大概念統(tǒng)領(lǐng)下“化學(xué)能與電能”單元教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)踐

夏添

摘要：從“能量轉(zhuǎn)化”視角抽提大概念統(tǒng)領(lǐng)必修2“化學(xué)能與電能”的單元教學(xué)，從而實(shí)現(xiàn)知識(shí)關(guān)聯(lián)、認(rèn)識(shí)思路、核心觀念的結(jié)構(gòu)化。教學(xué)中以真實(shí)情境為載體，在實(shí)際問題“如何讓小車跑起來”“小車為什么能跑起來”及“如何讓小車跑得更好”的解決過程中發(fā)展學(xué)生對(duì)原電池模型的逐層認(rèn)識(shí)，進(jìn)而促進(jìn)學(xué)生核心素養(yǎng)的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：大概念；化學(xué)能與電能；單元教學(xué)；教學(xué)設(shè)計(jì)

普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）（以下簡稱新課標(biāo)）明確指出學(xué)科課程應(yīng)“重視以學(xué)科大概念為核心，使課程內(nèi)容結(jié)構(gòu)化”^?[1]；“教師在組織教學(xué)內(nèi)容時(shí)應(yīng)高度重視化學(xué)知識(shí)的結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)，充分認(rèn)識(shí)知識(shí)結(jié)構(gòu)化對(duì)于學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)發(fā)展的重要性”^?[2]；近幾年以學(xué)科大概念為統(tǒng)領(lǐng)進(jìn)行單元教學(xué)設(shè)計(jì)已經(jīng)成為研究熱點(diǎn)之一。張星華^[3]對(duì)2010～2020高中化學(xué)“化學(xué)能與電能”教學(xué)設(shè)計(jì)進(jìn)行了文獻(xiàn)分析，并從教學(xué)目標(biāo)設(shè)置、教學(xué)內(nèi)容組織、情境素材的選擇等對(duì)文獻(xiàn)進(jìn)行了梳理。從現(xiàn)有文獻(xiàn)看，較少關(guān)注大概念統(tǒng)領(lǐng)下的“化學(xué)能與電能”單元教學(xué)，鑒于此，本文以真實(shí)問題情境“如何讓小車跑起來——小車為什么能跑起來——如何讓小車跑得更好”為主線，探討大概念統(tǒng)領(lǐng)下“化學(xué)能與電能”單元教學(xué)設(shè)計(jì)過程。

1??“化學(xué)能與電能”單元教學(xué)所蘊(yùn)含的大概念

從新課標(biāo)看：在高一必修階段 “化學(xué)能與電能”隸屬于新課標(biāo)主題3：物質(zhì)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)與化學(xué)反應(yīng)規(guī)律中“化學(xué)反應(yīng)與能量轉(zhuǎn)化”部分。新課標(biāo)明確指出：“知道化學(xué)反應(yīng)可以實(shí)現(xiàn)化學(xué)能與其他能量形式的轉(zhuǎn)化，以原電池為例認(rèn)識(shí)化學(xué)能可以轉(zhuǎn)化為電能，從氧化還原反應(yīng)的角度初步認(rèn)識(shí)原電池的工作原理。”教學(xué)策略應(yīng)“發(fā)揮重要知識(shí)的功能價(jià)值，幫助學(xué)生發(fā)展認(rèn)識(shí)化學(xué)反應(yīng)的基本角度，形成基本觀念”^?[4]。

