大概念視角下的初中化學教學設計研究

陳靖

摘 ? 要：立足大概念的教學設計可以讓零碎的知識整合在一起，為整合性教學提供了一個新的思路。文章以“金剛石、石墨和C60”的課程內容為例，以大概念“物質的多樣性”、核心概念“結構決定性質，性質決定用途”為落腳點，從教學目標、教學過程、教學評價、教學反思等方面進行詳細分析。

關鍵詞：初中化學；大概念；教學設計

新一輪的課程改革要求化學課程改革的重點旨在提高學生的科學素養，重視學生的素質教育和核心素養的培養，要求當下的課堂教學要走向“大融合”與“大發展”，大概念統領下的單元整體教學正是符合“大融合”與“大發展”這一發展趨勢的重要學習方式。《義務教育化學課程標準（2022版）》在課程理念中也闡釋了要構建大概念統領的化學課程內容體系，要注重學科的融合及學科間的聯系，明確學習主題，凝練大概念[ 1 ]。教師要重視以學科大概念為核心，形成結構化的課程體系，在真實的生活情境中促進學科核心素養的落實。但在傳統的教育教學具體實施中，學生在習得知識時，出現了割裂性知識多于結構性知識這一客觀事實，使得學生在面對綜合性題目時，并不能把這些知識碎片有機地整合在一起，從而出現了學生大面積的學而不會的情況。而基于大概念進行的教學設計，可有助于幫助解決這一難題。

1 學科大概念及大概念的凝練

大概念是指能反映學科的特質，具有較為廣泛的適用性和解釋力，具有持久遷移價值的原理、思想和方法[ 2 ]。在真實的教學情境中，學生可以通過具體的核心知識為載體，揭示學科知識背后隱含的內在本質，提煉出具有普遍性和實用性的大概念，在解決真實的化學問題時學生能夠對知識達到遷移應用。基于此，筆者選擇“碳和碳的氧化物”這一單元主題，確定了具有普遍意義和遷移價值的“物質的多樣性”這一大概念為統領，以“結構決定性質，性質決定用途、變化反映性質”為核心概念，幫助學生建立正確的物質觀、變化觀、綠色觀。本文主要以人教版化學九年級上冊第六章中的“金剛石、石墨和C60”一課的教學為例，探討大概念在教學設計中的應用，具體的大概念統攝下的單元教學知識結構見圖1。

2 ?通過教學目標外顯大概念

（1）學生通過視頻展示和舉例說明，形成富有正能量的價值觀念，具有為國爭光和服務人民的先進意識。

（2）通過碳單質的物理性質探究實驗以及實驗視頻所顯示的不同的宏觀實驗現象，再結合碳單質的結構模型對比，領悟物質的多樣性，初步形成“結構決定性質，性質決定用途”的觀念。

（3）在利用活性炭吸附色素的自主探究實驗中，學會活性炭正確的使用方法，能夠再次鞏固結構決定性質的學科觀念；在探究過程中，能夠設計簡單的實驗方案，并通過小組合作和討論，形成團隊協作的意識和傾聽他人意見的精神，同時體會勞動的喜悅和勞動的不易；在質疑探究成果時，能夠學會運用批評性思維的方法，敢于提出自己的見解，具有科學探究的精神和創新的意識。

（4）學生通過自主構建思維導圖，有利于自己對其所學的知識進行全方位和系統的描述與分析，能夠將金剛石、石墨等物質的結構、性質、用途等各種因素之間的區別和聯系厘清，將課時中零碎的知識點整合在一起，實現對孤立知識的結構性認識，突出大概念的統攝作用。

（5）通過前測和后測試題，檢驗學生掌握六單元核心知識的認知水平，診斷與發展學生大概念框架下的知識遷移應用。

3 ?利用教學過程內化大概念

3.1 ?學習活動一 ：播放“1998年美國利用石墨炸彈癱瘓南聯盟電網”的視頻

【學生活動】 ?學生觀看，領悟。

【講解】 ?同學們可能有所不知，在這次震驚世界的戰爭中，北約國家悍然轟炸了我國駐南聯盟大使館，強盜行徑一覽無余，希望同學們在今后一定要努力學習，發展我們的科技，讓國家更加強大。請同學們回答，炸彈的主要成分是什么，視頻中反映了它的什么性質。

