基于三重表征的单元复习教学设计

麦燕宁 许燕红

摘要： 以三重表征为主线的化学单元复习教学，充分体现知识的逻辑性与整合性。构建基于三重表征的单元复习教学设计思路，并以“化学反应的热效应”为例开展高三单元复习教学。

通过创设情境、宏观表征、探本溯源、深化理解、抽提观念等教学流程，

突出三重表征对学生系统掌握化学知识、全面发展核心素养的重要作用。

关键词： 三重表征； 单元复习； 教学设计； 反应热效应

文章编号： 1005-6629（2022）11-0054-07

中图分类号： G633.8

文献标识码： B

化学是在原子、分子水平上研究物质的组成、结构、性质、转化及其应用的一门基础学科，其特征是从微观层次认识物质、以符号形式描述物质、在不同层面创造物质［1］。而化学三重表征是指化学宏观知识、微观知识和符号知识在教材（教学）中的呈现形式，以及在学习者头脑中的信息加工和储存方式［2］。由此可见，三重表征充分体现了化学学科的本质特征，是学习化学独特的思维方式。在单元复习教学过程中，以“宏观-微观-符号”三重表征为主线整合教学内容，开展教学活动，不仅体现了教学内容的逻辑性，而且有助于学生从宏观、微观、符号的三重角度系统掌握化学知识，将化学知识以三重表征相互关联的形式储存在头脑中，更有利于迁移应用化学学习的方法和策略，有效形成化学学科思想观念，全面发展化学学科核心素养。本文以“化学反应的热效应”高三单元复习课为例，基于三重表征的视角开展单元复习教学，突出三重表征教学对于学生整体复习的重要作用，达到发展学生核心素养的目的。

1 “化学反应的热效应”高三单元复习教学现状

“化学反应的热效应”是高考的核心知识之一，其中的“热化学方程式”更是高考的热点，已毋庸置疑地成为高三单元复习课堂的主角。但在该单元复习教学过程中，教师往往围绕“热化学方程式”的书写以及“盖斯定律”的计算，让学生进行题海战术的反复操练［3］。如此过度关注碎片化的、僵化的、结论性的考点知识，看似提升了复习的“效率”，其实严重忽略了各知识点相互之间严密的逻辑关系，不利于学生对知识的整体性的把握。因此在高三化学复习课中，教师要注重学科知识的内在逻辑，整合并关联复习的内容，引导学生基于宏微结合、变化守恒等视角深刻理解各知识点的来龙去脉，促进学生对化学学科本质的理解和化学基本思想观念的掌握，设计有助于发展学生学科核心素养的单元复习教学。

2 基于三重表征的单元复习教学设计思路

单元复习教学设计中的“单元”并非仅限于教材的某一单元，其更加注重的是“经验单元”或者“逻辑单元”，它是基于一定的学习主题而确立的一个知识模块［4］。三重表征作为化学独特的思维方式，意味着学生在化学学习过程中，需要从宏观上观察与辨识、微观上理解与解释、符号上简化与表达。因此，基于三重表征的单元复习教学恰好结合了学生的经验逻辑与学科的知识逻辑，有助于促进学生对知识的整体把握和本质理解。

2.1 整合单元复习教学内容，明确三重表征角度

“化学反应的热效应”高三单元复习课的知识内容贯穿整个中学化学，具有容量大、跨学段、跨教材、跨章节的特点。学生通过不同的学段学习相关的内容，在进入高三复习阶段后，对这些庞杂的知识内容往往感到心有余而力不足。因此，教师需要基于三重表征的视角，有机整合相关的学习内容，把握教与学的深度与广度，促进学生对知识的整体把握。本文通过分析教材以及课程标准中对“化学反应的热效应”内容的要求，以毕华林教授提出的在课程与教学视角下三重表征的实质与内涵为依据［5］，从“宏观-微观-符号”三重表征角度将相关知识进行划分和整合，得到“化学反应的热效应”高三单元复习核心知识关联图（见图1）。

2.2 确立单元复习教学目标，挖掘素养发展价值

单元复习教学目标是教学的出发点也是落脚点，它指导并调整教师“教”的过程，也预期学生“学”的结果。而课程标准作为化学课程的纲领性文件，对教材编写、教学实施、考试评价发挥着重要的指导作用。通过研读并梳理化学课程标准中的内容要求和学业要求，基于三重表征的视角，

