指向核心素養(yǎng)的初中化學(xué)大單元教學(xué)實踐研究

林世鑫

［摘 要］新課標(biāo)要求提升義務(wù)教育階段學(xué)生的核心素養(yǎng)，推行基于大概念的單元教學(xué)模式。文章以“空氣中氧氣含量的測定”復(fù)習(xí)課為例，以大單元課程設(shè)計為邏輯主線，以三種測定空氣中氧氣含量的經(jīng)典方法（燃燒法、銹蝕法和加熱法）引入課題，圍繞“氧氣”這一核心點將空氣的組成、氧氣的性質(zhì)、金屬的氧化等知識點有機(jī)地串聯(lián)起來，幫助學(xué)生全面提升化學(xué)學(xué)科的知識結(jié)構(gòu)和學(xué)科能力，形成對普遍事物的理性認(rèn)識。

［關(guān)鍵詞］核心素養(yǎng)；大單元教學(xué)；復(fù)習(xí)課；初中化學(xué)

［中圖分類號］ ? ?G633.8 ? ? ? ?［文獻(xiàn)標(biāo)識碼］ ? ?A ? ? ? ?［文章編號］ ? ?1674-6058（2023）02-0077-03

一、課程內(nèi)容及目標(biāo)

（一）課程內(nèi)容的時代背景

為了培養(yǎng)擔(dān)當(dāng)民族復(fù)興大任的時代新人，教育部于2022年4月頒布了《義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》（本文簡稱新課標(biāo)）。新課標(biāo)以化學(xué)課程的性質(zhì)和教育價值為主線，結(jié)合我國高質(zhì)量人才的培養(yǎng)藍(lán)圖，提煉了化學(xué)觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究與實踐、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任四個方面的核心素養(yǎng)發(fā)展要求。對于“初中化學(xué)課應(yīng)如何有效拼接碎片化的課程內(nèi)容，引導(dǎo)學(xué)生形成整合型的知識結(jié)構(gòu)？如何科學(xué)融合學(xué)生學(xué)情，實現(xiàn)學(xué)科邏輯順序與學(xué)生認(rèn)知規(guī)律的高效融合？”等問題，新課標(biāo)給出了優(yōu)化的教學(xué)建議，即基于大概念來組織單元教學(xué)內(nèi)容。以大概念為統(tǒng)領(lǐng)進(jìn)行大單元教學(xué)，有利于教師把握教學(xué)內(nèi)容的本質(zhì)和關(guān)系，這就要求教師要深度挖掘教學(xué)材料，使課程內(nèi)容結(jié)構(gòu)化；以主題為引領(lǐng)，使課程內(nèi)容情境化；開發(fā)多元的教學(xué)方法，使課程內(nèi)容精品化，最終促進(jìn)學(xué)生核心素養(yǎng)的穩(wěn)步落實。

（二）課程內(nèi)容的實施依據(jù)

“空氣中氧氣含量的測定”在初中化學(xué)中有著舉足輕重的作用。滬教版化學(xué)教材中設(shè)置了“空氣中氧氣含量的測定”探究性實驗，讓學(xué)生通過實驗探究了解化學(xué)是研究物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)以及變化規(guī)律的學(xué)科，掌握純凈物和混合物的區(qū)分方法以及質(zhì)量守恒定律。“用紅磷測定空氣中氧氣的含量”是新授課中做過的實驗，該實驗誤差大且污染環(huán)境。在復(fù)習(xí)課中若重復(fù)該實驗則穩(wěn)固有余而知新不足，很難讓學(xué)生提起學(xué)習(xí)勁頭。因此在復(fù)習(xí)課中，教師應(yīng)避免采用簡單記憶和機(jī)械訓(xùn)練的復(fù)習(xí)模式，而是要形成大單元課程結(jié)構(gòu)，梳理學(xué)生原有的知識內(nèi)容，提出具有驅(qū)動性的學(xué)習(xí)任務(wù)，引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)實驗現(xiàn)象和細(xì)節(jié)展開質(zhì)疑、推理、歸納、總結(jié)等學(xué)習(xí)活動，促進(jìn)學(xué)生形成整體性知識體系，提高學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力，提升學(xué)生的核心素養(yǎng)。

