資源簡介

大概念統領下的單元教學整體設計與實踐
——以第八單元“金屬和金屬材料”為例
《義務教育化學課程標準（2022年版）》（以下簡稱“2022版課標”）構建了大概念統領的化學課程內容體系，要求教師注重“基于大概念來組織單元教學內容，發揮大概念的統攝作用”。單元教學設計需要通過情境、問題、任務、活動之間的邏輯關系，將單元教學組織成一個圍繞目標、內容、過程實施與評價的“完整”的探究故事，從而讓學生建構結構化知識，習得可遷移的課程核心素養。以現行人教版九年級化學教科書第八單元“金屬和金屬材料”為例，探索基于大概念的單元教學整體設計與實踐，為一線教學提供可借鑒課例。
1 基于大概念的教材單元二次開發
人教版九年級化學下冊第八單元“金屬和金屬材料”由“金屬材料”“金屬的化學性質”“金屬資源的利用和保護”3個課題組成，其知識邏輯為“金屬的物理性質與用途→金屬的化學性質→金屬（鐵）的制備、利用和保護”，隱含了“物質具有廣泛的應用價值，物質的性質決定用途”等大概念，3個課題之間邏輯遞進關系清晰，整個單元相對完整、獨立，具有方向上的一致性，因此，適宜作為一個教學單元進行整體性設計。但教材情境素材較為瑣碎，缺乏整體連貫性，與學生日常生活經驗聯系的緊密度還不夠。基于2022版課標要求，在“物質的多樣性”主題大概念下，凝練出該單元的相關大概念（見圖1），選擇與學生生活聯系較為密切又富有時代感的“高鐵建設中的金屬和金屬材料”作為單元大情境，對教材單元進行二次開發，重構為“課題1 高鐵建設中金屬材料的選擇” “課題2 高鐵建設中金屬材料的獲取” “課題3 高鐵建設中金屬材料的保護”和“課題4 我為列車蝕刻車牌”4個課題。將核心知識巧妙地鑲嵌在由情境衍生的問題解決任務中，學生在完整的探究與實踐情境中，建構起對金屬和金屬材料較為整體的認識，強化學科觀念。大概念統領下的單元結構如圖1所示。
2 大概念統整下的單元教學目標
根據2022版課標“學習主題2 物質的性質與應用”中“2.1 物質的多樣性”“2.2.3 金屬與金屬礦物”及“2.4 物質性質的廣泛應用”等相關內容要求，結合教材內容分析，在圖1所示大概念統領下，結合該主題學業要求和單元情境，以“合課標、可觀測和可達成”為目標設計原則，設計該單元教學目標及分課時目標，如表1所示。
3 學情分析
學生在學習本單元時的已有知識經驗、可能的學習困難及相應的利用策略如表2所示。
4 單元教學流程
以“高鐵建設中的金屬和金屬材料”為大情境，衍生出4個單元大問題：“問題1高鐵建設中如何選擇金屬材料？”“問題2 這些金屬材料從何而來？”“問題3 這些金屬需要怎樣的保護？”“問題4 如何為列車刻蝕一個心儀的Logo？”。學生在這些問題驅動下，在教師的指導、幫助下，通過對學習資源的主動尋求和利用，在自主探索和互動合作的過程中，不斷提出問題、解決問題，從而完成任務并實現知識與意義的建構。單元教學流程見圖2。
5 單元教學過程
5.1 課題3 主要教學過程
5.1.1 情境引入
［資料1］生銹（標注主要成分是Fe2O3·xH2O）的鐵軌、較為光亮的車體、高鐵弓網系統裸露的銅導線的圖片。
［問題］觀察這些圖片，你有哪些想法？
［學生主要回答］（1）鐵易生銹，鋁、銅不易生銹；（2）想知道為何鐵易生銹而鋁、銅不易生銹。
5.1.2 任務1 探究鐵軌的銹蝕原因和防銹措施
［資料2］我國沿海地區的鐵路，由于酸雨、高溫、潮濕、鹽霧（主要成分為氯化鈉）等影響，鋼軌和扣件銹蝕都十分嚴重。以獅子洋隧道為例，在3年時間內，銹蝕嚴重的區域，剝落厚度達1mm。
