“微粒及其相互作用”的單元學習目標如表2所示。

“微粒及其相互作用”單元的核心概念為：（1）能夠從不同層次對具有已知結構的物質進行分類，能從不同水平預測其可能具有的性質；（2）能夠結合物質的已知性質和變化，推測其可能具有的結構特點，即“結構-性質-功能”的正向和逆向的推論關系。因此，對應的核心問題分別為“物質為什么會具有特定的性質？”和“如何根據目標功能尋找合適的化學材料？”。上述表2中的單元學習目標不再基于碎片化的知識，而是聚焦于核心概念和核心問題這兩個更廣泛的框架之上。以核心概念和核心問題作為線索，可以引導教師從解決生活、生產中存在的實際問題的角度切入，設計表現型任務，發展學生的化學學科的核心素養。

2.核心任務（群）

在過去“物質結構和性質”有關的教學案例[10]中，絕大多數案例聚焦于觀察不同相互作用的靜態示意圖，或者觀察和分析已有的物質結構模型，其中涉及到的學科能力集中在“概括關聯”和“說明論證”中，缺少對于復雜體系或者高階學科能力的撬動，因此很難實現對于化學學科核心素養的發展。北京師范大學王磊和胡久華老師的深度學習課題組提出，只有來源于日常生產生活，能夠激發學生的興趣的學習任務，才能達成發展核心素養的目的。因此，基于深度學習的標準和學情分析，綜合考慮之下，我們將“構建一套物質結構模型，裝扮化學學科功能教室”作為本單元的核心任務。在學生制作完模型，如NaCl，金剛石和水的結構模型并且討論問題之后，由同學們按照量規為每個小組的模型投票選擇出最佳模型，在學科教室展出，并作為日常教學的工具。這些同學們自己制作的模型更加貼近同學學習的思維過程，能夠更好地促進學生對于物質結構的理解，也是一種肯定和認可，從而能夠提升學生的學習興趣。

為了幫助學生能夠成功地完成“構建模型”的核心任務，我們通過任務一幫助學生了解構成物質的基本微粒和微粒之間的相互作用的種類；在“構建模型”的核心任務完成之后，讓學生進一步“運用模型”，完成對于“物質-化學反應-真實情境”的解釋，強化“宏觀辨識與微觀探析”的核心素養，在這一過程中也不斷地修正和優化自己的模型；最后，通過任務四中的思維導圖整理思維過程，形成結構化的知識體系（見表3）。

（1）理解模型：微粒如何構成物質？

【教師：情境引入】給出介紹四種代表性物質（氯化鈉、水、金剛石和金屬鋁）的典型物理化學性質的資料卡片，包括溶解性、導電性、穩定性、硬度、延展性等；

【學生活動1】閱讀上述資料卡片，判斷這四種物質的晶體分別由哪種微粒組成？和同學們分享根據它們的物理化學性質來進行分析推理的思維過程。

【教師：提供資料】提供離子鍵、共價鍵和金屬鍵的相關模型，包括：Na+和Cl-之間的離子鍵，以及H和Cl之間的共價鍵的形成過程，HCl分子形成過程中的能量變化，不同軌道相互重疊的示意圖和金屬鍵模型。

【學生活動2】觀察不同種類的化學鍵的形成過程圖示，總結離子鍵、共價鍵和金屬鍵的形成條件和判斷方法。

①仿照HCl中共價鍵的形成過程，寫出甲烷（CH4），氨（NH3）和水（H2O）中共價鍵的形成過程；

②在CH4分子中，四根C-H鍵在空間如何排列（即CH4的空間構型是什么）？為什么？NH3和H2O的空間構型又是什么樣的？

③根據不同類型的化學鍵的形成過程，離子鍵、共價鍵和金屬鍵具有哪些特性？（如方向性和飽和性）有哪些參數能夠表征這些相互作用的強弱/特征？（如鍵長、重疊程度、極性、鍵角、鍵能等）

【教師：深入發掘】回顧活動1中四種不同物質的物理性質，不同的微粒是如何構成晶體的？

①以Na+和Cl-作為基本構成微粒，它們如何通過離子鍵形成NaCl晶體（離子晶體）？

②以C原子作為基本構成微粒，它如何通過共價鍵形成金剛石晶體（原子晶體/共價晶體）？

③以Al3+和自由電子作為基本構成微粒，它們如何通過金屬鍵形成金屬鋁晶體（金屬晶體）？

④在一個H2O分子中，H和O之間的相互作用是什么？多個H2O分子依靠什么相互作用構成H2O/冰晶體（分子晶體）？

【學生活動3：總結提升】總結四種不同晶體的異同點，包括它們的基本組成微粒，微粒之間的相互作用，以及形成過程和判斷方法。這些晶體中不同類型的相互作用分別受到哪些因素的影響？