【學生活動】 ?根據課前調查和已有經驗，討論交流并回答問題。

【設計意圖】 用真實情境的石墨炸彈引入，同時布置學生調查本課題的相關研究，提高學生理解化學與生活息息相關的認識，并且培養學生調查取證意識。以石墨的相關知識為出發點，促使學生認識到物質的性質和用途之間的關系，引出本課題的核心概念。同時讓學生認識到國家的強大才能讓我們生長在和平的環境中，增強為實現中華民族偉大復興而勤奮學習的責任感，培養學生的家國情懷。

3.2 ?學習活動二：石墨和金剛石的物理性質及用途的探究

【教師提問】 通過課前調查，對于石墨的性質，同學們了解的還有哪些？現在請小組內的同學代表簡述石墨的相關材料，其他組的同學可以相互補充。

【學生活動】 學生代表上臺發言，其他小組學生分享調查的材料。

【教師提問】 同學們想不想驗證一下你們查閱的材料是否真實可靠呢？現在請用桌面的實驗器材完成以下幾個實驗：觀察鉛筆芯的顏色；分別用鉛筆和筆桿用力寫字感受硬度；用小刀削一些鉛筆芯粉末并倒入生銹的鎖孔內，然后用鑰匙試著打開。實驗完成后請同學代表上臺分享。

【學生活動】 學生代表上臺分享自己的實驗成果，并初步推測出石墨的物理性質。

【過渡】 通過實驗可知石墨是自然界中一種很軟的物質，而天然存在的最硬的物質是金剛石，展示金剛石的圖片，觀察外觀。

【教師提問】 對于金剛石，同學們了解有多少呢？現在請小組內的同學代表根據自己所查資料，簡述金剛石的相關材料，其他組的同學可以相互補充。

【學生活動】 課前查閱資料，小組組員代表回答，初步推測金剛石的相關性質。

【教師活動】為了更好地學習金剛石的性質，老師準備了一塊玻璃片和網上剛剛買到的玻璃刀。

【演示實驗】 現場演示用玻璃刀切割玻璃片。

【過渡】其實無論是金剛石還是石墨都是由碳元素組成的單質，但是通過對比剛才的實驗，為什么性質存在如此大的差異呢？現在請兩個小組分別演示一下。

【學生活動】 兩個學習小組根據自制模型分別進行現場展示金剛石和石墨的結構，闡述它們的性質和用途，并展示按壓金剛石（碳原子之間用硬的材料連接）和石墨（層與層之間用軟的材料連接）微觀模型，認真觀察發生的變化。

【學生回答】 金剛石紋絲不動，石墨能發生相對的滑動。

【師生共同總結】金剛石和石墨的物理性質有很大的不同，主要是因為碳原子的排列方式不同，也就是物質的結構決定了其性質，兩個小組的精彩表演，也驗證了這樣一個結論：結構決定性質，性質決定用途。

【視頻展示】 金剛石和石墨的立體模型視頻以及性質、用途，鞏固所學內容，進一步領會結構決定性質，性質決定用途的概念。

【設計意圖】 通過學生探究石墨和教師演示金剛石的探究實驗，了解物質的多樣性，學習具體物質的性質和用途，引導學生一步步建構“性質決定用途”的學科思想；通過圖片展示物質的微觀模型和學生演示自制的金剛石、石墨模型，結合它們的性質，引導學生從宏微結合的角度建構“結構決定性質”的學科思想，培養學生證據推理與模型認知素養；通過表演、思考、討論，分析物質結構、性質和用途之間的關系，讓學生對概念的認識升級，從而培養學生獲取信息并分析歸納的能力。

