大概念統(tǒng)領下的初中化學單元教學設計與實踐

摘 要： 以單元核心概念分子、原子、元素等的起源與發(fā)展史為情境，基于“物質的組成”的大概念，以“基于化學史認識物質構成的奧秘”為例，從單元教學內(nèi)容及大概念內(nèi)涵分析、教學目標、學習活動規(guī)劃、教學片段實錄和教學反思五個方面，設計單元教學的案例，引導學生形成宏微結合認識物質及其變化的化學學科視角，理解大概念的內(nèi)涵，發(fā)展化學學科核心素養(yǎng)。

關鍵詞： 中學化學； 大概念； 單元教學設計； 核心素養(yǎng)； 化學史

文章編號： 10056629（2024）08006107

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

《義務教育化學課程標準（2022年版）》（以下簡稱“新課標”）要求核心素養(yǎng)導向下的化學教學要聚焦學科育人方式的轉變，基于大概念建構組織和設計教學內(nèi)容，實施單元教學［1］。大概念統(tǒng)領下的單元教學設計步驟有很多種，國內(nèi)比較有代表性的有三個關鍵步驟［2］、五項關鍵行動［3］、課程單元開發(fā)七步框架［4］等。梳理文獻發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)基于大概念的中學化學單元教學案例以高中為主，涉及初中學段的較少。

人教版九年級化學上冊第三單元“物質構成的奧秘”是課標學習主題3“物質的組成與結構”的核心內(nèi)容，在初中化學課程中占有重要地位。本單元核心概念“分子、原子、元素”不僅是學生形成微粒觀、元素觀等化學觀念的基礎，還有助于促進學生從“宏觀微觀符號”認識物質及其變化的科學思維發(fā)展［5］。傳統(tǒng)教學以記憶“專家結論”和程序化的技能訓練為主，忽視對核心概念的揭示和理解，導致學生概念混淆，不會遷移應用。大概念教學可以幫助學生將碎片化的知識結構化，引導學生建立和發(fā)展核心觀念，促進知識功能化和素養(yǎng)化［6］。化學史是課標學習主題3情境素材的重要組成部分，化學史在教學中的運用，有利于學生深度了解核心概念的形成、發(fā)展和應用情況。基于此，本研究在大概念的統(tǒng)領下，設計“基于化學史認識物質構成的奧秘”這一單元教學案例。

1 單元教學內(nèi)容及大概念內(nèi)涵分析

1.1 綜合分析課標和教材，明確單元承載的大概念內(nèi)涵

新課標主題3“物質的組成與結構”，旨在通過“初步形成宏微結合認識物質及其變化的視角”“建立認識物質宏微視角間的關聯(lián)”“知道物質的性質與組成、結構有關”三個核心認識，引導學生建立“物質的組成”這一大概念，促使學生“宏微結合”的化學認識視角和學科思維方法的形成。新課標核心素養(yǎng)目標要求“能從元素、原子、分子視角初步分析物質的組成及其變化，形成一定的證據(jù)推理能力，初步建立物質及其變化的相關模型”［7］。因而教師需深入分析教材，明確具體單元所承載的大概念內(nèi)涵。

“物質構成的奧秘”包含“分子和原子”“原子結構”“元素”三個課題，課題中的核心概念“分子、原子、元素”是學生宏微結合認識物質及其變化的起點，也是學生形成“物質的組成”這一大概念的基礎。學生在揭示、理解和應用核心概念的過程中，了解人類對物質的組成與結構的探索是不斷發(fā)展的，初步認識物質的性質與組成、結構有關，形成微粒觀、元素觀、守恒觀等化學觀念，發(fā)展證據(jù)推理、模型建構、宏微結合認識物質及其變化的科學思維和化學學科視角。基于以上分析，明確該單元承載的大概念內(nèi)涵是“從分子、原子、元素視角認識物質及其變化”，有關內(nèi)容及內(nèi)在關聯(lián)如圖1所示。