［活動1］鐵生銹條件探究。
問題1：鐵在什么條件下會生銹？如何設計實驗驗證？
［學生活動表現］學生根據鐵銹的成分很快猜出銹蝕因素。鐵生銹的條件是鐵與氧氣和水同時接觸，存在兩個變量，需要分別驗證，開始，大部分學生設計不出探究方案，教師引導學生想“需要幾只試管，每只試管除了鐵釘還需要放什么”，學生嘗試畫實驗設計圖，以“小組討論—組間分享評價”的形式，選出最優方案。小組完成實驗，持續觀察一周。
［教師支持］鐵生銹的過程比較緩慢，我們提前1周就讓學生按下面的設計方案準備了實驗并拍了視頻。課上播放視頻。
學生觀看視頻，記錄現象，商討結論，探究過程和結果見圖3。
［活動2］醋酸、氯化鈉對鐵生銹的影響探究。
問題2：從資料2看，可能是哪些物質加速了金屬銹蝕？請用稀醋酸代替酸雨，設計實驗驗證。
［學生活動表現］學生認為潮濕、酸雨、鹽霧都加速了鐵的銹蝕并很快設計出探究方案。學生按方案完成實驗，持續觀察一周。
［教師支持］用氧氣含量數字傳感器演示實驗。
學生通過圖像中氧氣含量變化情況，發現鐵制品在水中銹蝕相對緩慢，在食鹽水中銹蝕較快，在稀醋酸中銹蝕最快，對鹽類物質和酸能加速鐵的銹蝕有了更直觀、明確的認知。見圖4。
［活動3］自行車等鐵制品防銹措施和原理探究。
問題3：自行車用了哪些防銹措施？你還知道哪些防銹措施？原理分別是什么？
［教師支持］展示學生不熟悉的搪瓷、烤藍、鍍其他金屬的鐵制品。
［學生活動表現］學生發表看法，互相補充。活動結果見圖5。
［教師追問］高鐵軌道用了哪種防銹措施？你認為選用防銹措施需考慮哪些因素？
［學生主要想法］（1）高鐵軌道長期裸露在野外，且要承受劇烈的摩擦，所以選用合金；（2）除考慮防銹效果，還要考慮實用、美觀、成本、有效防銹期等因素。
5.1.3 任務2 探究車體光亮的原因
［活動4］鋁粉的燃燒和鋁的自我保護實驗。
提示：酒精燈燈溫能達到670℃，鋁的熔點是660℃，氧化鋁的熔點是2054℃。
問題4：鋁和氧氣能發生反應嗎？實驗現象說明了什么？說說鋁合金車體始終光亮如新的原因。
［教師支持］演示“鋁粉的燃燒和鋁的自我保護實驗”。
［學生活動表現］實驗前，大部分學生認為鋁和氧氣不反應。加熱后，觀察到“鋁片紅熱變軟，好像包裹了什么物質，抖動鋁片卻不滴落，用鋼針把紅熱的鋁箔刺破，其中熔融狀態的鋁不滴落”實驗現象時，學生開始不能正確解釋，經教師引導、討論后，了解到鋁在常溫下表面易生成致密的氧化鋁膜，化學方程式為4Al+3O2=2Al2O3。并能從有致密的氧化鋁膜和涂層解釋經常清洗和養護角度保持車體光亮的原因。
5.1.4 任務3 探究銅導線的銹蝕和防護
［資料3］據建材網報道：經過重污染地區的膠濟線、京滬線，部分路段列車弓網系統的接觸線表面生成銅綠［Cu2（OH）2CO3］，強度降低，甚至開斷脫落，引起弓網故障。
［活動5］在空氣中加熱銅絲。
問題5：銅銹蝕的條件是什么？寫出銅和氧氣反應的化學方程式，高鐵上如何防止銅銹蝕？
［學生活動表現］學生很快說出銅在氧氣、水、二氧化碳共同作用下生成銅綠。實驗前，大部分學生認為銅和氧氣能反應，依據是鐵、鋁都能和氧氣反應；少部分學生認為銅和氧氣不反應，依據是常見的銅制品一般都很光亮。觀察到加熱銅絲表面變黑，并且擦拭不掉后，能正確寫出化學方程式2Cu + O2 2CuO。綜合多種因素認為在高鐵建設中應選用銅合金減少銹蝕。
［教師追問］鐵、鋁、銅和氧氣反應的難易和劇烈程度說明了什么？是否所有金屬和氧氣都能發生反應？
［學生活動表現］學生已經意識到反應的難易和劇烈程度體現著金屬的活潑性，通過討論、歸納，能判定鋁比較活潑，鐵、銅次之，金最不活潑。
