基于UbD的初中化學大概念主題單元復習教學設計

蔡輝舞 王鋒 洪茲田

摘要： 以“基于物質類別認識物質的性質與變化”大概念統領單元復習教學，以“有反應無明顯現象的實驗探究”為載體，呈現逆向設計理念視角下教學設計的探索與實踐，通過構建促進學生理解的多維教學結構，注重“教、學、評”一體化，促進具體知識背后的大概念外顯和化學課程核心素養落地。

關鍵詞： UbD理論； 大概念； 有反應無明顯現象的實驗探究； 主題單元復習教學； 初中化學

文章編號： 1005-6629（2023）03-0034-07

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

1? 問題的提出

《義務教育化學課程標準（2022年版）》要求：教師應積極探索大概念統領下的課堂教學，實施單元整體教學，開展以化學實驗為主的多樣化的學科活動，促進科學思維培養，注重實施“教、學、評”一體化，實現從知識為本到素養發展的課堂教學轉變［1］。

追求“理解”的逆向教學設計（Understanding by Design，簡稱UbD）是指教師在教學設計前，首先要先關注預期的學習結果，教學評價優于教學活動的開展，是從學習結果開始的“以終為始”的逆向思考［2］。逆向教學設計主張以大概念和重要的表現性任務為核心，使學生更容易理解而達到預期學習結果。教學過程中，教師應結合課程標準相關要求進行單元逆向教學設計，提升學生化學課程核心素養，引發深度學習。

2? UbD逆向教學設計和大概念單元教學

UbD逆向教學設計最主要的特征是“理解”和“逆向”。“理解”的主要特征表現是對大概念的理解和構建，將大概念轉化成可以解決的、有啟發性的起到媒介作用的基本問題，通過問題的結構化引導“理解”結構化，完成對“大概念”的形成和內化。“逆向”的主要特征表現為“結果”“證據”“活動”三者間的逆向因果關聯。UbD逆向設計包括三個階段（見圖1）。

逆向設計目標先行，將評估環節的設計前置，大大改善了教學目標達成的隨機性，使預期結果、關鍵表現以及教與學的體驗之間產生更大的一致性，有利于學習情況的實時反饋、證據的及時調整甚至新的積累，從而形成螺旋式發展的教學設計閉環，這也是UbD逆向設計將評估證據逆向前置的價值所在。

大概念是反映化學學科本質，具有高度概括性、統攝性及遷移價值的思想觀念，體現了核心素養在化學學科各主題中的內容化和特質化要求。大概念統領的單元教學內容框架包括5個維度：課程標準明確需要建構的大概念（big idea， B）、需要學習的核心知識（core knowledge， C）、需要掌握的基本思路與方法（method， M）、需要形成的重要態度（attitude， A），以及需要經歷的必做實驗及實踐活動（practice， P）［3］。通過BCMAP五維一體的結構，引導學生直面真實的問題場景，在科學探究及學科實踐活動中經歷和體驗，掌握和理解核心知識，形成和發展科學思維方法，孕育和樹立情感態度與價值觀。

3? 基于UbD的大概念主題單元教學設計實踐

3.1? 主題單元分析——建構大概念

“有反應無明顯現象的實驗探究”主題單元是人教版九年級下冊的一個中考復習單元。學生已經學習了二氧化碳、酸、堿、鹽等重要物質的性質及用途，能從感知與記憶水平層面知道具體物質的事實性知識。但是，從物質類別視角，對于重要知識間的內在關聯以及學科本質理解上的學科思想與方法，還缺乏知識的系統性和認識思路的結構化。在化學學習中，許多化學反應通常伴隨著明顯現象，但也有些反應真發生卻未能觀察到明顯實驗現象，針對這類反應的綜合探究，學生往往缺乏思考方向，依靠傳統做題解決了具體知識和技能的學習，但無法促進學生科學思維、關鍵能力和價值觀的發展與形成。這類“有反應無明顯現象的實驗探究”主題包含：CO2與水、CO2與NaOH、 NaOH與鹽酸、NaOH的變質等，這些內容較分散，但有共同的學科特質。