1.2 基于大概念內(nèi)涵理解，設計單元大任務

單元學習需要大任務驅動，大概念教學強調(diào)學習環(huán)境的真實性，融合在真實情境中的任務設計，有助于學生建構核心概念，理解大概念內(nèi)涵［8］。回顧科學史發(fā)現(xiàn)，科學概念的形成、創(chuàng)新、發(fā)展和理解必須放在學科發(fā)展脈絡里。化學史素材是一種具有歷史性的情境素材，梳理科學家對概念的認識過程有助于學生了解概念的形成、發(fā)展的歷程，加深對概念的深層次理解［9］。梳理本單元核心概念發(fā)展史發(fā)現(xiàn)，人類對物質組成的認識起源于公元前的哲學思辨思想——“原子說”和“元素說”，科學家圍繞這兩種學說展開了科學實驗、證據(jù)推理、模型建構等一系列科學論證方法，隨著科技的進步不斷修正和補充分子、原子、元素的科學概念（如圖2所示）。

基于此，以通過化學史學習核心概念為明線，以核心素養(yǎng)培養(yǎng)為目標和暗線，設計了“基于化學史宏微結合認識物質及其變化”這一貫穿單元學習的大任務。學生在運用大概念完成學習任務的過程中，理解大概念內(nèi)涵，發(fā)展核心素養(yǎng)。單元設計內(nèi)容包含“物質構成的核心知識（分子、原子、元素等核心概念）、宏微結合認識物質構成的化學學科視角形成的核心素養(yǎng)表現(xiàn)、基于化學史認識物質構成的核心任務”三個部分。

2 單元教學目標

核心素養(yǎng)導向的單元教學目標的制定建立在對大概念內(nèi)涵的理解和學情分析之上，本單元需理解的大概念內(nèi)涵“從分子、原子、元素視角認識物質及其變化”，既是單元教學的中心目標，也是單元教學的大方向。九年級學生在小學科學和初中物理的學習中對分子、原子已經(jīng)有了初步了解，也積累了一定的生活經(jīng)驗，對身邊的化學物質和現(xiàn)象也有宏觀、感性的認識。為了讓學生理解大概念的內(nèi)涵，同時促進“教學評”一體化，以新課標的學業(yè)要求定位預期的學習結果，制定單元教學目標如下：

（1） 通過經(jīng)歷元素的概念建立發(fā)展史和原子的結構發(fā)現(xiàn)史，認識物質由元素組成，由分子、原子、離子構成。

（2） 能根據(jù)化學史實繪制分子模型和原子的結構模型，結合模型說明分子、原子、離子的區(qū)別與聯(lián)系，用分子的觀點解釋生活中的某些變化或現(xiàn)象。

（3） 通過對比熟悉的化學反應，了解在化學反應中元素種類是不變的，由此推斷反應物或生成物的元素組成。

（4） 能基于真實情境，從元素、分子、原子相結合的視角分析有關物質及其變化的簡單問題，并作出合理的解釋和判斷。

（5） 通過制作模型展示科學家探索原子結構的跨學科實踐活動，體會探索過程中蘊含的科學知識、科學思維和科學精神，形成嚴謹求實、批判創(chuàng)新的科學品質。

3 單元學習活動規(guī)劃

大概念教學是一個持續(xù)的探究過程，需要經(jīng)歷“準備、建構、應用、反思”四個階段［10］。結合教材編排和學生認知規(guī)律，將單元學習活動按照微觀到宏觀的認知規(guī)律進行規(guī)劃，通過創(chuàng)設化學史情境激發(fā)學生的學習動機，學生在經(jīng)歷科學家探索物質組成的化學史實中理解大概念內(nèi)涵，并將其遷移應用于解決真實生活和實驗中的問題，最后通過跨學科實踐活動“制作模型并展示科學家探索原子結構的歷程”，強化反思，增進學生對科學本質的理解。同時通過模型外顯學生的認知差異，幫助教師診斷和改進教學。基于此，將貫穿整個單元的大任務拆解為四個子任務（4課時），確定單元學習活動規(guī)劃如圖3所示。