5.1.5 任務4 探究我國金屬資源的現狀和保護
［資料4］2021年，我國科學家們用竹子做原料，研發出的竹纏繞復合材料已正式投入到高鐵車廂的建造中。
［活動6］我國金屬資源現狀調查匯報。
問題6：竹纏繞復合材料用于高鐵車廂的意義有哪些？我國金屬資源現狀如何？采取了哪些保護措施？
［學生活動表現］能從節約金屬資源和“提速”角度分析新材料的使用意義。結合課前調查，小組互相補充，能給出關于金屬資源現狀和保護的完整答案。
5.1.6 任務5 我為列車設計Logo
［活動7］ 課后請你為自己心目中的高鐵列車設計1個喜歡的Logo。
5.2 課題4 主要教學過程
5.2.1 任務引入
［教師］前面我們已經為高鐵建設選擇了材料，今天我們的任務是將你們設計的列車logo刻在金屬表面上。
［播放視頻］“什么是金屬蝕刻”。
“金屬蝕刻”需要先將蝕刻的圖形轉移到金屬基材上，基材與蝕刻液接觸后，保護膜以外的部分會溶解腐蝕，形成凹坑，蝕刻的圖形就出來了。
5.2.2 任務1 清除基材表面雜質
［資料］工業處理大量金屬基材時常用“酸洗”，“酸洗”是利用酸溶液去除金屬表面上的氧化膜和銹蝕物的一種清潔金屬表面的方法。比如用鹽酸去除鐵銹，鹽酸會和氧化鐵反應生成氯化鐵和水。“酸洗”時間不宜過長，在酸溶液中加入“緩蝕劑”能最大程度降低酸霧、防止析氫。
［活動1］酸洗處理氧化膜原理探究。
問題1：金屬表面可能有哪些物質？寫出鹽酸（或稀硫酸）和氧化鐵（或氧化鋁）反應的化學方程式， “酸洗”時間過長會怎樣？還可以用什么方法將表面處理干凈？
［學生活動表現］學生知道金屬表面有油污、氧化膜等雜質和用砂紙打磨能清除雜質。能按資料提示正確書寫酸和金屬氧化物反應的化學方程式。能猜出“酸洗”時間過長金屬基材會和酸反應。
［活動2］鐵、鋁、銅和鹽酸（稀硫酸）的反應探究。
問題2：哪些金屬能和酸發生反應？反應的劇烈程度如何？生成了哪種氣體？從反應物和生成物的物質類別看有什么特點？屬于哪種反應類型？
［學生活動表現］小組設計并完成實驗，用點燃法檢驗氫氣，記錄現象，能仿照鋅和稀硫酸反應制取氫氣正確書寫化學方程式。意識到可以根據金屬和酸是否反應判斷金屬的活潑性。在教師提示下，能從物質分類角度定義置換反應。
5.2.3 任務2 選擇蝕刻液
［師］金屬蝕刻是反應掉金屬表面不需要的部分，從上面實驗我們知道，可以用酸蝕刻鋁和鐵，但銅與酸不反應。我們還學過哪種物質能和金屬發生反應？
［學生］鐵和硫酸銅溶液能反應。
［活動3］金屬與金屬化合物溶液反應探究。
問題3：實驗現象與你的預期是否相符？鋁、銅、銀的金屬活動性順序是怎樣的？常見金屬在溶液中的活動性順序是什么？
［學生活動表現］按教材第11頁“探究”完成實驗，實驗現象激發了學生濃厚的興趣，并能用金屬活潑性解釋現象。在教師引導下認識“金屬活動性順序表”。
［活動4］選擇基材和蝕刻液。
［實驗用品］鋁片、鋅片、鐵片、銅片、稀鹽酸、酸洗緩蝕劑、 AL2（SO4）3溶液、CuSO4 溶液、AgNO3溶液、燒杯、塑料餐盒、鑷子、砂紙、石蠟、筆等
問題4：自選基材，說說哪些溶液可以做蝕刻液？
［學生活動表現］根據實驗用品，自主選擇，小組交流，活動結果見表3。
5.2.4 任務3 蝕刻車牌Logo
［活動5］蝕刻車牌Logo。
問題5：怎樣才能既蝕刻出圖案，又不損壞基材其他部分？
［學生活動表現］學生用砂紙（少數用酸洗）清除基材表面雜質后，用鑷子夾取基材放入熔化的石蠟中形成保護膜，冷卻后刻畫圖案，用“活動4”選出的蝕刻液順利完成蝕刻，操作步驟見圖6。
