大概念统领下“化学能与电能”单元教学设计与实践

夏添

摘要：从“能量转化”视角抽提大概念统领必修2“化学能与电能”的单元教学，从而实现知识关联、认识思路、核心观念的结构化。教学中以真实情境为载体，在实际问题“如何让小车跑起来”“小车为什么能跑起来”及“如何让小车跑得更好”的解决过程中发展学生对原电池模型的逐层认识，进而促进学生核心素养的发展。

关键词：大概念；化学能与电能；单元教学；教学设计

普通高中化学课程标准（2017年版）（以下简称新课标）明确指出学科课程应“重视以学科大概念为核心，使课程内容结构化” ^[1]；“教师在组织教学内容时应高度重视化学知识的结构化设计，充分认识知识结构化对于学生化学学科核心素养发展的重要性” ^[2]；近几年以学科大概念为统领进行单元教学设计已经成为研究热点之一。张星华^[3]对2010～2020高中化学“化学能与电能”教学设计进行了文献分析，并从教学目标设置、教学内容组织、情境素材的选择等对文献进行了梳理。从现有文献看，较少关注大概念统领下的“化学能与电能”单元教学，鉴于此，本文以真实问题情境“如何让小车跑起来——小车为什么能跑起来——如何让小车跑得更好”为主线，探讨大概念统领下“化学能与电能”单元教学设计过程。

1  “化学能与电能”单元教学所蕴含的大概念

从新课标看：在高一必修阶段 “化学能与电能”隶属于新课标主题3：物质结构基础与化学反应规律中“化学反应与能量转化”部分。新课标明确指出：“知道化学反应可以实现化学能与其他能量形式的转化，以原电池为例认识化学能可以转化为电能，从氧化还原反应的角度初步认识原电池的工作原理。”教学策略应“发挥重要知识的功能价值，帮助学生发展认识化学反应的基本角度，形成基本观念” ^[4]。

“当事物发生变化或被改变时，会发生能量的转化，但是在宇宙中能量的总量总是不变” ^[5]是《科学教育的原则和大概念》一文10个科学大概念中 “能量”概念的内涵阐述。化学能与电能的转化作为能量转化的重要形式，是在化学能与热能基础上对化学反应的认识角度和认识内容的进一步丰富，教学中有必要从“能量”的视角梳理“化学能与电能”教学内容。2019年出版的人教版高中化学必修（第二册）教材^[6]（以下简称新教材）中有关化学能与电能的内容主要包括：原电池及其工作原理，简易电池的设计与制作（原电池构成要素及其性质、作用的探讨），化学电池（锌锰干电池、铅酸蓄电池的简单认识）；形成与能量相关的主要观念有：①氧化还原反应伴随着电子的转移，利用氧化还原反应能实现化学能转化为电能②原电池装置将氧化、还原反应在不同区域进行，实现了化学能向电能的转化③原电池电极材料、电解质溶液的组成及状态、电池连接方式等可以影响化学能转化为电能的效率。基于此，以“当事物发生变化或被改变时，会发生能量的转化，但是在宇宙中能量的总量总是不变”这一大概念为统领，从转化形式、转化原理、转化装置、转化效率等能量视角对相关内容进行“自下往上”的梳理，从而形成大概念统领下“化学能与电能”单元教学知识框架（见图1）。教师通过融入真实情境的、关注学生知识结构化和认识思路结构化的教学，实现促进学生核心素养的发展的目的。

2 单元教学目标及教学整体思路

2.1学情分析

学生通过初三的学习，知道物质发生化学变化时伴随有能量变化，认识到通过化学反应获得能量的重要性；通过高一的学习，认识到氧化还原反应的本质是电子转移；通过化學能与热能的学习，认识到化学反应中化学键的断裂和形成是化学反应中能量变化的本质原因；同时学生还形成了一定的元素观、转化观、微粒观、能量观等，但对实验的观察、探究、设计能力还不足，还需发展对原电池本质的理解，进一步丰富对能量转化形式、能量转化途径和条件的认识。

