大概念視域下手持技術賦能高中化學課堂的教學實踐

摘 要：在大概念教學模式下，手持技術能夠通過構建層級清晰的教學進階路徑，引導學生建立更系統化、結構化的知識體系，顯著提升學生的實驗設計能力、數據分析能力和跨學科思維能力。教師應以教學單元為切入點，通過真實情境引入、提出核心問題、完成驅動任務等環節，引導學生生成大概念，在真實情境中評價教學情況。

關鍵詞：大概念；手持技術；單元教學；實驗改進；高中化學

中圖分類號：G63 文獻標識碼：A 文章編號：0450-9889（2024）35-0106-05

作者簡介：李曉，1987年生，廣西南寧人，碩士研究生，高級教師，主要研究方向為化學課堂教學、基于數字化傳感器的創新實驗、校本課程開發；范斌，1977年生，江西撫州人，碩士研究生，正高級教師，主要研究方向為中學化學教學。

《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱《課程標準》）指出，化學課程重視以學科大概念為核心，使課程內容結構化，以主題為引領，使課程內容情境化，促進學科核心素養的落實［1］4。《課程標準》還對手持技術實驗融入化學課堂教學提出了要求：適當增加微型實驗、家庭小實驗、數字化實驗、定量實驗和創新實踐活動等，讓學生在實驗探究活動中學習科學方法，認識科學探究過程［1］82-83。在此背景下，南寧市第二中學化學教研組開展了大概念教學視域下手持技術賦能化學教學的實踐探索。本文以“化學反應速率及其影響因素”單元教學為例，通過真實情境引入、提出核心問題，完成驅動任務等環節，引導學生生成大概念，并在真實情境中評價教學情況。

一、概念辨析

（一）大概念

大概念的“大”，不是指一個概念所包含的知識很多范圍很大，也不是單純指概念的抽象程度高，“大”代表的是這個概念具有高度的概括性、統攝性和具有遷移價值［2］。大概念凝練了學科精華，有廣泛的普適性與解釋力，是教師進行單元教學設計的重要參考與依據。每一個教學單元都有對應的大概念，以大概念為核心統攝整個教學過程，引導學生在真實情境中解決問題，并深化對大概念的理解，是大概念視域下教學的核心流程。

（二）手持技術

手持技術指數字化傳感器技術，能通過傳感器和配套軟件的應用，以曲線、表格等形式顯示化學反應相關的物理量變化規律，幫助師生更深入地認識化學反應。手持技術賦能化學實驗，能針對性地解決傳統實驗教學中的種種難題，讓學生探究生活中與化學相關的熱點問題，使實驗能貼近真實情境，拓展實驗時空和組織形式，為中學化學教學提供更多靈活多樣的教學機會，進而培養學生的實驗探究能力和問題解決能力。

二、大概念視域下“化學反應速率及其影響因素”單元教學設計實踐

大概念視域下的單元教學，是一個以大概念貫穿教學單元始終的教學過程。教師從專家思維的角度出發，基于對學科大概念的深刻理解，將學生的既有認知水平和特點作為教學設計的出發點，以真實情境下問題解決作為展現大概念認識深度的“教—學—評”一致性目標。教師需要深度剖析《課程標準》并對教學資源進行系統性整合，從而構建出結構完整、層級清晰的課時教學內容。學生在單元教學中對同一個大概念統攝下的問題逐步進行深入探究，既促進了學科知識理解的進階，又在解決實際問題的過程中鍛煉了知識遷移應用能力。

（一）教學背景透視：化學反應速率的教育價值探析

從大概念視域重新審視《課程標準》中的化學反應速率相關內容，教師應該意識到反應速率模塊的教學應超越物理量計算的層面，聚焦引導學生從動力學角度深入理解化學反應過程。這一過程既整合了化學方程式、計量數、濃度與時間單位等基礎知識點，構建起系統化的知識體系，又與速率方程、化學平衡移動等后續內容緊密相連。同時，教學也應重視實驗與跨學科學習的整合，培養學生設計實驗驗證反應速率變化規律的能力，鼓勵學生將“定性到定量是科學研究的必然過程”這一跨學科大概念延伸至更廣泛的科學領域，以此豐富學生的知識架構，培養他們綜合運用科學大概念解決復雜問題的能力，為全面提升學生的科學素養與綜合能力開辟新的路徑。

