基于學(xué)科核心素養(yǎng)的單元整體教學(xué)設(shè)計(jì)——以高三化學(xué)“無機(jī)綜合實(shí)驗(yàn)復(fù)習(xí)”為例

廣東 張 鴿

化學(xué)課程的學(xué)習(xí)內(nèi)容和學(xué)習(xí)活動(dòng)對(duì)于學(xué)科核心素養(yǎng)的形成和發(fā)展具有不可替代的重要作用。高中化學(xué)課程的基本理念之一是要重視開展以素養(yǎng)為本的教學(xué)，倡導(dǎo)真實(shí)問題情境的創(chuàng)設(shè)，開展以化學(xué)實(shí)驗(yàn)為主的多種探究活動(dòng)，促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)方式的轉(zhuǎn)變，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力。

無機(jī)綜合實(shí)驗(yàn)不僅是高考的必考內(nèi)容，而且是促進(jìn)高中學(xué)生全面發(fā)展核心素養(yǎng)不可或缺的途徑。此部分內(nèi)容復(fù)習(xí)涉及板塊多、內(nèi)容泛，漫無目的地題海演練只會(huì)事倍功半。怎樣才能提高復(fù)習(xí)效率呢，筆者認(rèn)為，在高三無機(jī)綜合實(shí)驗(yàn)復(fù)習(xí)中，教師必須能夠看到具體知識(shí)背后的大概念，圍繞大概念組織教學(xué)，揭示教學(xué)內(nèi)容之間的聯(lián)系，從而解決知識(shí)碎片化的問題。指向?qū)W科核心素養(yǎng)的大單元設(shè)計(jì)是學(xué)科教育落實(shí)立德樹人、發(fā)展素質(zhì)教育、深化課程改革的必然要求，也是學(xué)科核心素養(yǎng)落地的關(guān)鍵路徑。本文旨在通過單元整體教學(xué)設(shè)計(jì)，將高中化學(xué)無機(jī)綜合實(shí)驗(yàn)的常見考查方式進(jìn)行融會(huì)貫通，幫助學(xué)生在完成任務(wù)的同時(shí)建立思維模型，提高學(xué)生解決復(fù)雜化學(xué)情境問題能力和綜合實(shí)驗(yàn)探究能力。

一、單元整體教學(xué)設(shè)計(jì)背景

如表1所示通過分析和總結(jié)近幾年全國卷Ⅰ的實(shí)驗(yàn)試題，可發(fā)現(xiàn)近年全國卷實(shí)驗(yàn)題目情境比較新穎，考查內(nèi)容和考查方式豐富多樣，既有物質(zhì)制備與凈化的實(shí)驗(yàn)考查，又有定性探究和定量分析物質(zhì)組成實(shí)驗(yàn)的考查。

表1 2015—2019年全國卷Ⅰ實(shí)驗(yàn)試題

縱觀上述2015—2019年高考全國卷Ⅰ的無機(jī)綜合實(shí)驗(yàn)題目，并融合其他高考試題，筆者對(duì)高考化學(xué)實(shí)驗(yàn)題目的考查形式進(jìn)行總結(jié)如圖1所示。

圖1 近年高考化學(xué)無機(jī)綜合實(shí)驗(yàn)題目常見考查形式

通過分析可知，無論題目的情境如何設(shè)置，考查內(nèi)容如何變換，無機(jī)綜合實(shí)驗(yàn)題目主要圍繞證據(jù)推理與模型認(rèn)知、科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)這兩方面對(duì)學(xué)生的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)進(jìn)行考查。此類試題主要考查形式可分為物質(zhì)制備型、成分/性質(zhì)探究型和定量分析型三大類，在具體的題目中，可能以其中兩種或者三種類型共同考查的方式呈現(xiàn)。