“當(dāng)事物發(fā)生變化或被改變時(shí)，會(huì)發(fā)生能量的轉(zhuǎn)化，但是在宇宙中能量的總量總是不變”^?[5]是《科學(xué)教育的原則和大概念》一文10個(gè)科學(xué)大概念中 “能量”概念的內(nèi)涵闡述?；瘜W(xué)能與電能的轉(zhuǎn)化作為能量轉(zhuǎn)化的重要形式，是在化學(xué)能與熱能基礎(chǔ)上對(duì)化學(xué)反應(yīng)的認(rèn)識(shí)角度和認(rèn)識(shí)內(nèi)容的進(jìn)一步豐富，教學(xué)中有必要從“能量”的視角梳理“化學(xué)能與電能”教學(xué)內(nèi)容。2019年出版的人教版高中化學(xué)必修（第二冊(cè)）教材^[6]（以下簡稱新教材）中有關(guān)化學(xué)能與電能的內(nèi)容主要包括：原電池及其工作原理，簡易電池的設(shè)計(jì)與制作（原電池構(gòu)成要素及其性質(zhì)、作用的探討），化學(xué)電池（鋅錳干電池、鉛酸蓄電池的簡單認(rèn)識(shí)）；形成與能量相關(guān)的主要觀念有：①氧化還原反應(yīng)伴隨著電子的轉(zhuǎn)移，利用氧化還原反應(yīng)能實(shí)現(xiàn)化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能②原電池裝置將氧化、還原反應(yīng)在不同區(qū)域進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)了化學(xué)能向電能的轉(zhuǎn)化③原電池電極材料、電解質(zhì)溶液的組成及狀態(tài)、電池連接方式等可以影響化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的效率。基于此，以“當(dāng)事物發(fā)生變化或被改變時(shí)，會(huì)發(fā)生能量的轉(zhuǎn)化，但是在宇宙中能量的總量總是不變”這一大概念為統(tǒng)領(lǐng)，從轉(zhuǎn)化形式、轉(zhuǎn)化原理、轉(zhuǎn)化裝置、轉(zhuǎn)化效率等能量視角對(duì)相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行“自下往上”的梳理，從而形成大概念統(tǒng)領(lǐng)下“化學(xué)能與電能”單元教學(xué)知識(shí)框架（見圖1）。教師通過融入真實(shí)情境的、關(guān)注學(xué)生知識(shí)結(jié)構(gòu)化和認(rèn)識(shí)思路結(jié)構(gòu)化的教學(xué)，實(shí)現(xiàn)促進(jìn)學(xué)生核心素養(yǎng)的發(fā)展的目的。

2?單元教學(xué)目標(biāo)及教學(xué)整體思路

2.1學(xué)情分析

學(xué)生通過初三的學(xué)習(xí)，知道物質(zhì)發(fā)生化學(xué)變化時(shí)伴隨有能量變化，認(rèn)識(shí)到通過化學(xué)反應(yīng)獲得能量的重要性；通過高一的學(xué)習(xí)，認(rèn)識(shí)到氧化還原反應(yīng)的本質(zhì)是電子轉(zhuǎn)移；通過化學(xué)能與熱能的學(xué)習(xí)，認(rèn)識(shí)到化學(xué)反應(yīng)中化學(xué)鍵的斷裂和形成是化學(xué)反應(yīng)中能量變化的本質(zhì)原因；同時(shí)學(xué)生還形成了一定的元素觀、轉(zhuǎn)化觀、微粒觀、能量觀等，但對(duì)實(shí)驗(yàn)的觀察、探究、設(shè)計(jì)能力還不足，還需發(fā)展對(duì)原電池本質(zhì)的理解，進(jìn)一步豐富對(duì)能量轉(zhuǎn)化形式、能量轉(zhuǎn)化途徑和條件的認(rèn)識(shí)。

2.2單元教學(xué)目標(biāo)及課時(shí)分配

基于上述分析，以大概念統(tǒng)領(lǐng)的單元教學(xué)設(shè)計(jì)，核心是從能量轉(zhuǎn)化角度建立認(rèn)識(shí)化學(xué)反應(yīng)的思路，進(jìn)而促進(jìn)學(xué)生建構(gòu)并運(yùn)用原電池認(rèn)識(shí)模型。在單元整體目標(biāo)定位上拆解兩個(gè)課時(shí)，并設(shè)計(jì)遞進(jìn)性的分課時(shí)目標(biāo)，其相互關(guān)系見圖2。