3.3 ?學習活動三：學生自主探究活性炭的物理性質

【教師講解】 碳元素不僅可以組成金剛石和石墨等單質，生活中我們還常常用到木炭、活性炭、炭黑、焦炭等物質，其實它們的主要成分也是由碳元素組成的單質。請小組分享有關木炭和活性炭的資料。

【學生活動】 學生代表簡述有關木炭和活性炭的材料，并初步推測出它們所具備的性質，個別同學補充了二次世界大戰中英國制作防毒面具的靈感。

【教師講解】 接下來請同學們利用課桌上提供的實驗器材和實驗藥品，提出猜想，設計實驗，完成活性炭吸附色素的實驗。

【學生實驗】 學生分組討論自己的想法，并完成相關的實驗，教師巡視指導學生完成實驗。

【學生活動】 學生代表上臺分享自己的實驗成果。

【教師評價】 教師對學生的實驗結論點評，對實驗中出現的異常現象進行解釋。

【教師講解】 活性炭的這種性質通常被我們稱之為吸附性，用來除去物質中的色素和異味，那么，請同學們思考一下，為什么活性炭具有這樣的性質呢？

【視頻播放】 活性炭的結構、性質及用途。

【學生討論總結】 物質結構決定其性質，物質性質決定其用途。

【設計意圖】 通過讓學生思考實驗方案和動手實驗如何讓活性炭吸附色素，在習得知識的同時，也提高了學生的科學探究素養。在看到現象不是很明顯時，經過組內相互的質疑和討論，才意識到把活性炭直接放到棉花上，然后把紅墨水倒上去的錯誤操作，色素不能充分地被活性炭吸附；而先把紅墨水和活性炭充分攪拌，然后再用棉花過濾，才能使吸附效果更好。這樣的實驗探究，既培養了學生的科學探究與創新意識，也讓學生體驗到了獲得成功的喜悅和勞動成果的來之不易。

3.4 ?學習活動四：碳材料的發展

【教師講解】 隨著科技的發展，碳材料是唯一一種兩次涉及諾貝爾獎的材料。其中，1985年，化學家克羅托和斯麥利用激光轟擊石墨時得到了一種新的碳的單質C60分子，并在1996年獲得了諾貝爾化學獎。目前，C60的應用范圍十分廣泛，能夠用作新型催化劑；用于氣體的貯存；用于制造光學材料；用于制造高分子材料；以及在生物醫學方面等發揮重要作用。

【學生分享】 學生自制了C60模型并補充了相關的性質和用途；通過查閱資料，學生還分享了中國在碳材料超導方面的研究：2018年，“中國天才少年”曹原發現了常溫下石墨烯材料的超導原理，舉世震驚。

【設計意圖】 通過調查研究近年來碳材料發展的相關史料，既認識到了物質的多樣性，又讓學生意識到了化學和生活是息息相關的，科學的發展是永無止境的；同時通過中國科學家的科研事跡，培養學生胸懷祖國，服務社會的愛國精神。

3.5 ?學習活動五：整理總結，歸納思維導圖

【教師引導】 同學們，通過今天的學習，我們一起探索了碳單質的物理性質，也了解了它們的結構和用途。對于今天所學的內容，請同學們用你們的表達方式來建構自己的思維導圖。

【成果展示】以不同的思維導圖形式展示碳單質之間的結構、物理性質、用途及其之間的區別和聯系。

【教師總結】 看來同學們對本節課掌握的很好，當然化學來源于生活，又服務于生活，學習化學的目的就是為了解決生活中的一些問題。希望同學們能利用自己所學的知識，更好地為我們的祖國服務，讓我們的國家變得更加強大！

【設計意圖】 通過學生自主構建思維導圖，學生能夠全面地思考本節課探究的問題，能夠將具體物質的結構、性質、用途等各種因素之間的區別和聯系厘清，實現對本課時多個知識點的從孤立到系統的認識，形成一個以具體知識為起點，大概念為落腳點的知識結構體系。

