基于三重表征的單元復習教學設計

麥燕寧 許燕紅

摘要： 以三重表征為主線的化學單元復習教學，充分體現知識的邏輯性與整合性。構建基于三重表征的單元復習教學設計思路，并以“化學反應的熱效應”為例開展高三單元復習教學。

通過創設情境、宏觀表征、探本溯源、深化理解、抽提觀念等教學流程，

突出三重表征對學生系統掌握化學知識、全面發展核心素養的重要作用。

關鍵詞： 三重表征； 單元復習； 教學設計； 反應熱效應

文章編號： 1005-6629（2022）11-0054-07

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

化學是在原子、分子水平上研究物質的組成、結構、性質、轉化及其應用的一門基礎學科，其特征是從微觀層次認識物質、以符號形式描述物質、在不同層面創造物質［1］。而化學三重表征是指化學宏觀知識、微觀知識和符號知識在教材（教學）中的呈現形式，以及在學習者頭腦中的信息加工和儲存方式［2］。由此可見，三重表征充分體現了化學學科的本質特征，是學習化學獨特的思維方式。在單元復習教學過程中，以“宏觀-微觀-符號”三重表征為主線整合教學內容，開展教學活動，不僅體現了教學內容的邏輯性，而且有助于學生從宏觀、微觀、符號的三重角度系統掌握化學知識，將化學知識以三重表征相互關聯的形式儲存在頭腦中，更有利于遷移應用化學學習的方法和策略，有效形成化學學科思想觀念，全面發展化學學科核心素養。本文以“化學反應的熱效應”高三單元復習課為例，基于三重表征的視角開展單元復習教學，突出三重表征教學對于學生整體復習的重要作用，達到發展學生核心素養的目的。

1 “化學反應的熱效應”高三單元復習教學現狀

“化學反應的熱效應”是高考的核心知識之一，其中的“熱化學方程式”更是高考的熱點，已毋庸置疑地成為高三單元復習課堂的主角。但在該單元復習教學過程中，教師往往圍繞“熱化學方程式”的書寫以及“蓋斯定律”的計算，讓學生進行題海戰術的反復操練［3］。如此過度關注碎片化的、僵化的、結論性的考點知識，看似提升了復習的“效率”，其實嚴重忽略了各知識點相互之間嚴密的邏輯關系，不利于學生對知識的整體性的把握。因此在高三化學復習課中，教師要注重學科知識的內在邏輯，整合并關聯復習的內容，引導學生基于宏微結合、變化守恒等視角深刻理解各知識點的來龍去脈，促進學生對化學學科本質的理解和化學基本思想觀念的掌握，設計有助于發展學生學科核心素養的單元復習教學。

2 基于三重表征的單元復習教學設計思路

單元復習教學設計中的“單元”并非僅限于教材的某一單元，其更加注重的是“經驗單元”或者“邏輯單元”，它是基于一定的學習主題而確立的一個知識模塊［4］。三重表征作為化學獨特的思維方式，意味著學生在化學學習過程中，需要從宏觀上觀察與辨識、微觀上理解與解釋、符號上簡化與表達。因此，基于三重表征的單元復習教學恰好結合了學生的經驗邏輯與學科的知識邏輯，有助于促進學生對知識的整體把握和本質理解。

2.1 整合單元復習教學內容，明確三重表征角度

“化學反應的熱效應”高三單元復習課的知識內容貫穿整個中學化學，具有容量大、跨學段、跨教材、跨章節的特點。學生通過不同的學段學習相關的內容，在進入高三復習階段后，對這些龐雜的知識內容往往感到心有余而力不足。因此，教師需要基于三重表征的視角，有機整合相關的學習內容，把握教與學的深度與廣度，促進學生對知識的整體把握。本文通過分析教材以及課程標準中對“化學反應的熱效應”內容的要求，以畢華林教授提出的在課程與教學視角下三重表征的實質與內涵為依據［5］，從“宏觀-微觀-符號”三重表征角度將相關知識進行劃分和整合，得到“化學反應的熱效應”高三單元復習核心知識關聯圖（見圖1）。

2.2 確立單元復習教學目標，挖掘素養發展價值

單元復習教學目標是教學的出發點也是落腳點，它指導并調整教師“教”的過程，也預期學生“學”的結果。而課程標準作為化學課程的綱領性文件，對教材編寫、教學實施、考試評價發揮著重要的指導作用。通過研讀并梳理化學課程標準中的內容要求和學業要求，基于三重表征的視角，