2.3單元教學(xué)整體思路

基于單元教學(xué)目標(biāo)，本單元教學(xué)設(shè)計(jì)通過“小車動(dòng)起來”真實(shí)情境的挖掘，引導(dǎo)學(xué)生在實(shí)際問題“如何讓小車跑起來”“小車為什么能跑起來”及 “如何讓小車跑得更好”的提出與解決過程中，發(fā)展學(xué)生系統(tǒng)、微觀、動(dòng)態(tài)的認(rèn)識(shí)過程，認(rèn)識(shí)研究對(duì)象的本質(zhì)特征、構(gòu)成要素及其相互關(guān)系，并最終促使學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)認(rèn)識(shí)、解釋實(shí)際問題。

3大概念統(tǒng)領(lǐng)下“化學(xué)能與電能”單元教學(xué)設(shè)計(jì)中幾個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)的處理

3.1選用真實(shí)的大情境引領(lǐng)學(xué)生發(fā)展對(duì)大概念的認(rèn)識(shí)

大概念的抽象、復(fù)雜及結(jié)構(gòu)化必然導(dǎo)致學(xué)生認(rèn)識(shí)上的困難，在教學(xué)上將大概念與真實(shí)情境有機(jī)融合，能有效降低學(xué)生認(rèn)識(shí)難度。只有在真實(shí)情境下運(yùn)用某種或多種知識(shí)完成特定的任務(wù)，才能評(píng)估關(guān)鍵能力、必備品格與價(jià)值觀念^[7]。單元教學(xué)中的真實(shí)大情境，一要突出“大”，以一個(gè)大情境貫穿單元教學(xué)始終，學(xué)生能夠依據(jù)大情境自主設(shè)計(jì)實(shí)際問題、解決實(shí)際問題，即知道要干什么，應(yīng)該怎么干。這種大情境區(qū)別于老師為了引入下個(gè)活動(dòng)拋出的零散情境，“戴帽子”的情境，應(yīng)真正能引領(lǐng)學(xué)生系統(tǒng)地、深入地進(jìn)行思考和知識(shí)建構(gòu)；二要突出“真實(shí)”，既能將課程與真實(shí)生活或生產(chǎn)建立聯(lián)系，又能讓學(xué)生在大情境中開展活動(dòng)、完成特定任務(wù)。基于此，本單元教學(xué)中，選取貼近學(xué)生生活的 “小車動(dòng)起來”為情境貫穿單元教學(xué)始終，在教學(xué)中開展了系列真實(shí)問題的研究活動(dòng)，這些問題間有一定的層次性和邏輯結(jié)構(gòu)，符合學(xué)生對(duì)陌生項(xiàng)目解決的認(rèn)知思路，體現(xiàn)了相關(guān)知識(shí)在解決生產(chǎn)生活中問題的應(yīng)用價(jià)值，有效促進(jìn)學(xué)生建立原電池的認(rèn)識(shí)模型及運(yùn)用認(rèn)識(shí)模型解決實(shí)際問題（見圖3）。

3.2在原理教學(xué)的起始課，要依托大概念建立結(jié)構(gòu)化認(rèn)識(shí)

能量觀是化學(xué)學(xué)科中的重要觀念。在必修階段，化學(xué)能與熱能、化學(xué)能與電能共同豐富了學(xué)生對(duì)化學(xué)反應(yīng)中能量變化的認(rèn)識(shí)角度和認(rèn)識(shí)內(nèi)容。以能量觀統(tǒng)攝化學(xué)能與電能單元教學(xué)，尤其在教學(xué)的起始課，依托大概念，以“能量觀”的視角將原電池原理知識(shí)融入到“化學(xué)反應(yīng)可實(shí)現(xiàn)化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能”、“能量轉(zhuǎn)化需要一定的裝置，原電池是實(shí)現(xiàn)化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置”、“能量的轉(zhuǎn)化是有條件的，改變條件可影響化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的效率”這樣的學(xué)科概念中（見表1），能有效促進(jìn)學(xué)生學(xué)科知識(shí)、認(rèn)識(shí)思路及學(xué)科觀念的結(jié)構(gòu)化（見圖4）。