基于以上因素，在學生學習了酸堿鹽重要的內容后，專門抽提出了“基于物質類別認識物質的性質與變化”大概念，進行大概念統領下的“有反應無明顯現象的實驗探究”拓展性主題單元復習教學。通過該主題單元學習將零散的知識主題化、結構化和素養化，引導學生通過設計實驗方案，分析、解釋有關的實驗現象，運用綜合歸納等科學方法，進行證據推理，化無形為有形，從而掌握常見酸堿鹽的性質及轉化，多角度表征物質變化，構建思維模型并形成證據推理意識，促進科學思維發展。

3.2? 教學目標——確定預期結果

本主題單元為復習單元，目標規劃不僅需要對單元內容進行學科理解，還需兼顧學科知識整合和學業質量要求。據此，設計單元復習教學目標和課時目標見表1。

課時11.1? 能依據物質的組成對物質進行分類，知道同類物質在性質上具有一定的相似性，具有研究同類物質的思路。通過實驗，認識CO2、酸、堿、鹽的主要性質，能描述實驗現象和用化學方程式表征化學反應。

1.2? 與CO2有關的無明顯現象反應受多因素影響，能利用控制變量法，與同伴合作設計對比實驗排除無關因素的影響，構建單點到多點關聯的結構化認識。

1.3? 基于證據推理，會用語言或思路圖表表達研究“有反應無明顯現象的實驗探究”的一般思路與方法，形成從個別到一般的思維建模和應用遷移。

課時22.1? 通過觀察分析宏觀的現象證據和數字化實驗的圖像證據，多角度認識“酸堿中和”及“與CO2有關的反應”，構建“宏觀-微觀-符號-曲線”多重表征的思維方式。

2.2? 初步形成從定性實驗探究和定量圖像表征視角研究物質性質與變化的結構化思路，并能將圖像表征的認識和應用遷移到對同質問題的解決中。

課時33.1? 能運用“有反應無明顯現象的實驗探究”的一般思路與方法，結合宏微結合和復分解反應條件，從物質類別視角選擇合適的試劑進行物質的檢驗、物質的轉化，構建酸、堿、鹽間物質轉化的知識結構化。

3.2? 基于證據推理，能用語言或圖示表達“氫氧化鈉變質程度探究”的一般思路與方法，建立認知模型，并運用模型解決與化學有關的實際問題。

3.3? 教學框架——大概念下的結構化設計

在“基于物質類別認識物質的性質與變化”大概念統攝下，結合BCMAP多維課程內容，形成相關主題內容的有序整體結構，使得教學目標凸顯，方向清晰［4］。“有反應無明顯現象的實驗探究”單元教學框架如圖2所示。

課時1“與CO2有關的無明顯現象反應的探究”，針對“CO2與水”“CO2與NaOH溶液”無明顯現象的反應，采用整合對比復習的實驗探究策略，針對主題，創設從“無”到“有”的可視化實驗教學情境，以問題引領，層層推進，促進認知水平和思維品質螺旋上升，凸顯化學學科方法，構建思維模型（見圖3），彰顯實驗的育人價值。

課時2“物質轉化與圖像表征”，將傳統實驗與數字化實驗融合，利用手持技術，將宏觀的物質變化，轉化為量化的數據圖像，實現了化學反應過程的可視化、場景化，讓化學反應有跡可尋，使化學研究從定性走向定量。圖像表征加深了對化學學科本質理解，凸顯科學思維的軌跡，基于證據推理，形成了“曲線-宏觀-微觀-符號”四重表征的思維方式，使思維外顯、素養內化，如圖4所示。

課時3“氫氧化鈉變質程度的探究”，在前兩課時的基礎上，知識和能力要求更進一步，從物質類別視角，進行實驗方案的預測、評價與實施，對酸堿鹽等物質性質進行重構學習，從“宏觀-微觀-符號”三重表征視角，形成物質檢驗和探究物質變質程度的思維模型（見圖5）。