結合具體的知識點，挖掘相關內容的素養發展價值，設置“化學反應的熱效應”單元復習教學目標（如表1所示）。

2.3 重構單元復習教學流程，形成三重表征思維

通過梳理發現，“化學反應的熱效應”單元復習知識內容相互之間存在較強的三重表征邏輯思維關系。首先，學生需要從宏觀的角度辨識化學反應能量的轉化形式，并采用焓或能量的變化示意圖進行宏觀表征；其次，從化學鍵、活化分子等微觀的視角深度理解并解釋化學反應熱效應的本質；然后，還需要從符號視角采用熱化學方程式正確地表征反應熱，能熟練運用蓋斯定律計算反應的焓變，系統整合該主題知識，建立良好的價值判斷，運用物質觀和能量觀分析和解決社會能源等實際問題；在整個復習過程中，學生的認識方式從宏觀到微觀再到符號、從定性到定量、從孤立到全面，最后形成系統的物質觀和能量觀，由表及里，層層深入，形成完整的三重表征思維，在掌握核心知識的同時發展化學學科核心素養。以三重表征為主線，以促進學生對知識的整體掌握和核心素養的發展為目的，重構基于三重表征的單元復習教學流程如圖2所示。

3 教學過程

3.1 創設情境，激發興趣

［導入］從自然的火山爆發到手動的鉆木取火，人類征服自然的開端在于火的發現與使用。從干枯枝葉的燃燒到現如今煤、石油、天然氣等能源的開采使用，物質燃燒一直以來是人們獲取能量的基本途徑。

［問題］隨著人們生活水平的提高，能源的需求量不斷增大，然而現有的自然能源是有限的。未來能源路在何方？如何促進能源的可持續發展？

［資料］新聞視頻：十五部委聯合推廣車用乙醇汽油。新聞內容：乙醇汽油是用90%的普通汽油與10%的燃料乙醇調和而成的車用替代燃料。我國從2003年起在黑龍江、吉林等省市陸續推廣使用乙醇汽油。乙醇汽油可以有效改善油品的性能與質量，降低污染物的排放，不影響汽車的行駛性能。

設計意圖：通過引古到今敘述能量的獲取方式，創設真實的問題情境和乙醇汽油的推廣使用情境，密切聯系生產生活實際，讓學生認識到能源的重要性和自然資源的有限性，引起學生的重視，引發學生的思考，激發學習的興趣。

3.2 宏觀表征，形成認識

［引導點撥］通過建立概念關系圖（如圖3所示）讓學生辨析并掌握能量、熱量、吸熱反應、放熱反應、反應熱、焓變等概念。

［小組討論］舉例并總結常見的吸熱反應和放熱反應的類型。

［教師］以乙醇燃燒放熱反應以及木炭還原二氧化碳的吸熱反應為例，用焓或能量的變化示意圖宏觀表征放熱反應和吸熱反應。

［學生］畫出吸熱反應和放熱反應中焓或能量的變化示意圖（如圖4所示）。

［教師］觀察焓或能量的變化示意圖，你們有什么發現？

［學生］對于一個化學反應，如果E（生成物）＜E（反應物），那么該反應為放熱反應，反之為吸熱反應。ΔH=E（生成物）-E（反應物），如果ΔH＜0，那么該反應為放熱反應，反之為吸熱反應。

設計意圖：將相互聯系的能量、熱量、吸熱反應、放熱反應、反應熱、焓變等概念，以概念關系圖的形式進行概念辨析，有助于學生對各個概念形成整體性、關聯性的理解。通過讓學生總結常見的吸熱反應與放熱反應，動手畫出焓或能量的變化示意圖進行宏觀的表征，讓學生從宏觀角度對反應熱形成初步的認識。

3.3 宏微結合，探本溯源

［教師］乙醇燃燒為什么會放熱？反應熱的本質是什么？物質微粒在反應過程中存在什么行為？這些行為的結果是什么？

［微觀示意圖］畫出或展示乙醇燃燒的化學反應微觀變化過程示意圖如圖5所示。

［小組討論］觀察乙醇燃燒微觀變化過程示意圖，分析反應熱的本質，討論在反應過程中微粒的運動、碰撞行為，歸納能夠使化學反應發生的微粒碰撞需要的條件。

［學生］在化學反應過程中，化學鍵的斷裂與形成是分子、原子劇烈運動、相互碰撞的結果，當這種碰撞具有合適的取向且微粒具有足夠的能量時，就能促使化學反應的發生，這種碰撞被稱為有效碰撞。由此可見，物質微粒進行有效碰撞的過程中，斷鍵的吸熱過程和成鍵的放熱過程的綜合作用導致了化學反應的熱效應。

