基于學(xué)科大概念的高中化學(xué)單元整體設(shè)計(jì)

高中化學(xué)教學(xué)正處在理念變革與實(shí)踐重構(gòu)的交會(huì)點(diǎn)。以往以章節(jié)推進(jìn)為主的教學(xué)模式，雖有助于知識(shí)掌握，卻難以引導(dǎo)學(xué)生形成跨概念、可遷移的認(rèn)知結(jié)構(gòu)。《化學(xué)反應(yīng)與能量變化》單元所涉及的反應(yīng)熱、焓變、自發(fā)性判斷等內(nèi)容，不僅是化學(xué)本體知識(shí)的集中體現(xiàn)，更是概念教學(xué)與科學(xué)思維訓(xùn)練的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。教學(xué)設(shè)計(jì)若仍以知識(shí)點(diǎn)串講為主，容易造成概念割裂與理解表淺，學(xué)生難以建立系統(tǒng)化認(rèn)知。當(dāng)前課程標(biāo)準(zhǔn)提出以“學(xué)科大概念”為統(tǒng)領(lǐng)，強(qiáng)調(diào)知識(shí)的結(jié)構(gòu)性與理解的整體性，教師在教學(xué)策略與路徑上進(jìn)行轉(zhuǎn)向與革新。本文圍繞這一主題展開探索，結(jié)合典型實(shí)驗(yàn)、建模工具與任務(wù)化活動(dòng)，嘗試重構(gòu)該單元的教學(xué)方式

一、學(xué)科大概念引領(lǐng)下的教學(xué)變革

在高中化學(xué)教學(xué)中，知識(shí)的廣度從未缺失，真正缺的是能夠統(tǒng)領(lǐng)這些知識(shí)的“線”。過去我們講授知識(shí)點(diǎn)時(shí)，往往重傳遞、輕建構(gòu)，結(jié)果學(xué)生只記住了方程式，卻理不清“為什么”，考試之后一問三不知，更別說應(yīng)用到生活中。學(xué)科大概念的提出，是一種反撥，也是一種回歸。它強(qiáng)調(diào)教學(xué)要以理解為中心，讓學(xué)生不僅看到“是什么”，更能思考“為什么”與“會(huì)怎樣”。比如“能量守恒”“微粒運(yùn)動(dòng)”“系統(tǒng)與環(huán)境”等，不再是只在書本上的理論術(shù)語，而是可以用來解釋世界、組織思維的骨架。在這個(gè)意義上，大概念是認(rèn)知世界的方式。教學(xué)中，不求學(xué)生掌握所有細(xì)節(jié)，但必須讓學(xué)生建立起理解的結(jié)構(gòu)，有能力在新情境中遷移、判斷與創(chuàng)新。這種從“知識(shí)灌輸”走向“意義建構(gòu)”的轉(zhuǎn)型，才是教學(xué)真正的深意[1]。一節(jié)課講清楚一個(gè)知識(shí)點(diǎn)并不難，難的是讓學(xué)生在學(xué)完一整章之后，還能理解得了知識(shí)之間的來龍去脈。長期以來，教學(xué)容易陷入“教什么就學(xué)什么”的循環(huán)，每節(jié)課都在完成目標(biāo)，卻難以形成知識(shí)的整體聯(lián)系。表面是在推進(jìn)度，實(shí)則停滯在認(rèn)知層面。化學(xué)課程本身具有高度結(jié)構(gòu)性，從原理到應(yīng)用、從實(shí)驗(yàn)到模型再到現(xiàn)實(shí)，每一個(gè)知識(shí)點(diǎn)都不是孤立存在的。單元整體設(shè)計(jì)的意義，就在于打破內(nèi)容分割的慣性，把教學(xué)線索從“章節(jié)”調(diào)整為“結(jié)構(gòu)”，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)的過程中慢慢建立起知識(shí)之間的邏輯關(guān)聯(lián)。在《化學(xué)反應(yīng)與能量變化》單元中，反應(yīng)熱、焓變、自由能這些內(nèi)容，原本就不是可以單獨(dú)分開的點(diǎn)，而是環(huán)環(huán)相扣的系統(tǒng)。教學(xué)需要做的，就是把這套結(jié)構(gòu)顯性化，讓學(xué)生在整體中理解，在結(jié)構(gòu)中生成意義[2]。

