從學科大概念出發　走向化學學科理解

胡先錦　孫棟梁

摘要： 基于化學學科大概念和化學學科理解內涵的解讀，依據《義務教育化學課程標準（2022年版）》的教學要求，從解讀“物質變化與轉化”大概念內涵出發，確定“蠟燭的故事”單元主題，結合教材內容和學情基礎確立單元教學目標，設計教學環節和基本探究問題，生成真實情境下的驅動性任務，展開協作式學科實踐活動，制定表現性評價量規，以真實問題的解決促進學生化學學科理解，落實“教學評”一體化的教學理念。

關鍵詞： 學科大概念； 化學學科理解； 單元教學； 初中化學

文章編號： 10056629（2023）11003906 中圖分類號： G633.8 文獻標識碼： B

發展學生核心素養就要積極開展“素養為本”的教學，持續增進學生學科理解。但是“理解”不等同于“知道”，不是知識的回憶重復或簡單再現，而是智慧地使用知識［1］，把所學知識遷移到新的環境中去應用。什么樣的學科知識才是最具有學科價值和強遷移性的呢？無疑是學科大概念。為此，本文擬結合學科大概念的理論學習和教學設計進行初步探討，展開協作式實踐活動，更好地促進學生的化學學科理解。

1 大概念與學科理解的基本內涵

1.1 大概念與化學學科大概念

學科事實一般是結果性的、公共性的既往知識，是具體的、零散的、固定的，是惰性的、難以進行遷移和應用的；“事實本身真的一無所有，唯有當它與其他事實建立關系的時候，當它情境化的時候，它才能獲得其事實性”［2］。對任何一門學科而言，都必然存在著一些處于學科中心地位的“少而重要的概念”，是特定學科中最基礎、最根本、具有核心擴散力的概念，即學科大概念（Big Ideas）。學科大概念是指反映學科本質，具有高度概括性、統攝性和遷移價值的概念性知識［3］。

于學科而言，化學學科大概念是處于化學學科體系中心的、反映學科本質（本源）的思想和觀念，具有高度概括性、廣泛遷移性和強解釋力等特征，能夠幫助學習者建構化學觀念，形成化學學科思維方式和方法，樹立正確的科學價值觀。吳星教授研究認為，化學學科大概念包括物質組成與結構、物質變化與轉化、物質性質與應用、物質變化與能量等內容，并進行了較為詳細的解讀，如“物質變化與轉化”大概念可包括在一定條件下物質能發生化學變化，化學變化有新物質生成并往往伴隨有能量的轉化；化學變化遵循一定的規律，化學變化是可調控的；實驗探究是認識化學變化的最常用方法［4］等。

1.2 學科理解與化學學科理解

20世紀末，威金斯和麥克泰等學者先后提出“為理解而教”理念，認為理解就是能靈活地表達和表現自己所知的，是“學習者能夠智慧而有效地使用知識和技能的過程和結果”［5］。當學科與“理解”交融，就有了“學科理解”。學科理解就是運用學科思維解決真實問題、認識并創造世界的過程，是人們面臨真實的學科問題和日常生活問題時能夠“以學科專家的方式去思考”［6］。學科理解具有過程性、發展性、差異性、個體性等特點，是持續伴隨一個人的終生而不斷發展和變化的。

在教師與化學教學層面，化學學科理解是指教師對化學學科知識及其思維方式和方法的一種本原性、結構化的認識，不僅是對化學知識的理解，還包括對具有化學學科特質的思維方式和方法的理解。化學學科理解的教學價值在于凝練學科本原性問題、建構概念的層級結構和抽提認識視角［7］。在學生和化學學習層面，化學學科理解是學生運用化學學習方法構建結構化知識，形成化學本質認知和化學學科思維，認同化學學科的育人價值和社會意義，運用化學知識和思維去認識自然世界，從化學視角去探究、分析和解決與化學相關的問題或社會議題［8］。