［教師］是否所有的分子都具有足夠的能量發生有效碰撞？

［學生］理解活化分子、活化能的概念，并在焓或能量的變化示意圖中標注這兩個反應的活化能（見圖6）。

［教師］活化能是引發物質相互之間發生化學反應的最低能量。活化能對人類生活有什么意義？活化能越高越好嗎？

［學生活動］討論活化能與人類生存發展的關系，在焓或能量的變化示意圖中標注催化劑對反應活化能的影響（見圖7）。

［學生匯報］活化能使許多物質能夠在自然界中較為穩定地存在，從而保護了地球上有限的自然資源，如自然能源石油、天然氣等。但是對于我們需要讓其發生反應的物質，如果活化能越高，那么物質越穩定，也就意味著需要創造更苛刻的條件并給予充足的能量，這些物質才能發生反應。比如合成氨反應，這對我們也是不利的，所以需要辯證地看待活化能與人類生存發展的關系。但幸運的是，我們可以通過加入催化劑來降低反應的活化能卻不改變反應熱。

設計意圖：展示乙醇燃燒的微觀變化過程示意圖，有助于學生理解化學反應中化學鍵的斷裂與形成、活化分子的有效碰撞等微觀過程，從宏觀過程到微觀過程逐級完善焓或能量的變化示意圖，學會從微觀角度解釋宏觀現象，發展宏觀辨識與微觀探析素養。同時通過討論活化能對人類生存發展的意義，發展學生的辯證思維和社會責任心。

3.4 符號表征，深化理解

［教師］化學反應放出或吸收的熱量具體是多少呢？如何確定？如何用化學符號進行表征？

［學生活動］理解中和熱、燃燒熱概念，分析簡易量熱計的構造，探究中和熱的測定原理，設計實驗方案，并在小組內進行匯報。

［教師］已知在298K、 100kPa下，CH3CH2OH的燃燒熱為-1366.8kJ·mol-1，CO的燃燒熱為-283.0kJ·mol-1［6］，請分別寫出CH3CH2OH及CO燃燒熱的熱化學方程式。

［學生］書寫CH3CH2OH及CO燃燒熱的熱化學方程式。

CH3CH2OH（g）+3O2（g）2CO2（g）+3H2O（l）

ΔH=-1366.8kJ·mol-1

CO（g）+1/2O2（g）CO2（g） ΔH=-283.0kJ·mol-1

［學生討論］總結熱化學方程式書寫的注意事項，分析熱化學方程式與化學方程式的區別（見圖8）。

［教師］所有的反應熱數據都能通過實驗測定獲得嗎？我們方便測出CH3CH2OH（g）+2O2（g）2CO（g）+3H2O（l）的反應熱嗎？為什么？

［學生］當反應進行得很慢或者有副反應發生時（如生成一氧化碳的反應總會有二氧化碳副產物生成），這些反應不能直接測定反應熱，需要通過蓋斯定律進行計算。

［引導點撥］蓋斯定律的內容。

［學習任務］根據CH3CH2OH及CO燃燒熱的熱化學方程式，利用蓋斯定律計算CH3CH2OH（g）+2O2（g）2CO（g）+3H2O（l）的反應熱。

（1） CH3CH2OH（g）+3O2（g）2CO2（g）+3H2O（l） ΔH1=-1366.8kJ·mol-1

（2） CO（g）+1/2O2（g）CO2（g） ΔH2=-283.0kJ·mol-1

（3） CH3CH2OH（g）+2O2（g）2CO（g）+3H2O（l） ΔH3＝？

熱化學方程式（3）=（1）-2×（2），所以ΔH3=ΔH1-2ΔH2=-800.8kJ·mol-1

［教師］除了利用蓋斯定律計算反應熱，還有別的方法嗎？

［提供資料］已知在298K、 100kPa下，一些化學鍵的鍵能如表2所示［7］，計算CO（g）+1/2O2（g）CO2（g）的反應熱，并和實驗測定值進行比較。

［學生］利用鍵能數據計算CO（g）+1/2O2（g）CO2（g）的反應熱。

ΔH=E（反應物總鍵能）-E（生成物總鍵能）=E（C—O）+1/2E（OO）-2E（CO）=1076kJ·mol-1+1/2×498kJ·mol-1-2×803kJ·mol-1=-281kJ·mol-1。

