“碳” 索未來

童潔　謝鴻雁

摘要：以學科大概念指導的高三化學反應原理大單元教學，是新課程改革理念的體現(xiàn)，也是新高考評價體系的要求。經(jīng)過教學實踐研究，建構(gòu)高中化學大概念統(tǒng)領(lǐng)下的單元主題教學設計策略：依據(jù)課程標準確定大概念，根據(jù)核心概念以及相關(guān)的基本概念明確單元教學目標，細化項目任務，設計教學內(nèi)容與學習形式。

關(guān)鍵詞：大概念 ? 化學反應原理 ? 單元教學

一、案例設計背景

《普通高中化學課程標準》（2017版，以下簡稱“課程標準”）中提及要“進一步精選學科內(nèi)容，重視以學科大概念為核心，使課程內(nèi)容結(jié)構(gòu)化，以主題為引領(lǐng)，使課程內(nèi)容情境化，促進學科核心素養(yǎng)的落實”。[1]所以將大概念作為理論核心指導教師設計教學活動是非常有必要的。

化學反應原理模塊是高考評價中學生的必備重點知識，“變化觀念和平衡思想”是化學學科核心素養(yǎng)的思維核心，通過該模塊的學習學生能逐步形成并完善這一素養(yǎng)，樹立學習和研究化學的志向。理論性較強是該模塊的特點，學生在學習該模塊的基本概念、基本原理時，更需要對隱含在基本概念、原理中的學科思想和方法進行深度學習，也就是用專家的思維方式去學習概念。劉徽教授指出，大概念即反映學科專家思維方式的概念、觀念和結(jié)論。[2]因此我們以學科大概念為指導，進行化學反應原理的單元主題教學。

在全球氣候急劇變化的背景下，處理大氣中過多的CO2已成為一個亟待解決的問題。以“碳中和”為背景，可以在真實問題情境中考查化學反應原理模塊核心知識、關(guān)鍵能力，體現(xiàn)育人目標及學科核心素養(yǎng)。因此，我們設計基于大概念指導的“碳中和”背景下的化學反應原理單元復習，解決高三復習課時緊、任務重、知識瑣碎、學習枯燥等一系列問題，在學生運用知識解決問題的同時提升學科能力，落實核心素養(yǎng)。

二、案例設計策略

（一）概念網(wǎng)絡構(gòu)建

首先依據(jù)課程標準、知識內(nèi)容構(gòu)建化學反應原理單元概念網(wǎng)絡。

（二）單元教學目標

在大概念統(tǒng)領(lǐng)下，依據(jù)概念網(wǎng)絡圖中的核心概念和基本概念，設計以下單元教學目標。

1.通過課前完成預習案，總結(jié)CO2及其他含碳物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)特征，熟練掌握物質(zhì)在“位、構(gòu)、性”中的相互關(guān)系，并能用于解釋某些化學反應現(xiàn)象。

2.通過構(gòu)建消除大氣中CO2路徑價——類圖，理解氧化還原反應原理，并學會從價態(tài)和類別的視角設計反應原理、判斷反應能否發(fā)生，感受國家科學技術(shù)的蓬勃發(fā)展，提升民族自豪感。

3.通過“碳中和”反應焓變的計算以及反應方向的判斷，學會用微觀視角解釋化學反應的宏觀表象，如吸熱反應與放熱反應等。

4.利用查閱資料的方式擴大知識的認知范圍，學會查閱文獻資料、搜集網(wǎng)絡資源等，提高獲取信息的能力，學會處理信息。

5.通過書寫電催化二氧化碳還原的電極反應式，掌握電化學原理，并能利用電化學原理分析“碳中和”路徑的可行性，了解工業(yè)生產(chǎn)條件的影響因素，用嚴謹?shù)目茖W態(tài)度面對生產(chǎn)生活中的問題。

6.通過重整反應歷程的判斷，知道活化能與反應歷程的關(guān)系，學會選擇催化劑，感受化學世界的豐富多彩。

7.通過“碳中和”反應的轉(zhuǎn)化率、平衡常數(shù)的計算，了解化學反應調(diào)控對工業(yè)生產(chǎn)的重要作用，體驗科學探索之路的艱辛。

（三）項目任務劃分

依據(jù)本單元的學科大概念和單元教學目標，我們將化學反應原理單元劃分為三個學習項目——物質(zhì)變化、能量變化、反應調(diào)控。

（四）教學設計及實施

【情境】2022年9月1日太原能源低碳發(fā)展論壇在晉陽湖國際會議中心開幕。論壇的主題是“能源、雙碳、發(fā)展”，雙碳指的是“碳達峰、碳中和”。碳達峰簡單來說，就是二氧化碳達到峰值，是指我國承諾2030年前，二氧化碳的排放不再增長，達到峰值之后逐步降低。碳中和是指企業(yè)或其他組織測算出在一定時間內(nèi)直接或間接產(chǎn)生的溫室氣體排放總量，然后通過節(jié)能減排、植物造樹造林等方式，抵消自身產(chǎn)生的二氧化碳排放量，從而實現(xiàn)二氧化碳“零排放”。就是產(chǎn)生了多少“碳”量，就要通過某些方式來削減或者消除這些“碳”量對環(huán)境的影響，實現(xiàn)自身“零排放”。[3]簡單來說，碳中和就是要消除排放到大氣中的CO2。

