浅谈学科大概念统领下的教学设计

温远松

[摘要]人教版高中化学必修（第二册）“硝酸的氧化性”教学为例，阐述通过“提炼学科大概念、发展学科大概念、运用学科大概念”来实施学科大概念统领的教学，以培养学生能力，促进学生化学学科核心素养的发展。

[关键词]学科大概念;学科核心素养;迁移;物质的氧化性还原性

《普通高中化学课程标准（2017年版）》（以下简称新课标）[1]提出，高中化学课程的基本理念是“以发展化学学科核心素养为主旨”。为此，新课标凝练了化学学科核心素养，并强调“重视以学科大概念为核心，使课程内容结构化，促进学科核心素养的落实”。依据新课标的要求，以学科大概念统领教学，实现从“知识本位”到“素养本位”教学转变，是学科核心素养落地的重要渠道。

下面以2019年出版的人教版高中化学必修（第二册）（以下称新教材）[2]“硝酸的氧化性”教学为例，说明如何实施以学科大概念统领教学，促进学生化学学科核心素养的发展。

一、聚焦教学内容，挖掘学科大概念

所谓学科大概念（又称为学科思想、核心观念等），并非指学科中某一具体的概念或方法，而是这些具体知识背后的能反映学科本质、更为核心的、具有普遍性和广泛解释力的原理和思想方法，可运用于新的情境，具有持久的可迁移应用价值[3]。从学科本质出发，深入分析教学内容、学科基本思维方式以及学科知识价值，可以分析和提炼具体内容所蕴含的学科大概念。

“硝酸的氧化性”是新教材第五章第二节《氮及其化合物》中的重要内容，教材以浓硝酸、稀硝酸与铜反应为例，说明硝酸具有很强的氧化性，硝酸的浓度不同，与金属反应的产物也不同。

假如将教学定位于了解浓、稀硝酸都具有强氧化性，在一定条件下可氧化金属、非金属、某些有机物及其它还原性物质，掌握浓、稀硝酸与Cu反应的规律，了解浓硝酸的钝化作用等，那么学生的学习基本上就停留在记忆、辨识等浅层学习层面，学生所获得的是具体的、不可迁移的“死”知识，难以转化为解决相关问题的关键能力，对学科核心素养的形成和发展帮助不大。

事实上，学生此时已经能从物质类别、元素价态的角度，依据复分解反应和氧化还原反应原理，预测物质的化学性质;知道硝酸是强酸，在水溶液中以H+和NO3-的形式存在，容易理解HNO3所表现的酸的通性就是H+的性质，发生的反应为离子反应。但由于强氧化性是HNO3的特殊性质，学生对HNO3的强氧化性的理解，容易停留在“HNO3分子”的层面，只知道硝酸作强氧化剂是由于“HNO3分子”中+5的氮处于最高价，容易得电子，却往往忽略硝酸作强氧化剂，其实是NO3-在酸性条件下得电子，同样是NO3-，在中性或碱性溶液中得电子能力并不强，即NO3-得电子的能力与溶液的酸性有关。在无“现成”硝酸的情形下，含NO3-的溶液在酸性增强时，也能表现出“现成”硝酸的强氧化性，这种规律也适用于ClO-、ClO3- 、IO3-等离子。

因此，笔者认为，这一主题的学科大概念可以是“物质的氧化性、还原性既与核心元素的价态有关，又与物质的形态、溶液的浓度和酸碱性等因素有关”。该大概念统摄了氧化还原反应原理的多个概念和诸如NO3-、ClO-、ClO3- 、Cl-、IO3-、I-、S2-、SO32-、Fe2+、Fe3+等许多氧化剂、还原剂在不同反应中表现出来的性质，它们之间的关系如图1所示。

二、聚焦问题解决，发展学科大概念

实施大概念统领下的教学，教师应创设情境，設计具有思考价值的问题来驱动学生的思维活动，引导学生在问题解决过程中，对具体化学知识做深入的思考，建构对知识的深层理解，引导学生从学科大概念的高度，梳理概念体系，整合相关知识，使知识结构化，把握其中的学科思维方法，并主动迁移运用于考察事物和解决问题。

基于此，对“硝酸的氧化性”教学进行设计，关键环节的教学过程如下：

实验探究“浓硝酸、稀硝酸分别与Cu反应”，得出“浓、稀硝酸均具有强氧化性”“浓硝酸的氧化性强于稀硝酸”的结论（过程略）。

[提出问题]硝酸的强氧化性是溶液中的哪种离子在起作用？

[学生]提出假设：①硝酸的氧化性是H+的作用;②硝酸的氧化性是NO3-的作用;③硝酸的氧化性是H+和NO3-的共同作用。

[教师]请设计实验方案验证哪种假设成立。

[学生]分组设计实验方案→汇报、交流、讨论实验方案→选择、优化、完善实验方案→确定实验方案。

[学生]根据实验方案，进行探究实验：①向2mL 4mol/L盐酸溶液中加Cu片，无明显现象;②向2mL饱和硝酸钠溶液中加Cu片，无明显现象;③将①②两试管中溶液及Cu片混合，加热，Cu片上有气泡产生，溶液变浅绿色，试管口出现红棕色气体。