化學(xué)學(xué)科既從宏觀上研究物質(zhì)的性質(zhì)，又從微觀上研究物質(zhì)的組成和結(jié)構(gòu)，以揭示物質(zhì)性質(zhì)的本質(zhì)和規(guī)律。針對(duì)物質(zhì)制備型實(shí)驗(yàn)，筆者根據(jù)目標(biāo)產(chǎn)物化學(xué)性質(zhì)的不同，從學(xué)科大概念的角度將其分為還原性物質(zhì)制備、氧化性物質(zhì)制備、易水解型物質(zhì)制備和不穩(wěn)定型物質(zhì)制備等。對(duì)于探究型實(shí)驗(yàn)，根據(jù)探究成分的不同可分為氣體成分探究、固體成分探究和溶液成分探究三大類。其中，氣體成分探究又可分為單一氣體成分探究和混合氣體成分探究。定量分析型實(shí)驗(yàn)，依據(jù)測(cè)量方法的不同可分為質(zhì)量法、氣體法和滴定法。

本文進(jìn)行無機(jī)綜合實(shí)驗(yàn)復(fù)習(xí)單元整體教學(xué)設(shè)計(jì)，旨在學(xué)科大觀念的統(tǒng)領(lǐng)下，建立零碎知識(shí)點(diǎn)的邏輯關(guān)系，啟發(fā)學(xué)生深度思考，幫助學(xué)生建立思維模型，提升學(xué)生實(shí)驗(yàn)探究能力，落實(shí)學(xué)科核心素養(yǎng)。

二、無機(jī)綜合實(shí)驗(yàn)復(fù)習(xí)教學(xué)單元建構(gòu)

(一)無機(jī)綜合實(shí)驗(yàn)復(fù)習(xí)教學(xué)單元規(guī)劃總模型

單元整體教學(xué)往往圍繞一個(gè)主題進(jìn)行研究學(xué)習(xí)，突出內(nèi)容和過程的聯(lián)系性和整體性，無機(jī)綜合實(shí)驗(yàn)復(fù)習(xí)作為一個(gè)教學(xué)單元，教學(xué)視野應(yīng)該從單課時(shí)的微觀范疇轉(zhuǎn)向更為寬闊的單元宏觀范疇，設(shè)置有思維梯度的學(xué)習(xí)任務(wù)，通過注重學(xué)科核心素養(yǎng)培養(yǎng)的階段性和層次性，可持續(xù)地發(fā)展學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)。無機(jī)綜合實(shí)驗(yàn)復(fù)習(xí)教學(xué)單元規(guī)劃總模型如圖2所示。

圖2 無機(jī)綜合實(shí)驗(yàn)復(fù)習(xí)教學(xué)單元規(guī)劃總模型

(二)無機(jī)綜合實(shí)驗(yàn)復(fù)習(xí)教學(xué)單元課時(shí)劃分

無機(jī)綜合實(shí)驗(yàn)考查的主要內(nèi)容涉及儀器名稱、原料預(yù)處理、裝置的連接順序、試劑選擇、核心反應(yīng)方程式書寫、分離提純操作、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象描述、原因解釋、定量計(jì)算、實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)等方面。本單元在前期復(fù)習(xí)了《鐵及其化合物》的必備知識(shí)的基礎(chǔ)上，以含鐵化合物的制備為情境，側(cè)重對(duì)易水解型和還原性兩種物質(zhì)的制備模型進(jìn)行闡述和探究，并通過項(xiàng)目式綜合實(shí)驗(yàn)水合硫酸亞鐵的制備與性質(zhì)探究進(jìn)階到復(fù)雜情境的實(shí)驗(yàn)探究與模型建構(gòu)。

本單元將無機(jī)綜合實(shí)驗(yàn)復(fù)習(xí)劃分為如表2所示的3個(gè)課時(shí)：第1課時(shí)是易水解型物質(zhì)的制備模型的建構(gòu)，第2課時(shí)是還原性物質(zhì)制備模型的建構(gòu)，第3課時(shí)是項(xiàng)目式綜合實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷慕?gòu)。3個(gè)課時(shí)圍繞素養(yǎng)目標(biāo)層層遞進(jìn)，逐步深入。

表2 無機(jī)綜合實(shí)驗(yàn)復(fù)習(xí)