6 知識整理歸納
引導學生整理歸納單元核心知識和觀念，如圖7。
7 教學效果與建議
7.1 教學效果
該教學設計在物質的多樣性大概念統領下，以“高鐵建設中的金屬和金屬材料”為大情境，通過有邏輯的問題解決鏈、連續的學習任務引導學生建構“結構性質用途”認識框架，促進學生核心素養的發展。在整個學習過程中，學生興趣盎然，顯性的實踐學習成果（如思維導圖、訪談視頻、Logo設計成品等）也增強了學生的獲得感和成就感。該單元設計參加2022年河北省初中化學學科優質課評比，獲得了一等獎。
7.1.1 課堂活動表現評價
在教學實施中，學生的參與度明顯增加。比如在課題1和2中學生主動查閱資料，積極交流。在課題3的學習過程中，學生能自覺遷移“活動1”的思路和方法完成“任務3”；再比如課題4，學生帶著強烈的動手欲望，自覺運用“活動2”和“活動3”中金屬與酸、鹽溶液反應的知識，很快選出蝕刻液，很好達成了目標4.3 要求；尤其是蝕刻車牌活動，學生下課也不想走，想嘗試各種方案，表現出極高的學習熱情。創造出的“夸父”“馭夢”等Logo，帶有濃郁的中華文化自信，見圖8。
7.1.2 課后作業評價
從按照作業設計細目表設計的課時和單元作業完成情況看，學生每個目標下的作業均分為83.12分，很好達成了學習目標。從學生對單元知識的總結看，學生認識物質的思路、知識關聯和知識結構化的能力都得到了發展。
從設計自行車棚等實踐性作業完成看，學生能很好遷移課堂所學知識和方法解決真實問題。
7.2 教學建議
7.2.1 靈活運用多種方式完善單元探究故事
本單元以“高鐵建設中的金屬和金屬材料”為大情境，將“金屬的物理性質與用途、金屬和氧氣的反應、鐵的冶煉、金屬的銹蝕、金屬的保護和金屬資源保護等”核心知識和學科思維方法巧妙地鑲嵌在由情境衍生的“選獲護”一體的問題解決任務中，并形成了緊密的邏輯關系。但在教學時也會遇到一些學習內容難以融入選定情境的情況。如，“金屬與酸、鹽溶液反應”的內容，就很難融入。為此，我們針對上述內容采用項目式學習方式，設計了“課題4 我為列車蝕刻車牌”，保證了單元探究故事的整體性。多種探究與實踐方式的靈活運用，為學生提供大量“做”的機會，有效發展了學生的核心素養。
7.2.2 遴選真實素材合理設計學生探究活動
在課題4 “任務3”中，學生酸洗鋁、鋅、鐵金屬基材時，發現基材很快變黑。通過咨詢專家和查閱文獻，我們模仿真實生產流程，加入“酸洗緩蝕劑”，很好解決了“析氫”問題。再如基材涂保護膜，我們依據學生認知水平換成了石蠟，學生在實驗中還發現：熔化的石蠟不能放在導熱性好、敞口過大的容器中，否則會很快凝固，選用保溫較好的塑料餐盒作為盛放容器效果很好；要快速蘸取一薄層石蠟，太厚很容易從金屬板上脫落。工藝流程中用感光膜和紫外線照射將圖案轉移到基材上，學生在實踐中發現，用不出油的碳素筆很容易在石蠟層上刻出圖案并順利完成蝕刻。
7.2.3 基于單元整體設計作業與課堂教學互補
作業不僅可以檢測學生是否達成目標，還與課堂教學形成互補，共同保障目標的實現和教學的增值。在課堂教學中學生對鐵生銹的認識僅是生銹帶來的危害，所以教師在課時作業中，以“暖寶寶”發熱原理編寫習題，讓學生認識到“生銹”也是可以被利用的。再如弓網系統中銅導線因為要和石墨刷接觸實現電力傳輸，所以是裸露的，但常見電纜都包著厚厚的絕緣保護層，故設計了以電纜為情境的作業，發展學生多學科角度認識事物的能力。

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