3.3在模型應(yīng)用階段，通過探究實(shí)踐、反思內(nèi)化實(shí)現(xiàn)對(duì)大概念的深入

學(xué)生大概念的形成不是一蹴而就的，需要在不同教學(xué)內(nèi)容、不同教學(xué)情境下反復(fù)建構(gòu)，不斷豐富。通過大概念統(tǒng)領(lǐng)下課時(shí)1原電池原理的學(xué)習(xí)，學(xué)生認(rèn)識(shí)了原電池模型，識(shí)別了原電池的構(gòu)成要素，形成了基本的“能量觀”，但這些思想方法、認(rèn)識(shí)視角和思維方式需要在實(shí)踐中反復(fù)內(nèi)化。課時(shí)2以“如何使小車跑得更好”為核心任務(wù)引導(dǎo)學(xué)生探索化學(xué)電源（見表2）。學(xué)生在“做中學(xué)”，利用原電池原理和構(gòu)成要素改進(jìn)裝置，探究提高電池效率的方法，并以此為基礎(chǔ)探索認(rèn)識(shí)燃料電池、設(shè)計(jì)干電池。在反復(fù)應(yīng)用已有知識(shí)綜合分析和解決實(shí)際問題的過程中，學(xué)生的知識(shí)、方法、觀念得到相互支撐和遷移應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了對(duì)大概念的深入理解。

4單元教學(xué)效果與實(shí)踐反思

4.1教學(xué)效果分析

通過紙筆測(cè)試、訪談等手段對(duì)本節(jié)課進(jìn)行了測(cè)查。

1.下列裝置能讓電機(jī)驅(qū)動(dòng)小車（如下圖所示）動(dòng)起來的是（??）

評(píng)價(jià)目標(biāo)：能建立鋅銅原電池各部分與原電池構(gòu)成要素（電極材料、電極反應(yīng)物、離子導(dǎo)體、電子導(dǎo)體）的關(guān)聯(lián)。

2.下列四個(gè)常用電化學(xué)裝置的敘述錯(cuò)誤的是

A.圖 I所示電池中，電子從鋅片流出B.圖 II所示干電池中石墨作負(fù)極C.圖 III所示電池為二次電池D.圖 IV所示氫氧燃料電池能將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能

評(píng)價(jià)目標(biāo)：能用原電池原理或構(gòu)成要素分析解釋實(shí)驗(yàn)室或生產(chǎn)生活中的常見現(xiàn)象（如水果電池、干電池、鉛蓄電池、燃料電池等）

3.簡易氫氧燃料電池示意圖如右圖所示，下列說法中不正確的是

A.電流從b經(jīng)導(dǎo)線流向a

B.電子從a經(jīng)導(dǎo)線流向b

C.通入H₂的石墨電極為負(fù)極，發(fā)生還原反應(yīng)

D.b電極上發(fā)生的反應(yīng)為：O₂+ 4H⁺+ 4e^-= 2H₂O

評(píng)價(jià)目標(biāo)：能推測(cè)簡單原電池的工作原理（電流方向和離子移動(dòng)方向，預(yù)測(cè)電極反應(yīng)及現(xiàn)象、書寫電極反應(yīng)式）。

課程結(jié)束后利用共發(fā)放50份問卷，回收47份，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如下圖5～圖7：