2 基于學科大概念的“蠟燭的故事”單元教學設計與實踐

單元教學是介于宏觀課程與微觀課時之間的中觀過程，向上兼顧課程總體目標與課程結構，向下合理協調不同課時之間的學科認知邏輯或教學邏輯［9］。基于學科大概念的單元教學，是教師依據對某一個或某些具有聯系的學科大概念的理解，結合學生認知基礎和認知特點，對課程標準、教學內容和教學資源等進行分析、整合、重組和重構，形成在大概念統領下的、相對完整的教學主題；隨后，創設真實探究情境，生成劣構性探究問題，在多個連續課時（或大課時）中引領學生進行協作式學科探究、親歷科學實踐；在真實問題解決中，促進化學內容結構化建構和遷移性應用，指向學生個人意義、經驗、思想的持續生長。

2.1 解讀化學學科大概念，確定單元教學主題

根據《義務教育化學課程標準（2022年版）》中“化學觀念”的基本內涵［10］，決定從“物質變化與轉化”大概念出發，結合教材內容及學生化學“零基礎”現狀，確定“蠟燭的故事”這一單元教學主題。以課程標準內容與教學要求，解構本單元的大概念節點，主要包括：一定條件下物質間能發生化學變化，反應條件是可以調控的，化學變化中有新物質生成且往往伴隨能量的變化，化學變化中元素不變，基于實驗證據進行推理和建構化學認知模型。涉及的化學基本概念包括元素、化學變化、能量、基于證據推理等。

就教學而言，本單元可以作為九年級化學學科內容的起始單元，具備對整個九年級化學學習的重要承接功能和輻射功能。因此，依據課程標準要求，結合學生認知基礎，形成單元學習目標的多維解構與概念內涵解析的BCMAP圖（見圖1）。在對教材內容進行重組架構的基礎上分為“蠟燭從哪里來”“蠟燭如何燃燒”“蠟燭燃燒后去哪了”三個教學環節，以蠟燭為探究對象，從真實生活情境出發，側重從科學認識和科學實踐兩個維度推進，引領學生初步認識和理解元素、化學變化等基本概念，從而形成單元總體目標和具體學習目標。

（1） 單元總體目標：以蠟燭燃燒為真實情境，通過實驗探究和分析可燃物燃燒的條件與調控，理解化學變化中的物質轉化與能量轉化，理解化學變化是有條件的基本觀念，建立對化學變化的系統分析思維，形成對化學變化的模型認知，能從跨學科視角分析解決蠟燭燃燒的相關問題，體會化學變化與轉化的學科價值、社會價值和育人價值。

（2） 具體學習目標：①環節一（0.5課時）——了解蠟燭的來源及工業生產流程，根據實物認識蠟燭的物理性質，初步認識物理變化與化學變化的概念，初步形成物質是由元素組成、微粒構成的化學觀念。②環節二（2課時）——以蠟燭燃燒為實驗情境，分析燃燒現象及可能原因、燃燒條件及條件調控；理解化學變化中有新物質生成，還伴隨有能量變化；認識化學變化中元素種類不變，遵循質量守恒定律，初步建構基于“化學變化與轉化”大概念的學科認知模型；從反應條件調控的視角分析可燃物的燃燒與滅火，體會化學變化是在一定條件下進行的基本觀念，認同化學知識的實際應用價值，滲透科學風險與社會責任意識。③環節三（1.5課時）——實驗探究分析蠟燭燃燒化學反應的淺層機理，進一步認識化學變化及其文字表述和符號表達，初步形成“宏微符”三重表征的學科思維。