2.2单元教学目标及课时分配

基于上述分析，以大概念统领的单元教学设计，核心是从能量转化角度建立认识化学反应的思路，进而促进学生建构并运用原电池认识模型。在单元整体目标定位上拆解两个课时，并设计递进性的分课时目标，其相互关系见图2。

2.3单元教学整体思路

基于单元教学目标，本单元教学设计通过“小车动起来”真实情境的挖掘，引导学生在实际问题“如何让小车跑起来”“小车为什么能跑起来”及 “如何让小车跑得更好”的提出与解决过程中，发展学生系统、微观、动态的认识过程，认识研究对象的本质特征、构成要素及其相互关系，并最终促使学生综合运用所学知识认识、解释实际问题。

3大概念统领下“化学能与电能”单元教学设计中几个关键环节的处理

3.1选用真实的大情境引领学生发展对大概念的认识

大概念的抽象、复杂及结构化必然导致学生认识上的困难，在教学上将大概念与真实情境有机融合，能有效降低学生认识难度。只有在真实情境下运用某种或多种知识完成特定的任务，才能评估关键能力、必备品格与价值观念^[7]。单元教学中的真实大情境，一要突出“大”，以一个大情境贯穿单元教学始终，学生能够依据大情境自主设计实际问题、解决实际问题，即知道要干什么，应该怎么干。这种大情境区别于老师为了引入下个活动抛出的零散情境，“戴帽子”的情境，应真正能引领学生系统地、深入地进行思考和知识建构；二要突出“真实”，既能将课程与真实生活或生产建立联系，又能让学生在大情境中开展活动、完成特定任务。基于此，本单元教学中，选取贴近学生生活的 “小车动起来”为情境贯穿单元教学始终，在教学中开展了系列真实问题的研究活动，这些问题间有一定的层次性和逻辑结构，符合学生对陌生项目解决的认知思路，体现了相关知识在解决生产生活中问题的应用价值，有效促进学生建立原电池的认识模型及运用认识模型解决实际问题（见图3）。

3.2在原理教学的起始课，要依托大概念建立结构化认识

能量观是化学学科中的重要观念。在必修阶段，化学能与热能、化学能与电能共同丰富了学生对化学反应中能量变化的认识角度和认识内容。以能量观统摄化学能与电能单元教学，尤其在教学的起始课，依托大概念，以“能量观”的视角将原电池原理知识融入到“化学反应可实现化学能转化为电能”、“能量转化需要一定的装置，原电池是实现化学能转化为电能的装置”、“能量的转化是有条件的，改变条件可影响化学能转化为电能的效率”这样的学科概念中（见表1），能有效促进学生学科知识、认识思路及学科观念的结构化（见图4）。

3.3在模型应用阶段，通过探究实践、反思内化实现对大概念的深入

学生大概念的形成不是一蹴而就的，需要在不同教学内容、不同教学情境下反复建构，不断丰富。通过大概念统领下课时1原电池原理的学习，学生认识了原电池模型，识别了原电池的构成要素，形成了基本的“能量观”，但这些思想方法、认识视角和思维方式需要在实践中反复内化。课时2以“如何使小车跑得更好”为核心任务引导学生探索化学电源（见表2）。学生在“做中学”，利用原电池原理和构成要素改进装置，探究提高电池效率的方法，并以此为基础探索认识燃料电池、设计干电池。在反复应用已有知识综合分析和解决实际问题的过程中，学生的知识、方法、观念得到相互支撑和迁移应用，实现了对大概念的深入理解。

