大概念統(tǒng)領下的大單元教學設計與實施

【摘要】本文以“物質結構 元素周期律”為例，從大概念的提煉、大單元的內(nèi)容分析、課時安排、實施過程等闡述大單元教學設計的具體實施過程，探討必修課程中大概念的統(tǒng)領作用和大單元教學設計的優(yōu)越性。

【關鍵詞】大概念 大單元 物質結構 元素周期律 教學設計

【中圖分類號】G63 【文獻標識碼】A

【文章編號】0450-9889（2023）05-0080-05

核心概念是大概念建構的基礎。“物質結構 元素周期律”是人教版（2019年版）高中化學必修1第四章的內(nèi)容，該主題包括“原子結構”“元素周期表”“元素周期律”等核心概念，通過對比不同版本的教材，筆者選取“原子結構”“元素周期表”“原子結構與元素的性質”“元素周期律”四個核心概念為基礎構建大概念“位置反映結構，結構決定性質”，以此進行大單元教學設計。

從內(nèi)容上看，大概念“位置反映結構，結構決定性質”包含了教材中“原子結構和元素周期表”“元素周期律”兩節(jié)內(nèi)容。在大概念的統(tǒng)領下，筆者以“元素周期表的發(fā)展”這一真實情境作為大單元教學設計的依托。“元素周期表的發(fā)展”是“原子結構和元素周期表”中科學史話的內(nèi)容。該素材包括基于元素分類研究的德貝萊納“三元素組”、基于相對原子質量與元素性質之間周期性變化規(guī)律的紐蘭茲“元素八音律”等元素周期表的發(fā)展過程。這些發(fā)展過程遵循了從表面到本質、從宏觀到微觀的邏輯順序，體現(xiàn)了科學家對科學認知的方法和觀念，也囊括了“原子結構”“元素周期表”“原子結構與元素的性質”“元素周期律”這些核心概念。簡而言之，以“元素周期表的發(fā)展”為大情境進行大單元教學設計，不僅能很好地凸顯大概念“位置反映結構，結構決定性質”的統(tǒng)領作用，落實新課標的學業(yè)要求，幫助學生理解化學知識，還能使他們掌握科學研究的方法。

一、構建大概念單元結構圖

首先，筆者以“位置反映結構，結構決定性質”為單元框架的起點，梳理對應的知識體系和相關概念，指導學生對本單元形成清晰的邏輯認知，構建單元結構圖（如圖1所示）。

二、確定單元整體教學目標

在初中階段，學生已經(jīng)學過原子結構的模型，有了一定的微粒觀，知道宏觀物質是由微觀粒子組成的，原子結構與微粒有必然的聯(lián)系，但學生學習這部分內(nèi)容多是靠死記硬背。在高中必修1教材中，學生在前面已經(jīng)學習了金屬（Na、Fe）及其化合物，已經(jīng)形成對物質感性認識的能力，學習這章可以上升為抽象思維邏輯。

（一）大單元總目標

1.通過原子結構的認知過程，原子核外電子排布規(guī)律的認知過程及物質構成的學習，學生能夠形成微粒觀，能從微觀視角認識不同物質的本質區(qū)別，能正確認識元素“位置—結構—性質”之間的內(nèi)在聯(lián)系，可以根據(jù)元素在周期表的位置和原子結構的特點預測其他物質的性質，并能解釋元素的性質。

2.通過對科學實驗的再現(xiàn)，宏觀實驗現(xiàn)象的分析及實驗事實的推理，建構原子結構模型，發(fā)展學生宏觀辨識和微觀探析、科學探究與創(chuàng)新意識等化學學科核心素養(yǎng)。

3.通過對化學史發(fā)展的學習，引導學生分析解釋并發(fā)現(xiàn)規(guī)律，設計活動方案驗證，體會科學研究的基本方法，體會科學探究“矛盾—分析現(xiàn)象—建立模型—解釋現(xiàn)象”的基本過程，落實“科學態(tài)度與社會責任”的化學學科核心素養(yǎng)。

（二）課時安排與課時教學目標

課時安排和課時教學目標如右上表1所示。

三、設計單元教學活動

單元教學活動的設計要以學科大概念為統(tǒng)領，本單元的學科大概念為“位置反映結構，結構決定性質”，對學科大概念進行拆解可以得出三個關鍵概念，分別為：原子由原子核和核外電子構成；原子核外電子排布決定元素在周期表的位置以及元素性質。筆者從關鍵概念出發(fā)將本單元劃分為4個課時，根據(jù)不同課時內(nèi)容要求進行情境素材以及教學任務的設計（大概念統(tǒng)領下的“物質結構與元素周期律”的單元教學流程如下頁圖2所示）。