结合具体的知识点，挖掘相关内容的素养发展价值，设置“化学反应的热效应”单元复习教学目标（如表1所示）。

2.3 重构单元复习教学流程，形成三重表征思维

通过梳理发现，“化学反应的热效应”单元复习知识内容相互之间存在较强的三重表征逻辑思维关系。首先，学生需要从宏观的角度辨识化学反应能量的转化形式，并采用焓或能量的变化示意图进行宏观表征；其次，从化学键、活化分子等微观的视角深度理解并解释化学反应热效应的本质；然后，还需要从符号视角采用热化学方程式正确地表征反应热，能熟练运用盖斯定律计算反应的焓变，系统整合该主题知识，建立良好的价值判断，运用物质观和能量观分析和解决社会能源等实际问题；在整个复习过程中，学生的认识方式从宏观到微观再到符号、从定性到定量、从孤立到全面，最后形成系统的物质观和能量观，由表及里，层层深入，形成完整的三重表征思维，在掌握核心知识的同时发展化学学科核心素养。以三重表征为主线，以促进学生对知识的整体掌握和核心素养的发展为目的，重构基于三重表征的单元复习教学流程如图2所示。

3 教学过程

3.1 创设情境，激发兴趣

［导入］从自然的火山爆发到手动的钻木取火，人类征服自然的开端在于火的发现与使用。从干枯枝叶的燃烧到现如今煤、石油、天然气等能源的开采使用，物质燃烧一直以來是人们获取能量的基本途径。

［问题］随着人们生活水平的提高，能源的需求量不断增大，然而现有的自然能源是有限的。未来能源路在何方？如何促进能源的可持续发展？

［资料］新闻视频：十五部委联合推广车用乙醇汽油。新闻内容：乙醇汽油是用90%的普通汽油与10%的燃料乙醇调和而成的车用替代燃料。我国从2003年起在黑龙江、吉林等省市陆续推广使用乙醇汽油。乙醇汽油可以有效改善油品的性能与质量，降低污染物的排放，不影响汽车的行驶性能。

设计意图：通过引古到今叙述能量的获取方式，创设真实的问题情境和乙醇汽油的推广使用情境，密切联系生产生活实际，让学生认识到能源的重要性和自然资源的有限性，引起学生的重视，引发学生的思考，激发学习的兴趣。

3.2 宏观表征，形成认识

［引导点拨］通过建立概念关系图（如图3所示）让学生辨析并掌握能量、热量、吸热反应、放热反应、反应热、焓变等概念。

［小组讨论］举例并总结常见的吸热反应和放热反应的类型。

［教师］以乙醇燃烧放热反应以及木炭还原二氧化碳的吸热反应为例，用焓或能量的变化示意图宏观表征放热反应和吸热反应。

［学生］画出吸热反应和放热反应中焓或能量的变化示意图（如图4所示）。

［教师］观察焓或能量的变化示意图，你们有什么发现？

［学生］对于一个化学反应，如果E（生成物）＜E（反应物），那么该反应为放热反应，反之为吸热反应。ΔH=E（生成物）-E（反应物），如果ΔH＜0，那么该反应为放热反应，反之为吸热反应。

设计意图：将相互联系的能量、热量、吸热反应、放热反应、反应热、焓变等概念，以概念关系图的形式进行概念辨析，有助于学生对各个概念形成整体性、关联性的理解。通过让学生总结常见的吸热反应与放热反应，动手画出焓或能量的变化示意图进行宏观的表征，让学生从宏观角度对反应热形成初步的认识。

3.3 宏微结合，探本溯源

［教师］乙醇燃烧为什么会放热？反应热的本质是什么？物质微粒在反应过程中存在什么行为？这些行为的结果是什么？

［微观示意图］画出或展示乙醇燃烧的化学反应微观变化过程示意图如图5所示。

［小组讨论］观察乙醇燃烧微观变化过程示意图，分析反应热的本质，讨论在反应过程中微粒的运动、碰撞行为，归纳能够使化学反应发生的微粒碰撞需要的条件。

［学生］在化学反应过程中，化学键的断裂与形成是分子、原子剧烈运动、相互碰撞的结果，当这种碰撞具有合适的取向且微粒具有足够的能量时，就能促使化学反应的发生，这种碰撞被称为有效碰撞。由此可见，物质微粒进行有效碰撞的过程中，断键的吸热过程和成键的放热过程的综合作用导致了化学反应的热效应。