3.4? 教學評價任務設計——確定評估證據

評估證據指的是在單元或課時學習過程中利用各種正式或非正式的評估收集起來的證據［5］。多種持續性的評估，以及更大程度地關注形成性（和表現性）評估，才能產生和激發理解［6］。UbD倡導“以終為始”的基于評估證據的設計，實施多樣化的評價方式，使教學更具指向性和針對性。因此，根據表1所示的教學目標，設計活動表現評價內容（見表2）。

3.5? 學習活動與評價設計——“教、學、評”一體化

確定預期結果和恰當的評估證據后，設計基于大概念的學習活動，達成“教、學、評”一體化。教學目標和評估證據最終的落腳點都在課堂教學活動設計的實施中，教學目標是學習的索引，教學評價是對學習結果的檢驗。“有反應無明顯現象的實驗探究”主題單元教學活動設計如下：

3.5.1? 課時1? 與CO2有關的無明顯現象反應的探究

［問題1］VC泡騰片溶于水產生的氣體是否為CO2？

［表現性任務1］學生進行氣體檢驗。

［學習評價］學生能很好地完成實驗、描述現象、準確書寫化學方程式并歸納結論。

［問題2］用注射器抽取VC泡騰片溶于水后產生的氣體，注入NaOH溶液，振蕩、觀察不到明顯現象，如何設計實驗證明二者發生了反應？

［追問］往充滿CO2的瓶子里倒入NaOH溶液，觀察到瓶子變癟，能否證明NaOH與CO2反應了？如何設計實驗證實呢？

［表現性任務2］對于多因素影響時能使用控制變量法設計實驗。從反應物減少的視角，證實無明顯現象反應的真實發生，如圖6。

［學習評價］水平較高的學生自如運用控制變量法完成設計任務，并進行證據推理。部分學生缺乏清晰的思維遷移路徑，需教師有效引導和同伴互助，方可完成。

［問題3］CO2加水后的溶液中加入紫色石蕊試液，溶液變紅。反應中有多個因素干擾，如何設計實驗論證溶液變紅的原因？

［表現性任務3］學生利用控制變量法探究紫色石蕊試液變紅的原因（見圖7）。

［學習評價］經過了表現性任務2的實踐體驗，對于多因素影響的反應，大部分學生都能較好地運用控制變量法設計實驗方案，方案開放且多樣，能準確表征化學反應、描述現象、推理歸納。

［問題4］上述實驗說明了CO2能與水發生反應，能否闡述其設計思路？

［追問］能否將該設計思路運用于證明NaOH與CO2的反應？

［表現性任務4］選擇不同類別的物質檢驗：圖6實驗中NaOH與CO2混合后的溶液中是否含有Na2CO3？

［學習評價］水平較高的學生思維敏捷，能運用復分解反應條件，宏微結合，選擇合適的酸堿鹽進行CO2-3的檢驗。能篩選方案、完成實驗，獲取證據和結論。能與他人交流該反應研究的一般思路。水平較低的學生較難從微觀角度思考物質的檢驗方法。

［定量評價］試題診斷評價（略）。

課時設計意圖：從VC泡騰片溶于水，展開一系列針對看不到明顯現象反應的探究，有趣味性和認知沖突，螺旋構建“有反應無明顯現象”反應發生的認知模型。基于實驗證據，提升科學論證和證據推理能力，培養實證、嚴謹求實的科學態度。

3.5.2? 課時2? 物質轉化與圖像表征

［問題1］瀏覽手機GPS運動動態軌跡圖。化學反應能否也能直觀呈現過程軌跡？

［表現性任務1］數字化實驗——探究中和反應。往NaOH溶液中加入稀鹽酸，利用pH、溫度傳感器，觀察分析曲線動態變化（圖略）。

［學習評價］水平較高的學生能解讀pH和溫度曲線變化的意義，能從曲線中提取關鍵信息，理解中和反應的學科本質。能將“曲線-宏觀-微觀-符號”相聯系，構建四重表征思維方式。水平較低的學生較難從曲線中獲取數據證據，數形解析的能力較為欠缺。