二、單元整體設(shè)計(jì)的內(nèi)容邏輯重構(gòu)

（一）化學(xué)反應(yīng)與能量變化的核心大概念分析

教學(xué)之所以要圍繞“概念”而不是“知識(shí)點(diǎn)”展開，是因?yàn)楦拍钅艽┩钢R(shí)表層，構(gòu)建更穩(wěn)定、更具遷移力的理解框架。把《化學(xué)反應(yīng)與能量變化》這一單元展開教學(xué)，離不開三個(gè)核心概念的貫穿與統(tǒng)攝。首先是能量守恒。這一物理規(guī)律在化學(xué)中并未失效，反應(yīng)過程中無論放熱還是吸熱，能量總在體系與環(huán)境之間轉(zhuǎn)移。學(xué)生要學(xué)會(huì)用這一點(diǎn)去審視實(shí)驗(yàn)結(jié)果，不應(yīng)只關(guān)注溫度升降。能量不“增”，也不“減”，只是在轉(zhuǎn)換與分布中呈現(xiàn)為不同反應(yīng)現(xiàn)象。其次是體系與環(huán)境的區(qū)分。許多初學(xué)者并不真正理解“放熱”是什么意思，把溫度變化當(dāng)作唯一判斷依據(jù)。從概念出發(fā)，教學(xué)要引導(dǎo)學(xué)生意識(shí)到：能量的流向才是真正的判斷標(biāo)準(zhǔn)，誰得到了能量，誰失去了，它們之間是否構(gòu)成封閉系統(tǒng)，這些才是決定反應(yīng)性質(zhì)的依據(jù)。最后是反應(yīng)趨勢與自發(fā)性。如果說能量守恒解釋了“能量從哪里來”，吉布斯自由能則回答了“反應(yīng)愿不愿意發(fā)生”。焓變提供方向，熵變提供動(dòng)力，而自由能則是兩者博弈后的結(jié)果。只有將這三者納入同一判斷模型，學(xué)生才能跳出單一變量思維，看見反應(yīng)背后的“動(dòng)機(jī)”。

（二）單元內(nèi)容的結(jié)構(gòu)化重組與知識(shí)統(tǒng)整

在實(shí)際教學(xué)過程中，學(xué)生在學(xué)習(xí)《化學(xué)反應(yīng)與能量變化》這一單元時(shí)，能夠理解單個(gè)知識(shí)點(diǎn)，在綜合應(yīng)用時(shí)卻容易出現(xiàn)概念割裂、聯(lián)系不清的情況。表面上內(nèi)容掌握較為順利，實(shí)則在面對(duì)具體案例時(shí)難以判斷能量變化的方向、方式及其背后的原理。這一問題的核心并非知識(shí)掌握得深淺，而是缺乏概念之間的系統(tǒng)聯(lián)結(jié)。為此，有必要從“反應(yīng)熱一能量守恒一反應(yīng)趨勢判斷”這一邏輯主線出發(fā)，重構(gòu)單元內(nèi)容結(jié)構(gòu)，以提升學(xué)生對(duì)能量變化本質(zhì)的整體性理解與應(yīng)用能力。教學(xué)可從中和反應(yīng)實(shí)驗(yàn)切入。鹽酸與氫氧化鈉反應(yīng)時(shí)溫度升高，學(xué)生據(jù)此得出熱量釋放，引入“反應(yīng)熱”的概念。進(jìn)一步引導(dǎo)思考：能量并未憑空產(chǎn)生，而是由體系釋放、被環(huán)境吸收，由此過渡到能量守恒的認(rèn)識(shí)。隨后引入燃燒反應(yīng)，