［教师］是否所有的分子都具有足够的能量发生有效碰撞？

［学生］理解活化分子、活化能的概念，并在焓或能量的变化示意图中标注这两个反应的活化能（见图6）。

［教师］活化能是引发物质相互之间发生化学反应的最低能量。活化能对人类生活有什么意义？活化能越高越好吗？

［学生活动］讨论活化能与人类生存发展的关系，在焓或能量的变化示意图中标注催化剂对反应活化能的影响（见图7）。

［学生汇报］活化能使许多物质能够在自然界中较为稳定地存在，从而保护了地球上有限的自然资源，如自然能源石油、天然气等。但是对于我们需要让其发生反应的物质，如果活化能越高，那么物质越稳定，也就意味着需要创造更苛刻的条件并给予充足的能量，这些物质才能发生反应。比如合成氨反应，这对我们也是不利的，所以需要辩证地看待活化能与人类生存发展的关系。但幸运的是，我们可以通过加入催化剂来降低反应的活化能却不改变反应热。

设计意图：展示乙醇燃烧的微观变化过程示意图，有助于学生理解化学反应中化学键的断裂与形成、活化分子的有效碰撞等微观过程，从宏观过程到微观过程逐级完善焓或能量的变化示意图，学会从微观角度解释宏观现象，发展宏观辨识与微观探析素养。同时通过讨论活化能对人类生存发展的意义，发展学生的辩证思维和社会责任心。

3.4 符号表征，深化理解

［教師］化学反应放出或吸收的热量具体是多少呢？如何确定？如何用化学符号进行表征？

［学生活动］理解中和热、燃烧热概念，分析简易量热计的构造，探究中和热的测定原理，设计实验方案，并在小组内进行汇报。

［教师］已知在298K、 100kPa下，CH3CH2OH的燃烧热为-1366.8kJ·mol-1，CO的燃烧热为-283.0kJ·mol-1［6］，请分别写出CH3CH2OH及CO燃烧热的热化学方程式。

［学生］书写CH3CH2OH及CO燃烧热的热化学方程式。

CH3CH2OH（g）+3O2（g）2CO2（g）+3H2O（l）

ΔH=-1366.8kJ·mol-1

CO（g）+1/2O2（g）CO2（g） ΔH=-283.0kJ·mol-1

［学生讨论］总结热化学方程式书写的注意事项，分析热化学方程式与化学方程式的区别（见图8）。

［教师］所有的反应热数据都能通过实验测定获得吗？我们方便测出CH3CH2OH（g）+2O2（g）2CO（g）+3H2O（l）的反应热吗？为什么？

［学生］当反应进行得很慢或者有副反应发生时（如生成一氧化碳的反应总会有二氧化碳副产物生成），这些反应不能直接测定反应热，需要通过盖斯定律进行计算。

［引导点拨］盖斯定律的内容。

［学习任务］根据CH3CH2OH及CO燃烧热的热化学方程式，利用盖斯定律计算CH3CH2OH（g）+2O2（g）2CO（g）+3H2O（l）的反应热。

（1） CH3CH2OH（g）+3O2（g）2CO2（g）+3H2O（l） ΔH1=-1366.8kJ·mol-1

（2） CO（g）+1/2O2（g）CO2（g） ΔH2=-283.0kJ·mol-1

（3） CH3CH2OH（g）+2O2（g）2CO（g）+3H2O（l） ΔH3＝？

热化学方程式（3）=（1）-2×（2），所以ΔH3=ΔH1-2ΔH2=-800.8kJ·mol-1

［教师］除了利用盖斯定律计算反应热，还有别的方法吗？

［提供资料］已知在298K、 100kPa下，一些化学键的键能如表2所示［7］，计算CO（g）+1/2O2（g）CO2（g）的反应热，并和实验测定值进行比较。

［学生］利用键能数据计算CO（g）+1/2O2（g）CO2（g）的反应热。

ΔH=E（反应物总键能）-E（生成物总键能）=E（C—O）+1/2E（OO）-2E（CO）=1076kJ·mol-1+1/2×498kJ·mol-1-2×803kJ·mol-1=-281kJ·mol-1。

［教师］你们有什么发现？

［学生］键能计算值和实验测定值不相等，但是很接近。

［引导点拨］键能是指气态分子中1mol化学键解离成气态原子所吸收的能量［8］。相同的化学键在不同的化合物中受到分子、原子的影响不同，键能也不一定相同，而且反应物及生成物的状态也未必能满足键能定义的条件，因此利用键能计算的反应热不能代替精确的热力学计算和实验测定，但由键能估算反应热也具有一定的实用价值［9］。