［問題2］宏觀的定性實驗，清晰闡述了“與CO2有關的反應”，能否利用數字化實驗進行定量角度的研究呢？

［表現性任務2］數字化實驗——探究“與CO2有關的反應”。借助壓強傳感器，比較CO2與水、飽和石灰水、飽和NaOH溶液反應的過程。開蓋直接傾倒，對比分析宏觀的實驗現象與圖像表征，解析曲線變化的化學本質。

［問題3］上述實驗，在密閉條件下用注入法，如圖8所示，分析壓強變化曲線，你能獲取哪些信息？

［追問］你會有哪些發現？

［表現性任務3］借助試題診斷性評價，解析曲線變化的意義。

［學習評價］水平較高的學生能根據NaOH與Ca（OH）2溶解性差異，通過圖像證據，分析推理，證實NaOH與CO2反應；能解析三條曲線的差異、AB段增大的原因。水平較差的學生，從單條到多條曲線的對比綜合分析，缺乏思維的入口和路徑。

［問題4］能否利用數形結合，進行定性和定量的綜合研究？

例：欲測定一瓶標簽破損的稀硫酸的溶質質量分數，現取30g該稀硫酸樣品于燒杯中，將溶質質量分數為10%的NaOH溶液逐滴滴入到燒杯中，邊滴邊攪拌，隨著NaOH溶液的不斷滴入，溶液pH變化如圖9所示。請解決問題：（1）分析a點溶液中的溶質成分。（2）計算該稀硫酸的溶質質量分數。

［表現性任務4］根據曲線進行分析，解決上述問題。

［問題5］如何從定性和定量視角構建“有反應無明顯現象”反應發生的思維模型？

［表現性任務5］展示課時結構圖，對話討論，表達交流。

［定量評價］試題診斷評價（略）。

課時設計意圖：圖像更直觀、明了，利用數字化實驗，如手機GPS運動軌跡，表征化學反應中相關量的變化，使學生從不同視角論證了化學反應的真實發生，構建多重表征思維方式。通過圖像解析，培養學生讀圖、析圖、推理、論證等重要的學習能力。通過定量評價診斷，反饋核心知識和認識思路的遷移應用水平。

3.5.3? 課時3? 氫氧化鈉變質程度的探究

［問題1］小洪同學在進行中和反應實驗時，向燒杯中的NaOH溶液滴加稀鹽酸，發現有氣泡產生。為何會有氣泡產生？

［追問］NaOH已變質，變質的原因？除了鹽酸，還能用其他類別物質進行檢驗嗎？

［表現性任務1］分析變質原因，討論用其他類別物質（除酸以外）進行檢驗。

［學習評價］該問題的解決與課時1中從生成物角度判斷CO2與NaOH反應的實質相同，屬于同質問題的不同呈現方式。大部分學生經過了第1課時學習，能較好地分析和應用。

［問題2］NaOH溶液已變質，變質程度如何？

［追問］部分變質和完全變質的溶液成分有何不同？

［追問］部分變質或完全變質的實質是在Na2CO3存在的情況下，檢驗有無NaOH。結合酸堿鹽的化學性質，如何設計實驗判斷變質程度？

［表現性任務2］小組合作設計實驗探究NaOH的變質程度。

［學習評價］物質具有獨特的性質。水平較高的學生能與同伴合作優化方案，形成設計思路：先檢驗并除去Na2CO3，再檢驗是否含有NaOH。水平較低的學生對于混合物的檢驗缺乏思路，需要教師搭建支架不斷引導，在同伴幫助下，才能明確物質的檢驗方法和試劑量的使用，才能結構化地應用酸堿鹽間的知識聯系。

［問題3］通過實驗方案實施，能否總結NaOH變質程度探究的思維模型？

［追問］基于NaOH的性質，實驗室應如何保存這類堿？

［表現性任務3］梳理本單元內容、單元相關檢測及素養內化，考查學生認識水平的發展和學科能力的提升。

［定量評價］試題診斷評價（略）。

課時設計意圖：在NaOH變質程度的探究中，基于物質類別構建酸堿鹽間的聯系與轉化，形成了知識和認知的結構化，建立“基于物質類別認識物質性質及變化”的研究思路與方法，將具體知識背后的大概念構建并外顯出來，促進學生高階思維的發展。

