基于真實情境的高中化學單元復習課教學設計

摘 要：以人教版高中化學“化學反應與能量”單元為例，設計基于真實情境的單元復習課，以汽車能源相關問題為載體，整合真實情境和學習任務，引導學生運用所學單元知識解決真實問題，加強對單元知識的理解與運用，構建單元知識體系。

關鍵詞：真實情境；高中化學；單元復習；化學反應與能量

1 研究背景

單元復習課是一個常見且重要的課型，對學生查漏補缺、整體把握單元知識內容具有重要意義。目前，大多數單元復習課仍以知識再現和練、講、評習題為主，但化學知識學習的最終目標不是在考試中獲得較高的分數，而是能運用所學知識解決實際問題。很明顯，當前單元復習課的教學沒能從學生的內在需要出發激發學習動力，尚未取得理想的教學效果[1]。因此，教師應積極探索單元復習課的教學內容與形式，引導學生將所學知識內化，從而提高學生單元復習課的學習質量與效果。

《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》[2]（以下簡稱《課程標準》）倡導真實問題情境的創設，在教學建議部分指出真實、具體的問題情境是學生化學學科核心素養形成和發展的重要平臺，為學生化學學科核心素養提供了真實的表現機會。德國學者提出了一個形象的比喻：“如果只給你15 g鹽，無論如何你都很難下咽，但如果把15 g鹽加入一盆美味可口的湯中，那我們在享用湯的同時便能不自覺地將鹽吸收。知識之于情境，就好比鹽之于湯，讓學生在情境中認識和吸納知識會更有效率。”[3]

基于對當前單元復習課教學現狀的分析及真實情境的教學價值，本研究以人教版高中化學“化學反應與能量”單元復習課為例，從知識的內在邏輯出發創設基于真實情境的單元復習課，以期通過課程的學習，使學生能整體把握單元知識內容，加強對單元知識的理解與運用。

2 " 基于真實情境的高中化學單元復習課教學設計思路

2.1 "厘清單元知識內容，進行單元知識整合

單元涉及的知識內容較多，要想使學生整體把握單元知識內容，教師在進行單元復習課的設計前，首先應梳理教材內容，厘清單元涉及的知識點，做到對單元知識內容的整體把握，并將相關單元教學內容進行劃分與有機整合，建立單元知識間的聯系，確保后續設計的課程能將相關知識內容整體呈現。

“化學反應與能量”選自人教版高中化學必修第二冊第六章，本章內容包括“化學反應與能量變化”“化學反應的速率與限度”兩部分，知識點涉及化學熱力學、化學動力學和電化學等多個領域，是高中化學的重要基礎理論知識。在內容的設計方面，本章在初中初步認識化學反應中能量變化的基礎上，進一步介紹化學反應中能量變化的基本知識及其應用、化學反應速率和限度的基本知識及其應用。其中，能量變化重點介紹熱能和電能，并揭示了化學反應中能量變化的本質；速率和限度重點介紹反應速率及其影響因素，并探討了化學反應的調控[4]。本研究根據對教材的分析及《課程標準》對“化學反應與能量”單元教學內容的要求，形成了“化學反應與能量”單元核心知識關聯圖（見圖1）。

2.2 "挖掘真實情境素材，建立知識與情境間的聯系

恰當的真實情境素材不僅能激發學生的學習興趣，還能加強其對知識的理解與運用。因此，教師應努力通過查閱文獻、書籍等多種途徑挖掘與單元知識內容相關的真實情境素材，將真實情境與知識建立聯系。通過對單元知識內容的整合，學生可以了解到“化學反應與能量”單元教學主要圍繞化學反應的能量變化及反應速率與限度展開。基于此，本研究選取生活中重要的交通工具“汽車”為研究對象，圍繞車用能源、設計為小車提供動能的原電池、汽車尾氣處理展開相關教學設計，其中，車用能源、設計原電池與熱能、電能知識相關聯，汽車尾氣處理與反應速率、限度知識相關聯。

2.3 "確立單元復習課教學目標

單元復習課教學目標是教學的出發點，也是教學的落腳點，依據《課程標準》對“化學反應與能量”單元的內容與學業要求，結合學生實際學情，確立本單元復習課具體教學目標：（1）通過對車用燃料的探討，加深對化學反應能量變化本質的理解，能從多角度評價車用燃料的使用價值，形成燃料選擇的一般思路；（2）通過設計驅動小車運行的原電池，加深對原電池結構與原理的理解，感受化學在實際生活中發揮的重要作用；（3）通過對汽車尾氣及其處理方法的探究，體會化學發揮的重要價值，強化綠色化學意識，培養用化學知識解決實際問題的能力。

