資源簡介

學科大概念引領下的高三一輪復習化學單元教學設計與實施
——以“水”為例進行“微粒間的相互作用、聚集狀態(tài)”模塊復習
教育部最新頒布的《普通高中化學課程標準》（2017年版2020年修訂）中明確提出：注重以學科大概念為核心，使課程內容結構化，以主題為引領，使課程內容情境化，促動學科核心素養(yǎng)的落實。吳慶生[1]提出大概念單元教學的架構路徑： 選擇突出單元主題的大概念 → 確定次級大概念→ 編寫單元教學目標 → 創(chuàng)設學習活動。可見，在進行設計過程中，單元教學內容的大概念的確定與建構、教學目標的制定、學習活動的設計與評價等是大概念統(tǒng)領下的單元整體教學要解決的幾個基本問題。基于學科大概念的理念，以“水”為例---高三一輪復習中“微粒間的相互作用、聚集狀態(tài)”相關知識體系為載體，從單元教學設計主題的確定、學情的分析、教學目標的設計、教學框架的構建、學習活動的設計與評價等多方面嘗試進行學科大概念引領下的高三一輪復習的單元教學設計。
《物質結構與性質》教材設計以“結構決定性質、性質反映結構”這一核心觀念（大概念)為統(tǒng)領，引導學生從原子結構決定元素性質→元素組成決定物質性質（必修)→分子的組成與結構決定物質性質→晶體的組成與結構決定物質性質等視角逐步建構和完善大概念。基于大概念的理念，如何進行主題的確定和單元規(guī)劃是單元設計整體教學的關鍵。基于主體知識點和學生的學情分析，將單元設計主題和次級主題也就是將單元大概念、次級概念進行建構，使課程內容結構化，使學生對知識點的認知由淺到深逐步強化。隨著“素養(yǎng)為本”的新課程理念的推廣，高考物質結構與性質題多以真實微粒結構為載體，以大概念為核心設問考查，突顯高考化學命題的基礎性、應用性、綜合性和創(chuàng)新性。本單元以大家熟悉的物質----水為背景，以水的結構、性質以及水涉及到的相關知識點進行引入，深層次復習微粒間的相互作用、聚集狀態(tài)等學習項目，形成深度知識網絡，讓學生在體驗真實科研探究的過程中學以致用，促進物質結構與性質結構化，實現(xiàn)學科核心價值、學科素養(yǎng)、關鍵能力、必備知識的同步發(fā)展。
單元教學設計主題的確定
教學單元是整個單元教學的核心導向，課程標準是根本依據。《普通高中化學課程標準（2017年版）》對本部分的內容要求是：①能說出微粒間作用的主要類型、特征、實質，能比較不同類型的微粒間作用的聯(lián)系與區(qū)別，能說明典型物質的成鍵類型②能運用離子鍵、配位鍵、金屬鍵等模型，解釋離子化合物、配合物、金屬等物質的某些典型性質，能說明分子間作用力（含氫鍵）對物質熔沸點等性質的影響，能列舉含有氫鍵的物質及其性質特點。③能根據給定的信息分析常見簡單分子的空間結構，能利用相關理論解釋簡單的共價分子的空間結構，能根據分子結構特點和鍵的極性來判斷分子的極性，并根據對分子的典型性質及應用做出解釋。④能借助分子晶體、共價晶體等模型說明晶體中的微粒以及微粒間的相互作用。⑤能從微粒的空間排布以及相互作用的角度對生產、生活、科學研究中的簡單案例進行分析，舉例說明物質結構研究的應用價值，如配合物在生物、化學等領域的廣泛應用，氫鍵對于生命的重大意義。核心教學策略中指出該模塊的教學重點應該放在學生對概念的認識和發(fā)展上，幫助學生轉化已有認識和觀念，注重促進學生理解物質結構相關概念的內涵，體會物質結構研究的基本思路和方法，形成觀念性認識。