四、大單元教學實施過程

明確教學流程后要根據(jù)流程圖對不同課時進行詳細設計，本案例主要從情境創(chuàng)設、問題引導、驅動性任務以及設計意圖等四個方面進行闡述。

（一）大單元情境創(chuàng)設

豐富多彩的物質世界是由100多種元素組成的，最初，科學家通過分類整理的方法對元素之間的聯(lián)系進行研究，初步編排了元素周期表，直到1869年，門捷列夫繪制出第一張元素周期表。門捷列夫繪制的元素周期表中還留有大量“空位”給未發(fā)現(xiàn)的元素。直到20世紀30年代，隨著原子結構的揭示，才進一步完善了元素周期表。元素周期表的發(fā)現(xiàn)過程，體現(xiàn)了科學家科學研究的方法、觀念和科學精神。

基于以上情境，筆者設置了大單元驅動性問題：元素之間有什么內(nèi)在聯(lián)系？原子結構如何幫助我們從微觀角度探究元素的內(nèi)在聯(lián)系？元素的位置、結構、性質之間有什么內(nèi)在關系？

（二）實施過程（以前兩個課時為例）

第1課時：從元素周期表的發(fā)現(xiàn)史中認識原子結構的重要意義，初步形成大概念“位置反映結構”。

情境創(chuàng)設：18世紀，隨著越來越多的元素被發(fā)現(xiàn)，科學家開始對它們進行分類整理，從而探尋元素的規(guī)律。今天我們一起來重走科學之路。現(xiàn)有14張元素卡片H、He、Li、C、F、K、Ca、Na、Mg、Si、Cl、Ar、Fe、Br，卡片上標注有元素的相對原子質量、單質的狀態(tài)和質量數(shù)等信息。

問題1：根據(jù)卡片所給信息對其進行排序，并說出排序的依據(jù)。

教師引導：這些排序原則在元素周期表的發(fā)展史中有科學家做過類似的探究，結合元素周期表的發(fā)展史找出來（元素周期表發(fā)展史如圖3所示）。

學生活動1：小組合作進行元素排序，展示排序結果，說明排序依據(jù)。

（1）按相對原子質量排序（由小到大或由大到小）；

（2）按質量數(shù)排序；

（3）按單質的狀態(tài)排序。

【設計意圖】學生通過卡片信息對元素進行排序，展示排序結果，講述排序依據(jù)，使思維外顯化，促使學生的自我反思能力和相互評價能力得到提升。

問題2：以上不同的排序方式，哪種更能反映實質呢？

學生回答：德貝萊納將性質相似的元素分為一組，紐蘭茲把元素按相對分子質量由小到大的順序編號排序，性質相似的元素排在同一橫行中。門捷列夫按相對分子質量由小到大的順序對元素進行排列編號，并把性質相似的元素排到同一縱列。門捷列夫的排列方式更合理，如He性質與Ar相似，應排在一起。

【設計意圖】引導學生從排序中抓住分類的關鍵點，并在對比分析中自主調(diào)動所學知識辨識方法的合理性及不同依據(jù)之間的聯(lián)系。

問題3：展示1871年的門捷列夫元素周期表，找出碲和碘的位置，再結合它們的信息思考兩者“位置顛倒”的原因。

教師引導：1913年，英國物理學家莫塞萊運用X射線測定原子核所帶的正電荷數(shù)。通過實驗數(shù)據(jù)證明用核電荷數(shù)（原子序數(shù)）代替相對分子質量排序更符合元素性質的周期性變化規(guī)律。隨著原子結構的揭示，元素周期表的研究得到完善。

（展示原子結構發(fā)現(xiàn)史）

【設計意圖】通過元素卡片帶領學生重走科學之路，并在科學史實的引導下，體會科學研究“發(fā)現(xiàn)問題—做出猜想—驗證方案—形成結論”的精神。

問題4：原子結構的三個觀點揭示原子的哪些信息？

學生通過閱讀原子結構發(fā)現(xiàn)史料，認識原子的結構特點，初步形成“位置反映結構”的大概念。

第2課時：從元素周期表的發(fā)現(xiàn)史中認識元素在周期表中的位置與原子結構之間的關系，建立大概念“位置反映結構”。

情境創(chuàng)設：根據(jù)圖片中14個元素的原子結構特點對這些元素進行編排：H、He、Li、C、F、K、Ca、Na、Mg、Si、Cl、Ar、Fe、Br。

問題1：上述元素可以按照原子結構的哪些特點編排？

生1：可以按電子層數(shù)編排，也可以按最外層電子數(shù)編排。電子層數(shù)相同的元素放在同一橫行；最外層電子數(shù)相同的又放在同一縱列，綜合考慮原子序數(shù)由小到大的順序。

生2：按電子層數(shù)和原子半徑編排，電子層數(shù)相同的在同一行，按原子半徑由小到大的順序編排。

教師引導：按照原子序數(shù)排序，F(xiàn)e應該在Ar之后，但它與Ar的性質卻不相似，它的位置在哪里才合適呢？

學生活動1：查閱元素周期表，分小組討論。

【設計意圖】通過元素周期表的排布與原子結構的分析，加深學生對“位置反映結構”的理解，體會元素周期表在化學發(fā)展中的重要性，培養(yǎng)學生“科學探究與社會責任”的核心素養(yǎng)。

