高中化學開展單元整體教學的實踐

摘 要：單元整體教學是培養學生學科核心素養的重要途徑。以人教版高中化學選擇性必修1“原電池”單元為例，教師可探討單元整體教學在促進學生學科核心素養培養的具體應用。教師可以根據發展學科核心素養導向進行單元教學分析，明確單元教學內容和單元教學目標；可以進行深入的學情分析，了解學生已有知識基礎，以及學習障礙和困惑。基于此，確定高中化學開展單元整體教學的思路，通過構建分析模型強化學生對電化學本質的理解，開展“問題解決”教學培養學生運用所學知識解決問題的綜合能力，進行對比分析實現單元整體教學的銜接和進階，推進高中化學單元整體教學的有效落實。

關鍵詞：單元整體教學；高中化學；原電池

中圖分類號：G63 文獻標識碼：A 文章編號：0450-9889（2024）29-0130-05

《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱化學新課標）明確要求，高中化學課程以培養化學學科核心素養為主旨，重視開展素養為本的教學，倡導基于化學學科核心素養的評價。根據這一要求，高中化學教師要有目的、有計劃地對知識體系和核心概念進行結構化設計，以促進學科核心素養培養的實現。單元整體教學是以系統論為指導，強調知識建構過程，對教學單元進行整體性設計的教學策略［1］，是實施“素養為本”教學的重要方法之一。單元整體教學強調整體與部分的內在聯系與作用，確保每個課時相互關聯、互相補充。在制訂單元目標時，教師需對整個單元的教學內容進行整體分析，確保教學內容的完整性，避免將教學內容拆分為單獨的課時，而且每節課的教學目標和內容，都是從整體單元目標和內容中提取的，每節課都是這一單元的有機組成部分。

“原電池”是高中化學的重要知識點之一，包含氧化還原反應、電解質溶液、金屬特性及電學等內容。這些知識點相互滲透、互相結合，有利于深化學生對原電池工作原理的理解，有助于學生從能量轉換、裝置結構和工作原理等三個維度構建起關于原電池的全面認知模型，有助于學生在學習化學電源的知識后能夠解決更為復雜的電源問題。同時，通過這一單元的學習，學生還能從變化、守恒和價值等多角度分析現實生活中的問題，并運用可持續發展和綠色化學的理念解決這些問題，從而促進自身認知水平的螺旋式提升和學科素養的全面發展。但是，對不少高中生而言，“原電池”知識是一個學習難點，不少學生表示找不到有效的學習方法。為此，近年來，筆者基于建構主義認識模型，探討發展學生化學學科核心素養的有效教學對策，進行了單元整體教學的實踐，取得了較為突出的教學成效。

一、以發展學科核心素養為目的的單元整體教學分析

（一）單元教學內容分析

“原電池”是高中化學學科的一個關鍵理論知識，它為學生提供了一個理解化學反應和能量轉換過程的重要工具和典型示例。化學新課標對高中化學選擇性必修1 “化學反應與電能”提出了要求：學生要能從氧化還原反應的角度分析和解釋原電池的工作原理，從日常生活的角度理解原電池的應用，從能量利用和社會價值的角度體驗化學電池的創新和發展。這些構成了“原電池”這一單元的核心內容。

關于“原電池”的教學內容教材如此設計：第一節，通過鋅銅雙液原電池的例子介紹原電池的工作原理；第二節，依次闡述鋅錳干電池、鉛蓄電池和燃料電池的工作原理、性能及應用。教材內容的編排順序體現了知識在邏輯上的遞進關系。而且，從鋅銅原電池到氫氧燃料電池的演變，既反映了原電池技術層面的迭代更新，又顯示了原電池裝置模型認知的深化。例如，在鋅銅原電池裝置中，通常強調電極由兩種不同活性的金屬或金屬與其他導電材料組成，其中負極與電解質溶液發生氧化反應；而在氫氧燃料電池裝置中，電極不與電解質溶液直接反應。這樣的內容編排邏輯體現了從簡單原電池工作原理的分析到解決復雜電源問題的進階。

從這樣的視角分析“原電池”單元知識，可以幫助學生拓展知識視野，使學生對相關原理形成深刻的理解。例如，將電化學中的單液原電池、雙液原電池、燃料電池的工作原理及效率等知識與電解質溶液中的離子遷移、導線中的電子傳遞和電極反應等微觀知識相聯系，有助于學生全面理解原電池的相關知識，培養他們分析和解決電化學問題的思維方式，從而提升學生的知識應用能力。此外，通過對教學內容的整體規劃，可以引導學生認識原電池在能量轉換、實驗研究等領域的實際價值和重要作用。基于以上分析，筆者進行了以核心素養培養為導向的原電池單元知識層級結構設計（如圖1所示）。在此基礎上，筆者引導學生認識不同原電池的類型和運作規律，讓學生在實踐學習過程中，掌握解決實際問題的基本流程與思維方式。