3 " “化學反應與能量”單元復習課教學過程

3.1 "課前學習過程

教師課前對學生進行分組，隨后布置課前任務，學生以小組為單位分工合作，通過查閱書籍、網絡等途徑獲取所需資源，完成課前任務。具體任務內容包括：（1）查閱資料，調查了解車用能源的發展歷程、車用能源的種類；（2）嘗試寫出常用的車用能源發生能量轉化時涉及的主要化學反應，并解釋其能量變化的本質原因；（3）思考如何選擇車用能源以及應考慮的因素，分析目前常用車用能源的優劣；（4）車用能源為汽車提供動能的同時也會產生污染物，思考能源污染物的種類以及減少其對環境的污染的方法；（5）綜合考慮各因素，選取常見易得的材料設計原電池，使圖2所示的模型小車動起來。

3.2 "課堂學習過程

3.2.1 "環節一：探究車用能源及其選擇

汽車是生活中重要的交通工具，為人們的出行帶來了極大的便利。車用能源是汽車運行的動力，隨著汽車的發展，車用能源經歷了不同的階段。

教師提出問題：車用能源的發展歷程是怎樣的？車用能源包括哪些？

學生總結回答：汽車起初是利用煤燃燒產生的蒸汽來驅動的，隨著汽車的發展，出現了內燃機汽車，所用能源逐步變為汽油、柴油、乙醇等；后來考慮到不可再生化石燃料的能源問題以及環境問題，出現了燃料電池汽車，其所用能源有氫氣、甲烷等；近年來，電動汽車數量越來越多，其所用能源為電。

教師引導學生以目前常用的車用能源為例，分析其發生能量轉化時的主要化學反應及其能量變化的本質原因。

學生思考得出：汽油是將化學能轉化為熱能，熱能再轉化為機械能，其主要成分之一是庚烷（C7H16），發生反應的方程式如下。

（1）

在庚烷燃燒過程中，C—H、C—C、O=O斷裂吸收能量，生成的C=O、O—H釋放能量，由于化學鍵形成釋放的能量大于化學鍵斷裂吸收的能量，反應會放出大量的熱；燃料電池是將化學能轉化為電能，電能再轉化為汽車運行的機械能，其能量變化的本質是發生氧化還原反應釋放的能量直接轉化為電能。

教師提出問題：目前，可供選擇的車用能源很多，在車用能源的選擇上應考慮哪些因素？

學生討論得出：應該分析和比較不同能源轉化方式的優劣、能源轉化是否產生污染物、單位體積能源所能釋放的能量、能源的價格、能源使用的安全性、能源是否易得及其資源量是否豐富等。

教師展示不同燃料的信息（見表1），讓學生從多角度分析不同燃料在實際使用時的優劣，為汽車選擇合適的燃料。

學生觀點：氫氣的熱值最高，可再生，且反應產物是水，對環境完全無污染，但是氫氣不易儲存，屬于易燃易爆氣體，且使用成本高；乙醇是可再生能源，但乙醇易揮發且燃點低，使用乙醇做燃料可能會有安全隱患，相較于其他幾種燃料，乙醇的熱值較低。甲烷與汽油都屬于短時間內不可再生能源，均存在能源儲量有限的問題，并且甲烷儲存要求高，反應產物雖無毒，但會造成溫室效應，汽油的使用會造成環境污染。這4種能源均有優劣，還應繼續發掘理想能源，同時想辦法克服目前能源存在的問題，以便充分利用現有能源的優勢。

設計意圖：借助汽車能源實例，使學生了解車用能源種類，同時加深學生對化學反應能量變化本質的理解。通過對車用能源的選擇，使學生知道各物質均具有能量，不同物質的能量也不同，明確在探索理想能源時應綜合考慮能源的熱值、價格、安全性、環保性等多重因素，從多角度評價燃料的使用價值，引導學生應用所學化學知識解釋與解決生活中的實際問題。

3.2.2 "環節二：汽車尾氣造成的環境問題及有效解決途徑的探討

教師闡述車用能源現狀及存在的問題：目前，市面上絕大部分車型仍需使用汽油等傳統能源，傳統能源在為人們提供便利的同時也面臨兩個亟待解決的問題，一是能源儲量有限，短期內不可再生；二是傳統能源為汽車提供動能的同時也會產生能源污染物。在此基礎上提出問題：汽車尾氣污染物有哪些？

學生回答：汽車排放的尾氣中含有多種污染空氣的有害氣體，主要有烴及其不完全氧化產物CO，電火花放電使汽缸中的N2與O2反應生成氮氧化物，以及汽油中的硫氧化生成的SO2等。

教師追問：有什么辦法能減少上述污染物對環境的污染？

學生針對這一問題提出了不同的觀點：研發一個裝置在尾氣排出處吸收這些污染物；在汽車尾氣排出處放入可以與尾氣成分發生反應的物質，將有污染的尾氣轉化為對環境無污染的成分后再排出；現在的汽車尾氣管都安裝了三元催化器，能將氮氧化物和CO轉化為綠色無污染的N2和CO2。

教師展示三元催化器示意圖，并對三元催化器進行詳細的介紹：目前的汽車均使用三元催化器來減少發動機排出的廢氣污染物，三元催化器是汽車排氣系統的重要機外凈化裝置，因其需要達到一定溫度才能發揮催化轉化效能，所以三元催化器緊靠發動機安裝，依靠自燃室的熱量來引發催化劑起作用[5]。三元是指該裝置能同時將碳氫化合物（CxHy）、一氧化碳（CO）和氮氧化物（NOx）這3種主要污染物轉化為無害物質，其反應方程式如下。