問題2：結合原子結構示意圖，德貝萊納“三元素組”中的氪（Kr）、氙（Xe）、氡（Rn）、鎵（Ga）、銦（In）、鉈（Tl）應排在元素周期表的哪個位置？

學生活動2：結合原子結構示意圖，分析這些元素的電子層數(shù)和最外層電子數(shù)，將氪（Kr）、氙（Xe）、氡（Rn）依次排在氖（Ne）之后；鎵（Ga）、銦（In）、鉈（Tl）依次排在鋁（Al）之后。

問題3：觀察最終編排的元素周期表，總結元素周期表的排布規(guī)則。

學生活動3：觀察并發(fā)現(xiàn)規(guī)律——同一橫行電子層數(shù)相同，同一縱行最外層電子數(shù)相同。第四周期開始出現(xiàn)B組元素，第六周期有鑭系元素，第七周期有錒系元素。

【設計意圖】通過對化學史中新元素原子結構的分析，找到他們在周期表中的位置，完善大概念“位置反映結構”。

階段性任務解決：據(jù)報道，俄羅斯科學家合成出114號元素的原子，該原子質量數(shù)為289，該元素應排在周期表什么位置？

學生活動4：分析114號元素原子核外電子排布方式，結合電子層數(shù)和最外層電子數(shù)確定它在周期表的位置。

【設計意圖】通過對未知元素原子結構的分析，確定其在周期表中的位置。教師收集學生的任務評價并做出反饋，從反饋結果可判斷出學生的學習目標是否達成，并在反饋任務評價過程中，促進學生對科學探索之路的熟悉度，建立“位置反映結構”這一核心概念，為下一課時的核心概念“結構決定性質”學習做好鋪墊。

（三）后續(xù)實施建議

通過前兩個課時的學習，學生已經(jīng)了解了元素的原子結構和元素位置的關系，掌握了原子的結構特點和元素周期表的結構。在接下來的兩個課時里，教師可以繼續(xù)利用學生上節(jié)課判斷出的114號元素在周期表的位置，對其性質進行預測，并提出檢驗方法的設想引發(fā)學生思考。教師要先從學生熟悉的堿金屬元素和鹵素的性質進行實驗對比探究，發(fā)現(xiàn)其與原子結構的關系，讓學生體驗“位置—結構—性質”之間的相互作用，具備根據(jù)位置和結構推測元素性質的關鍵能力，并進一步解決114號元素的性質驗證。最后一個課時可通過項目式學習的方式，讓學生在思考和實驗驗證過程中總結出元素周期性遞變規(guī)律，并能用該規(guī)律解釋元素的相關性質。

五、教學評價與反思

本單元的設計共4個課時、13個任務，每個任務的設計和實施過程都盡可能考慮學生能力的差異。從實施過程來看，整個單元的課程學習，學生都能在具體的情境中主動參與和思考，并在辨析過程中逐步獲得學科必備的知識和能力。本單元教學設計和實施過程中有以下幾個亮點。

（一）對大概念的理解準確到位

本單元教學教師站在較高的高度理解“結構決定性質，位置反映結構”這一大概念，并在設計前對該大概念進行了精細解讀。

（二）大單元中的必備知識與真實情境融會貫通

以真實情境為主線的設計貫穿整個單元，學生在情境中思考，參與實踐探究，降低了獲取解決真實情境所需知識的難度，同時促進了化學學科核心素養(yǎng)的形成與發(fā)展。

（三）驅動性問題高效實用

大單元教學設計的關鍵點是創(chuàng)設有價值的情境任務，通過情境設計真實性問題，激發(fā)學生的學習興趣。本單元的情境問題連結了學生的已有經(jīng)驗，符合學生的真實水平，并通過14種元素的知識卡片，使情境問題的解決更可行，讓學生在解決問題的過程中獲取所需知識水到渠成。本單元教學中，真實情境與驅動性問題和知識的有效整合，促進了教學的高效完成。

（四）項目式學習促進大概念目標進階

本單元第4課時通過項目式學習的方式進一步鞏固學生的必備知識，診斷學生的關鍵能力和學科核心素養(yǎng)的落實情況，無形中促進了大概念的目標進階。第4課時的項目式學習主題為探討大概念“位置反映結構 結構決定性質”在第三周期元素中的應用，突破了學習的重點和難點。在項目式學習過程中學生還能體會科學探究“矛盾—分析現(xiàn)象—建立模型—解釋現(xiàn)象”的基本發(fā)展過程，構建“發(fā)現(xiàn)問題—做出猜想—驗證方案—形成結論”的探究模型，在實踐中發(fā)展了學生的科學探究與創(chuàng)新意識、證據(jù)推理與模型認知、宏觀辨識與微觀探析等化學學科核心素養(yǎng)。

參考文獻

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注：本文系南寧市“十四五”規(guī)劃課題“基于‘素養(yǎng)為本的高中化學有效性課堂教學研究”（2021C018）的研究成果。

作者簡介：王英（1985— ），貴州凱里人，本科，學士，一級教師，主要研究方向為高中化學解題模型構建。

（責編 林 劍）