系統(tǒng)思維視角下的高中化學單元教學研究

崔馨月 金京一

［摘 要］系統(tǒng)思維視角下的單元教學，是為發(fā)展學生的學科核心素養(yǎng)而對傳統(tǒng)教學設計進行的研究與優(yōu)化。氮及其化合物作為高考的重要考點，具有重要的教學地位與研究意義。文章根據(jù)課程標準要求，對“氮的循環(huán)”這一主題進行單元教學設計。

［關鍵詞］系統(tǒng)思維；高中化學；單元教學；氮的循環(huán)

［中圖分類號］? ? G633.8? ? ? ? ［文獻標識碼］? ? A? ? ? ? ［文章編號］? ? 1674-6058（2023）35-0060-04

為了滿足新時代對我國國民素質(zhì)和人才培養(yǎng)的新要求，我國頒布了新課程標準，并明確提出培養(yǎng)學生的學科核心素養(yǎng)是高中階段教育的主要目標。系統(tǒng)思維是源于系統(tǒng)論的一個概念，將其具體化，并在中學化學的相關教學中探索形成教與學的良性互動系統(tǒng)，可以達到培養(yǎng)學生學科核心素養(yǎng)的目的。

化學學科中的系統(tǒng)思維是化學教學關注的重要內(nèi)容，是學生學習和發(fā)展的方向，是學業(yè)水平和落實學科核心素養(yǎng)的重要體現(xiàn)。對化學單元教學進行整體設計是全面發(fā)展學生學科核心素養(yǎng)的有效途徑，而運用系統(tǒng)思維對教學過程中的目標制定、內(nèi)容設計等進行整體規(guī)劃指導，可以將二者進行融合，從而為單元教學提供新的理論指導。以單元教學為載體進行教學可以讓學生認識到元素及其化合物的相關知識點雖然內(nèi)容較多，但內(nèi)容之間存在一定的邏輯性，并非孤立、瑣碎的知識。另外，通過元素及其化合物的學習，學生可以認識到學科知識與自然界和社會生產(chǎn)生活是緊密相關的，從而形成系統(tǒng)思維，學會從整體的視角分析和解決問題。

一、基于系統(tǒng)思維的教學設計思路

（一）系統(tǒng)思維與單元教學概述

系統(tǒng)思維是源于系統(tǒng)論的一個比較抽象的概念，其要求從整體性出發(fā)分析對象，將整體性貫穿思考過程的始終，還要求從全局出發(fā)，以全新的角度系統(tǒng)地觀察對象。將系統(tǒng)思維融入化學教學，就是將化學學科看作一個系統(tǒng)。而將化學學科知識之間、化學學科與社會環(huán)境之間以及化學教學系統(tǒng)各要素之間存在的相互聯(lián)系呈現(xiàn)出來，是系統(tǒng)思維方法在化學教學中的體現(xiàn)。

單元教學是指教師在仔細研讀教材與課程標準之后，按照具體的教學情況將教材中的知識進行重構(gòu)，重新劃分教學單元，并對新劃分的教學單元進行整體設計，最終實現(xiàn)學生學科核心素養(yǎng)的發(fā)展。本文以“氮的循環(huán)”為主題進行單元教學的設計，將氮的固定、氮肥以及工業(yè)制硝酸等知識涵蓋其中，并聯(lián)系生產(chǎn)生活實際，充分體現(xiàn)氮元素及其化合物之間的相互轉(zhuǎn)化關系，同時讓學生學會從元素價態(tài)的角度認識物質(zhì)的性質(zhì)和物質(zhì)之間的轉(zhuǎn)化關系。

（二）教學內(nèi)容分析

元素及其化合物是高中化學教學的重要內(nèi)容，貫穿高中化學的整個知識體系。物質(zhì)世界是由元素組成的，因此元素及其化合物的學習可以讓學生認識到化學學科與生活實際是緊密聯(lián)系的，如海水中的鹵族元素、氮的循環(huán)、鐵的冶煉等貼近生活的內(nèi)容更容易激發(fā)學生的學習興趣，同時元素部分是中學化學其他知識學習的基礎。因此，在元素及其化合物的教學中可以適當?shù)厝谌虢Y(jié)構(gòu)理論部分的知識，從而為學生學習物質(zhì)結(jié)構(gòu)知識打下基礎，讓學生樹立“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)，性質(zhì)決定用途”的化學觀念，形成知識網(wǎng)絡。

