資源簡介

基于大概念統領下促進核心素養提升的項目式大單元教學設計
——以“化學反應中的能量轉化與守恒規律”大單元為例
《普通高中化學課程標準》提煉了化學學科五大核心素養，分別是宏觀辨識與微觀探析、變化觀念與平衡思想、證據推理與模型認知、科學探究與創新意識、科學態度與社會責任。新課標指出要突出化學大概念的統領作用，重視以學科大概念為核心，使課程內容結構化。在實際教學中，教師以課時為單位進行教學設計與教學實施，割裂了知識之間的聯系，忽視了知識結構化，因此開展單元整體教學研究是十分必要的。大單元教學與課程標準提出的大概念具有很強的融合性，能幫助學生有效立足化學大概念思考與探究學科知識和問題。以大概念為引領的化學大單元教學從知識和學生發展的整體性與結構性出發，幫助學生完善認知結構、樹立學科觀念，最終形成核心素養。為完善和強化以大概念為引領的化學大單元教學實踐，教師結合自身實踐經驗對相關概念進行簡要說明，并基于高中化學“化學反應中的能量轉化與守恒規律”這一大概念，結合“化學反應的方向、化學反應能量變化及應用、化學平衡狀態、化學平衡狀態的應用”等基礎概念進行大單元教學設計。
第一部分
【總體設計思路】基于大概念統領下的高中化學大單元教學設計，涉及大概念與大單元兩個重要概念。大概念是在學科知識解構與重組的基礎上形成的學科核心概念，大概念在學科概念體系中具有統領作用，不僅涵蓋一系列的小概念，同時還涵蓋具有關聯性的相關事實。大概念具有可拆解性與遷移性，促使相關概念形成有意義的聯結。學科大概念是知識內容、思維方法、價值觀念等多維教育結構的統一體。而大單元中所說的“單元”不同于教材原有單元，大單元是基于原有單元同時又高于原有單元的教學設計。基于大概念統領下的高中化學大單元教學設計圍繞某一學科大概念對知識進行審視、選擇和重組，從而形成新的知識結構。高中化學教學實踐中，教師不可能直接把大概念教授給學生，這就要求教師通過大單元的教學設計具體落實。同時，從大單元教學視角出發，重組整合相關知識內容進而形成新的教學單元，也離不開大概念的統領。遵循大概念與大單元二者之間的內在邏輯進行教學設計，必須以大概念為統領，梳理概念體系，在此基礎上確定單元主題，立足教學目標，促使學生從點—線—網的傳統認知形式進階發展為層級上升的認知過程，并在此過程中發展和提升學科核心素養。熱力學是熱和溫度的科學，是研究宏觀系統在能量相互轉化過程中所遵循規律的學科內容。熱力學研究的對象是由大量微粒構成的集合體表現出來的宏觀性質，如溫度、壓強、體積等等，不涉及變化過程中的速率等動力學問題。在研究化學反應時，反應能否發生，會產生怎樣的能量變化，反應進行到什么程度為止等等都屬于熱力學研究的范疇，熱力學可以解決化學反應中能量如何轉換等實際問題。自然界的一切物質都具有能量，能量有多種不同形式。能量可以在物體之間傳遞，也可以從一種形式轉化成另一種形式，在轉化中能量是守恒的，這就是熱力學第一定律的主要內容。大量事實證明，自然界中發生的變化都有一定的方向性，放熱及熵增加的過程，是孤立體系中的自發過程，這也是熱力學第二定律的表達形式之一。大多數化學反應都可以同時向正、逆兩個方向進行，當反應進行到一定程度時，正逆反應速率相等，各物質的濃度不再改變的狀態即為化學平衡狀態。恒溫恒壓下，當反應達到平衡時，吉布斯自由能變等于0，此時反應濃度商等于標準平衡常數即熱力學平衡常數，也就是說△G＝△H－T△S＝0，即△G＝RTln(Q/K)，因此可以用濃度商Q和平衡常數K來判斷等溫等壓下化學反應的方向。任何化學平衡都是在一定溫度、壓強、濃度條件下的暫時的動態平衡，一旦反應條件發生變化，原有的化學平衡狀態就被破壞，向另一個平衡狀態轉化。在平衡移動的過程中伴隨著能量的轉化和物質的變化，遵循能量守恒定律和元素守恒規律。實際生產中，我們通過調控反應條件實現化學反應向特定的方向轉化，以便更好的利用化學反應為人類社會造福。