在深化課程改革的大背景下，化學反應速率及其相關內容的教學，應緊密圍繞“化學反應是可以調控的”這一學科大概念，并嵌入“定性到定量是科學研究的必然過程”跨學科大概念中（如圖1所示）。從必修階段的基礎鋪墊，即引導學生理解化學反應速率的概念并進行基礎計算，逐步過渡到選修階段的進階探索，學生不僅要掌握速率方程的構建與應用，而且要深入理解化學平衡移動與反應速率變化之間的動態關聯。這一學習過程遵循清晰的進階路徑：起始于對速率概念的直觀認識與基本計算技能的掌握；隨后，定性分析各因素對反應速率的影響，并設計實驗進行驗證，培養學生的實驗設計能力；接著，引入定量分析，結合速率方程，深化對反應速率調控機制的理解，提高計算能力；最終，在如合成氨等真實工業情境的案例分析中，學生能夠靈活運用所學知識，解釋并優化反應條件，實現理論與實踐的深度融合。此過程不僅構建了化學反應速率知識的系統框架，而且發展了學生的跨學科思維，為全面提升學生的科學素養與綜合解決問題能力奠定了堅實基礎。

（二）教學框架構建：大概念視域下的單元教學設計

在化學學科核心素養的語境下，大概念的提取并不是隨意或主觀的，它的正確性需要通過一個關鍵的衡量標準來評判，那就是這個大概念是否有助于發展學生的化學學科核心素養。這一標準揭示了核心素養與大概念之間的內在聯系：大概念是達成學科核心素養培養目標的橋梁和手段，而發展學科核心素養則是大概念教學的終極目標和評價標準。因此，在構建指向大概念的化學教學模式過程中，培養學科核心素養應該始終作為目標來引領實踐路徑。這意味著，教學要始終以發展學生的核心素養為出發點和落腳點，確保每一個教學環節都能有效地提升學生的化學學科核心素養。

結合以上思考，筆者與團隊教師在化學大概念教學的實踐中提出了大概念視域下以核心素養發展為核心的化學課堂教學模式，包括五個環節：真實情境引入、提出核心問題、完成驅動任務、生成大概念、真實情境評價［3］。

從素養視角來看，學生在完成驅動任務和真實情境評價兩個教學環節中，將會展現出學科理解水平的進階，體現出大概念和素養的進階路徑。鑒于大概念的生成并不是一節課能夠實現的，教師需要在教學單元的大框架下以對大概念的理解串聯起知識與情境，設計問題情境與遷移活動，最終以大概念促進學生學科核心素養的發展。

在本單元中，學生應該先認識到“化學反應速率是可以定性調控的”，并以此作為前置的學科大概念，通過本單元中結合控制變量法設計實驗驗證各因素影響反應速率這一學習過程，深化對“化學反應速率是可以調控的”這一大概念的理解，并在后續化學平衡的學習中不斷加深理解，最終結合熱化學、電化學等知識綜合認識到“化學反應是可以調控的”。因此，本單元設計了“認識化學反應速率的定義、計算與規律”和“影響化學反應速率的因素”共兩個課時的內容。

在深入探討大概念教學框架下的“化學反應速率及其影響因素”單元設計時，應重點強調學生螺旋上升的進階學習路徑。這一教學單元不僅要關注深化學生對化學反應速率本質的理解，而且要著重培養學生將理論知識運用于實際調控化學反應速率的能力。

如下頁圖2所示，在第一課時，教師以生活經驗作為真實情境導課，巧妙地引導學生類比物理學中的速率，并逐步遷移至化學反應速率的定義、計算及規律探索中。利用多樣化的真實情境（如濃度—時間數據表、圖像關系等）作為學習支架，幫助學生構建對化學反應速率定義的多維度理解，精準診斷知識遷移與認知水平，為后續學習奠定堅實的基礎。這一過程深刻體現了大概念教學中對前置知識掌握的必要性與邏輯遞進性。

進入第二課時，學生基于已有的生活經驗與初步認知，可以感性推斷影響化學反應速率的因素。為使學生獲得更科學、嚴謹的結論，教師精心設計以濁度傳感器為核心的真實實驗情境，鼓勵學生運用控制變量法進行實驗設計、預測、實施與結論提煉。此環節不僅能夠加深學生對控制變量法這一科學方法的理解與應用，而且能夠促進他們從感性認識跨越到理性分析。最后，通過引入合成氨反應中溫度控制的真實問題情境，學生得以在解決實際問題的過程中進一步鞏固并深化“化學反應速率是可調控的”這一大概念。