三、無機(jī)綜合實(shí)驗(yàn)復(fù)習(xí)教學(xué)單元目標(biāo)設(shè)計(jì)

(一)無機(jī)綜合實(shí)驗(yàn)復(fù)習(xí)教學(xué)單元總目標(biāo)

表3 無機(jī)綜合實(shí)驗(yàn)復(fù)習(xí)教學(xué)單元總目標(biāo)

(二)無機(jī)綜合實(shí)驗(yàn)復(fù)習(xí)教學(xué)單元課時(shí)目標(biāo)

表4 無機(jī)綜合實(shí)驗(yàn)復(fù)習(xí)教學(xué)單元課時(shí)目標(biāo)

續(xù)表

四、無機(jī)綜合實(shí)驗(yàn)復(fù)習(xí)教學(xué)起點(diǎn)分析

表5 無機(jī)綜合實(shí)驗(yàn)復(fù)習(xí)教學(xué)起點(diǎn)分析

五、無機(jī)綜合實(shí)驗(yàn)復(fù)習(xí)單元教學(xué)情境、問題、活動(dòng)、思維進(jìn)階設(shè)計(jì)

圖3 無機(jī)綜合實(shí)驗(yàn)復(fù)習(xí)單元教學(xué)設(shè)計(jì)

第1課時(shí)以氯氣的制備為基礎(chǔ)，引出實(shí)驗(yàn)室制備漂白液的裝置，總結(jié)有氣體參與的物質(zhì)制備的一般模型；由無水FeCl3制備的實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)、評(píng)價(jià)，總結(jié)易水解型物質(zhì)制備的特殊模型為氣體發(fā)生裝置→除雜裝置→干燥裝置→主體反應(yīng)裝置→收集裝置→干燥裝置→尾氣處理裝置；最后由SOCl2制備的問題解決診斷學(xué)生運(yùn)用模型的能力。

第2課時(shí)在第1課時(shí)對(duì)實(shí)驗(yàn)基本裝置熟練的基礎(chǔ)上，進(jìn)行Fe(OH)2制備實(shí)驗(yàn)裝置的改進(jìn)，熟悉壓強(qiáng)原理在物質(zhì)制備實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用，熟練裝置連接、試劑選擇、操作先后順序，建構(gòu)還原性物質(zhì)制備模型為排盡裝置內(nèi)空氣→檢驗(yàn)裝置內(nèi)空氣是否除盡→保護(hù)還原性產(chǎn)物；最后運(yùn)用高考真題“醋酸亞鉻的制備”實(shí)驗(yàn)運(yùn)用模型，解決復(fù)雜真實(shí)情境問題，鍛煉學(xué)生的關(guān)鍵能力。

第3課時(shí)在前兩課時(shí)已經(jīng)熟練掌握物質(zhì)制備模型的基礎(chǔ)上，進(jìn)行水合硫酸亞鐵制備與性質(zhì)探究實(shí)驗(yàn)。在物質(zhì)制備實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，提升學(xué)生物質(zhì)分離提純的分析能力；通過水合硫酸亞鐵中結(jié)晶水含量測(cè)定實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，理解結(jié)晶水含量的意義，形成定量分析方法思路，鍛煉學(xué)生的定量探究能力；通過水合硫酸亞鐵熱分解氣體產(chǎn)物成分探究，引導(dǎo)學(xué)生建立混合氣體檢驗(yàn)的思路模型：確定檢驗(yàn)順序→排除干擾因素→藥品選擇→安全綠色，提高實(shí)驗(yàn)探究能力；通過水合硫酸亞鐵熱分解固體產(chǎn)物成分探究，引導(dǎo)學(xué)生建立水合晶體熱重分析的基本思路模型：以質(zhì)量不變?cè)貫檠芯繉?duì)象→根據(jù)比例關(guān)系求出摩爾質(zhì)量M→根據(jù)M確定分解產(chǎn)物；最后通過習(xí)題“水合草酸亞鐵制備與性質(zhì)探究”，進(jìn)一步鞏固與提升學(xué)生知識(shí)遷移與運(yùn)用模型的能力。