【總體教學及評價目標】在本單元中，將從化學反應的方向，化學反應能量轉化與應用，化學反應限度以及化學平衡移動的應用等方面，探索化學反應的規律及其應用。通過本單元的學習，引導學生進一步
認識化學變化所遵循的基本原理，初步形成關于物質變化的科學觀念。了解化學反應中能量轉化所遵循的規律，贊賞運用化學反應原理對科學技術和人類社會文明所起的重要作用，發展化學學科核心素養。完善學生認識化學反應的視角，學會從物質變化、能量變化兩種角度認識化學反應，形成通過改變條件改變化學反應速度和限度，進而控制化學反應的物質變化和能量變化的觀念。初步形成從化學反應中的物質變化、能量變化及反應速率與限度的視角科學解決問題的思路。能從調控化學反應速率與限度的角度綜合選擇合適的反應條件，解釋化學實驗和化工生產中條件的選擇問題，體會化學反應在生產生活中的應用。
第二部分
【課時教學設計】
教師大單元教學時可安排四個課時：①化學反應的方向②化學反應能量轉化及應用③化學反應限度④平衡移動的應用。
第①課時：化學反應的方向
1. 教學目標
（1）知道化學反應是有方向的。
（2）掌握焓判據及其局限性，通過圖形的變化了解活化能與焓變對反應條件的影響。
（3）通過對異常現象分析，理解焓的意義，建立生活中自然現象與熵的聯系；會定性判斷化學反應前后熵的變化情況。
（4）通過已有知識及日常生活經驗，構建化學反應方向的判斷模型。
（5）通過對汽車尾氣的綜合治理，能從限度、速率等角度對化學反應和化工生產條件進行綜合分析，提升對化學反應價值的認識。
2. 教學流程
以科學史話—金屬鉀的制備為情境引入，設計三個任務。
任務1：生活體驗——感知化學反應與能量的變化
設計意圖：學生對于放熱反應與反應自發性理解的“障礙點”主要在于反應條件，他們的錯誤理解是加熱才能發生的放熱反應就不是自發反應。通過一系列的師生對話，學生將直觀體驗、發生條件與反應的微觀過程、能量變化有序地整合在一起。通過教師不斷追問，引導學生在充分理解“焓變”的基礎上敢于質疑，從而培養學生自覺的批判意識，幫助學生全面認識“自發反應”的概念。
任務2：探究之旅——理解化學反應與熵值的變化
設計意圖：在概念課中引入創新實驗，發揮實驗的獨特價值，“熱冰”實驗讓學生感知“熵增”的局限性，再給出三個熟悉的反應，學生在自主探究中不斷修正錯誤觀念，體驗概念發展的過程，運用判斷、歸納、演繹等方法發現規律。正是對假設進行持續性的、客觀的檢驗，構成了批判性思維的一般過程。學生通過小組討論復合判據判斷自發性，從而完善自發反應判斷的思維模型。
任務3：問題解決——應用吉布斯自由能進行定量判斷
設計意圖：以金屬的制備這個情境貫穿于整節課，從定性的熵增到利用耦合反應（定量關系）進行熵增，學生在遞進式熵增反應的分析中，感悟到科學家認識和改造世界的經驗發展，盡可能還原知識的本來面目，讓學生逐漸成為規律的發現者。
3. 教學反思
本課例以“生活體驗”為切入點，以“認知沖突”為主線，以“化學史實”為背景，對感知反應方向、理解反應方向、應用反應方向進行有機組合，教學設計立足于學生認識生長點和知識的邏輯順序，構建和完善反應
方向判斷的思維模型。例外查閱知網發現有很多教學設計引導學生從生活、生命角度去了解熵變，用熵的概念理解人不斷“衰老”的過程，利用熵變的原理分析治理工業廢氣或廢液的關鍵環節，在課堂中滲透“生命教育”，能更好地培養學生的化學學科核心素養，這有待在下一輪的教學中開展相應實踐。
第②課時：化學反應能量轉化及應用