（二）單元教學目標分析

“原電池”單元的教學內容主要有兩個方面：一是原電池的工作原理。教師要通過研究“鋅-銅-稀硫酸”原電池中電流逐漸減弱的現象，指導學生進行雙液原電池的探索性實驗。這有助于學生通過理解簡單雙液原電池的工作機制，構建起分析原電池相關問題的思維框架。二是化學電源的研究。教師可以干電池、蓄電池的發展為案例，引導學生運用已建立的思維模型分析日常生活中遇到的復雜電源問題。接著，教師可以氫氧燃料電池為例，介紹新型化學電源，并通過探討燃料電池的結構和工作原理的獨特性，進一步完善學生分析原電池問題的思維模型，不斷提高學生的綜合能力。基于此，筆者將本單元的單元教學目標和課時教學目標制訂如下，如表1所示。

二、學生已有知識基礎與能力的分析

（一）學生已有知識基礎分析

在學習“原電池”單元之前，學生已經掌握了氧化還原反應的基本原理，理解了氧化劑和還原劑的功能。學生對單液原電池的工作機制及常見的化學電源也有初步認識，能初步分析常見化學電池的結構和性能，并對“化學變化伴隨熱量變化”“化學能通過特定條件轉化為電能”有初步認識，對原電池的工作原理有了基礎性理解。這些是學生能夠進行“原電池“單元學習的基礎。然而，學生對某些概念的理解還存在局限性。如，不少學生認為氧化劑和還原劑只有在接觸時才能發生氧化還原反應，未能將反應原理與原電池裝置的各個要素聯系起來，也缺乏運用電荷守恒定律分析溶液中離子遷移的定性和定量的能力。

（二）學生的學習障礙及困惑

原電池原理是電化學領域的基礎知識，也是物理與化學學科融合的關鍵點。高中生在學習、理解和吸收這一知識點時，常常會遇到諸多挑戰。在本單元的學習過程中，學生可能遇到以下六個方面的挑戰：①在鋅銅雙液原電池的設置中，為何鋅放在硫酸鋅溶液中會釋放電子？②在原電池的構造中，鹽橋扮演怎樣的角色？③為什么單液原電池無法提供持續穩定的電流，而雙液原電池卻可以？④氫氧燃料電池與電解水的電化學過程存在哪些差異？⑤在燃料電池中，隔膜的作用是什么？選擇隔膜的依據是什么？⑥如何解釋暖手寶的發熱現象？如何將其與所學的電化學模型相聯系？

三、核心素養導向下的單元整體教學設計

“原電池”單元的教學設計要緊緊圍繞學科的核心概念，通過教學內容的傳授促進學生對這些概念的深入理解，從而提升學生的學科核心素養。在具體教學中，筆者首先將本單元教學具體分為三個課時，以“改進原電池裝置實驗使小車更高效運動”為真實情境，以基于原電池的宏觀概念構建為單元教學的核心問題。其次，筆者將這些宏觀問題細化為課堂上需要解決的具體問題，引導學生深入分析原電池的工作原理，并將知識運用于復雜的真實情境中。通過這種方式，筆者的目的是幫助學生自主構建分析未知電池系統的思維模型，從而實現全面提升學生的能力、思維和素養的目標。

基于上文關于單元教學內容、學生現有知識基礎和能力的分析，本單元教學將圍繞“改進原電池裝置實驗以使小車更高效地運動”這一核心情境展開，旨在解決以下問題：①如何構建裝置將化學能有效轉化為電能？②怎樣提升單液和雙液原電池的電流產生效率？如何設計燃料電池裝置？

在第1課時中，筆者從“小車為何能夠運動”這一情境出發，設計以下問題：①你能寫出伏打電池的電極反應式并分析其局限性嗎？②為什么銅雙液原電池能成為實用電源，它的優勢在哪里？③原電池的基本原理和組成要素是什么？④根據反應或Cu+2Fe3+=2Fe2++Cu，設計一個雙液原電池，繪制裝置圖并寫出電極反應式。筆者通過這些問題，引導學生運用所學知識書寫單液電池電極反應式，并分析其不足之處；引導學生利用歷史資料分析鋅銅雙液原電池的優勢；引導學生通過組裝實驗設備并分析實驗結果，明確原電池的組成要素、基本原理和工作方式。在此過程中，學生通過構建分析原電池問題的思路和方法，培養了科學探究精神、提升了實驗設計能力，并將理論知識轉化為解決實際問題的工具，實現本課的教學目標。