設計意圖：辨識物質構成的微粒是學習本單元“微粒及其相互作用”的基礎，因此情境引入從真實生活中具有廣泛用途以及學生在過往學習中接觸過的物質中分別選取具有代表性的晶體，引導學生通過這些物質的性質和功能分析其構成的微粒，引導學生樹立“結構決定性質，性質決定功能”的化學學科思想，并且貫穿到整個單元的學習之中。

在了解構成物質的微粒的基礎之上，提供資料進而引導學生了解微粒之間的相互作用。第一個水平層級為化學鍵，通過分別展示典型物質的作用示意圖，引導學生認識化學鍵形成的微觀實質，總結不同種類的化學鍵的形成條件和判斷方法。第二個水平層級為物質的聚集狀態，通過總結四種典型的晶體的異同點，包括它們的基本組成微粒，微粒之間的相互作用，以及形成過程和判斷方法，形成結構化的知識體系。

以上活動分別從“構成物質的微粒種類”“微粒之間的相互作用”和“物質的聚集狀態”三個層次引導學生對物質結構產生思考，在學習過程中注意邏輯結構，注重總結和比較，形成類比和比較的學習思想。

（2）建構模型：構建一套物質結構模型，裝扮化學教室。

【教師：情境引入】在了解了物質的基本構成微粒、相互作用和聚集狀態之后，如何用模型表示這些相互作用或者晶體的結構呢？發揮你的創意，自己構建一套物質結構模型，優秀的作品還會被選為學科教室的教具，幫助更多同學的學習哦！

【學生活動】構建一套物質模型，要求：

①包含3種基本構成微粒（原子，離子和分子）和4種相互作用；4種相互作用可以體現在不同的模型中，分別為“A離子鍵”“B共價鍵（包括分子的空間結構）”“C金屬鍵”“D分子間作用力（氫鍵和范德華力）”；A要求包含“晶胞結構”，B要求包含“分子的空間結構”要素，A和C鼓勵包含不同的堆積方式，鼓勵同一個模型中含有多種相互作用。

②模型構建完成之后，對你的模型作用進行科學描述，包括你所構建的模型的基本構成微粒，微粒之間的相互作用類型，以及形成的晶體類型。為你的作品配上一個以化學符號（電子式，結構式均可）呈現的描述說明。

③觀察教室里一些常用的物質結構模型，你的模型和這些模型相比有什么異同點？有哪些優點和不足之處？嘗試用自己的模型解釋一些問題，以自我檢驗自己的模型是否構建合理，在對比和運用的過程中對自己的模型進行不斷優化。

設計意圖：在學生掌握“構成物質的微粒種類”“微粒之間的相互作用”和“物質的聚集狀態”的知識基礎之上，通過自主構建物質結構模型的任務，在創作的過程中引起學生學習的興趣，啟動學生的自我系統，同時增加學生對于各種不同微粒及它們之間的相互作用的理解。在引導學生通過自己的模型解釋問題的過程中，強化“結構決定性質，性質反映結構”的基本思想，發展“宏觀辨識與微觀探析”的化學核心素養。在解釋問題以及與常用模型的比較過程中，發現自己模型的不足并且進行修正，對“發現問題——進行改進”的科學發展過程有更好的體會，也加深了對于常用模型的理解。

（3）模型如何解釋性質和功能？

【情境引入】再次回顧任務1中的四種不同物質，它們的晶體類型，微粒間相互作用的類型和它們的物理、化學性質之間有怎樣的關系？

【學生活動1】如何應用我們自己構建的物質結構模型，對物質的性質和功能進行解釋？針對每種晶體類型，小組一位同學列舉出2-3種常見代表性的物質，對它們的常見物理、化學性質和在日常生活、生產中的應用和功能進行歸納總結，另一位同學嘗試用自己的模型進行解釋這些性質和功能，在解釋的過程中不斷地優化自己的模型。