4 ?設計教學評價——評價大概念

一堂課的好壞有些時候并不在于整個教學流程的順利實施，而在于學生掌握了多少，教學目標達成了多少，是否能夠通過所學的內容真正達到知識的遷移應用，從而真正領悟化學學科隱含的大概念。所以，適時的基于學生學習活動、實驗探究過程、學習任務是否達成的教學評價是很有必要的，這對于后續的教學改進有很大的意義。基于此，本課題的教學評價主要確定為以下幾個方面：

（1）通過情境引入，并結合已有經驗能夠說出石墨的性質，初步診斷學生對學科研究對象的性質和用途之間關系的認知水平。

（2）通過認識具體物質的結構，讓學生嘗試用橡皮泥和牙簽構建出金剛石、石墨和C60的球棍模型，用表演的形式來描繪它們的結構；根據生活中的已有經驗和課前的預習來說出它們的性質和用途；通過對比的學科思維，進一步讓學生自己領悟物質的結構、性質和用途之間的關系，從而診斷學生從宏微結合的角度分析、歸納、總結的能力水平。

（3）通過學生對于活性炭性質的自主實驗探究來對比吸附前后紅墨水的顏色變化，診斷學生自主進行實驗設計、完成實驗的能力水平及其對結構決定性質的認識水平。

（4）通過建構思維導圖，回顧金剛石、石墨和C60的結構、性質和用途，判斷它們之間的關系，了解學生對本節課知識內容的掌握程度，診斷學生對“結構決定性質，性質決定用途”的認識水平和知識的結構化水平。

（5）通過前置診斷了解學生對未知知識的認知水平，從而能夠更有效地設計出符合學生認知水平、更容易讓學生接受、具有遞進式的大概念知識體系。例如：你學習過同種元素可以組成不同的單質嗎？它們的物理性質一樣嗎？通過后期測試可以反饋學生的學習效果，鞏固和分析學生的掌握情況，診斷學生對大概念遷移的應用水平，為以后的教學提供了一些參考。例如：近年來，科學家通過簡單的水熱反應及隨后的化學浴沉積方法，制備了三維分等級多孔碳酸鋁銨@氫氧化鎳（NH4Al（OH）2CO3@Ni（OH）2）核殼結構纖維。電子顯微圖像表明，碳酸鋁銨（NH4Al（OH）2CO3）纖維的表面被相互連接且垂直生長的氫氧化鎳（Ni（OH）2）納米薄片完全覆蓋，形成有序的分等級多孔結構[ 3 ]。請同學們推測這樣的物質具有什么性質，為什么？

5 ?教學反思

本節課設計了一系列學習活動，學生通過查閱資料、自制石墨和金剛石模型、以表演的形式來了解物質的多樣性，形成結構決定性質，性質決定用途的觀念；通過活性炭性質探究實驗的實驗設計，對比紅墨水實驗前后的變化，加深性質決定用途的觀念；接著學生通過已學的知識進行分析歸納，自主建構思維導圖，厘清知識之間的區別和聯系，引出大概念；最后通過后測試題來診斷大概念的遷移應用。但是本課題組關于大概念的研究還處于摸索階段，教學中還存在著一些不足，例如：在探究活性炭的性質實驗探究中，筆者沒有進行設計前的適時性的引導，以至于部分小組的現象變化的不是很明顯，這些都有待在后續的教學中進一步改善。

學科大概念不是由教師直接教出來的，而是需要教師通過不斷的教學實踐，挖掘教學內容的本質而凝練出來的。然后再思考如何通過大概念逆向設計出符合學生認知水平、具有知識層級結構（從低階思維到高階思維）的教學內容，讓學生在真實的情境中總結出具有普遍意義的大概念，進而利用大概念遷移到其它的化學知識中，這樣才能使得孤立的化學知識具有實際的意義，更能體現學科知識的功能性價值。

參考文獻：

［1］ 中華人民共和國教育部.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.

［2］ 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.

［3］ 鄭穎秋.分等級多孔結構材料的制備及剛果紅吸附性能研究［D］.武漢：武漢理工大學，2019.