在第2課時中，筆者以“改進裝置，讓小汽車能跑得更遠”為具體情境，設計以下問題：①實驗從哪個方面對堿性鋅錳干電池進行了改良？其工作原理及其優點是什么？②鉛蓄電池是如何完成充放電循環的？③隔膜電池是如何改進以達到理想電壓的？為了幫助學生理解相關知識，筆者引導他們閱讀教材資料，分析鋅錳干電池內部結構的變化，并明確其工作原理。在此過程中，通過比較堿性鋅錳干電池與普通鋅錳干電池的結構差異，學生了解了離子導體對電池性能的影響，以及評價電池性能優劣的標準。通過構建裝置模型、觀看視頻，學生了解了鉛蓄電池的工作原理，理解其構造，并書寫電極反應式。通過查閱資料，學生了解電極材料數量增加對電池性能的影響，同時關注鉛蓄電池的缺陷及其導致的鉛污染問題。在這一教學環節，有助于學生發展獲取關鍵信息能力和對比分析能力，培養創新精神和創新能力，激發學習化學學科的興趣。

在第3課時中，教學目標是深化和提升前兩個課時的學習內容，引導學生在新的情境下運用之前學到的知識解決實際問題。因此，筆者設計了以下問題：①現代新型電池有哪些種類？②新型電源如何改善我們的生活品質？③氫氧燃料電池的工作原理及新型電池的發展趨勢是什么？在引導學生解決這些問題的過程中，筆者首先為學生提供適當的輔助工具，如在不同介質中燃料電池電極反應式的書寫規律。然后，筆者讓學生設計并組裝燃料電池與電解水循環系統，培養他們的科學創新精神。接著，學生通過實驗探究Ag+和Fe2+的可逆反應，并測定其平衡常數。通過這一過程，學生體會到了在化學學習中建立模型、應用模型及理解模型認知的重要性。

四、核心素養導向下的單元整體教學的對策

（一）構建分析模型，強化學生對電化學本質的理解

關于核心素養3“證據推理與模型認知”中的水平4，化學新課標中明確指出：學生應能依據各類物質及其反應的不同特征尋找充分的證據，能解釋證據與結論之間的關系；能對復雜的化學問題情境中的關鍵要素進行分析以建構相應的模型，能選擇不同模型綜合解釋或解決復雜的化學問題；能指出所建模型的局限性，探尋模型優化需要的證據。隨著科學技術的進步，雖然原電池裝置經歷了多次改進與創新，但是其工作原理和本質始終保持一致。因此，構建認知模型以解決不同類型的原電池問題，對學生而言就變得尤為重要，這有助于學生厘清一些模糊的概念。如，在雙液原電池的教學過程中，學生常常面臨這樣的難題：在高一的課程中不是提到化學反應需要接觸才能發生嗎？為什么鋅與硫酸銅溶液沒有直接接觸也能發生反應？為什么鋅電極上的電子會自發地轉移到銅電極上，使銅離子能在銅電極上獲得電子？鋅銅原電池電流衰減迅速的原因是什么？

在具體教學過程中，筆者通過構建電化學三維認知模型（如圖2所示）幫助學生厘清模糊概念，深入理解電化學的核心原理。其中，設計裝置維度目的是：引導學生分析電子和離子在導體中的定向移動，形成閉合回路，產生電流；理解導體可以是兩極材料、電解質溶液、鹽橋或各種離子交換膜。能量維度，目的是引導學生從機械能、熱能、化學能、電能等不同角度探討裝置中能量的轉換方式。設計原理維度目的是：引導學生運用氧化還原反應原理；從宏觀和微觀兩個層面分析電極反應的反應物或產物，明確其核心在于氧化還原反應的本質。例如，通過裝置維度，學生可以深化對原電池裝置模型的理解，明確原電池裝置的基本組成要素，包括負極材料、正極材料、電子導體（導線）及離子導體（電解質溶液、鹽橋、離子交換膜）等；通過原理維度，學生能夠分析原電池裝置產生電流的宏觀背景，并建立電極反應與氧化還原反應微觀過程之間的聯系。

通過構建三維分析模型，學生能夠很快地理解本單元的核心概念，完成從單液原電池的學習過渡到雙液原電池的學習。而且，在此過程中，筆者不斷對模型進行優化，幫助學生在原理和裝置兩個維度上深化對電化學模型的理解，并建立各維度間的聯系，從而逐步引導學生構建知識的層級結構，促使他們形成一個結構化的知識體系。

（二）開展“問題解決”教學，培養學生運用所學知識解決問題的綜合能力

在單元教學過程中，教師精心設計并執行有效的課堂教學問題對提高教學效率而言至關重要，而且這直接關系到學生解決實際問題能力的培養。針對提煉出的“單元核心問題”，教師需深入分析學生的學習情況，并據此設計適宜的教學活動。通過一系列驅動性問題，教師可以引導學生深入思考，并通過追問的方式揭示學生的思維過程，從而有效地促進化學學科核心素養的培養。