【教師引導】在物質性質和功能解釋的基礎之上，能否用我們的模型，對于化學反應的相關機理和過程進行解釋？

【學生活動2】選擇一個反應，結合小組的模型，用模型表示反應歷程?？梢越Y合模型繪制簡單示意圖，也可以制作新的實物模型。可選的反應包括化合/加成反應、質子轉移反應、電解反應等，其他自選反應亦可。

【教師：深入挖掘】化學不僅是停留在書面上的理論，更可以幫助我們更好地理解生活中的相關問題，與生產和我們的生活有緊密的聯系。那么，我們的模型是否能夠夠進一步用于解釋或解決生活中遇到的化學問題呢？

【學生活動3】選擇一個你感興趣的與物質結構有關的論題進行科學闡釋，撰寫一篇小論文，可以將該項目作為研究性學習課題進行研究。要求能夠結合小組構建的物質結構模型對問題進行闡述；能夠緊密聯系現實生活和科學的前沿進展。可選論題包括：

①“鉆石”騙局（從物質結構的角度出發，設計或尋找一種鉆石的替代品）；

②如果沒有了氫鍵（氫鍵與生命的密切關系，如DNA，蛋白質中的氫鍵）；

③處處都有“相似相溶”（如蔗糖、氨和碘分別在水和四氯化碳中的溶解性）；

④破解頭發的結構之謎（頭發中化學鍵，洗發、燙發對頭發結構的影響）。

設計意圖：從活動1中列舉的四種晶體的學習拓展到具有同種晶體類型的其他物質，體會“從個別到一般”的歸納法在學習中的應用。在理解歸納法的基礎之上，通過小組內同學的互相提問，在解釋問題的過程中，發現自己模型的不足并且進行修正，對模型和相互作用有更加深刻的認識，也對“發現問題——進行改進”的科學發展過程有更好的體會，發展“宏觀辨識與微觀探析”和“證據推理與模型認知”的學科核心素養。

在靜態的物質的物理化學性質的基礎之上，用小組模型表示動態的化學反應，深入理解“化學反應是舊化學鍵斷裂、新化學鍵形成的過程”，最后，在綜合論題的寫作過程中繼續“運用模型”，形成利用物質結構解釋和預測物質性質，以及從物質的性質反推物質結構的解決問題模式，在寫作的過程中深刻體會化學與生命科學和生活的聯系，同時發展“科學態度與社會責任”的學科核心素養。

（4）梳理知識形成思維導圖。

【任務布置】對本單元中的知識進行梳理，形成思維導圖。結合小組的模型，小組共同梳理本章的知識網絡，以思維導圖的形式呈現。要求：

①與小組模型緊密聯系，能夠指導自己和他人使用模型進行問題解釋；

②思維導圖中要體現3種基本構成微粒，4種相互作用；對同一水平的不同概念進行比較和辨析；

③要求包含下列問題的答案：不同的相互作用有哪些異同點？不同的相互作用受到哪些因素的影響？如何判斷不同種物質的熔沸點高低？

設計意圖：總結該單元的知識點，在對同一水平的不同概念進行辨析的過程中，加深對于易混淆概念的理解，比如化學鍵和分子間作用力等。結合物質的結構和性質，形成自己的解釋說明（從結構角度對性質進行解釋）和推論預測（已知結構預測可能具有的性質）的解決問題模式，發展“證據推理與模型認知”的學科核心素養。

三、評價與反思

1.對“宏觀辨識與微觀探析”核心素養的發展

“宏觀辨識與微觀探析”是本單元最為重點發展的學科核心素養之一，只有在深入認識物質構成微粒和微粒間相互作用的基礎上，學生才能夠實現“從不同層次認識物質的多樣性；從原子、分子水平認識物質的組成、結構和性質”。為了通過表現型任務檢測學生是否達成了該目標，我們對學生完成的任務進行了深入的分析。

本單元的任務2為構建一套物質結構模型，裝扮化學學科教室，經過學生的制作、討論、修改和評選，有代表性的三個物質結構模型如圖1所示。圖1a為學生構建的NaCl的離子晶體結構模型，與傳統的晶體結構模型不同，該結構模型采用了球形的切片來表示晶胞中位于頂點的離子。這一方面能夠更好地幫助學生認識到晶體可以通過晶胞的重復堆積形成，另一方面也能夠幫助學生理解晶胞中不同位置的微粒的計數原理。圖1b是學生構建的氨分子的空間結構，用體積較大的藍色柱狀部分表示了氨氣分子中孤對電子的存在，從而能夠幫助學生形象地理解氨分子的空間結構是三角錐型的原因：因為孤對電子與N-H鍵有較大的排斥作用。圖1c為學生構建的氨分子與水分子之間的氫鍵的作用，直觀地體現出了一水合氨分子的空間結構，也能夠幫助學生更好地理解氫鍵的方向性和飽和性。

