學科大概念統領下的高中化學單元整體教學設計

韓春艷 沈坤華

［摘 要］學科大概念是單元教學的核心。文章基于“結構決定性質”化學學科大概念，以“乙醇與乙酸”教學單元為載體，以果酒和果醋的釀造為情境，將乙醇和乙酸的性質結構化地整合在一起，展示了學科大概念統領下的高中化學單元整體教學設計。該教學設計順應學生的學習心理，可促進學生的學科知識結構化和認知結構化，有助于學生實現深度學習，同時提升學生的化學學科核心素養。

［關鍵詞］學科大概念；單元整體教學；乙醇和乙酸；教學設計

［中圖分類號］ ? ?G633.8 ? ? ? ?［文獻標識碼］ ? ?A ? ? ? ?［文章編號］ ? ?1674-6058（2024）02-0069-04

《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）明確指出：“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］然而，日常教學中教師更注重課時教學設計，缺少單元整體教學的意識和方法。學生獲得的多是些碎片化知識，不利于學科觀念的培育及學科思維的提升。大概念是處于更高層、居于中心地位和藏于更深層次，具有認識論、方法論和價值論三重意義，因而能廣泛遷移的活性觀念［2］。選擇一個具有統攝性的學科大概念作為單元教學的支點，結構化地組織教學，可使學生的學習由“散點”式轉化為結構式，促進“知識為本”向“素養為本”的轉化，撬動課堂教學方式的轉型。

本文以人教版（2019年）高中化學教材必修二第七章第三節“乙醇與乙酸”的教學為例，以果酒和果醋的釀造這一真實情境貫穿整個課堂，引導學生在分析問題和解決問題的過程中，思考知識背后蘊含的學科本質，形成認識有機物的一般思路和方法，幫助學生形成“結構決定性質”的學科大概念，落實學科核心素養。

一、 學科大概念統領下的單元知識分析

“乙醇和乙酸”作為烴的衍生物知識的起點，對學生整個烴的衍生物學習觀念的建構和方法引領至關重要。課程標準對“乙醇和乙酸”的要求如表1所示。

基于課程標準的要求，結合教學內容的內在邏輯關系，抽提出本單元的主題大概念“結構決定性質”，引導學生從官能團視角認識乙酸和乙醇。以該大概念為統領的“乙醇與乙酸”單元整體教學設計框架如圖1所示，旨在引導學生從微觀結構認識乙醇和乙酸的宏觀性質，形成認識有機物性質的一般思路和方法。

二、教學目標及教學整體思路

（一）學情分析

學生在生活中已經對乙醇的物理性質、可燃性、簡單用途以及乙酸的酸性有所了解。在前面的學習中，學生通過甲烷、乙烯的性質差異，初步形成“結構決定性質”的學科觀念，這有利于學生進一步從官能團視角認識乙醇、乙酸的結構與性質。學生雖然具有一定的實驗探究能力和證據推理能力，但是從微觀視角認識有機物變化的能力尚有所欠缺，基于官能團認識有機物的能力也有待加強。

（二）單元目標及課時目標

大概念引領下的單元教學目標，上承課程目標，下接課時目標，對教學設計、教學活動有精準導向作用。基于學情和課程標準要求，“乙醇和乙酸”的單元目標及課時目標如表2所示。

（三）單元教學流程

本單元以“果醋的釀造”這一真實情境中的問題解決作為外顯主線，聚焦“結構決定性質”學科大概念，將核心概念建立路徑、學生認知邏輯和關鍵能力發展作為暗線，設計多樣化的學習活動，由淺入深，層層遞進，引導學生在實際問題的解決過程中不斷遷移學科知識以及形成認識有機化合物的思路和方法，實現思維發展的進階，將知識內化為能力和素養。具體教學流程如圖2、圖3所示。

三、單元教學片段

（一）果酒的主要成分是什么——類比遷移初探乙醇的結構

【課前任務】學生查閱資料了解果酒和果醋的釀造工藝，梳理果醋釀造的基本方案和核心流程，小組討論釀造過程中有機化合物的轉化路徑是怎樣的，并小組合作嘗試釀造果醋。

【情境引入】小組展示抽提的果醋釀造工藝及釀醋過程中物質的轉化關系。

教師：果酒中含有乙醇，分子式為C2H6O，相比乙烷多了一個氧原子。請同學們根據成鍵原理，使用球棍模型拼搭出乙醇可能的結構。

【活動1】乙醇球棍模型拼搭。

學生：結構可能有2種，即CH3OCH3或CH3CH2OH，兩者的區別是官能團不同。

【問題1】設計實驗證明乙醇的結構是哪一種，并說明設計依據。

【實驗探究1】對比實驗：乙醇、水分別與鈉反應。

【問題2】乙醇與鈉反應產生的氣體是什么？如何證明？

學生：氫氣；將收集的氣體點燃后檢驗生成的產物。

【演示實驗】利用氫氣傳感器驗證產生的氣體為氫氣。

教師：乙醇與鈉反應產生氫氣，氫氣中的氫原子來自碳氫鍵上的氫原子，還是氧氫鍵上的氫原子？如何證明？

【PPT投影】①實驗測得46 g乙醇（1 mol）與足量的金屬鈉反應，可得到的氫氣在標準狀況下的體積為11.2 L（0.5mol）。② 鈉保存在煤油中，煤油為C11～C16的烴類混合物。