4单元教学效果与实践反思

4.1教学效果分析

通过纸笔测试、访谈等手段对本节课进行了测查。

1.下列装置能让电机驱动小车（如下图所示）动起来的是（  ）

评价目标：能建立锌铜原电池各部分与原电池构成要素（电极材料、电极反应物、离子导体、电子导体）的关联。

2.下列四个常用电化学装置的叙述错误的是

A.图 I所示电池中，电子从锌片流出B.图 II所示干电池中石墨作负极C.图 III所示电池为二次电池D.图 IV所示氢氧燃料电池能将化学能转化为电能

评价目标：能用原电池原理或构成要素分析解释实验室或生产生活中的常见现象（如水果电池、干电池、铅蓄电池、燃料电池等）

3.简易氢氧燃料电池示意图如右图所示，下列说法中不正确的是

A.电流从b经导线流向a

B.电子从a经导线流向b

C.通入H₂的石墨电极为负极，发生还原反应

D.b电极上发生的反應为：O₂+ 4H⁺+ 4e^-= 2H₂O

评价目标：能推测简单原电池的工作原理（电流方向和离子移动方向，预测电极反应及现象、书写电极反应式）。

课程结束后利用共发放50份问卷，回收47份，统计结果如下图5～图7：

从测试结果看学生清晰了原电池构成要素（电极材料、电极反应物、离子导体、电子导体）的关联，并能够较好地运用原电池认识模型解决实际问题。

从访谈情况看，学生印象最深刻的是利用化学反应让小车动起来的过程；绝大多数同学都谈到知道了日常电池中能量转化的过程，并且知道通过不断改进装置要素还能提高电池的工作效率。从以上测查结果看，学生较好地完成了预定教学目标。

4．2教学实践反思

4.2.1大概念的提炼要聚焦学科本质

何彩霞^[8]教授提出可从以下几方面来分析和把握化学大概念：一是指向化学学科的研究对象与基本问题; 二是指向化学学科的研究方法与认识方法; 三是指向化学学科研究的目的与价值。以大概念统领单元教学，除了要求教师更全面、更整体把握课程与教学内容以外，还要求教师不断挖掘教学内容背后更本质的思想方法。化学反应作为化学研究的重要对象，其物质变化过程中伴随着能量的变化。“化学能与电能”承载着学生以能量观认识化学反应的新视角，从“能量转化”角度提炼单元教学大概念，并以此建立结构化认识，将有助于学生对知识深层次的理解和建构。

4.2.2单元教学内容应服务于大概念的形成

单元教学过程是学生形成大概念的过程，因此，教学内容要为大概念的形成服务，为学生核心素养的发展服务。原电池教学中，可涉及的教学内容、教学情境是非常丰富的，在教学中，要舍得放弃与大概念形成不紧密的教学素材和内容；如，本单元的教学设计中，放弃了原电池中离子迁移方向可视化探究、自制干电池等学生探究活动，加大了促进概念形成的活动设计，如：搭建装置让小车动起来（见图8）、设计学生活动探究提高电池效率的方法（电解质种类及浓度、电极材料插入深浅、两极间的距离、电极串并联连接方式等要素）。 以大概念为统领，指导教学设计，使学生活动紧紧围绕能量转化方式、能量转化装置、能量转化条件、能量转化效率展开，能有效促进能量转化观念建构，促进学生核心素养的发展。

大概念统领下的单元教学尝试，既能引发老师凝练学科知识、聚焦学科本质，又能促进学生建构结构化知识体系，发展核心素养，在尝试之余，还需要我们不断实践、反思、再实践。

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部.普通高中化学课程标准（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2020：4.

[2]中华人民共和国教育部.普通高中化学课程标准（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018：71.

[3]张星华. 高中化学“化学能与电能”教学设计分析——基于2010～2020年的文献梳理 [J].湖北：新智慧，2021，25（24）：101-102.

[4]中华人民共和国教育部.普通高中化学课程标准（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018：19.

[5]温?哈伦.科学教育地原则和大概念[M].韦钰，译.北京：科学普及出版社，2011.

[6] 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，2019，36-41.

[7] 崔允漷. 学科核心素养呼唤大单元教学设计[J].上海：上海教育科研，2019，38（4）：1.

[8]何彩霞. 化学学科核心素养导向的大概念单元教学探讨[J].上海：化学教学，2019，41（11）：44-48.