從大概念認識水平發展的角度來看，培養學生運用控制變量法設計并實施實驗的能力，不僅是讓學生掌握化學反應速率相關知識的關鍵，還是讓學生理解更高階的概念的橋梁，如速率方程、化學反應級數及基元反應等。因此，本教學單元的重點在于促進學生從層級2向層級3進階。在具體實施中，教師巧妙利用手持技術對傳統實驗進行創新，創設“如何在濁度傳感器有限容積內實現濃度變量的有效調控”的劣構問題情境，激發學生的探究欲與創造力。這一過程強調通過實驗設計、結果分析與理論推導等綜合訓練，使學生的實驗設計能力獲得飛躍性發展。

（三）學科育人探索：手持技術賦能的創新實驗教學

手持技術傳感器作為人類感官的延伸，能夠幫助人們用大腦去理解眼睛看不見的微觀世界。在課堂教學中引入手持技術，旨在利用其強大的數據收集、處理與分析功能，提高學生的大概念認識水平。教師借助手持技術，能夠引導學生以量化分析和圖像呈現的方式，深入挖掘實驗數據的內在價值，從而深刻揭示化學反應的本質規律。這一過程不僅能夠增強學生的數據分析能力，而且能夠促使他們從更廣闊的視角理解實驗現象，深化對化學原理的認識，最終實現在陌生情境中遷移知識，這也正是大概念教學的目的。

本單元的經典實驗硫代硫酸鈉酸性條件下歧化存在兩個反應現象的問題，一是二氧化硫溶于水導致肉眼觀察不到氣泡，二是無法客觀、精確地判斷反應終點。因此，運用濁度傳感器改進實驗，延伸視覺進而更精準地測量出溶液濁度的變化情況，從而科學判斷反應進行程度。通過數據采點、繪制曲線的方式，學生可以科學準確地認識化學反應中物理量的變化規律。這樣的學習過程恰好對應了大概念中“上位”和“遷移”的特點。“上位”允許學生超越具體實驗現象，提煉出控制變量等科學方法的普遍價值；而“遷移”則鼓勵學生將化學領域的圖像分析與物理、生物學等學科的相似案例相聯結，促進大概念體系的綜合構建與深化理解。

基于以上分析，本單元設計了一個基于濁度傳感器的重要劣構問題情境：比色瓶容積大約5毫升，實驗只提供了一種濃度的硫代硫酸鈉和硫酸，由學生討論怎么實現對溶液濃度的改變。這樣的真實情境，將控制變量的難度提高，更具有挑戰性，可以發展學生的設計實驗能力，并提升他們的科學精神。以下是學生解決“如何在有限容積內實現濃度變量的有效調控”的劣構問題的教學實錄。

師：我們已經通過濁度傳感器研究了溫度對反應速率的影響。對硫代硫酸鈉與硫酸的反應速率，我們還可以研究哪個量的影響呢？

生：濃度。

師：我們需要控制什么量變、什么量不變呢？

生：需要控制濃度變，溫度等其他量不變。

師：請結合學案（如圖3所示），利用濁度傳感器設計實驗。

學生活動：學生討論后匯報。

生1：由于濁度傳感器的比色瓶容量大約是5 mL，所以要讓加入的溶液總體積控制在5 mL左右。我們可以通過加入不同量的溶液來改變濃度，比如可以加入2 mL硫代硫酸鈉、2 mL硫酸和1 mL蒸餾水。然后第二組加入1 mL硫代硫酸鈉、1 mL硫酸和3 mL蒸餾水。

師：加蒸餾水的目的是什么？

生1：使兩組實驗的溶液濃度不一樣，而且需要裝滿比色瓶，控制變量。

師：很好。現在請大家結合你們設計的實驗，準備任意一組實驗，在講臺上同時進行。

學生活動：學生講臺同時進行實驗，展示實驗結果圖像（如圖4所示）。

師：請中間組的同學匯報本組的實驗數據，分析圖像，并猜測左邊組和右邊組的數據。

生2：我們組的數據是硫酸2 mL、硫代硫酸鈉2 mL、蒸餾水1 mL，左邊組的數據可能是硫酸3 mL、硫代硫酸鈉2 mL、蒸餾水0 mL。因為根據斜率，左邊組的反應速率比我們組的快，比右邊組的慢，可以據此判斷濃度的關系。