復習課教學的價值在于整合知識，形成解決問題的認知思路。基于課程標準內容，結合結構-性質之間的關系，建構該模塊的知識體系。在學習過程中，學生綜合利用所學知識解決陌生而復雜的真實問題，促進學生學科核心知識和學科思維的結構化，自主構建具有遷移價值、應用價值的認識模型，彰顯學科特色，促進學生化學學科核心素養(yǎng)發(fā)展。童文昭等［2］梳理了結構版塊（必修＋選擇性必修）的基本概念，將其分為原子結構、分子結構、晶體結構三類，并分別畫出以概念關聯(lián)為中心的概念圖。通過自下而上的基本概念認知結構分析，以及自上而下的觀念建構分析，確認各概念圖的關鍵性概念。
在上述概念圖中，根據設計情境“水分子”的結構，提取概括出設計到的關鍵性概念：成鍵方式、分子空間結構、晶體結構。成鍵方式主要呈現(xiàn)的核心知識是分子的結構微粒間存在的相互作用，分子空間結構主要呈現(xiàn)是分子的結構微粒及相互作用對分子空間構型的影響，晶體結構呈現(xiàn)的是宏觀物質結構，在此基礎上依據課程標準要求，結合學生認知基礎與水平，確定本單元的主題：以水為例進行“微粒間的相互作用、聚集狀態(tài)”模塊復習。借助涉及到的“水”的結構與性質進行綜合的復習與強化。
2.單元教學目標的制定
2.1學生的學情分析
在選擇性必修模塊“物質結構與性質”中，學生系統(tǒng)的學習了“原子結構與元素性質”、“微粒間相互作用與物質性質”、“不同聚集狀態(tài)的物質與性質”等主要內容，系統(tǒng)學習了原子核外電子的運動狀態(tài)、核外電子排布規(guī)律、核外電子排布與元素周期律、微粒間的相互作用、共價鍵的本質和特征、分子的空間結構、晶體和聚集狀態(tài)、研究物質結構的方法與價值等知識點。
2.2學生的學習障礙點
學生雖說掌握了知識點，但是在高三復習教學中常以獨立小專題形式開展物質結構與性質二級主題為主的復習，但這種模式容易導致知識點碎片化、不能形成系統(tǒng)化知識體系。隨著“素養(yǎng)為本”的新課程理念的推廣，高考物質結構與性質大題多以“真實微粒結構”為載體，以大概念為核心設問考查，突顯高考化學命題的基礎性、應用性、綜合性和創(chuàng)新性，所以針對陌生的“真實微粒結構”的分析至關重要。
2.3教學單元次目標的確定
“微粒間相互作用與物質性質”是建立在有關原子結構知識的基礎上，從共價鍵的形成本質出發(fā)，介紹共價鍵的類型、特征，共價鍵模型之一的雜化軌道理論與分子構型的關系，分子構型與分子性質的關系，介紹離子鍵、配位鍵和金屬鍵模型，闡述分子間作用力及其對物質性質的影響等相關知識，在此基礎上結合“不同聚集狀態(tài)的物質與性質”相關聯(lián)知識點，將共價晶體和分子晶體的相關知識點穿插期中，充分做到將瑣碎的知識點系統(tǒng)化，有利于學生建構完整的知識體系。
第一課時：大概念統(tǒng)領下的高中化學物質結構與性質單元復習——以水的共價鍵為輻射中心
【課程目標】
1. 以水中化學鍵為中心構建核心概念——共價鍵的思維導圖；
2. 以共價鍵為中心構建相關核心概念群的思維導圖；
3. 通過思維導圖的構建，使學生總體上對結構知識有宏觀的大局把控，細節(jié)上對具體知識有微觀的區(qū)
分與聯(lián)系。
第二課時：大概念統(tǒng)領下的高中化學物質結構與性質單元復習—水的空間結構與性質分析
【課程目標】
1. 基于雜化軌道理論、價電子對互斥理論、氫鍵等認識視角重新認識“水”，構建概念圖，形成核心概念（共價鍵、空間構型），加深對大概念（結構決定性質）的理解；
2.基于水特殊結構與性質的視角理解掌握雜化軌道理論、價電子對互斥理論、氫鍵等知識，并能夠應用知識解析生活中的實際問題。
第三課時：大概念統(tǒng)領下的高中化學物質結構與性質單元復習——以水做配體為例揭秘配合物中的作用力
【課程目標】
1.了解配合物的組成，明確配位鍵、配位數的概念。