如甲烷燃燒： CH₄（g）+20₂（g）=CO₂（g）+2H₂0（l） ΔH=-890.3kJ?mol^-1

該反應(yīng)顯著放熱，常用于加熱和能源供給。通過測算燃燒熱，學(xué)生可進(jìn)一步理解焓變的定量意義，同時(shí)認(rèn)識(shí)到能量釋放的實(shí)質(zhì)在于化學(xué)鍵的斷裂與生成，能量守恒在此過程中得以體現(xiàn)。學(xué)生在對(duì)比不同物質(zhì)燃燒熱的過程中，強(qiáng)化了“放熱”概念，初步建立起能量變化的量化認(rèn)知。最后引入原電池實(shí)驗(yàn)（如鋅與銅的電池反應(yīng)），幫助學(xué)生意識(shí)到：能量不僅可以熱的形式釋放，還可轉(zhuǎn)化為電能。溫度變化不明顯，卻依然發(fā)生了能量轉(zhuǎn)移，這為引入“反應(yīng)自發(fā)性”提供了現(xiàn)實(shí)支撐。通過這類結(jié)構(gòu)化整合，學(xué)生能清晰理解能量變化的全過程，而不是停留在“記得住幾個(gè)符號(hào)”的淺層認(rèn)知中[3]。

（三）“問題驅(qū)動(dòng)”與“真實(shí)任務(wù)”融合的主題設(shè)計(jì)

單元設(shè)計(jì)不僅要有知識(shí)結(jié)構(gòu)，更應(yīng)有思維路徑。以“問題”為驅(qū)動(dòng)，結(jié)合貼近生活的真實(shí)任務(wù)，是引導(dǎo)學(xué)生從“學(xué)會(huì)”走向“會(huì)學(xué)”的關(guān)鍵。在《化學(xué)反應(yīng)與能量變化》教學(xué)中，可設(shè)置多個(gè)逐步遞進(jìn)的主題任務(wù)，使學(xué)生在探究中理解，在應(yīng)用中建構(gòu)概念。

第一，從實(shí)驗(yàn)出發(fā)，設(shè)置“探究鹽酸與氫氧化鈉反應(yīng)的能量變化”任務(wù)。學(xué)生動(dòng)手測量溫度變化，自主收集數(shù)據(jù)，并嘗試?yán)L制反應(yīng)前后的熱量流向示意圖，引導(dǎo)他們思考：熱量從哪來？體系為何變熱？由此將“反應(yīng)熱”與“能量守恒”自然引出，形成以現(xiàn)象為支點(diǎn)、以推理為橋梁的認(rèn)知生成。

第二，轉(zhuǎn)向更具思辨性的任務(wù)情境：某反應(yīng)放熱，但無法自發(fā)進(jìn)行；某反應(yīng)吸熱，卻能持續(xù)發(fā)生。為什么？設(shè)置如“分析電解水是否自發(fā)”的問題，引導(dǎo)學(xué)生引入吉布斯自由能的判斷視角，跳出“只看熱”的判斷習(xí)慣。

第三，引導(dǎo)學(xué)生將學(xué)到的知識(shí)遷移至真實(shí)世界，問題如：自熱食品是如何啟動(dòng)的？原電池為何能產(chǎn)生穩(wěn)定電壓？在這一過程中，搭建起學(xué)生與現(xiàn)實(shí)世界之間的“能量認(rèn)知橋梁”，引發(fā)學(xué)生想深度探索的興趣，讓化學(xué)反應(yīng)從書本走向生活，從理解走向解釋[4]。

三、教學(xué)實(shí)施路徑與教學(xué)方法創(chuàng)新

（一）概念生成路徑設(shè)計(jì)：從經(jīng)驗(yàn)到建模

教學(xué)不能把結(jié)論當(dāng)作起點(diǎn)，而應(yīng)從學(xué)生已有的經(jīng)驗(yàn)出發(fā)，引導(dǎo)他們?cè)谒季S上“走一遍”科學(xué)發(fā)現(xiàn)的路。學(xué)生對(duì)能量變化的理解，常停留在放熱與吸熱的直覺層面，而教學(xué)的真正挑戰(zhàn)，是要引導(dǎo)他們?nèi)绾螐纳磉叧霭l(fā)，親自探索背后的規(guī)律。概念的生長，必須從經(jīng)驗(yàn)中來，再通過實(shí)驗(yàn)和模型沉淀為理性認(rèn)知。可以“自熱產(chǎn)品”為例切入，問學(xué)生：“為什么自熱火鍋不插電也能變熱？”這個(gè)問題是生活中可摸得著，用得上的東西，以此來激發(fā)他們對(duì)生活現(xiàn)象背后化學(xué)原理的好奇。在此基礎(chǔ)上，組織一次“仿制自熱包”的實(shí)驗(yàn)任務(wù)。學(xué)生分組，將生石灰（Ca0）與適量水混合，觀察溫度上升過程，借助溫度計(jì)或探針記錄數(shù)據(jù)：