［教師］你們有什么發現？

［學生］鍵能計算值和實驗測定值不相等，但是很接近。

［引導點撥］鍵能是指氣態分子中1mol化學鍵解離成氣態原子所吸收的能量［8］。相同的化學鍵在不同的化合物中受到分子、原子的影響不同，鍵能也不一定相同，而且反應物及生成物的狀態也未必能滿足鍵能定義的條件，因此利用鍵能計算的反應熱不能代替精確的熱力學計算和實驗測定，但由鍵能估算反應熱也具有一定的實用價值［9］。

設計意圖：通過討論反應熱的測定原理，設計實驗測定方案，發展學生的邏輯分析和科學探究能力。書寫熱化學方程式和利用蓋斯定律計算反應熱，有助于學生將所學的知識整合起來，以符號表征的形式存儲在大腦中，架接起宏觀表述和微觀表征的橋梁，建立三重表征之間的關聯，逐漸形成系統的能量觀，發展變化觀念與平衡思想素養。

3.5 價值判斷，抽提觀念

［教師］乙醇汽油有什么優缺點？我們應該如何選擇和利用燃料？

［學生1］乙醇燃燒熱數值大，燃燒放出的熱量較多。

［學生2］乙醇汽油燃燒不產生有毒氣體，可以替代作為車用燃料。

［學生3］乙醇具有揮發性，且其主要來源于糧食的生物發酵，糧食一旦減產，其供應可能會受到影響。

［教師］很好，燃料都有自身的優缺點，那么如何選擇和利用燃料呢？

［學生活動］討論分析選擇和利用燃料需要考慮的維度，歸納總結如圖9所示。

［教師］我國的能源總量雖然較為豐富，但人均能源可采儲量遠低于世界平均水平，且存在能源結構不平衡、資源分布不均衡的問題。面對有限的自然資源，我們如何實現能源的可持續發展？

［學生活動］討論實現能源可持續發展的措施，歸納總結如圖10所示。

設計意圖：通過討論和總結燃料選擇需要考慮的維度以及實現能源可持續發展的措施，讓學生關注燃料的選擇利用以及能源的可持續發展等社會熱點問題，培養學生的參與意識和決策能力，抽提系統的能量觀，使能量觀的學科價值向社會價值轉化，發展學生的社會責任素養。

4 教學反思

4.1 串珠成線，層層深入

以三重表征為主線，將“化學反應的熱效應”高三單元復習知識點串聯起來。通過宏觀辨識化學反應的熱效應現象和圖像表征能量的變化，從化學鍵和活化能等微觀角度解釋宏觀現象；利用熱化學方程式對反應熱進行符號表征，一方面促使學生的認識方式從定性到定量以及從孤立到全面的深度轉變，另一方面使學生對龐雜的化學知識形成清晰的“宏觀-微觀-符號”三重表征的思維，串珠成線，由表及里，層層深入，促進學生對化學知識的深度理解。

4.2 整合知識，抽提觀念

學生在高一、高二學段分別學習“化學反應的熱效應”的相關知識，進入高三階段后，這些知識是以碎片化的形式存儲在學生的大腦中。因此，單元復習課的教學需要有效整合外顯的學科知識和內隱的學科觀念。基于“宏觀-微觀-符號”三重表征的視角，劃分并整合核心知識，有助于學生形成完整的知識體系，抽提出系統的能量觀，提高解決實際問題的能力。

4.3 明確導向，發展素養

明確育人為本的素養導向，以知識點為載體，以學生活動為主要形式，發展學生的化學學科核心素養。在“化學反應的熱效應”高三單元復習課中，可以通過宏觀辨識化學反應的能量轉化形式以及微觀探究其本質原因，發展學生宏觀辨識與微觀探析素養；通過熱化學方程的書寫和蓋斯定律的應用，發展學生的變化觀念與平衡思想素養；通過討論燃料的選擇與利用以及能源的可持續發展的社會熱點問題，發展學生的科學態度與社會責任素養。

參考文獻：

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［4］ 李潤洲. 指向學科核心素養的教學設計［J］. 課程·教材·教法， 2018， 38（7）： 35～40.

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［6］ 王晶， 鄭長龍主編. 普通高中教科書·化學（選擇性必修1）［M］. 北京： 人民教育出版社， 2020： 120.

［7］ 羅渝然. 化學鍵能數據手冊［M］. 北京： 科學教育出版社， 2005： 191～209.

［8］ 王晶， 鄭長龍主編. 普通高中教科書·化學（選擇性必修2）［M］. 北京： 人民教育出版社， 2020： 37.

［9］ 宋天佑， 程鵬， 徐家寧， 張麗榮. 無機化學（第四版）［M］. 北京： 高等教育出版社， 2019： 68～69.