六、無機(jī)綜合實(shí)驗(yàn)復(fù)習(xí)教學(xué)單元“教、學(xué)、評(píng)”一體化設(shè)計(jì)

表6 教學(xué)單元“教、學(xué)、評(píng)”一體化設(shè)計(jì)

七、無機(jī)綜合實(shí)驗(yàn)復(fù)習(xí)單元整體教學(xué)設(shè)計(jì)反思

高三化學(xué)無機(jī)綜合實(shí)驗(yàn)復(fù)習(xí)單元整體教學(xué)設(shè)計(jì)，在學(xué)生已有知識(shí)儲(chǔ)備的基礎(chǔ)上，對(duì)知識(shí)進(jìn)行重新梳理、整合、提煉。這樣的設(shè)計(jì)避免了傳統(tǒng)課時(shí)教學(xué)中知識(shí)點(diǎn)的孤立學(xué)習(xí)和機(jī)械學(xué)習(xí)，有利于教學(xué)過程的設(shè)計(jì)和實(shí)施，提高了教學(xué)質(zhì)量和效率。本單元以物質(zhì)制備和性質(zhì)探究實(shí)驗(yàn)為情境背景，促進(jìn)學(xué)生在熟悉物質(zhì)性質(zhì)的基礎(chǔ)上進(jìn)行方案設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)探究，重在引導(dǎo)學(xué)生建構(gòu)綜合實(shí)驗(yàn)題目中的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?、培養(yǎng)學(xué)生的探究能力和創(chuàng)新精神，全面提升學(xué)生的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)，為后續(xù)解決真實(shí)復(fù)雜情境問題打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

八、無機(jī)綜合實(shí)驗(yàn)復(fù)習(xí)單元整體作業(yè)設(shè)計(jì)

【作業(yè)主題】

項(xiàng)目研究：水合草酸亞鐵的制備與性質(zhì)探究

科學(xué)情境：鋰離子電池作為一種新型高能綠色電源，具有工作電壓高、比能量大、循環(huán)壽命長、自放電率低、適溫范圍寬、無記憶效應(yīng)及對(duì)環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)。近年來，智能手機(jī)、儲(chǔ)能裝置、電動(dòng)汽車、電動(dòng)自行車等便攜儲(chǔ)能設(shè)備的發(fā)展促使鋰電行業(yè)飛速發(fā)展。草酸亞鐵作為合成鋰離子電池正極材料磷酸鐵鋰的原材料，已經(jīng)引起人們的廣泛關(guān)注。隨著磷酸鐵鋰動(dòng)力電池在新能源汽車和儲(chǔ)能電池方面的大力開發(fā)和廣泛應(yīng)用，其原材料草酸亞鐵的市場(chǎng)也急劇擴(kuò)大，市場(chǎng)前景十分廣闊。接下來我們研究鋰離子電池的原材料水合草酸亞鐵。

【題1】水合草酸亞鐵的制備

利用所給化學(xué)試劑及信息，設(shè)計(jì)合適的流程制備FeC2O4·xH2O

提供的試劑：(NH4)2Fe(SO4)2、稀H2SO4、草酸、Na2C2O4溶液、蒸餾水

提供信息：(1)草酸亞鐵晶體為淡黃色粉末，難溶于水，溶于稀酸

(2)pH>4時(shí)，F(xiàn)e2+易被氧氣氧化

【題2】水合草酸亞鐵的組成測(cè)定

提供的試劑：FeC2O4·xH2O、稀硫酸、稀鹽酸、酸性KMnO4溶液、KSCN溶液、CaCl2溶液

2.定量測(cè)定FeC2O4·xH2O的結(jié)晶水含量：用滴定法確定FeC2O4·xH2O的結(jié)晶水含量

【題3】水合草酸亞鐵分解產(chǎn)物探究

研究FeC2O4·xH2O熱分解的氣體產(chǎn)物

提供信息：草酸亞鐵晶體熱分解的氣體產(chǎn)物為H2O、CO、CO2

檢驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮哪些問題？