從測(cè)試結(jié)果看學(xué)生清晰了原電池構(gòu)成要素（電極材料、電極反應(yīng)物、離子導(dǎo)體、電子導(dǎo)體）的關(guān)聯(lián)，并能夠較好地運(yùn)用原電池認(rèn)識(shí)模型解決實(shí)際問題。

從訪談情況看，學(xué)生印象最深刻的是利用化學(xué)反應(yīng)讓小車動(dòng)起來的過程；絕大多數(shù)同學(xué)都談到知道了日常電池中能量轉(zhuǎn)化的過程，并且知道通過不斷改進(jìn)裝置要素還能提高電池的工作效率。從以上測(cè)查結(jié)果看，學(xué)生較好地完成了預(yù)定教學(xué)目標(biāo)。

4．2教學(xué)實(shí)踐反思

4.2.1大概念的提煉要聚焦學(xué)科本質(zhì)

何彩霞^[8]教授提出可從以下幾方面來分析和把握化學(xué)大概念：一是指向化學(xué)學(xué)科的研究對(duì)象與基本問題; 二是指向化學(xué)學(xué)科的研究方法與認(rèn)識(shí)方法; 三是指向化學(xué)學(xué)科研究的目的與價(jià)值。以大概念統(tǒng)領(lǐng)單元教學(xué)，除了要求教師更全面、更整體把握課程與教學(xué)內(nèi)容以外，還要求教師不斷挖掘教學(xué)內(nèi)容背后更本質(zhì)的思想方法。化學(xué)反應(yīng)作為化學(xué)研究的重要對(duì)象，其物質(zhì)變化過程中伴隨著能量的變化?！盎瘜W(xué)能與電能”承載著學(xué)生以能量觀認(rèn)識(shí)化學(xué)反應(yīng)的新視角，從“能量轉(zhuǎn)化”角度提煉單元教學(xué)大概念，并以此建立結(jié)構(gòu)化認(rèn)識(shí)，將有助于學(xué)生對(duì)知識(shí)深層次的理解和建構(gòu)。

4.2.2單元教學(xué)內(nèi)容應(yīng)服務(wù)于大概念的形成

單元教學(xué)過程是學(xué)生形成大概念的過程，因此，教學(xué)內(nèi)容要為大概念的形成服務(wù)，為學(xué)生核心素養(yǎng)的發(fā)展服務(wù)。原電池教學(xué)中，可涉及的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)情境是非常豐富的，在教學(xué)中，要舍得放棄與大概念形成不緊密的教學(xué)素材和內(nèi)容；如，本單元的教學(xué)設(shè)計(jì)中，放棄了原電池中離子遷移方向可視化探究、自制干電池等學(xué)生探究活動(dòng)，加大了促進(jìn)概念形成的活動(dòng)設(shè)計(jì)，如：搭建裝置讓小車動(dòng)起來（見圖8）、設(shè)計(jì)學(xué)生活動(dòng)探究提高電池效率的方法（電解質(zhì)種類及濃度、電極材料插入深淺、兩極間的距離、電極串并聯(lián)連接方式等要素）。 以大概念為統(tǒng)領(lǐng)，指導(dǎo)教學(xué)設(shè)計(jì)，使學(xué)生活動(dòng)緊緊圍繞能量轉(zhuǎn)化方式、能量轉(zhuǎn)化裝置、能量轉(zhuǎn)化條件、能量轉(zhuǎn)化效率展開，能有效促進(jìn)能量轉(zhuǎn)化觀念建構(gòu)，促進(jìn)學(xué)生核心素養(yǎng)的發(fā)展。

大概念統(tǒng)領(lǐng)下的單元教學(xué)嘗試，既能引發(fā)老師凝練學(xué)科知識(shí)、聚焦學(xué)科本質(zhì)，又能促進(jìn)學(xué)生建構(gòu)結(jié)構(gòu)化知識(shí)體系，發(fā)展核心素養(yǎng)，在嘗試之余，還需要我們不斷實(shí)踐、反思、再實(shí)踐。

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