4? 總結與反思

本主題單元學習實現了“構建模型”到“遷移應用”的進階學習，課堂學習氛圍和諧熱烈，學生參與度高，從課堂學習評價及課后學生反饋中，可發現單元教學目標基本達成。針對學生的真實表現，提出幾點思考：

4.1? 跳出學科桎梏，加強跨學科融合

課時1中，對于多因素影響時使用控制變量法，可從學生熟悉的學科間聯系入手，搭建跨學科學習支架，實現方法遷移。氣體參與造成密閉體系內壓強減少的反應，圖像表征中的數形結合以及宏觀-曲線間的聯系，通過跨學科融合，有效增進學科理解。有學生評價這樣的復習課就是多彩化學變化與縝密數學思想、嚴謹物理推理的大融合。

4.2? 遵循學習邏輯，建構思維模型

本設計應遵循學生學習邏輯，從理解、探究到建模、應用。真正在探究活動中，逐步建構“有反應無明顯現象”問題的解決模型。誠如一學生所言：以前學習，知識是一點一點的，感覺有些零散，現在串起來竟成了一片，頓時豁然開朗，原來知識內部是相互聯系的。

4.3? 重視證據獲取，培養證據推理能力

獲取證據是進行證據推理的基礎，應重視信息獲取的技能訓練，利用實驗前引導、實驗時深度設計、實驗后交流總結，引導學生深入觀察、獲得準確全面的信息。圖像是變化的另一種直觀表征形式，應引導學生學會獲取圖像證據和數據證據的方法，解析圖像變化趨勢及關鍵點所表示的意義，利用多重表征，突破難點［7］。“推理”是高階思維，涉及分析、對比、歸納等思維過程，應在“證據推理”過程中培養學生對所收集信息的處理能力，培養“實證意識”，才能進一步構建解決問題的認識思路模型［8］。

4.4? 延伸學習寬度，變解題為解決問題

復習課不能深陷解題泥潭，應引導學生在真實情境中思考和解決問題。復習課時間有限，課外可對“久置石灰水的變質”繼續探究，實現從一種物質到一類物質的學習。作業評價中可補充數字化實驗和有關純度的化學方程式計算，進一步從定量視角解決NaOH變質程度的探究問題，促進認識水平和高階思維發展。課時3從物質類別角度設計方案，學生需要有較好的酸堿鹽知識儲備，不同學生不同設計路徑，基礎薄弱的生源，需創設問題解決支架，循循善誘；生源較好的，可適度開放。

逆向設計為素養導向的教學變革提供了可操作的途徑，但也可能陷入機械式的模板化。模板化的設計，受模板空間和框架的影響，設計內容、意圖和亮點無法具體地呈現，情感目標實施不夠凸顯。因此，基于UbD理論的單元設計仍需要有更多的思考與探索。

參考文獻：

［1］中華人民共和國教育部制定. 義務教育化學課程標準（2022年版）［S］. 北京： 北京師范大學出版社， 2022：4.

［2］［6］（美）Grant Wiggins， Jay McTighe著. 閆寒冰等譯. 追求理解的教學設計（第二版）［M］. 上海： 華東師范大學出版社， 2016.

［3］房喻， 王磊主編. 義務教育化學課程標準（2022年版）解讀［M］. 北京： 高等教育出版社， 2022：7.

［4］何彩霞. 化學學科核心素養導向的大概念單元教學探討［J］. 化學教學， 2019， （11）： 44～48.

［5］楊玉琴. “教、學、評一體化”下的目標設計與達成——基于2017版課標附錄案例的批判性思考［J］. 化學教學， 2020， （9）： 3～9.

［7］光程. 初中學生化學四重表征的思維方式［J］. 教學與管理， 2021， （3）： 48～50.

［8］王鋒. 初中化學“證據推理”教學策略研究［J］. 中小學教學研究， 2021， （4）： 3～8.