【學生活動】分析討論確定乙醇的結構為CH3CH2OH，且在與鈉反應時斷裂的是氧氫鍵。

教師：羥基是乙醇的官能團，它決定了醇類物質的化學性質。請寫出乙醇與鈉反應的方程式。

設計意圖：從定性和定量的角度引導學生層層遞進、步步深入地認識乙醇的結構，初步建立從官能團視角認識物質的一般思路。同時，通過乙醇、水與鈉反應的對比實驗，讓學生認識到羥基的活潑性會受其他基團的影響，培養學生的求異思維，并幫助學生從微觀上理解有機物的性質和結構，發展學生的證據推理能力及科學探究能力；引導學生建立認知有機物的“宏-微-符”三重表征思維模型，進一步加深對官能團概念的理解，促進學生形成“結構決定性質”的大概念。

（二）果酒如何轉化成果醋——變化中探究乙醇的性質

【資料】果酒轉化成果醋的過程：乙醇→乙醛→乙酸。

【實驗探究2】學生小組實驗——乙醇的催化氧化實驗。

教師：請同學們描述在實驗過程中有哪些現象。

學生：在酒精燈上加熱后銅絲由紅色變為黑色，將其加入乙醇中后又變成紅色，有刺激性氣味氣體產生。

【教師活動】提示刺激性氣味的物質為乙醛，并展示乙醛的結構式。

【活動2】對比乙醇、乙醛的結構特點，借助球棍模型分析二者轉化過程中化學鍵的斷裂和形成。

【動畫模擬】動畫展示乙醇轉化為乙醛的斷鍵和成鍵過程。

【符號表征】寫出反應方程式，并分析銅絲在實驗過程中的作用。

【問題3】如何檢驗果酒在發酵成果醋的過程中產生了乙醛？

【資料】醛基可以與新制氫氧化銅在加熱條件下產生磚紅色沉淀。

【實驗探究3】取不同時期的發酵液，檢驗乙醛的生成。

【問題4】如何在實驗室實現乙醇到乙酸的轉化？

【實驗探究4】乙醇分別與重鉻酸鉀及酸性高錳酸鉀溶液反應。

設計意圖：通過實驗讓學生宏觀感受乙醇到乙醛及乙酸的轉化過程，激發學生的好奇心，并通過對各物質球棍模型結構的對比，引導學生推測物質轉化過程中化學鍵及官能團的變化，最后通過動畫模擬反應機理將微觀過程可視化。學生的猜想被驗證，不僅可大大提高學生學習的積極性，而且可幫助學生從化學鍵和官能團變化的角度深刻理解有機反應的實質，并用化學方程式符號表征，促進學生理解、內化“結構決定性質”的學科大概念，培養學生的“宏觀辨識與微觀探析”學科核心素養，建立研究有機物結構的一般思路和方法。

（三）如何檢驗果醋的生成——實驗感知乙酸的酸性

【問題5】如何驗證果醋釀造成功了？

學生：可測定不同時期釀造液pH的變化。

【問題6】如何設計實驗驗證乙酸的酸性？

【學生活動】設計實驗方案，小組合作進行實驗探究，交流實驗現象和結論。

【問題7】乙酸和乙醇均含有羥基，為什么乙酸具有酸性，而乙醇沒有酸性？

【交流討論】對比兩者結構，猜測乙酸中多了碳氧雙鍵，可能是碳氧雙鍵對羥基產生了影響。

教師：正是因為碳氧雙鍵對羥基的影響，讓羥基變得更活潑，使羥基上的氫氧鍵更容易斷裂體現酸性。我們把碳氧雙鍵和羥基所形成的基團叫作羧基，它是乙酸的官能團。

【問題8】乙酸是幾元酸？如何設計實驗比較乙酸、碳酸、鹽酸的酸性？

【討論交流】可利用強酸制弱酸的原理設計實驗，或者測定同濃度酸的pH等。

設計意圖：通過猜想、實驗驗證等過程，引導學生認識乙酸的酸性；通過小組合作設計實驗方案比較乙酸的酸性，診斷并發展學生的實驗設計能力；通過師生、生生互評，不斷修正和完善實驗方案，引導學生建立控制變量的思想；通過乙酸和乙醇中羥基的對比，進一步強化“結構決定性質”的大概念。