4 單元教學片段實錄及設計意圖

4.1 從分子、原子視角認識熟悉的物質及其變化

［情境］道爾頓的科學原子論。

［問題］道爾頓基于實驗事實進行推理建模，提出了科學原子論，使得當時的一些化學基本定律得到了統(tǒng)一的解釋，很快為化學界所接受和重視。你認為二氧化碳、過氧化氫是由原子構成的嗎？請結合道爾頓的科學原子論說出你的理由。

［活動］交流討論，分組匯報。學生匯報理由主要有：

（1） 二氧化碳是由碳和氧氣反應生成的，按照道爾頓的觀點，原子是構成物質的最小單位且不可分割，那么碳和氧氣都是由半個原子構成，反應后生成一個二氧化碳原子，與道爾頓的觀點不符。

（2） 常溫下，過氧化氫可以分解為氧氣和水，如果過氧化氫是由原子構成，那么生成的氧氣和水也變成了半個原子，與道爾頓的觀點矛盾。

［教師］同學們提出的疑惑就是歷史上著名的“半個原子之爭”，一直到1811年，意大利化學家阿伏伽bf6eb0d040dedf5bf39935958777209f德羅在前人實驗的基礎上進行反復實驗和科學合理的推論，創(chuàng)立了分子概念和分子學說初步解決了這一問題。

設計意圖：引導學生使用證據(jù)推理和模型建構的科學思維分析問題，初步認識分子和原子的區(qū)別和聯(lián)系。

［問題］觀察苯分子、水分子、硅原子照片，你有什么新的認識？分別將少量品紅和裝有酒精的塑料袋放入冷、熱水中，觀察實驗現(xiàn)象并嘗試從分子的角度解釋，舉例說明其在生活或工業(yè)生產(chǎn)中的應用。

［活動］分組實驗和討論交流。學生匯報主要有：

（1） 有些物質由分子構成，有些物質由原子構成，分子間和原子間都有間隔；

（2） 分子、原子的形狀各不同，它們都是體積小，質量小、數(shù)量龐大；

（3） 分子能自由運動，溫度升高，其運動速度加快，生活中用熱水物質溶解得更快；

（4） 同種物質，氣態(tài)時的分子間隔大，液態(tài)時的分子間隔小ce6922878f3db2f63442368433e14b12，醫(yī)療上利用該性質將氧氣壓縮成液態(tài)儲存在鋼瓶中；

（5） 由不同分子、原子構成的物質，其性質各不同。

［評價］根據(jù)學生的回答評價：（1）學生從分子視角分析物質及其變化的能力；（2）學生證據(jù)推理、模型建構的科學思維發(fā)展情況。

設計意圖：利用真實照片補充學生直接經(jīng)驗的不足，幫助學生建立微觀粒子和物質間的聯(lián)系，利用直觀的化學實驗發(fā)展學生證據(jù)推理的科學思維。

［問題］請觀察水的三態(tài)變化、氯氣與氫氣反應、氧化汞分解的微觀模型，嘗試從微觀分子、原子視角解釋物理變化和化學變化，說出分子和原子的區(qū)別。

［活動］結合微觀模型，交流討論。學生匯報主要有：

（1） 物理變化中分子種類不變，只是分子間隔、空間結構發(fā)生了改變；

（2） 化學變化中分子種類改變，分子數(shù)量可能改變，原子種類、數(shù)量均不變；

（3） 化學變化中，舊分子分裂成原子，原子重新組合成新分子；

（4） 化學變化中的最小粒子是原子。

設計意圖：借助模型幫助學生進一步認識分子和原子的區(qū)別與聯(lián)系，引導學生初步形成從分子、原子視角認識物質及其變化的化學觀念和思維方式。

4.2 認識原子的結構，建立元素概念

［情境］學生課后自制的分子、原子模型展示（圖4為學生代表作）。

［活動］展示交流，分享制作感受。使用3D打印的學生指出，因建模需要，通過網(wǎng)絡查找，知道了構成分子的原子大小不同，原子構成分子時有特定的角度，不是隨意組合。