“氮及其化合物”是人教版高中化學必修二第五章第二節(jié)中的內(nèi)容，主要包括氮及氮的固定、一氧化氮和二氧化氮、氨和銨鹽、硝酸、酸雨及防治等。教材知識點的設置是按照“單質(zhì)—氧化物—化合物”的順序循序漸進的，以學生熟悉的雷電現(xiàn)象開始，從自然界的氮循環(huán)到有人類活動參與的氮循環(huán)，從實驗室到工業(yè)生產(chǎn)，多角度地讓學生了解氮的循環(huán)過程中物質(zhì)的轉(zhuǎn)換以及氮循環(huán)的影響。以化學學習為橋梁將自然與社會緊密聯(lián)系起來，從而開闊學生的視野，引導學生形成更具系統(tǒng)性的思維方式，并建立知識體系。這部分內(nèi)容的學習，不僅可以讓學生對物質(zhì)分類、氧化還原反應等知識進行運用，還可以強化學生對元素周期表部分知識的理解和運用。作為高考的重要考點，氮及其化合物具有重要的教學地位與研究意義，同時其也與社會生產(chǎn)生活密切相關，而自然界中氮的循環(huán)過程所涉及的知識幾乎涵蓋了氮及其化合物的完整知識體系。因此，選擇“氮的循環(huán)”作為教學單元的主題時，可從學生的生活實際出發(fā)，在教授學生知識的同時培養(yǎng)學生的社會責任感，發(fā)展學生的學科核心素養(yǎng)。

（三）設計思路

1.單元教學目標

（1）能從氧化還原反應的角度分析含氮物質(zhì)的相互轉(zhuǎn)化關系，將含氮物質(zhì)聯(lián)系在一起；

（2）將含氮物質(zhì)呈現(xiàn)在“價—類”二維圖中，讓學生從化合價的角度認識物質(zhì)的性質(zhì)并對其進行分類；

（3）將化學學科的知識系統(tǒng)與自然界中的氮循環(huán)系統(tǒng)以及人工固氮等社會生產(chǎn)活動聯(lián)系起來，讓學生形成系統(tǒng)化的思維方式，培養(yǎng)學生的社會責任感。

2.教學重難點

【教學重點】

（1）讓學生從化合價的角度認識物質(zhì)的性質(zhì)并對其進行分類；

（2）自然界中氮循環(huán)系統(tǒng)的影響以及其中涉及的各物質(zhì)的性質(zhì)及相互轉(zhuǎn)化關系；

（3）掌握工業(yè)上硝酸的制備原理及其強氧化性，了解人工固氮的意義以及工業(yè)發(fā)展對自然界的影響。

【教學難點】

（1）從元素化合價的角度認識氮及其化合物的轉(zhuǎn)化關系；

（2）認識到自然、社會與學科知識的學習是緊密聯(lián)系的。元素組成物質(zhì)，物質(zhì)組成自然界與人類社會，人類進行化學學習研究物質(zhì)的結(jié)構(gòu)、組成、性質(zhì)和用途，人類活動又影響著自然界。

3.單元教學設計

以化學教學系統(tǒng)的兩個子系統(tǒng)“化學施教”“化學學習”為兩條主線，即圖1中的“教師線”與“學生線”，兩條主線并進，建構(gòu)出適合本單元教學設計的基礎思路模型?？偟脑O計思路就是，首先確定化學施教過程的設計線：析學情，選主題→定目標，創(chuàng)情境→做設計，去實踐→根據(jù)學生表現(xiàn)，適當調(diào)整→評價反饋；然后確定化學學習過程的設計線：明主題，查資料→推理分析、培養(yǎng)能力，合作探究、解決問題，學習新知、發(fā)展素養(yǎng)→教學評價?！敖獭迸c“學”共同構(gòu)成了教學系統(tǒng)，且二者之間存在聯(lián)系，因此，教師在選擇單元教學主題時要充分了解學生的基本情況，選擇合適的主題，進而制定教學目標和創(chuàng)設教學情境。另外，教師還要在實際教學中根據(jù)學生的課堂表現(xiàn)對教學計劃進行適當?shù)恼{(diào)整以及根據(jù)學生的評價反饋信息進行教學設計的優(yōu)化。