2.2 解構單元大概念節點，設計基本探究問題

“物質變化與轉化”大概念貫穿于化學學習全過程，需要在化學學習過程中持續生成、理解和深化。本單元作為引領學生進入初中化學的入門單元，緊緊圍繞“蠟燭”和“蠟燭燃燒”展開教學（見圖2），其中環節一“蠟燭從哪里來”設計探究活動“蠟燭的組成、物理性質和物理變化”（約0.5課時）；環節二“蠟燭如何燃燒”設計探究活動“可燃物的燃燒條件、化學變化和能量釋放”，學習內容指向“化學變化”和“能量”的認知和理解，初步形成“在一定條件下，物質之間能發生化學變化，反應條件可調控，化學變化中有新物質生成并往往伴隨有能量轉化”的學科大概念認知（約2課時）；環節三“蠟燭燃燒后去哪了”設計探究活動“蠟燭燃燒的化學變化、物質的元素組成和化學變化的宏微表征”，在理解化學變化概念的過程中，同步理解“元素”和“微粒”兩個學科基本概念，形成“物質是由元素組成的，是由微粒（分子、原子或離子）構成的”學科大概念認知，同時初步形成“基于實驗證據進行推理和建構化學認知模型”的學科思維方式，進而引導學生初步形成對“物質變化與轉化”的概念性把握和實踐性理解（約1.5課時）。

2.3 生成學習驅動性任務，開展協作式探究活動

大概念統領下的化學單元化學習建基于具體真實的驅動性任務，以任務為導向的探究活動作為學習實踐的對象和載體，進而獲得化學實驗的基本事實、與化學現象有關的猜想，并基于實驗證據進行推理，初步形成指向學科大概念的實驗結論，建構化學學科理解視角的化學認知模型。本單元通過設計蠟燭燃燒前、燃燒時以及燃燒后的實驗活動（見表1），從化學學科思維和方法的視角，引領學生初步認識和體會對具體物質進行實驗探究的一般思路與方法，建立研究物質理化性質的一般視角，了解并嘗試提出實驗假設、設計實驗方案、實施實驗操作，嘗試基于實驗現象和證據進行科學推理，證實或證偽實驗假設，形成實驗結論。本單元的學習任務根據有關哲學的物質運動問題“從哪里來”“現在哪里”“到哪里去”，探究蠟燭燃燒的“過去”“現在”和“將來”。

實錄：環節二中探究“蠟燭燃燒時，火焰形狀為什么呈水滴型”活動。

［教師］同學們，蠟燭燃燒的火焰是什么形狀呢？

［學生］火焰像拉長的水滴一樣的形狀，而且火焰上端比較尖。

［教師］為什么火焰會出現這樣的水滴形狀呢？請同學們思考和小組討論。

［學生代表1］我們組認為蠟燭燃燒燒的是火焰內部的石蠟蒸氣，燃燒的同時消耗了周圍的氧氣，于是周圍的空氣就向火焰內部擠壓補充內部消耗的氧氣，火焰就成“瘦長”狀了。

［學生代表2］火焰產生的熱氣流向上運動，火焰向上運動的同時可燃物減少，最后以“尖端”結束燃燒。

［學生代表3］我們小組認為，是由于自然界中存在重力，導致氣體在冷熱不均條件下發生氣流運動，周圍的氣體在補充氧氣的同時也像“刀片”一樣“削尖”了火焰。

［教師］同學們，你們經過激烈討論，初步形成了自己的猜想。那么如何驗證你們的猜想呢？能否討論設計實驗方案進行驗證呢？

［學生代表4］創造一個沒有重力但有空氣的環境，觀察蠟燭火焰的形狀，我們小組認為應該是一個接近球形的火焰。

［學生代表5］沒有氣體流動，火焰可能是一種無規則的形狀聚集在蠟燭燃燒中心處。

［學生代表6］在沒有氣體流動的條件下，可能根本就不能燃燒，氧氣不會自發補充到燃燒位置。

［教師］請問在哪里能找到沒有重力但有空氣的場所呢？

［學生］向下運行的電梯里、自由下落的盒子里、宇宙飛船里……

［教師］同學們討論得很激烈，交流也很充分，其實，科學家早就研究過蠟燭火焰形成的原因，在宇航艙中也做過一個實驗來驗證失重條件下火焰的形狀，我們一起看一下。（教師播放視頻，并展示相關研究文獻，證實學生猜想基本正確）