（四）果醋香味的來源——宏微結合探究酯的由來

【資料】果醋的香味主要來自酯，在酯化階段乙酸和乙醇生成有香味的乙酸乙酯。

【活動3】利用乙醇和乙酸的球棍模型，根據信息拼插出乙酸乙酯的可能結構，并解釋說明拼插過程。

【交流討論】展示酯的可能結構，探討斷鍵的兩種可能：①酸脫羥基醇脫氫；②醇脫羥基酸脫氫。

【問題9】如何判斷乙酸乙酯中碳氧單鍵的氧來自哪種物質？

【知識拓展】 科學家采用同位素示蹤法，將乙醇中的氧原子標記為18O（如圖4）。

教師：通過檢測，發現18O出現在CH3COOCH2CH3中，由此可知酯化反應的機理是酸脫羥基醇脫氫。

【活動4】觀察乳酸的球棍模型，找出乳酸有哪些官能團，預測乳酸的化學性質。

【學生活動】自主思考，小組討論交流，小組代表匯報分享，小組間交流補充。

【教師活動】歸納總結從官能團角度預測陌生有機物性質的思路方法。

設計意圖：通過酯化反應的模擬拼插，引導學生從結構出發，體會反應中的斷鍵、成鍵情況，理解酯化反應的實質，建構酯化反應斷鍵、成鍵的模型，并通過同位素示蹤法發展學生的“宏觀辨識與微觀探析”“證據推理與模型認知”學科核心素養；通過結構探析、思維探究，加深學生對“結構決定性質”大概念的理解。同時，通過對乳酸性質的預測，使學生進一步深化“從官能團視角認識有機物”的思路和方法，并經過同化、順應知識結構形成新的化學認知結構［3］。

四、單元教學反思

（一）真實情境貫穿始終，促進學生知識結構化

大概念的抽象化、復雜化及結構化必然會導致學生認識上的困難。在教學上將大概念與真實情境有機結合，能有效降低學生的認識難度。只有在真實情境下運用一種或多種知識完成特定的任務，才能評估關鍵能力、必備品格與價值觀念［4］。本單元圍繞“果醋釀造”情境，創設“果酒到果醋的演變”“果醋酸味來源”“果醋香由何生”等具有內在邏輯關聯的課時“中情境”和環節“小情境”，把零碎的知識點融入情境之中，激發學生積極地去思考、探究，自主構建醇、醛、酸、酯轉化過程中的官能團和物質類別轉化模型，幫助學生從知識關聯的結構化走向認識思路的結構化，形成有機化合物的認識角度和一般思路，將事實性知識的認知上升為大概念理解。

（二）沉浸式體驗實驗探究，促進學生關鍵能力提升

學科大概念的形成不是一蹴而就的，需要在不同教學內容、不同教學情境下反復建構，不斷豐富。本單元教學以學生為主體，使其沉浸式體驗實驗探究過程，并通過傳感器的使用，讓實驗結果快速直觀地呈現；探究過程中讓學生小組合作交流并優化實驗方案，激發學生解決問題的動力，使化學知識的學習過程成為一個可感受、可體驗的過程。通過實驗探究引導學生基于宏觀現象，微觀探析反應過程中官能團和化學鍵的變化以及有機物類別的轉化，關注知識背后的核心內容，進一步建立有機化合物中“結構決定性質”的學科大概念，同時在探究中感悟化學的價值與魅力，發展學生的“科學探究與創新意識”“證據推理與模型認知”等學科核心素養，提升學生有機化學學習關鍵能力。

（三）持續性學習評價活動，促進學生學科素養進階

單元整體學習是一個持續進階、不斷優化的過程，對單元學習成果、目標達成度的綜合考查需要以持續性學習評價貫穿整個單元學習。課堂上的每一個活動都可以作為一個評價任務，基于任務的完成情況，從能力維度和素養維度對學生進行評價；多元主體參與評價，可以采取同伴互評與教師評價相結合的方式。如在對乳酸性質進行預測的階段，通過提問、追問等方式對學生能否自主調用認識有機物的一般思路進行評價，課后可以以研究性小論文的形式公開學生的果醋釀造項目學習成果，促進學生及時自我反思，以評促學，實現學生學科素養的持續進階。

［ ? 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］ ?李松林.以大概念為核心的整合性教學［J］.課程·教材·教法，2020（10）：56-61.

［3］ ?布魯納.教育過程［M］.邵瑞珍，譯.北京：文化教育出版社，1982.

［4］ ?崔允漷.學科核心素養呼喚大單元教學設計［J］.上海教育科研，2019（4）：1.

（責任編輯 羅 艷）