二、教學過程

課時教學設計案例——“氮肥的生產(chǎn)和使用”

（一）聯(lián)系生產(chǎn)生活實際，激發(fā)學生學習興趣

【教師活動】講述合成氨工業(yè)的發(fā)展史，聯(lián)系莊稼生長需要的條件，創(chuàng)設情境。

【教師活動】播放“氨氣泄漏”的新聞視頻，讓學生思考氨氣的物理性質(zhì)。

【學生活動】觀看視頻，總結(jié)氨氣的物理性質(zhì)：氨氣密度比空氣密度小，無色，有刺激性氣味。

設計意圖：從農(nóng)業(yè)的發(fā)展導入新課，將學科系統(tǒng)與社會系統(tǒng)聯(lián)系起來，讓學生思考為什么合成氨在農(nóng)業(yè)發(fā)展中有如此巨大的影響，氮元素對植物的生長有哪些重要作用，氨有哪些性質(zhì)。

（二）跨學科知識遷移，促進知識理解

【教師活動】讓學生回憶高一生物課上學過的植物細胞的物質(zhì)運輸方式，并思考氨氣是否能直接用于氮肥。

【教師活動】先提出問題“氨氣轉(zhuǎn)化為液態(tài)氮肥的途徑有哪些”，然后展示氨氣的資料卡片，讓學生思考是否可以通過將氨氣溶于水的方法來得到液態(tài)氮肥。

設計意圖：通過跨學科知識的遷移，讓學生感受知識間的聯(lián)系性和邏輯性，從而更容易接受和理解相關知識點。

（三）通過實驗探究，發(fā)展學生的宏微觀念，形成學科知識系統(tǒng)

【教師活動】演示“噴泉實驗”，并提問：

1.為什么裝置內(nèi)會形成噴泉？（思考氨氣的溶解性）

2.噴泉為什么會呈現(xiàn)紅色？（思考氨氣的化學性質(zhì)）

【學生活動】觀看演示實驗，小組討論總結(jié)。

【教師活動】分析實驗現(xiàn)象：

1.因為氨氣極易溶于水（1∶700），氨氣溶于水后會讓瓶內(nèi)的壓強減小，大氣壓就會把水壓入瓶中，于是形成噴泉。

2.因為氨氣與水反應后溶液呈堿性，而酚酞遇到堿性溶液會變紅色，所以噴泉為紅色。氨氣與水的反應：NH3 +H2O?NH3·H2O?NH4++OH-。

設計意圖：演示實驗可以讓學生直觀地觀察到實驗現(xiàn)象，而實驗過程中涉及的物質(zhì)的性質(zhì)與物質(zhì)的轉(zhuǎn)化，可以幫助學生建立起知識之間的聯(lián)系。

【教師活動】將演示實驗的裝置打開，讓學生聞一下氨水的氣味，并讓學生討論是否可以把氨水當作氮肥使用。

【學生活動】討論交流，總結(jié)氨水作為氮肥的優(yōu)缺點。

【教師活動】總結(jié)學生的討論結(jié)果，并引入農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中使用更廣泛的固態(tài)氮肥。介紹常見氮肥的種類：銨態(tài)氮肥（主要成分為 NH[+4]）、硝態(tài)氮肥（主要成分為 NO[-3]）和有機氮肥——尿素［CO（NH2）2］。

【教師活動】演示“成煙實驗”，并拋出問題：NH3是如何轉(zhuǎn)化為NH[+4]的？實驗生成的白煙的成分是什么？讓學生帶著問題觀看演示實驗。

【學生活動】觀看演示實驗，小組討論，并得出結(jié)論：氨氣與氯化氫氣體反應生成的白煙成分是NH4Cl固體，化學方程式為NH3 + HCl＝NH4Cl。

【拓展思考】氨氣是否可與硫酸和硝酸反應？如果可以，其化學方程式是什么？

【學生活動】討論交流，書寫化學方程式：2NH3 + H2SO4＝（NH4）2SO4；NH3 + HNO3＝NH4NO3。

【教師活動】總結(jié)：氨氣與酸反應會生成對應的銨鹽，離子方程式為：NH3 + H+＝NH[+4]。

【教師活動】拋出問題：從氧化還原的角度分析NH3→HNO3發(fā)生的是什么反應？NH3可以一步轉(zhuǎn)化為HNO3嗎？讓學生從化合價升降的角度思考氨氣的化學性質(zhì)。