項目一：“碳中和”反應中的物質(zhì)變化

【任務】CO2的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)→構(gòu)建消除大氣中CO2路徑的價類二維圖。

【學生活動】課前完成預習案→課上學生點評→判斷物質(zhì)中碳元素化合價→構(gòu)建消除大氣中CO2路徑的價類二維→選擇轉(zhuǎn)化劑、轉(zhuǎn)化路徑，書寫化學方程式→根據(jù)化學方程式，從生活生產(chǎn)圖示中找出CO2用途。

【設計意圖】構(gòu)建“位——構(gòu)——型”的相互關(guān)系，體現(xiàn)“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)，性質(zhì)決定用途”的化學思維，為項目二“碳中和”反應中的能量變化、項目三“碳中和”反應調(diào)控的學習做鋪墊。

項目二：“碳中和”反應中的能量變化

2.1化學反應與熱能

【情境】CO2的轉(zhuǎn)化路徑有兩個核心反應，一個是重整反應，一個是加氫制甲醇。重整反應的可以將兩種主要的溫室氣體（甲烷和二氧化碳）直接轉(zhuǎn)化成合成氣，兼具環(huán)境效益和經(jīng)濟效益，近年來重整反應的研究取得新進展。[4]

【任務】計算焓變→判斷反應的自發(fā)性

【學生活動】概念辨析→計算重整反映?H→建立?H計算模型→利用?H、?S判斷重整反映自發(fā)性→分析情境文獻圖示中重整反映歷程圖→應用模型

【設計意圖】建構(gòu)模型?H計算模型，解決高考題目中?H計算、熱化學方程式書寫的問題。

2.2化學反應與電能

【情境】中國化學會網(wǎng)站介紹了CO2電化學轉(zhuǎn)化的可行性和研究新進展。

【任務】認識電催化還原二氧化碳→構(gòu)建電化學認識模型

【學生活動】分析文獻圖示中電催化還原的產(chǎn)物及反應歷程→分析裝置、書寫電極反應式→建構(gòu)電化學認識模型→應用模型

【設計意圖】結(jié)構(gòu)電化學認識模型，利用模型解決高考題目中電化學相關(guān)的題目。

項目三：“碳中和”反應調(diào)控

【情境】習近平總書記在二十大報告中提到“推動綠色發(fā)展，促進人與自然和諧共生，積極穩(wěn)妥推進碳達峰、碳中和”。繼續(xù)深度研究“碳中和”反應。

3.1化學反應速率

【任務】分析反應歷程→選擇合適催化劑。

【學生活動】知識梳理、構(gòu)建化學反應速率認識模型→分析重整反應的反應歷程→選擇重整反應的催化劑→構(gòu)建催化劑性質(zhì)模型→應用模型。

【設計意圖】構(gòu)建化學反應速率認識模型，利用模型解決高考題目中能壘、反應歷程、控速步驟判斷等相關(guān)題目。

3.2化學平衡

【任務】CH4—CO2重整反應調(diào)控→CO2催化加氫制甲醇反應調(diào)控。

【學生活動】知識梳理、構(gòu)建化學平衡結(jié)構(gòu)模型→分析提高甲烷轉(zhuǎn)化率的方法→尋找甲烷轉(zhuǎn)化率曲線→催化劑的使用→判斷轉(zhuǎn)化率變化的特定條件→分析條件對平衡的影響→計算Kp。

【設計意圖】建立化學平衡結(jié)構(gòu)模型，解決高考題目中化學平衡移動的相關(guān)題目。

【單元小結(jié)】構(gòu)建化學反應原理大單元知識框架圖，將化學反應原理模塊知識形成知識網(wǎng)絡，解決了“碳中和”反應能不能發(fā)生、反應速率快不快、產(chǎn)率高不高的問題，樹立節(jié)能減排、低碳環(huán)保的意識。

三、案例反思

在實際教學過程中，利用“碳中和”情境，將化學反應原理模塊知識用學科大概念進行整合，學生在復習的過程中運用所學知識解決實際問題的能力有所提升，素養(yǎng)目標得以實現(xiàn)。同時在教學中，運用先進的教育理念指導教學，重新建構(gòu)化學教學設計的思路，不僅豐富了教學形式和內(nèi)容，教師的教學理論水平也得到提升。經(jīng)驗實踐研究，發(fā)現(xiàn)在大單元教學中教學設計一定要符合學生學情，符合學生認知規(guī)律，只有這樣的教學設計，才能更好地引導學生，發(fā)揮學生的主觀能動性。

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）[S].北京：人民教育出版社，2020.

[2]劉徽.大概念教學.素養(yǎng)導向的單元整體教學設計[M].浙江教育出版社，2022，88.

[3]國家電力投資集團有限公司，中國國際經(jīng)濟交流中心.中國碳達峰碳中和進展報告（2021）.

[4]付彧，孫予罕. CH4-CO2重整技術(shù)的挑戰(zhàn)與展望[J]. 中國科學：化學，2020，50（7）：16.

作者簡介：童潔，女，漢族，1984年生，山西太原人，太原市晉源區(qū)實驗中學校高中化學教師，中小學一級教師，太原市謝鴻雁高中化學提高與示范工作站學員，近期在謝鴻雁導師指導下進行大概念理念統(tǒng)領(lǐng)的單元教學研究與實踐及項目式教學研究與實踐。