1. 教學目標
（1）能辨識化學反應中的能量轉化形式，能解釋化學反應中能量變化的本質。
（2）能明確化學反應能量變化的根源是內能的變化，能指出焓變與等壓反應熱的關系。
（3）能明確熱化學方程式的含義，能用熱化學方程式表示反應中的能量變化。
（4）能設計簡單路徑，利用蓋斯定律計算化學反應的焓變。
（5）能綜合運用能量守恒與轉化、物質變化等角度合理選擇和利用化學反應解決實際問題。
2. 教學流程
本節課圍繞“化學反應能量轉化與應用”的核心概念，以“中國航天神舟十四號載人飛船太空之旅”為情境引入，通過設計三個任務，借助“問題線、知識線、活動線”多角度、多維度的提升學生化學學科核心素養，加深核心概念的理解和應用。
任務1：化學反應能量的轉化形式與本質
設計意圖：認識到化學反應能量變化的本質是舊鍵斷吸收的能量和新鍵成釋放的能量不同。提升分析問題、團隊協作解決問題的能力。鍛煉宏觀辨析與微觀探析、科學精神與社會責任的化學學科核心素養。
任務2：熱化學方程式的書寫及焓變的計算
設計意圖：明確熱化學方程式書寫的注意事項和判斷正誤方法。了解焓變計算的一般方法和具體模板。利用等壓反應熱與反應焓變的關系理解能量的變化實質是內能的改變，利用能量示意圖求算化學反應的焓變。提升分析信息和數據，概括總結核心考點網格化知識的能力。鍛煉證據推理與模型認知的化學學科核心素養。
任務3：合理選擇和利用化學反應的能量
設計意圖：根據熱力學第一定律，即能量守恒定律，合理選擇化學反應為人類服務。能利用利用蓋斯定律計算化學反應的焓變，能綜合運用能量守恒與轉化、物質變化等角度合理選擇和利用化學反應解決實際問題。建立認識化學反應的能量視角，完善物質變化觀念，提高學生的探究能力、動手能力以及合作能力。鍛煉科學精神與社會責任、變化觀念與平衡思想的化學學科核心素養。
教學反思
本項目以“神舟十四號航天員太空之旅”為總任務驅動，通過完成三個基于真實情境的項目任務，理解和鞏固了化學反應熱效應的原理，將文獻查閱與學生實驗相結合，讓學生多角度地展示自己，旨在培養學生的文獻檢索能力、實驗探究能力以及高階思維能力。本項目式學習研究中也暴露了學生在實際動手研究中存在的一些問題。首先，學生在實驗方案的設計上存在不全面、不嚴謹的問題，變量控制意識不夠，需要提高科學探究性的意識。此外，學生的思考比較淺顯，不夠深入，需要教師提出呈梯度遞進的問題，多方面、多角度地引導學生深入思考并探究，使學生對實際問題的研究成為常態，養成思考和質疑的習慣。
第③課時：化學反應限度
1. 教學目標
(1)通過案例數據分析和實驗探究，自主探究繪制圖像，體會化學平衡的建立，概括化學平衡狀態的特征和歸納化學平衡狀態的判斷方法，形成認知化學平衡的基本思路，核心素養的培養指向證據推理與模型認知、變化觀念與平衡思想。
(2)通過創設問題情境，解決問題，鞏固化學平衡的核心概念，分析影響平衡移動的因素，核心素養的培養指向科學探究與創新意識。
(3)以化學史實為主線，融合學科思政，培養學生追求真理、契而不舍的科學精神，核心素養的培養指向科學態度與社會責任。
2. 教學流程
本節課圍繞“化學平衡狀態及影響因素”的主干知識，整體設計秉承“知識問題化、問題情境化”的設計理念，既考慮到知識的整體性，又注重核心素養的落實，以增強學生的實踐感和參與感，讓學生體會化學知識的價值和自主學習的樂趣。
任務1：化學平衡
設計意圖：學生通過分析數據變化和圖像，順利建立化學平衡狀態的核心概念好的課堂問題可以推動學生的思維向高階發展化學平衡的核心概念建立后，教師主要通過創設問題情境，推動學生思維不斷發展。通過問題逐步引導，幫助學生找到解決問題的方法和思路，通過數據圖像實驗現象等多角度定性判斷化學平衡，使學生解決問題的關鍵能力得到提升，形成學科思維模型。