设计意图：通过讨论反应热的测定原理，设计实验测定方案，发展学生的逻辑分析和科学探究能力。书写热化学方程式和利用盖斯定律计算反应热，有助于学生将所学的知识整合起来，以符号表征的形式存储在大脑中，架接起宏观表述和微观表征的桥梁，建立三重表征之间的关联，逐渐形成系统的能量观，发展变化观念与平衡思想素养。

3.5 价值判断，抽提观念

［教师］乙醇汽油有什么优缺点？我们应该如何选择和利用燃料？

［学生1］乙醇燃烧热数值大，燃烧放出的热量较多。

［学生2］乙醇汽油燃烧不产生有毒气体，可以替代作为车用燃料。

［学生3］乙醇具有挥发性，且其主要来源于粮食的生物发酵，粮食一旦减产，其供应可能会受到影响。

［教师］很好，燃料都有自身的优缺点，那么如何选择和利用燃料呢？

［学生活动］讨论分析选择和利用燃料需要考虑的维度，归纳总结如图9所示。

［教师］我国的能源总量虽然较为丰富，但人均能源可采储量远低于世界平均水平，且存在能源结构不平衡、资源分布不均衡的问题。面对有限的自然资源，我们如何实现能源的可持续发展？

［学生活动］讨论实现能源可持续发展的措施，归纳总结如图10所示。

设计意图：通过讨论和总结燃料选择需要考虑的维度以及实现能源可持续发展的措施，让学生关注燃料的选择利用以及能源的可持续发展等社会热点问题，培养学生的参与意识和决策能力，抽提系统的能量观，使能量观的学科价值向社会价值转化，发展学生的社会责任素养。

4 教学反思

4.1 串珠成线，层层深入

以三重表征为主线，将“化学反应的热效应”高三单元复习知识点串联起来。通过宏观辨识化学反应的热效应现象和图像表征能量的变化，从化学键和活化能等微观角度解释宏观现象；利用热化学方程式对反应热进行符号表征，一方面促使学生的认识方式从定性到定量以及从孤立到全面的深度转变，另一方面使学生对庞杂的化学知识形成清晰的“宏观-微观-符号”三重表征的思维，串珠成线，由表及里，层层深入，促进学生对化学知识的深度理解。

4.2 整合知识，抽提观念

学生在高一、高二学段分别学习“化学反应的热效应”的相关知识，进入高三阶段后，这些知识是以碎片化的形式存储在学生的大脑中。因此，单元复习课的教学需要有效整合外显的学科知识和内隐的学科观念。基于“宏观-微观-符号”三重表征的视角，划分并整合核心知识，有助于学生形成完整的知识体系，抽提出系统的能量观，提高解决实际问题的能力。

4.3 明确导向，发展素养

明确育人为本的素养导向，以知识点为载体，以学生活动为主要形式，发展学生的化学学科核心素养。在“化学反应的热效应”高三单元复习课中，可以通过宏观辨识化学反应的能量转化形式以及微观探究其本质原因，发展学生宏观辨识与微观探析素养；通过热化学方程的书写和盖斯定律的应用，发展学生的变化观念与平衡思想素养；通过讨论燃料的选择与利用以及能源的可持续发展的社会热点问题，发展学生的科学态度与社会责任素养。

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2020年修订）［S］. 北京： 人民教育出版社， 2020： 1.

［2］ 张丙香， 毕华林. 化学三重表征的界定及其关系分析［J］. 化学教育， 2013， 34（3）： 8～11.

［3］ 褚幼萍. 追求科学、真实、全面的教学——“化学反应中的热效应”教学及反思［J］. 化學教与学， 2015，（10）： 53～59.

［4］ 李润洲. 指向学科核心素养的教学设计［J］. 课程·教材·教法， 2018， 38（7）： 35～40.

［5］ 毕华林， 卢姗姗. 化学三重表征的实质与三重表征能力的培养［J］. 课程·教材·教法， 2021， 41（3）： 110～116.

［6］ 王晶， 郑长龙主编. 普通高中教科书·化学（选择性必修1）［M］. 北京： 人民教育出版社， 2020： 120.

［7］ 罗渝然. 化学键能数据手册［M］. 北京： 科学教育出版社， 2005： 191～209.

［8］ 王晶， 郑长龙主编. 普通高中教科书·化学（选择性必修2）［M］. 北京： 人民教育出版社， 2020： 37.

［9］ 宋天佑， 程鹏， 徐家宁， 张丽荣. 无机化学（第四版）［M］. 北京： 高等教育出版社， 2019： 68～69.