（2）

催化劑是整個催化轉化器的核心部分，當高溫汽車尾氣通過凈化裝置時，催化劑將增強一氧化碳、碳氫化合物和氮氧化合物3種氣體的活性，促使其進行一定的氧化還原反應[6]。基于三元催化器的相關信息，教師提出新問題：該反應的物質轉化原理是什么？影響化學反應速率的因素包括哪些？三元催化器是采用哪些因素來促進反應進行的？

學生思考回答：發生氧化還原反應。其中，碳氫化合物、一氧化碳做還原劑，氮氧化物做氧化劑。影響化學反應速率的因素有濃度、溫度、催化劑，從相關信息可以了解到反應過程需要溫度與催化劑的參與。

教師提出三元催化反應是一個可逆反應，基于此引導學生思考能夠聯想到哪些相關問題。

學生思考回答：如果是可逆反應，反應不完全，污染物就不能完全轉化，但是可以想辦法通過調控反應的溫度等條件來改變反應的速率與限度，盡可能促進污染物的轉化，從而使結果符合預期。

設計意圖：本部分借助汽車尾氣實例，使學生了解汽車尾氣成分及尾氣處理方式，體會到化學與生活密切相關，運用化學知識能解決實際問題；同時借助汽車尾氣處理這一情境引導學生感知速率與限度的具體運用，體會到反應條件的調控在實際生產生活中發揮著重要作用。

3.2.3 "環節三：設計化學電池，驅動小車運行

三元催化器轉化是一個可逆反應，轉化后仍可能存在環境污染物，并且轉化后的產物二氧化碳雖然無毒，但是過量二氧化碳會產生溫室效應，對生態環境產生不可逆的影響，空氣中的二氧化碳濃度過高也會影響人體健康。我國在2020年提出了“雙碳戰略”，倡導綠色、環保、低碳的生活方式。此外，石油資源緊張也是亟待解決的問題。目前，各地陸續發布禁售燃油車時間表。基于此背景，教師鼓勵學生持續探索新能源，尋找傳統能源的替代品。通過單元新授課的學習，學生已經掌握了原電池的相關知識，課前教師已經布置了使模型小車動起來的原電池的設計任務，課上引導學生就所設計的方案進行可行性分析，探究其能否實現綠色出行，最后組織學生以小組為單位，根據所設計的原電池方案進行實驗及成果展示。

小組形成的設計方案如下。

（1）選取鋁片做負極、石墨做正極、氫氧化鈉溶液做電解質溶液。原因：鋁是地殼中含量最豐富的元素，用鋁做電極，材料易得，且形成的原電池產物無污染。電極反應方程式如下。

（3）

（4）

（2）選取鐵片做負極、銅片做正極、稀硫酸溶液做電解質溶液。原因：鐵價格便宜、易得，且形成的原電池產物無污染。電極反應方程式如下。

（5）

（6）

設計意圖：通過設計使小車動起來的原電池，激發學生的學習興趣，加深學生對原電池工作原理和裝置構成要素的理解與認識，體會原電池的具體應用。

最后，教師對單元知識內容與復習課內容進行總結，提出目前仍有許多尚未解決的問題，化學知識有趣又有用，鼓勵學生努力學習、勤于思考，用所學知識解釋與解決生產生活中的實際問題。

4 " 教學反思

本研究基于真實情境設計單元復習課，將真實情境與具體知識聯系起來。由于是單元復習課，學生在課前對相關知識已經有了一定的了解，課上最重要的是加強學生對單元知識內容的理解與運用，引導學生整合化學反應與能量單元知識并建構單元知識體系。對于后續相關課程的設計，教師應注意挖掘恰當的真實情境素材，建立單元知識與真實情境間的聯系。基于真實情境不僅能激發學生的學習興趣，還能加強學生對知識的理解與運用。同時，在課堂上要多給學生表現的機會，充分發揮學生的主體作用，教師在過程中進行適時引導。

[參考文獻]

[1]徐文佳.“教、學、評”一體化的初中化學單元復習課教學設計—以滬教版“溶解現象”為例[J].化學教與學，2021（21）：68-71，84.

[2]中華人民共和國教育部.普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）[M].北京：人民教育出版社，2020.

[3]馬圓，嚴文法，宋丹丹.真實情境與化學學科核心素養的發展—基于《普通高中化學課程標準（2017年版）》的解讀[J].化學教育（中英文），2019（19）：6-10.

[4]人民教育出版社課程教材研究所化學課程教材研究開發中心.普通高中教科書教師教學用書·化學：必修第二冊[M].北京：人民教育出版社，2019.

[5]程正茂.淺談三元催化器的結構原理及故障診斷與排除[J].汽車維修，2012（6）：6-7.

[6]王磊，陳光巨.普通高中教科書：化學必修第二冊[M].濟南：山東科學技術出版社，2019.