在“原電池”單元教學中，筆者以“讓小車運動起來”為情境，貫穿教學過程的始終，將原電池的組成、工作原理、性能對比及性能提升等知識點有機串聯起來。筆者通過螺旋式的提問，引導學生深入探究、交流思想、設計實驗方案，并親自實踐操作，體驗知識的形成過程。這樣的教學方式不僅加深了學生對知識的理解，而且拓展了他們的思維深度與廣度，使他們能夠感受到學習化學的樂趣。同時，筆者通過創設貼近生活和生產的化學問題情境，幫助學生構建單元教學的整體框架，培養學生解決實際問題的能力。如，以2022年全國高考甲卷理科化學試題選擇題第10題為例，筆者通過對這道題進行改編，引導學生在課堂上利用電化學知識，探討不熟悉的雙隔膜電池中的離子遷移問題。問題如下：①正極材料是否參與反應，正極中哪些物質會獲得電子？②正極和負極可能發生哪些反應？電極反應方程式應如何書寫？③雙隔膜電池有哪些特殊要求？如果兩種隔膜的位置互換，原電池的反應會受到影響嗎？

通過上述論述，不難發現，如果依賴于零散、孤立的知識點，那么學生在遇到復雜且陌生的真實情境時，往往難以應對和解決問題。這種碎片化的知識設有形成體系無法為學生提供足夠的支持，導致他們在實際應用中感到無從下手。而實施單元整體教學，能夠將這些零散的知識點整合成一個有機的整體，幫助學生形成系統的知識結構。單元整體教學強調知識的內在聯系和實際應用，使學生能夠在真實情境中更好地運用所學知識，從而提高解決問題的能力。在學習過程中，學生不僅能夠深入地理解和掌握知識，形成系統的知識結構，而且能將其內化為自身的素養，在面對實際問題時能夠靈活運用所學知識，有效解決學與用脫節的問題。

（三）進行對比分析，實現單元整體教學的銜接和進階

教材中介紹了多種化學電源，這些電源既有原理上的相似性，也有裝置結構上的差異。學習這種既相似又不同的概念，采用對比學習方法能收到更好的學習效果。因為通過歸納共同點，學生可以提煉出通用的方法或理論；而針對差異部分，通過結合各自的優勢，學生可以促進學習內容的融合［2］。無論是哪種化學電源，都會涉及能量轉化方式、氧化還原反應原理及電子和陰陽離子的移動方向等知識，而它們的差異性則可以通過對比分析進行深入理解和掌握。以“原電池”原理的教學為例，在進行單元整體教學時，教學的重點和難點在于如何掌握電化學內容在必修2和選擇性必修1兩本教材中的知識共性和差異性。如，在引入鹽橋后，教師可以采用對比教學法，利用問題鏈和驅動性任務引導學生理解單液原電池與雙液原電池的異同，預測并用實驗驗證鹽橋在雙液原電池中是否能將化學能轉化為電能。通過觀察實驗現象，并結合單液原電池的反應原理進行分析解釋，教師可以評估學生對原電池原理的理解程度。

例如，從雙液原電池向氫氧燃料電池的轉變過程中，教師可以引導學生深入探討原電池的裝置特性及氫氣和氧氣的總反應過程。通過這種方式，揭示原電池認知模型的延伸和拓展，使學生理解“負極材料并不一定需要失去電子，氧化劑和還原劑也可以由外界持續供給，而無需儲存在電池內部”的知識。在進行單液原電池、雙液原電池和燃料電池的對比教學時，教師可以設計一系列綜合性任務，讓學生從反應條件、反應方向、能量變化、反應途徑等多個維度進行深入的對比分析，從而促進學生對知識的融會貫通和全面理解。

綜上所述，以化學學科核心素養培養為指導進行單元整體教學，能夠有效解決在教學過程中僅限于單一知識點傳授的問題，避免了學生從學習一個知識點到學習另一個知識點知識點間缺乏聯系的現象。這種教學方式有助于學生從專注于具體化學知識的學習，轉向對化學學科核心素養培養的關注。在這一轉變過程中，教師需深入研究如何才能更精準地掌握教學內容的本質與核心，幫助學生在構建知識結構的同時，形成有效的認識方法和思維模型，促進學生能力的全面提升。

參考文獻

［1］崔允漷.如何開展指向學科核心素養的大單元設計［J］.北京教育（普教版），2019（2）：11-15.

［2］劉臣，何彩霞.基于化學學科大概念的單元整體教學設計：以選擇性必修1“化學反應與電能”為例［J］.化學教學，2023（11）：34-38+56.

（責編 蒙秀溪）