[得出结论]硝酸的氧化性是H+和NO3-共同作用的结果。NO3-在中性或碱性溶液中无强氧化性，在酸性溶液中有强氧化性。

[教师]你对物质的氧化性、还原性有何新的认识？

[学生]物质的氧化性还原性不但与核心元素的价态有关，还与物质所处的环境有关，如溶液的酸碱性、溶液的浓度等。

设计意图：

学生在解决“硝酸强氧化性的实质”问题的过程中，通过实验探究，抽象概括，得出规律，深化对物质的氧化性、还原性的理解，获得具有普遍意义的学科大概念。

[提出问题]

①Fe2+、Na+ 、NO3-、SO42-能在溶液中大量共存，Fe2+、 H+、NO3-、SO42-能在溶液中大量共存吗？

②向Fe（NO3）2溶液中滴加鹽酸，请预测实验现象，并作出解释。

③请设计实验检验某无色溶液中的NO3-。

[学生]讨论、交流、得出结论。

设计意图：

将获得的学科大概念迁移，解决硝酸盐的相关问题，既巩固这一课题所学知识，又逐步培养学生解决问题的关键能力。

[资料]FeSO4补铁剂易被氧化，吸收率较低;血红素铁补铁剂是Fe2+与卟啉形成的配合物，不易被氧化，吸收率高。

[提出问题]阅读资料，说一说物质的氧化性还原性还与那些因素有关？

[学生]Fe2+的配合物比Fe2+稳定，不易被氧化。可见物质的氧化性还原性不但与核心元素的价态有关，还与物质的形态有关。

[师生小结]物质的氧化性还原性既与核心元素的价态有关，又与物质的形态、溶液的浓度和酸碱性等因素有关。

设计意图：

让学生重新审视“铁盐和亚铁盐”的有关性质，将不同阶段所学氧化还原反应知识联系起来，探寻其上位概念，拓展和丰富认识维度和认识角度，发展更具统摄性、更具解释力、更具迁移价值的学科大概念。

三、聚焦评价与反思，运用学科大概念

学生是否形成超越具体化学知识的学科大概念，能否运用学科大概念“远迁移”至陌生情境，分析问题解决问题，可以通过学习评价进行检验;以适当的评价引导学生对相关知识进行反思、完善，又可以反过来提升学生学科大概念的理解水平，促进学生思维发展，使学科核心素养真正落地。以解释、分析与应用等认知活动来解决化学问题，是常用的评价方式。以下是笔者设计的一组评价问题：

①请解释：KMnO4的氧化性在酸性溶液中比中性或弱碱性溶液中强，在酸性溶液中的还原产物为Mn2+，在中性或弱碱性溶液中的还原产物为MnO2。

②同为-2价硫和+4价硫，为什么H2S容易与SO2反应：2H2S + SO2 == 3S↓ + 2H2O，而S2-和SO32-却能在碱性溶液中大量共存？

③稀硫酸与铜不反应，硝酸与铜反应生成Cu（NO3）2。工业上往往用硝酸和硫酸的混合液与铜反应生产CuSO4，为什么？试分析其反应原理。

④向萃取了I2的CCl4溶液中滴加足量40%NaOH溶液，边加边振荡，该操作称为“反萃取”，发生反应的离子方程式为：3I2 + 6OH- = 5I- + IO3- + 3H2O。将“反萃取”所得的水溶液“酸化”，能析出紫黑色的碘，试分析“酸化”过程发生反应的原理，并写出离子方程式。

大概念的学习是一个持续而深入的过程，需要以适合学习者不同认知发展阶段的方式来表达[4]。学生在对具体的知识、概念进行纵向向上的抽象、概括，获得具有普遍意义的学科大概念后，再纵向向下地运用学科大概念分析、解释或解决具体问题，才能将知识转化为能力。

可以看出，以学科大概念为统领的教学超越了具体知识的教学，是“素养为本”的教学。在学科大概念的引领下，学生逐步拓展和改造知识结构，逐步领悟学科思维方式，逐步认识学科价值和精神，最终理解学科本质，建构学科核心观念，形成学科核心素养。

参考文献

[1]中华人民共和国教育部制定.普通高中化学课程标准（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018.

[2]王晶，毕华林主编.普通高中教科书·化学必修第二册[M].北京：人民教育出版社，2019：15-16.

[3]何彩霞.以大概念引领学生思维发展——高中化学必修1“物质的分类及转化”教学探讨[J].教育与装备研究，2019，（9）：40-44.

[4]（英）温·哈伦编著.以大概念理念进行科学教育[M].韦钰译.北京：科学普及出版社，2016：1-12.