2.了解配合物的穩(wěn)定性各不相同，配合物之間可以發(fā)生轉化；知道配合物的應用。
第四課時：大概念統(tǒng)領下的高中化學物質結構與性質單元復習——揭秘冰的奧秘
【課程目標】
1.能通過對冰奧秘的探究形成分子晶體的典型模型，并能借助分子晶體模型說明晶體中的微粒及微粒間的相互作用。
2.能從原子、分子、聚集狀態(tài)等不同尺度認識物質結構特點及其與物質性質之間的關系。
2.4單元教學流程設計
在選擇一個具有統(tǒng)攝性的學科大概念作為單元設計的主題內容，對于整合教材中較為零散的課時知識內容，建構學科主題單元知識脈絡具有重要的意義。教師需要在教學中對這四部分內容在大概念的視角下進行單元整體設計，根據新課程標準進行課時劃分、內容劃分，具體流程如下：
基于學科大概念的單元整體設計框架
單元整體設計的教學情境線和觀念發(fā)展線
3.教學活動的設計、實施與評價
在單元設計時，要以深度學習理論為依據，圍繞關鍵性概念、中心概念設計教學活動和評價體系，通過“問題引導”與“任務實施”，立足教材，但又超越教材，以點帶面，以更少的概念進行更深層次的教學，將碎片式的知識點形成系統(tǒng)體系，探索“教、學、評”一體化的化學教學路徑。
3.1.教學活動的設計
將“微粒間相互作用和物質性質”教學架構圖拆解成“以水的共價鍵為輻射中心”“水的空間結構與性質分析” 和“以水做配體為例揭秘配合物中的作用力”“揭秘冰的奧秘”四個概念群，分別對應單元目標中的四個次級大概念，發(fā)揮關鍵性概念的統(tǒng)攝作用，逐步架構完整的物質結構觀。四課時概念群的教學活動設計分別如圖所示：
第一課時：大概念統(tǒng)領下的高中化學物質結構與性質單元復習——以水的共價鍵為輻射中心
通過問題式的設計，將理論學習變成問題式探究活動， 通過“問題引導，任務實施”深化學生對共價鍵的認識，建構共價鍵的組成與結構的次級大概念。 通過共價鍵參數的復習，引導學生從微觀視角解釋分子性質及其變化規(guī)律， 通過原子晶體模型的相關知識點的復習，提升學生的證據推理和模型認知能力。
第二課時：大概念統(tǒng)領下的高中化學物質結構與性質單元復習—水的空間結構與性質分析
第三課時：大概念統(tǒng)領下的高中化學物質結構與性質單元復習——以水做配體為例揭秘配合物中的作用力
第四課時：大概念統(tǒng)領下的高中化學物質結構與性質單元復習——揭秘冰的奧秘
3.2.教學活動的實施（第一課時為例）
第一課時：大概念統(tǒng)領下的高中化學物質結構與性質單元復習——以水的共價鍵為輻射中心
項目復習一 共價鍵
【視頻引入】
【問題1】：請同學們總結出從視頻中你獲取到了哪些信息？
【學生回答】
（1）H2O是生命之源；
（2）H2O是由2個H和1個O組成的3原子分子
（3）H2O鍵長0.94 A，鍵角104°45′
（4）H2O是極性分子
（5）H2O中的化學鍵是極性共價鍵
設計意圖：以視頻引入，激發(fā)學生學習的興趣，鍛煉學生獲取信息的能力。
【教師引導】
請同學們回憶《物質結構與性質》教材中有關共價鍵的知識，并以水中共價鍵為輻射中心構建共價鍵思維導圖。
【任務一】以水中共價鍵為輻射中心構建思維導圖
【學生活動】 一名學生黑板完善構建思維導圖，第二名學生補充，其他學生導學案上完成。
【學生活動1】構建思維導圖，并相互討論，得到正確的思維導圖。
【教師活動】通過匯總分析這一部分的高頻考點：共價鍵類型、鍵參數（鍵角、鍵長、鍵能）、電負性等，咱們一起來感受高考題。
【學生活動2】走進高考1
1. 短周期元素X、Y、Z、W、Q原子序數依次增大。基態(tài)X、Z、Q原子均有兩個單電子，W簡單離子在同周期離子中半徑最小，Q與Z同主族。下列說法錯誤的是（ ）