（三）核心素養(yǎng)下的學(xué)習(xí)內(nèi)容

“空氣中氧氣含量的測定”復(fù)習(xí)課所涉及的核心素養(yǎng)及其對應(yīng)的學(xué)習(xí)內(nèi)容如下。一是化學(xué)觀念：以氧氣的性質(zhì)為核心內(nèi)容構(gòu)建大單元教學(xué)，探索空氣的組成，掌握測定空氣中氧氣含量的原理及方法，同時建立起平衡與守恒思想。二是科學(xué)思維：對運(yùn)用到的測定方法進(jìn)行優(yōu)缺點比較、分析、歸納和總結(jié)，能夠針對實驗中產(chǎn)生的誤差進(jìn)行獨立的思考和判斷，進(jìn)而對傳統(tǒng)的測量方式提出疑問和進(jìn)行改進(jìn)，形成科學(xué)思維。三是科學(xué)探究與實踐：本課的教學(xué)設(shè)計中包含方法和實驗，學(xué)生通過對實驗裝置的設(shè)計與搭建，增強(qiáng)動手操作及邏輯思考的能力，同時借助所學(xué)化學(xué)知識發(fā)現(xiàn)實驗中的不足，并通過自主探究改進(jìn)實驗裝置，解決實際問題。四是科學(xué)態(tài)度與責(zé)任：在探索和改進(jìn)實驗的過程中，著重強(qiáng)調(diào)實事求是的原則，讓學(xué)生明白今天“正確”的結(jié)論，今后有可能成為“不正確”或“不夠正確”的結(jié)論，從而培養(yǎng)學(xué)生質(zhì)疑和求實的科學(xué)態(tài)度。

（四）大單元課程目標(biāo)

（1）通過“空氣中氧氣含量測定實驗的改進(jìn)”探究活動，分析實驗所用試劑以及對應(yīng)的測定原理；（2）在實驗探究過程中，經(jīng)歷發(fā)現(xiàn)問題、提出問題、分析問題、解決問題、改進(jìn)完善的過程，逐漸提升邏輯思維能力和實驗設(shè)計能力；（3）通過對多種實驗裝置的分析、評價和改進(jìn)，選擇適合的實驗裝置和方法，同時體驗合作學(xué)習(xí)與實驗操作帶來的愉悅感；（4）通過改進(jìn)和優(yōu)化實驗，發(fā)現(xiàn)實驗的實際結(jié)果要比標(biāo)準(zhǔn)答案復(fù)雜得多，在面對出現(xiàn)的錯誤和偏差時，能不斷地糾錯，進(jìn)而培養(yǎng)耐挫精神。

二、大單元教學(xué)的實踐過程

［教師］ “八月秋高風(fēng)怒號，卷我屋上三重茅。”我們從杜甫的詩中可以感受到空氣的存在。那么空氣是單質(zhì)還是混合物？我們要感謝在科學(xué)探索過程中敢于打破常規(guī)的科學(xué)家，讓我們站在知識之巔，以最簡單的方式認(rèn)識空氣。通常可通過什么實驗來探究空氣中的氧氣含量呢？該實驗的優(yōu)缺點是什么？

［學(xué)生］用紅磷燃燒法來測定。該方法的優(yōu)點是反應(yīng)現(xiàn)象明顯，缺點是：①當(dāng)燃著的紅磷伸入集氣瓶中，瓶內(nèi)空氣會瞬間受熱膨脹逃逸；②當(dāng)空氣中氧氣的含量降低到一定濃度之后，紅磷就不能再繼續(xù)燃燒；③反應(yīng)產(chǎn)物P2O5會污染環(huán)境。

［教師］木炭、硫燃燒也消耗氧氣，能否用這些物質(zhì)代替紅磷呢？

［學(xué)生］不可以。這些物質(zhì)雖然能夠消耗氧氣，但產(chǎn)物是CO2、SO2等氣體，無法使裝置內(nèi)形成氣壓差。

評析：雖然經(jīng)過近一年的化學(xué)學(xué)習(xí)，學(xué)生的基本化學(xué)素養(yǎng)有了大幅度提升，但學(xué)生仍缺乏靈活運(yùn)用所學(xué)知識的能力，復(fù)習(xí)課伊始教師創(chuàng)設(shè)情境提出問題，可引導(dǎo)學(xué)生思考解決問題的方法。