數(shù)據(jù)記錄不只是為了得出“答案”，而是讓學(xué)生在觀察和比較中構(gòu)建自己的“能量感知”熱量不是憑空產(chǎn)生的，而是反應(yīng)釋放的結(jié)果，逐漸導(dǎo)向“反應(yīng)熱”與“能量守恒”的初步理解。

實(shí)驗(yàn)之后，引導(dǎo)學(xué)生基于觀察與測量結(jié)果，繪制簡潔的能量曲線圖：反應(yīng)物的能量高于生成物，中間有能量釋放的箭頭，體系能量降低、環(huán)境溫度升高。再接著，借助“體系一環(huán)境”框架，引入能量守恒圖解：一個(gè)反應(yīng)中釋放多少熱，就必然由環(huán)境吸收多少熱，強(qiáng)化“能量總量不變”的核心認(rèn)知。此時(shí)，學(xué)生悄然地就學(xué)習(xí)到了對(duì)知識(shí)的概念，認(rèn)知模型已初具雛形。再過渡到中和反應(yīng)實(shí)驗(yàn)、燃燒實(shí)驗(yàn)，學(xué)生便能主動(dòng)用能量曲線和守恒框架解釋現(xiàn)象，而非只重復(fù)放熱、吸熱的刻板認(rèn)知。

從生活中的一包自熱火鍋出發(fā)，到動(dòng)手實(shí)驗(yàn)，再到數(shù)據(jù)建模與圖像構(gòu)建，學(xué)生一路親自試驗(yàn)過來，走過的可不只是學(xué)習(xí)的要求，更是科學(xué)概念從經(jīng)驗(yàn)中“生長出來”的軌跡[5]。

（二）多元教學(xué)策略協(xié)同支持深度理解

教學(xué)不是將知識(shí)從課本移交給學(xué)生的大搬運(yùn)，而是幫助學(xué)生在問題與體驗(yàn)中感悟理解的過程。尤其是在“化學(xué)反應(yīng)與能量變化”這類重概念、強(qiáng)聯(lián)系的單元中，僅靠講解難以觸及學(xué)生內(nèi)在的認(rèn)知結(jié)構(gòu)。需要多種教學(xué)方式協(xié)同發(fā)力，才能激發(fā)學(xué)生從“聽得懂”轉(zhuǎn)化為“想得通”。探究式學(xué)習(xí)是激活學(xué)生認(rèn)知主動(dòng)性的關(guān)鍵。在教學(xué)設(shè)計(jì)中，應(yīng)圍繞核心問題組織實(shí)驗(yàn)探究流程，如：“不同物質(zhì)的反應(yīng)放熱量是否一致？”“原電池是否一定能放出熱？”引導(dǎo)學(xué)生制定假設(shè)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、采集數(shù)據(jù)，并嘗試用圖像、文字表達(dá)自己的結(jié)論。以“鹽酸和氫氧化鈉的中和反應(yīng)”為例，學(xué)生可測溫、記錄、分析熱量變化，從“看到現(xiàn)象”轉(zhuǎn)向解釋現(xiàn)象產(chǎn)生原理，由此初步建立焓變與能量守恒之間的聯(lián)系。對(duì)話式教學(xué)則是打通教師思維與學(xué)生思維之間的通道。面對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)后產(chǎn)生的困惑，教師可以以“如果是你設(shè)計(jì)原電池實(shí)驗(yàn)，你會(huì)用哪兩種金屬？”用這樣的問題打開交流，引導(dǎo)學(xué)生反問：“為什么有的反應(yīng)放熱卻不自發(fā)熱？”這類的互問互答，激發(fā)思維的活躍性，讓學(xué)生從答案接受者變?yōu)檫壿嫿?gòu)者。教學(xué)中設(shè)置以小組合作學(xué)習(xí)概念拼圖任務(wù)模式，如：以小組為單位，繪制“甲烷燃燒反應(yīng)的能量轉(zhuǎn)化圖”，從反應(yīng)物到生成物的能量變化過程入手，標(biāo)注反應(yīng)熱的方向與大小，結(jié)合能量守恒思維，說明釋放的熱量從何而來、流向何處，并嘗試解釋這是否是一個(gè)自發(fā)反應(yīng)。深度理解的背后，不只是知識(shí)量的增加，更是概念網(wǎng)絡(luò)的逐漸成形。教學(xué)策略的多元協(xié)同，正是讓這些網(wǎng)絡(luò)結(jié)實(shí)起來，密集起來的成長機(jī)制[]。