在真實任務驅動下的探究活動主要通過討論、實驗、交流等方式展開，課堂中生生、師生開展多元互動，較好地培養和發展了學生的批判性思維、創新思維等高階思維。實踐表明，重視實驗協作探究與學習內容的聯系，根據基本探究問題明確具體的學習驅動性任務，有計劃地把任務分散、融合到具體的探究實踐活動中，能夠有效增進學生的化學學科理解。

2.4 制訂表現性評價量規，落實“教學評”一體化

《義務教育課程方案（2022年版）》強調注重“教學評”一體化，倡導“做中學”“用中學”“創中學”，“創新評價方式方法……注重動手操作、作品展示、口頭報告等多種方式的綜合運用，關注典型行為表現，推進表現性評價”［11］，讓理解可見，讓學習可見。所謂表現性評價，是基于真實任務情境考查學生行動表現的評價方式，要求學生在真實情境任務中綜合應用自身的知識、技能和思維，根據評價目標制訂評價量規，通過對學生完成任務過程中的表現和狀況，考查學生的知識、技能、思維的發展狀況，以及問題解決、反思實踐、交流協作和批判性思維、創造思維等能力的發展狀況。通常而言，完整的表現性評價包括三個核心要素：一是教學目標，即希望學生達成什么樣的學習結果；二是表現性任務，即學生需要完成的任務，用于引發學生的相關表現；三是評價量規，即用以判斷和解釋學生學習目標達成程度的標準，往往有多個分值構成評分連續體，任務完成表現越優秀，其分值相應越高［12］。因此，表現性評價量規不僅是評分等級工具，還是學生與自己、與他人就學習任務和問題解決展開交流的工具。在本單元中，探索制訂了從了解“蠟燭從哪來”到探究“蠟燭如何燃燒”，再到“蠟燭燃燒后去哪了”各環節評價量規。其中，根據表1設計的驅動性任務和實驗探究活動，制訂“蠟燭如何燃燒”環節的表現性評價量規如表2所示（未賦評價分值）。

3 教學反思

3.1 基于化學學科大概念，以單元教學促進結構化認知

零散的知識和固定的事實無法轉化為學科理解，單純紙筆測驗的應試訓練難以培育核心素養。以學科大概念為統領，進行主題性、單元化的教學設計，既有助于增進教師化學學科理解，促進學科知識的“活化”和結構化，更新教學設計、組織、實施和評價理念，也有助于促進學生改變學習方式，促進學科特質思維方式和方法的形成，引領學生對“散點”知識進行有目的、有學科邏輯的結構化建構。從教學效果來看，能夠較好地促進學生化學認知的螺旋式進階和知識的結構化建構，也較好地引導學生初步形成探究物質的實驗意識、實驗思維和實驗方法，以及基于實驗證據進行推理和建構認知模型的意識和能力。當然，對化學變化的概念理解必然是一個持續的過程。

3.2 創設真實實踐情境，探尋學習中心的協作式問題解決

指向學科理解的教學過程和學習活動是關注學生的學習體驗、學習歷程的教學新樣態。在教學過程中，教師教導的主要功能不是向學生系統講授或傳遞，而是聚焦于使學生學習的狀態成為主動、獨立的學習，并使這種學習占據主要的教學時間和內容空間［13］。以學科大概念為指引，以真實情境問題為導向，以協作式學習為路徑，從“知識密集型的認知性實踐”向“實踐密集型的發展性實踐”轉型，真正使教學成為促進學生發展的有意義的實踐，將學科知識習得的過程引向真實情境下的科學實踐、文化實踐、倫理實踐、社會實踐和生命實踐的活動過程［14］。本單元教學中，學生親身經歷蠟燭燃燒前、燃燒中以及燃燒后的實驗探究，對這些探究和實驗充滿著好奇和興趣，較好地培養和引領學生像化學家們一樣去思考學科知識和解決真實問題。

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*江蘇省教育科學“十三五”規劃重點課題“教是為了不教：指向學科理解的高中化學教學研究”（項目編號YZb/2020/10）；江蘇省教育科學“十四五”規劃立項課題“基于學科理解的高中化學教學實踐研究”（項目編號D/2021/02/759）階段性研究成果。