［教師］既然木炭燃燒會產(chǎn)生CO2，增補(bǔ)消耗掉的氧氣，那么我們可以使用能夠吸收CO2的試劑，以消除CO2的干擾，進(jìn)而準(zhǔn)確測定空氣中氧氣的含量。可以選擇哪種試劑？如何設(shè)計實驗？

［學(xué)生活動］討論并設(shè)計實驗方案：先準(zhǔn)確測量集氣瓶內(nèi)的總體積[V1]，隨后在集氣瓶中加入體積為[V2]的足量的NaOH濃溶液，讓蠟燭在集氣瓶中燃燒，待冷卻后打開止水夾，記錄瓶中溶液的體積[V3]。集氣瓶中溶液前后的體積差就是倒吸入的水的體積[ΔV=V3-V2]，用倒吸入的水的體積除以集氣瓶體積與NaOH濃溶液體積的差即可計算出空氣中氧氣的體積分?jǐn)?shù)[φ（O2）=（V3-V2）/（V1-V2）×100%]。經(jīng)過實驗發(fā)現(xiàn)，用NaOH濃溶液吸收CO2后，計算得出的氧氣體積分?jǐn)?shù)接近但小于20%。

［教師］為什么使用NaOH濃溶液來吸收CO2，仍然不能準(zhǔn)確測定空氣中氧氣的含量呢？請同學(xué)們根據(jù)演示實驗過程分析原因。

［演示實驗］如圖1所示，預(yù)先用水測量三頸燒瓶內(nèi)部的體積（約250 mL），水倒出后在三頸燒瓶中加入15 mL的NaOH濃溶液，左側(cè)瓶口連接CO數(shù)字化傳感器，右側(cè)瓶口連接導(dǎo)管，導(dǎo)管的另一端伸入燒杯中。隨后，將點燃的蠟燭迅速伸入燒瓶中，蠟燭燃燒一段時間后熄滅。待燒瓶中溫度恢復(fù)至室溫后打開止水夾，水迅速倒吸入燒瓶中，用量筒量取燒瓶中的液體體積。此時CO數(shù)字化傳感器的讀數(shù)為42.7 ppm。

［學(xué)生］當(dāng)氧氣含量減少時，蠟燭不完全燃燒并產(chǎn)生CO氣體，影響測定結(jié)果。

評析：由于實驗結(jié)果和學(xué)生預(yù)判的結(jié)果大相徑庭，促使學(xué)生帶著強(qiáng)烈的好奇心，依據(jù)已有的知識和經(jīng)驗做出與問題相關(guān)的猜測，并設(shè)計解決問題的思路與方案，通過科學(xué)探究實驗收集證據(jù)，修正猜想，得到合理的結(jié)論，充分揭示物質(zhì)變化的普遍規(guī)律。

［教師］氧氣是比較活潑的氣體，能與大部分金屬發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。請同學(xué)們使用金屬材料設(shè)計實驗方案，探究空氣中氧氣的含量。

［學(xué)生］選擇鐵絲銹蝕法，而非鐵絲燃燒法，原因是鐵絲無法在空氣中燃燒。在含有酸或鹽的環(huán)境中鐵會加快生銹的速率，鐵粉也可以加快反應(yīng)速率，據(jù)此提出使用含有鐵粉的“暖寶寶”作為反應(yīng)物。

［實驗步驟］①測量直筒玻璃杯的高度[H]；②將“暖寶寶”粘在玻璃杯內(nèi)壁；③將玻璃杯倒扣在水槽中；④記錄玻璃杯內(nèi)液體的高度[h]；⑤根據(jù)玻璃杯內(nèi)液面高度的變化，計算出氧氣的體積分?jǐn)?shù)［[φ（O2）=h/H×100%]］。（如圖3）

［資料提示］大部分金屬在空氣中都可以被氧化，如鋁和銅，產(chǎn)物狀態(tài)為固體。用鋁和銅分別代替鐵完成測定實驗，并用數(shù)字化傳感器測定實驗裝置內(nèi)的氧氣含量，得到的數(shù)據(jù)如圖4和圖5所示，請分析未能準(zhǔn)確測定的原因。

［學(xué)生］鋁表面氧化后會生成一層致密的氧化鋁膜，阻止鋁進(jìn)一步氧化，導(dǎo)致實驗失敗；銅生銹的條件是銅、氧氣、二氧化碳和水四種物質(zhì)共同作用，而空氣中二氧化碳的含量只有0.03%，當(dāng)二氧化碳耗盡后銅不能再繼續(xù)消耗氧氣，導(dǎo)致實驗失敗。