【學生活動】小組交流討論：NH3中的氮元素化合價是最低價，具有還原性。NH3→HNO3發(fā)生的是氧化反應。NH3中的N為-3價，HNO3中的N為+5價，故NH3不能一步轉(zhuǎn)化為HNO3。

設計意圖：從物質(zhì)的組成、性質(zhì)的角度分析從氨氣到固態(tài)氮肥的轉(zhuǎn)化，利用演示實驗進行探究驗證。

【教師活動】先向?qū)W生展示碳酸氫銨和氯化銨固體，然后打開瓶蓋，讓學生聞氣味，并思考為什么會聞到氨氣的味道。

【學生活動】合作探究實驗：分別加熱碳酸氫銨和氯化銨固體，并觀察現(xiàn)象，歸納總結(jié)。

【教師活動】1.總結(jié)：銨鹽不穩(wěn)定，受熱易分解出氨氣。化學方程式為：NH4Cl[△]NH3↑+HCl；NH4HCO3 [△ ]NH3↑+CO2↑+H2O。

2.提問：除了加熱銨鹽，還可以用什么方法使銨根轉(zhuǎn)化為氨氣？

【學生活動】小組討論，提出假設：銨鹽可以與堿發(fā)生反應，并進行實驗，探究氯化銨固體與氫氧化鈉溶液的反應。

【教師活動】總結(jié)：銨鹽可以與堿性溶液發(fā)生反應。離子方程式為：NH4++ OH-[△]NH3↑+H2O。

設計意圖：開展實驗探究，讓學生更有參與感，可以更好地調(diào)動學生學習的積極性，并且培養(yǎng)學生的邏輯思維，發(fā)展學生的學科核心素養(yǎng)。同時，在實驗探究過程中學習含氮物質(zhì)的轉(zhuǎn)化，有利于學生化學學科知識系統(tǒng)的形成。

三、教學反思

系統(tǒng)思維視角下的化學單元教學研究具有實踐探索意義。從教師的角度看，教師需要在系統(tǒng)思維的指導下將教材中的知識按照不同的主題重新劃分教學單元，并從新劃分的教學單元出發(fā)進行教學設計，將化學知識系統(tǒng)與自然、社會系統(tǒng)聯(lián)系起來，繼而實施單元教學，促進學生系統(tǒng)思維的形成與發(fā)展。這也要求教師更深入地分析和把握課標要求以及教材內(nèi)容，積極地掌握高考考點動向，不僅要提升化學知識儲備，還要了解學科相關的前沿，積累一定的生活經(jīng)驗。從學生的角度看，學生學習的過程也是其知識網(wǎng)絡自主構(gòu)建的過程。單元教學強調(diào)知識的內(nèi)在聯(lián)系和規(guī)律，將分散的知識結(jié)構(gòu)化、系統(tǒng)化，這有助于學生的課程學習更有目的性和層次性，從而鍛煉學生的邏輯思維能力。同時，學生在學習過程中聯(lián)系自然與社會，能更好地理解和掌握知識，認識到化學與自然以及社會發(fā)展之間的關系，也能更加靈活地運用知識認識和解決現(xiàn)實問題，而不是對知識進行應試化的“死記硬背”。

［? ?參? ?考? ?文? ?獻? ?］

［1］? 中華人民共和國教育部.普通高中化學課程標準：2017年版2020年修訂［M］.北京：人民教育出版社，2020.

［2］? 馬玉芹，張淑華，張曉霞.系統(tǒng)論在化學教學論教學中的應用［J］.長春理工大學學報（社會科學版），2009（6）：1026-1027.

［3］? 朱立峰.化學系統(tǒng)思維能力：內(nèi)涵與范例［J］.教育研究與評論（中學教育教學），2011（8）：61-64.

［4］? 吳海霞，王祖浩.學科核心素養(yǎng)視域下的單元教學設計研究：以“簡單的有機化合物及其應用”為例［J］.化學教學，2020（10）：45-49.

（責任編輯 羅 艷）