任務2：影響化學平衡的因素
設計意圖：驅動學生思維向更高層發展通過畫圖學生會發現不同類型的反應體系，判斷標準不太一樣，使核心概念得到鞏固和深化設置懸念，可以將問題引向
縱深，引起學生繼續學習探究的欲望。
任務3：平衡常數、轉化率
設計意圖：通過鏈接高考，促進學生高階思維，提升證據推理與模型認知，變化觀念與平衡思想的核心素養。
3. 教學反思
這節復習課中精心選取適于學生的理解水平又切合教學內容的實驗和例題，通過問題情境有意識地將有關圖像探究融入教學中，同時引導學生探究教材和實驗數據，采用對比、類比等方法獲得相關結論，通過問題驅動和設計層次分明的問題，在解決問題的過程中將理論知識系統化，達成知識的自主建構，有效促進了學生對平衡狀態概念內涵的理解，提升了學生獲取與加工信息的能力，在潛移默化中促進學生對“證據推理與模型認知”“變化觀念與平衡思想”的全面發展。高三復習離不開實戰演練，實戰演練是鞏固知識、提高能力的重要環節，教師應尋找具有代表性、典型性的訓練素材，訓練學生的審題能力、思維能力、解題技巧，通過變化條件和設問的角度來訓練學生知識遷移和運用能力，促使學生將已建構的知識體系轉化為解決問題的能力。
第④課時：平衡移動的應用
教學目標
（1）理解外界條件（濃度、溫度、壓強、催化劑等）對反應速率的影響，能用相應理論解釋其一般規律。
（2）了解化學反應速率和化學平衡的調控在生產、生活和科學研究領域的重要應用。
2. 教學流程
本節以諾貝爾化學獎獲得者德國物理化學家弗里茨.哈伯發明了人工合成氨為情境引入，設計四個任務環節。
任務1：合成氨的研究與條件選擇
設計意圖：會使用吉布斯自由能變△G=△H-T △S進行判定反應能否自發進行；明確K值的意義，可以表達反應進行的限度。能夠依據圖像分析變量的大小，明確平衡移動方向與T、P的改變關系。從濃度商的角度認識反應的方向：Qc＜Kc。
任務2：單一反應中條件的調控
設計意圖：運用熵變、焓變，判斷平衡移動的方向，根據圖像分析你反應對反應方向的影響。能從速率、平衡兩個方向分析圖像。
任務3：并行反應中條件的調控
設計意圖：從溫度、熵變的方向分析平衡移動，明確催化劑不能更改化學反應平衡，能夠分析圖像的最高點與平衡點的區別。
任務4：總結化工生產中調控反應的一般思路
設計意圖：能夠從多角度認識一個反應，檢測本節課學習成果。
第三部分
【結論】在新課程標準的科學指導下，在大概念教學理念的引領下，總結大單元教學設計的主要特征，提出本單元“化學反應能量轉化與守恒規律”的教學設計思路。在教學設計中，滲透核心概念的教學理念，總結歸納出重要的核心概念和次要概念，形成科學有效的概念網格圖，幫助學生加深核心概念的理解和應用，提升學生化學學科核心素養水平。
設計理念方面，本單元采用“利用化學反應促進人類發展”為主題引領，完善學生認識與利用化學反應的基本視角。內容設計方面，重視教學內容的結構化設計，注重主題引領，注重情境載體，重視項目式教學的設計與實施，使學生感受到化學來源于生產生活，又應用于生產生活，深刻的體會到化學學科對社會生活、人類發展的重要作用和重大貢獻。
有計劃的整體上發展學生化學學科核心素養，突出能量觀、守恒觀、變化觀、平衡觀的培養。開展以生活化學實驗、化學生產為主的多種探究活動，收集證據信息并進行推理驗證，發展學生科學探究和證據推理能力，培養學生用宏觀和微觀相結合的視角認識化學反應、解決實際問題的能力。發展學生對化學價值的認識水平，培養學生的科學精神與社會責任的核心素養。

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