［教師］改變反應(yīng)條件，銅也可以用來測定空氣中氧氣的含量，那么需要什么樣的反應(yīng)條件呢？

［學(xué)生］灼燒銅時，銅可以和氧氣反應(yīng)，并且產(chǎn)物是固體，可以用來準(zhǔn)確測定空氣中氧氣的含量。

［實驗步驟］①檢查裝置氣密性；②試管中裝入足量的銅粉，旋緊橡膠塞，用止水夾夾緊橡膠管；③記錄燒杯中水的初始體積[V1]，將導(dǎo)管伸入燒杯中；④固定裝置后加熱試管底部；⑤停止加熱，待試管冷卻至室溫后打開止水夾，取出導(dǎo)管，記錄燒杯中水的體積[V2]；⑥繼續(xù)向試管中注水，記錄試管的總體積[V3]；⑦計算氧氣的體積分?jǐn)?shù)。

［教師］銅灼燒時，試管內(nèi)部的氣壓會變大，活塞易被彈出，該如何控制試管內(nèi)部氣壓？另外，試管內(nèi)的氣體不流通，會導(dǎo)致氧氣不能充分反應(yīng)，請同學(xué)們重新設(shè)計實驗裝置。

［實驗改進(jìn)］先提出在裝置上方加一個氣球，以達(dá)到緩沖氣壓的作用；再提出在玻璃管左右端各連接一個注射器，不但可以緩沖氣壓，還可以通過推拉針筒讓氣體流動，使金屬與氧氣充分反應(yīng)，并可以直接從注射器上讀取數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確便捷地獲取消耗氧氣的量。（如圖6）

［教師］“擇其善者而從之，其不善者而改之。”不同的測定方法各有優(yōu)劣，遇到問題應(yīng)像科學(xué)家一樣辯證地去思考。

評析：測定空氣中氧氣含量的方法有很多種，歸根結(jié)底取決于氧氣的化學(xué)性質(zhì)，而測量所用試劑的化學(xué)性質(zhì)又決定了測定的方法。本環(huán)節(jié)旨在歸納總結(jié)測定空氣中氧氣含量的實驗試劑以及對應(yīng)測定方法的優(yōu)缺點。

三、大單元教學(xué)反思

古人云：“學(xué)貴知疑，小疑則小進(jìn)，大疑則大進(jìn)。疑者，覺悟之機(jī)也。”化學(xué)是一門自然科學(xué)，也是一門變化的學(xué)科，它的發(fā)展存在著科學(xué)性與修正性。初中化學(xué)教師不僅要給學(xué)生教授知識，還要教會學(xué)生科學(xué)研究方法，使學(xué)生學(xué)會用化學(xué)思維方式認(rèn)識世界，感知化學(xué)對人類社會文明所作出的貢獻(xiàn)，培養(yǎng)終身學(xué)習(xí)的能力。

大單元教學(xué)可以使各個單元形成合力，例如以探究空氣中的氧氣含量為“大主題”，將物質(zhì)的結(jié)構(gòu)、氧氣的化學(xué)性質(zhì)、化學(xué)變化、金屬的冶煉以及金屬的防護(hù)和銹蝕等內(nèi)容巧妙聯(lián)系起來，將實驗改進(jìn)設(shè)置為“大過程”的指向性活動（包含教師活動和學(xué)生活動），把短小的、零散雜亂的學(xué)習(xí)活動串聯(lián)在一起，形成貼近學(xué)生學(xué)情、整合學(xué)習(xí)內(nèi)容、完善學(xué)習(xí)任務(wù)的過程鏈。總而言之，大單元課程設(shè)置可以重組化學(xué)知識模塊，靈活把握教學(xué)方式，把化學(xué)學(xué)習(xí)與學(xué)生核心素養(yǎng)培養(yǎng)緊密聯(lián)系起來。

［ ? 參 ? 考 ? 文 ? 獻(xiàn) ? ］

［1］ ?中華人民共和國教育部.義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)：2022年版［M］.北京：北京師范大學(xué)出版社，2022.

［2］ ?王祖浩.義務(wù)教育教科書化學(xué)教師教學(xué)指導(dǎo)書：九年級上冊［M］.上海：上海教育出版社，2012.

（責(zé)任編輯 羅 艷）