設計意圖：通過展示交流，探查學生是否準確建立分子、原子與物質間的關聯(lián)，發(fā)展學生模型建構思維能力。

［情境］原子結構發(fā)現(xiàn)史。

［問題］你能根據(jù)化學史實中的實驗證據(jù)，推理繪制不同階段的原子結構模型嗎？

［活動］根據(jù)實驗證據(jù)，推理繪制原子的結構模型（圖5為學生代表作）。

設計意圖：引導學生感受科學家探索原子結構的思維方法和科學精神，發(fā)展基于實驗事實進行證據(jù)推理、模型建構的科學思維能力。

［活動］請仔細觀察前18號元素的原子結構示意圖，結合鈉與氯氣反應生成氯化鈉的示意圖，說出原子和離子的區(qū)別和聯(lián)系。

［情境］從古代哲學思辨到基于實驗事實的早期元素概念發(fā)展史。

［問題］原子結構的發(fā)現(xiàn)，建立了“元素”和“原子”的聯(lián)系。分別對比氫元素、氧元素、碳元素的三種原子的結構示意圖，你認為元素種類的判斷標準是什么？

［活動］結合圖示模型，交流討論，建構現(xiàn)代科學元素概念。

設計意圖：強化學生利用模型建構解決問題的科學思維能力，通過模型對比自主建構元素概念，加強宏微關聯(lián)的建立。

4.3 從元素視角和宏微結合視角認識熟悉的物質及其變化

［情境］展示化學史上比較有代表性的元素分類表。

［問題］你能在拉瓦錫的元素分類表中找到地殼和生物細胞中的元素嗎？對比拉瓦錫元素分類表、道爾頓元素表、門捷列夫元素周期表、徐壽創(chuàng)立的元素命名規(guī)則和國際統(tǒng)一元素符號，你有什么感受？

［活動］交流討論，分組匯報。學生匯報感受主要有：

（1） 拉瓦錫元素分類表受當時實驗條件限制，有些是還沒有完全分解的物質，比如石灰、鋇土、鋁土等，但意義重大；

（2） 道爾頓的元素列表比拉瓦錫的更簡略和科學，但是設計復雜，記憶和書寫都不方便，不利于交流；

（3） 門捷列夫創(chuàng)立的元素周期表，按照一定的規(guī)律將元素進行排列分組，涵蓋了很多信息，方便學習和交流；

（4） 徐壽創(chuàng)立的元素命名規(guī)則可以從偏旁確定元素的分類，很容易理解，但是外國人不認識，不利于國際交流；

（5） 國際統(tǒng)一的元素符號簡單明了，有利于傳播和交流，單獨書寫時還可以表示多種含義。

設計意圖：基于化學史學習科學家利用“分”的思想探究物質組成，從“分”的思想角度，初步認識元素是對物質成分的宏觀表征。通過辯證討論不同的元素表識記常見元素的名稱、符號、分類、含義等。

［問題］實驗室制取氧氣的三種反應物在元素組成上有什么共同點？反應前后的元素種類是否發(fā)生改變？由此推斷水能否在一定條件下制得氧氣，說出你的理由。

［活動］交流討論，分析問題。

［評價］根據(jù)學生的回答評價：（1）從元素視角辨識熟悉的物質及其變化的能力；（2）元素觀、守恒觀等化學觀念的形成情況；（3）應用化學觀念解決真實問題的能力。

設計意圖：按照“物質組成元素化學變化中元素守恒元素守恒遷移應用”的認知邏輯順序設計問題串，引導學生初步形成從元素視角認識物質及其變化的化學觀念和思維方式。

［問題］請結合所學，從宏觀、微觀兩個角度分析，過氧化氫、氧氣、氮氣的化學性質為什么不同？嘗試繪制過氧化氫常溫下分解的微觀變化過程，與同學交流你的感受。

［活動］小組合作展示交流（圖6為學生代表作）。

［評價］根據(jù)學生的作品和回答評價：（1）宏微結合分析有關物質及其變化的能力；（2）應用化學觀念解決問題的能力；（3）對于物質性質和物質組成、結構有關的認識情況。