雖然學生自己制作的模型與通常學科教室呈現的離子晶體等的模型不同，不能盡善盡美，存在一些缺陷，但對于解決學生本章中遇到的“迷思概念”有很大的幫助。在制作模型的基礎之上，讓每組學生描述自己的模型，并嘗試用自己的模型解釋化學問題，在這一過程中不僅從不同層次認識了物質，還從宏觀和微觀相結合的視角分析和解決了實際問題，從而發展了“宏觀辨識與微觀探析”的化學學科核心素養。

2.對“證據推理與模型認知”核心素養的發展

在本單元，“證據推理與模型認知”的核心素養要求學生能將化學事實和微粒間相互作用相關理論模型進行關聯和合理匹配，并能選取適當的證據從不同視角分析問題，推出合理的結論。此外，能描述和表示與微粒間相互作用有關的理論模型，指出做模型表示的具體含義，并運用理論模型解釋或推測物質的組成、結構和變化。

本單元的任務3為“運用模型”，其中在小組構建的深度模型的基礎上撰寫小論文的活動引起了同學們的積極參加。部分同學論文中的相關摘錄如下：

學生通過提供的學習資源以及自己上網搜查感興趣的與物質結構有關的議題，并且利用自己構建的模型和所有的物質結構有關的知識進行解讀。例如：在“鉆石恒久遠：金剛石的結構穩定之謎”中通過C-C形成的穩定的單鍵和原子晶體的結構，解釋了鉆石作為碳單質的穩定性，并且通過鍵長和鍵能等的數據比較佐證了這一點；在“如果沒有了氫鍵”中，結合氫鍵的作用強度討論了DNA結構的相對穩定性和復制的功能；在“碳vs.硅：命運的鴻溝從何而來”中，結合Si和C的成鍵能力和性質的對比，解釋了為什么碳原子成為了生命的基礎，而硅成為了電子以及半導體行業發展的基石。這些論述都體現了學生“宏觀辨識與微觀探析”和“證據推理與模型認知”核心素養的發展。

此外，上述論文的撰寫過程，也使學生們深刻認識到了化學對于創造更多物質財富，滿足人民美好生活的重大貢獻，培養了學生嚴謹求實的科學態度，探索未知和崇尚真理的意識。學生選擇的主題，如“利用霧霾合成鉆石”“碳vs.硅：命運的鴻溝從何而來”“是什么讓我每天發型爆炸”“如果沒有了氫鍵”等，都與日常生活實際密切相關，體現了學生從書面知識向思考生活的轉變，形成觀察、思考、分析、解釋生活中與化學有關的現象的習慣，繼而自愿成為化學科學的宣傳者，也反映了“科學態度與社會責任”的學科核心素養的發展。

綜上所述，此次以“構建一套物質結構模型，裝扮化學功能教室”和“運用模型解決實際問題，撰寫小論文”為核心的任務群的學習，對于不同化學學科的核心素養的發展都起到了一定的促進作用。在單元學習季結束之后，絕大多數同學在訪談中表示，在該單元的學習中，自己動手制作模型，并且將其作為化學學科功能教室的教學工具，不僅增加了自己對于模型和物質結構知識的理解，而且也獲得了成就感和自豪感。用自己制作的模型解決實際問題，能夠更好地培養“結構決定性質，性質決定功能”的觀念。因此，以后在生活中遇到其他與物質性質有關的問題，也能夠更加自主地從物質結構的角度進行思考和解釋。本單元的學習也對本學年的學習起到了很好的承上啟下作用，對暑假的自主學習起到了總結提高、拓展升華的作用。

四、總結

總之，我們以課程標準作為單元設計的出發點，以落實核心素養作為單元實踐的目標，對于“微粒及其相互作用”的單元設計和實踐展開了研究。任務完成的結果表明，單元學習中包含的學習任務（群）促進了學生化學學科的“宏觀辨識與微觀探析”“證據推理與模型認知”“科學態度與社會責任”等學科核心素養的發展，對于化學學科其他單元的設計提供了參考和借鑒。

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