A．X能與多種元素形成共價鍵 B．簡單氫化物沸點：Z＜Q
C．第一電離能：Y＞Z D．電負性：W＜Z
【教師活動】引導學生找突破口，找解題關鍵。
NH3、PH3、AsH3的沸點由高到低的順序為　 　 （ 填化學式，下同），還原性由強到弱的順序為　 ，鍵角由大到小的順序為　 。
【教師活動】 引導學生進行分析解析。
3．由鍵能數據大小，不能解釋下列事實的是（　　）
化學鍵 C﹣H Si﹣H C＝O C﹣O Si﹣O C﹣C Si﹣Si
鍵能/kJ mol﹣1 411 318 799 358 452 346 222
A．穩(wěn)定性：CH4＞SiH4 B．鍵長：C＝O＜C﹣O
C．熔點：CO2＜SiO2 D．硬度：金剛石＞晶體硅
項目復習二 共價晶體
【問題2】：共價鍵可形成哪類晶體？
【學生回答】共價晶體、分子晶體
【問題3】：常見的共價晶體有哪些？
【學生回答】金剛石、SiC、SiO2、SiC、GaN、AlN、Si3N4、等，并總結出下表。
【學生活動3】再探金剛石
在金剛石晶體中每個碳原子周圍緊鄰的碳原子有多少個？4
2. 在金剛石晶體中每個碳原子連接有幾個共價鍵？4
3. 碳原子的配位數是幾？4
4. 在金剛石晶體中碳原子個數與C-C共價鍵個數之比是多少？ 1:2
5. 1mol該物質含有的共價鍵數目是多少？2NA
6. 1個碳原子形成幾個六元環(huán)？
7. 金剛石晶胞含有 個碳原子。若碳原子半徑為r，金剛石晶胞的邊長為a，根據硬球接觸模型，則r＝ a，晶體的密度= （列式表示，下同）碳原子在晶胞中的空間占有率 (列出計算式即可)。
【教師活動】
6.任意一個C原子，形成4根共價鍵，任取2根共價鍵，有C 4種組合，且2根共價鍵僅共存于2個六元環(huán)中：2× C 4=12
7.8
解析：利用1、2、3三個原子的位置，虛設硬球接觸中兩個原子的位置，可得到關系 ，從而得到兩者的關系，進而進行后兩問的解答。
【教師引導】有關晶胞計算的思維流程和常見晶胞的體積計算
強調：
【學生活動4】交流研討
觀察二氧化硅的晶體結構，思考下列問題：
（1）二氧化硅晶胞中有幾個硅原子和氧原子？
（2）二氧化硅晶胞中有幾個共價鍵？
（3）1個硅原子形成幾個12元環(huán)？
（4）二氧化硅最小環(huán)上有幾個原子？
【學生解答】教師和學生一起討論
Si原子數：8×1/8 ＋ 6×1/2 ＋ 4 ＝8 ；O原子數：4×4 ＝16
（2）每個晶胞中Si-O共價鍵數數：16×2 ＝32
（3）12個12元環(huán)
（4）由于每個硅原子被12個環(huán)共有，因此每個環(huán)只占有該硅原子的1/12，又因為每個最小環(huán)上有6個硅原子，所以每個最小環(huán)平均擁有的硅原子數為：6×（1/12）=0.5個。又因為SiO2晶體是由硅原子和氧原子按1:2的比例所組成，因此氧原子的數目為0.5×2=1個,每個最小環(huán)平均擁有1個氧原子
【問題4】：常見晶體類型還有哪些？
【學生回答】離子晶體、金屬晶體、分子晶體
【問題5】：共價晶體與其他晶體的區(qū)別與聯(lián)系是？
【學生整理】
【教師活動】這一部分在高考中高頻考點主要有：晶胞化學式的確定、晶體的密度、配位數、微粒間的距離、分數坐標等知識點。
【學生活動】走進高考2
1.（2021全國甲）我國科學家發(fā)明了高選擇性的二氧化碳加氫合成甲醇的催化劑，其組成為ZnO/ZrO2固溶體。四方ZrO2晶胞如圖所示。Zr4+離子在晶胞中的配位數 　 ，晶胞參數為apm、apm、cpm，該晶體密度為 　 　g cm﹣3（寫出表達式）。在ZrO2中摻雜少量ZnO后形成的催化劑，化學式可表示為ZnxZr1﹣xOy，則y＝　 　（用x表達）。