設計意圖：探查學生大概念內(nèi)涵的理解情況，引導學生初步認識物質的性質與物質的組成和結構有關。

4.4 制作模型并展示科學家探索原子結構的歷程

［活動］根據(jù)課前自由組合，分小組展示跨學科實踐作品并進行自評和互評（學生作品形式豐富多樣，有從相應科學家視角介紹原子論發(fā)展的科普漫畫、自制原子結構模型的介紹視頻、以對話形式展示原子結構發(fā)現(xiàn)史的科普視頻等）。

［評價］根據(jù)學生的作品評價：（1）對科學本質的理解層次；（2）交流合作解決問題的能力；（3）綜合應用跨學科知識制作模型的能力。

設計意圖：通過作品和學生自評、互評，探查學生對化學史實中蘊含的科學知識、科學思維、科學精神的認知情況。通過制作模型，激發(fā)學習興趣，提高實踐能力，培養(yǎng)學生批判創(chuàng)新、嚴謹求實的科學態(tài)度。

5 單元教學反思

5.1 大概念統(tǒng)領下的單元教學以理解為核心

大概念是反映專家思維方式的概念、觀念或議題，打通的是學校教育和現(xiàn)實世界的路徑［11］。大概念統(tǒng)領下的單元教學基于學生的認知發(fā)展特點展開，關注學生對具體知識背后的學科思想和方法的理解［12］。本單元設計“以史為境”，兼顧學生認知規(guī)律，在史實情境中引領學生經(jīng)歷科學家建構核心概念的過程，學習他們研究問題的學科思想和方法。學生在明確核心概念來龍去脈的基礎上建構、理解并應用核心概念，達成對“從分子、原子、元素視角認識物質及其變化”這一大概念內(nèi)涵的理解，實現(xiàn)對所學內(nèi)容的高通路遷移，發(fā)展核心素養(yǎng)。

5.2 單元學習活動規(guī)劃促進學生的深度學習

本單元學習活動規(guī)劃以學生為主體，教師結合教材編排向學生提供具有典型意義的化學史實材料，學生結合已有經(jīng)驗對學習材料展開交流討論和反思質疑，學習和體驗分子、原子、元素這些核心概念的產(chǎn)生過程，全面把握核心概念的內(nèi)在聯(lián)系；在經(jīng)歷自制分子、原子、原子結構模型的實踐和評價過程中，把握核心概念的本質并遷移應用于解決真實的實驗和生活問題，特別是在跨學科實踐活動環(huán)節(jié)，豐富多樣的學生作品反映了學生對核心概念背后蘊含的科學思維方法、科學精神態(tài)度的理解和認同。學生在單元學習活動中簡約地、模擬地參與核心概念建構的關鍵歷史環(huán)節(jié)，通過學習活動，將人類的認識成果的精華，轉化為自己鮮活的科學實踐，促進了深度學習［13］。

5.3 大概念統(tǒng)領下的單元設計要預留彈性空間

為了讓學生整體把握單元內(nèi)容，通過學習理解大概念內(nèi)涵，單元設計更關注學生整體性、關聯(lián)性、情境性思維的形成，學習活動任務的設計難免會忽略一些知識點，因此大概念統(tǒng)領下的單元設計要預留一定的彈性空間。彈性空間的預留可以從兩個角度思考：一個是教師的驅動性活動任務或問題是開放的、能夠充分調(diào)動學生思維的，如本單元在導課時設計了“物質由什么組成？物質的組成是如何被發(fā)現(xiàn)的？認識物質的組成有什么意義？”三個開放性驅動性問題；另一個是教師要給即時性、生成性的課堂互動資源預留空間，充分施展和發(fā)揮師生的主動性和創(chuàng)造性［14］。

參考文獻：

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［3］邵朝友， 崔允漷. 指向核心素養(yǎng)的教學方案設計： 大觀念的視角［J］. 全球教育展望， 2017， 46（6）： 11～19.

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［5］畢華林， 王雨. 《義務教育化學課程標準（2022年版）》