生3：其實我們組的數據也是硫酸2 mL、硫代硫酸鈉2 mL、蒸餾水1 mL。

（由于實驗情況出人意料，此時課堂氣氛達到高潮）

師：好，那請你分析可能是哪些因素的影響導致圖像出現了這樣的區別？

生3：可能是因為量筒里殘留的溶液對實驗有影響，也可能是因為儀器本身存在區別等。

根據比色瓶大小有限所創設的劣構情境，讓學生置身于真實的問題情境中開展學習，通過小組討論、實驗實踐、分析交流等形式，以生生互動、師生互動的方式運用已有的知識解決實驗中的真實問題。這一教學片段展現了本節課在大概念視域內利用手持技術改善課堂教學的思路與方法，同時也呈現了培養學生創新思維、高階思維的方法。結合教學實踐可知，將手持技術引入課堂教學，既可以進一步提高化學實驗的真實性，讓學生觀察到許多肉眼無法直接觀察到的實驗現象，又可以依托手持技術重構學習任務、課堂活動，有效發展學生的核心素養。

三、教學反思與策略深化

（一）手持技術賦能：深挖教學潛力，延展學習邊界

人才是實現民族振興、贏得國際競爭主動的戰略資源。拔尖創新人才自主培養不斷推進，為手持技術的發展帶來了前所未有的機遇。手持技術賦能的實驗的特點在于具有新穎而真實的實驗情境和定量表征的思維方式，從這兩個特點出發，教師可以有效地拓展將手持技術應用于教學的深度與廣度。

在化學教學的深度拓展上，手持技術以其高精度、即時反饋的特點，使得學生能夠深入探索不同條件（如溫度、濃度、催化劑種類等）下反應速率的變化規律。通過精心設計一系列定量實驗，學生不僅能夠親手操作，實時記錄反應過程中關鍵參數的變化，而且能利用手持設備自帶的軟件進行描點繪圖，直觀觀察反應速率隨時間或條件變化的趨勢，并進一步利用高級數據分析工具進行函數擬合，解析出反應速率與影響因素之間的數學關系，即速率方程。這一過程不僅加深了學生對反應動力學原理的理解，而且促使他們的思維從現象到本質、從定性到定量飛躍，實現了化學學習的深度進階。

在廣度拓展方面，手持技術憑借其靈活性和多功能性，可被廣泛運用于化學教學中涉及定性到定量大概念思維的多個領域。以電導率和電極電位為例，這些概念是溶液性質、電化學及化學反應機理等核心知識的重要組成部分，也是對溶液性質的一種定量表達方式。運用電導率探頭，學生可以設計測量不同溶液的電導率變化的實驗，探究離子濃度、溶劑種類等因素對電導率的影響，進而理解電解質溶液的導電性質及離子間的相互作用；電極電位探頭可以運用在氧化性和還原性強弱比較一節，實現從定性比較進階到定量比較；也可以設計實驗探究為什么高錳酸鉀溶液總是酸性的這類問題。

這樣的教學實踐促使學生將抽象的化學概念與具體的實驗數據相結合，培養了他們宏微結合的能力和定量思維能力，充分實現了手持技術在化學教學中的多維度應用，拓展學習內容。

（二）大概念育人：融合學科智慧，促進全面發展

大概念育人理念在化學教學中通過大單元教學模式得以深入實踐，改變了傳統的教學模式，全面促進學生發展。教師以化學學科中的大概念為核心框架引領教學，將知識傳授、能力培養與情感態度價值觀的塑造有機融合。在這一過程中，大概念不僅串聯起化學知識，形成系統的學習路徑，深化了學生對化學本質的理解，而且在跨學科融合的情境中培養了學生的綜合素養。學生在探索大概念的過程中不局限于本學科，學會了用科學的眼光審視世界，用理性思維分析問題，用創新精神挑戰未知。

基于這一育人理念，南寧市第二中學化學教研組堅持開展“化學觀念看世界”的征文活動，引導學生從宏微結合、化學平衡移動的特點等化學觀念出發，用科學的、辯證的思維方式分析生活中遇到的問題，展現他們對化學學科和科學大概念的理解。征文活動不僅幫助學生構建了全面的知識體系，還在無形中提升了學生的批判性思維、創新能力和跨學科素養，為他們未來的發展奠定了堅實基礎，使得化學學科發揮了獨特的育人價值。

參考文獻

［1］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.

［2］鄭長龍.核心素養導向的化學教學設計［M］.北京：人民教育出版社，2021.

［3］岑素艷，范斌.核心素養背景下指向大概念的高中化學教學探析［J］.廣西教育，2023（05）：72-75.

注：本文系廣西教育科學“十四五”規劃2023年度科學教育專項課題“大概念視角下手持技術賦能化學教學的實踐研究”（2023ZJY797）的研究成果。

（責編 劉小瑗）