【教師和學生共同活動】Zr4+位于晶胞頂點，每個晶胞中有一個O2﹣與Zr4+距離最近，且面心的Zr4+與4個O2﹣相鄰，則配位數為8，晶胞中Zr4+位于頂點和面心，個數為8×+6×＝4，O2﹣位于晶胞體心，個數為8，則一個晶胞含有4個ZrO2，質量為，晶胞體積為a2c×10﹣30cm3，可知ρ＝＝g cm﹣3；在ZrO2中摻雜少量ZnO后形成的催化劑，化學式可表示為ZnxZr1﹣xOy，化合物中Zn為+2價、Zr為+4價、O為﹣2價，則2x+4×（1﹣x）＝2y，y＝2﹣x，
2.(2021全國乙)XeF2晶體屬四方晶系，晶胞參數如圖所示，晶胞棱邊夾角均為90°，該晶胞中有　 個XeF2分子。以晶胞參數為單位長度建立的坐標系可以表示晶胞中各原子的位置，稱為原子的分數坐標，如A點原子的分數坐標為已知Xe—F鍵長為rpm，則B點原子的分數坐標為　 　　 ，；晶胞中A、B間距離d＝　 　　 pm。
【師生活動】共同討論解決問題
【任務二】以共價鍵為中心構建核心概念群的思維導圖
【學生活動5】自行構建思維導圖二，并相互討論，得到正確的思維導圖。
五、當堂檢測
【基礎鞏固】
1.國外有人用激光將置于鐵室中石墨靶上的碳原子炸松,與此同時用射頻電火花噴射N2,此時碳、氮原子結合成碳氮化合物薄膜。據稱,這種化合物可能比金剛石還堅硬,其原因可能是(　　)　　　　　　　　　　　　　　
A.碳、氮原子構成空間網狀結構的晶體 B.碳氮鍵比金剛石中的碳碳鍵更長
C.氮原子最外層電子數比碳原子最外層電子數多 D.碳、氮的單質化學性質均不活潑
2.下列有關共價晶體的敘述不正確的是(　　)
A.金剛石和二氧化硅晶體的最小結構單元都是正四面體
B.含1 mol C的金剛石中C—C鍵數目是2NA,1 mol SiO2晶體中Si—O鍵數目是4NA(設NA為阿伏加德羅常數的值)
C.水晶熔化和干冰升華時,晶體中的共價鍵都會斷裂
D.SiO2晶體是共價晶體,所以晶體中不存在分子,SiO2不是它的分子式
3.已知SiC的熔點為2 830 ℃,晶胞結構如圖所示。下列說法錯誤的是(　 　)
A.SiC晶體中碳原子和硅原子均采用sp3雜化
B.硅單質的熔點高于2 830 ℃
C.距離硅原子最近且距離相等的碳原子數為4
D.若晶胞參數為a pm,則該晶體的密度為 g·cm-3
[素質提升]
4.利用皮秒激光照射懸浮在甲醇溶液中的多臂碳納米管可以合成T-碳，T-碳的晶體結構可看成金剛石晶體中每個碳原子被正四面體結構單元(由四個碳原子組成)替代，圖a、b分別為T-碳的晶胞和俯視圖，圖c為金剛石晶胞。
一個T-碳晶胞中含有_______個碳原子，T-碳的密度為金剛石的一半，則T-碳晶胞和金剛石晶胞的棱長之比為_______
六．教學反思與評價
1. 知識：由獨立的、散亂的模塊概念整合成一體化的核心概念群
2. 繪制核心概念思維導圖的過程，學生對概念間區(qū)別與聯(lián)系有了深刻的理解，并形成了概念網絡圖
3. 能力：通過概念零散化到模塊化、輔以高考真題強化，培養(yǎng)了學生信息獲取加工的能力、解決問題的能力
3.3.教學活動的實施反思
圍繞學科大概念進行的系統(tǒng)組織和整體設計的單元設計，對知識體系的構建具有統(tǒng)領作用，是課時設計與開展的出發(fā)點。合理構建單元整體的結構圖，包含主題的選擇與確定，大概念與次大概念的確定，基本概念、實施流程的確定等要素，系統(tǒng)合理的規(guī)劃會引領我們始終圍繞大概念為中心進行教學實施過程，能更好的的形成知識網絡圖，使學生更好系統(tǒng)的加以應用。

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