（三）技術(shù)賦能下的學(xué)習(xí)工具設(shè)計(jì)

技術(shù)工具的引入，讓學(xué)生的學(xué)習(xí)過程更加可視、可控、可追。在中和實(shí)驗(yàn)、燃燒實(shí)驗(yàn)、原電池實(shí)驗(yàn)等探究環(huán)節(jié)中，教師可借助數(shù)據(jù)采集儀（如數(shù)字溫度傳感器）實(shí)時(shí)記錄溫度變化，學(xué)生能夠基于可視化數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、推理。例如，在“氫氧化鈉與鹽酸反應(yīng)”的過程中，學(xué)生可以根據(jù)溫度傳感器繪出溫度-時(shí)間曲線圖，并用曲線斜率解釋反應(yīng)放熱強(qiáng)度，為后續(xù)焓變計(jì)算埋下認(rèn)知伏筆。在模型構(gòu)建環(huán)節(jié)，學(xué)生可使用圖像構(gòu)建工具（如思維導(dǎo)圖軟件、能量曲線繪圖板），將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為認(rèn)知結(jié)構(gòu)。例如，繪制能量曲線圖、自由能變化圖，明確反應(yīng)物、生成物、活化能與能量變化方向，使概念具象化，更易于理解與遷移。還可以借助數(shù)字化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)（如虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室）進(jìn)行焓變估算、自熱反應(yīng)模擬、電池反應(yīng)路徑演示，幫助學(xué)生在物理實(shí)驗(yàn)條件受限的情況下，依然保持探索的完整性和連續(xù)性。技術(shù)并不能替代教師與學(xué)生之間的互動(dòng)，它所賦能的，是學(xué)生對(duì)知識(shí)建構(gòu)的能力，是教學(xué)中那些“隱性的理解”變成“可見的模型”的過程。讓數(shù)據(jù)會(huì)說話，讓圖像能思考，讓抽象的能量轉(zhuǎn)化，在技術(shù)支持下變成一場可參與、可檢驗(yàn)、可回顧的學(xué)習(xí)探索過程。

結(jié)束語

科學(xué)教育的終點(diǎn)，從來不是讓學(xué)生背下多少定義公式，而是能否用這些知識(shí)去理解世界、判斷事物、解決問題。化學(xué)之“理”，常藏于細(xì)微反應(yīng)之間，也深埋于能量變化之中。《化學(xué)反應(yīng)與能量變化》單元，不只是傳授熱與焓的計(jì)算方法，更重要的是引導(dǎo)學(xué)生去追問：能量從哪里來？又為何而動(dòng)？當(dāng)課堂從知識(shí)灌輸轉(zhuǎn)向概念引導(dǎo)，當(dāng)實(shí)驗(yàn)、模型、對(duì)話成為思維生長的場域，學(xué)生獲得的不只是一個(gè)答案而已，而是觀察世界的方法論。大概念不是教學(xué)的裝飾，而是知識(shí)的骨架、認(rèn)知的主線。它讓化學(xué)教學(xué)回歸本質(zhì)，也讓學(xué)生在結(jié)構(gòu)化的理解中獲得持續(xù)成長的能力。真正有溫度的化學(xué)課堂，不在于內(nèi)容覆蓋得多，而在于學(xué)生是否學(xué)會(huì)了從變化中看見不變的原理。

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本文系福建省教育科學(xué)“十四五”規(guī)劃2022年度課題“基于大概念的高中化學(xué)單元整體教學(xué)設(shè)計(jì)的實(shí)踐研究\"（課題編號(hào)：FJJKZX22-469）研究成果。