基于化学学科理解的单元复习教学设计与实践*——以初中化学“食品中的有机化合物”为例

艾 璐 李小静 董新伟 牛改艳

（1.常州市正衡中学 江苏 常州 213000；2.常州市勤业中学 江苏 常州 213016；3.江苏常州经开区教师发展中心 江苏 常州 213025；4.常州市二十四中天宁分校 江苏 常州 213000）

化学学科理解是教师对化学学科知识及其思维方式和方法的一种本原性、结构化的认识，它不只是对化学知识的理解，还包括对具有化学学科特质的思维方式和方法的理解［1］。单元主要可以划分为两种类型，类型不同则基于大概念构建单元内容的方式也不同。第一类是自然单元，它是按照课程标准中涉及的内容模块以及现行教材中所规定的章节模块确定的，也称为学科内容主题单元。第二类为自主单元，是在课程标准以及教材章节内容的基础上，按照教学需求对自然单元进行重新规划与组织的单元类型［2］。本单元是基于初三学生学习完沪教版义务教育教科书化学·九年级下册第八章“食品中的有机化合物”教学内容基础上，设计的自然单元复习课。基于化学学科理解，追溯核心问题，理清认识视角及思路，明晰概念（或知识）的层级结构，确定知识承载的素养发展功能，并在分析教学现状和学生学情的基础上整体设计和合理实施单元复习教学，更有利于学生学科核心素养的发展。

一、教学主题内容分析

1.本单元的学科理解

义务教育阶段，有机物内容主要体现在化学与能源、材料、人体健康等知识体系中。在能源方面，涉及了天然气、石油、酒精等。在材料方面，涉及了塑料、合成纤维、合成橡胶等。在人体健康方面，涉及了对生命活动具有重要意义的有机物，如葡萄糖、淀粉、油脂、蛋白质、维生素等。“食品中的有机化合物”单元，一方面是初三学生认识有机物概念的起始单元，另一方面侧重从人体健康角度来认识食品中的常见有机物，因此，“在理解有机物概念的基础上，如何从人体健康角度认识食品中的常见有机物？”是本单元的核心问题。

要解决这一核心问题，其认识视角及思路：第一，能够基于物质组成视角认识什么是有机物，知道利用有机物的化学反应来探究简单有机物组成的基本思路和方法；第二，能够从有机物的存在、变化和用途等视角认识食品中有机物的种类、性质及相互转化；第三，能够基于营养均衡、获得与消耗能量视角认识食品中的有机物与生命活动的关系，指导人类合理利用有机物。从学科知识的角度看，本单元的概念（或知识）层级结构可以用图1表示。

图1 大概念统领下的“食品中的有机化合物”知识结构分析

从知识承载的素养发展功能看，通过有机物是含有碳元素的化合物、根据有机物燃烧后的产物确定简单有机物的组成等知识的学习，能够进一步促进学生元素观的发展，教会学生从定性和定量视角利用有机物的化学反应探究有机物组成的基本思路和方法，提升学生的科学思维能力。通过食品中常见有机物的存在、形成过程、变化及用途的讨论来认识有机物的性质，有利于学生进一步体悟有机物对生命活动的重要意义。通过定量测定简单有机物组成的实验装置及操作等问题的讨论、定性检验淀粉和蛋白质实验方案的设计，培养学生基于化学史料进行证据推理的思维能力和基于真实问题解决的质疑能力、批判能力，提升学生实验方案的设计能力及与他人分工协作、沟通交流、合作问题解决的能力等。通过人类必需的营养素、获得与消耗能量的途径分析和数据比较等内容的学习，让学生认识化学在解决与人类健康问题中的作用，强化学生“养成良好的饮食及生活习惯”的健康生活意识，使学科的育人价值得以真正实现。

2.教学现状分析

通过文献检索发现，对“食品中的有机化合物”单元研究，有的侧重“教”层面的研究，如生活化情境的创设［3］、化学实验的开发［4］［5］等；有的侧重“学”层面的研究，如由引发学生的认知冲突入手［6］等，而基于化学学科理解的单元研究极少。它们存在的主要问题有：（1）教学设计仅停留于“李比希法测定有机物组成”的定量计算理论层面，没有从实践层面对测定有机物组成的实验装置及操作等问题进行分析讨论，学生基于真实问题解决的质疑和批判能力、提出解决实际问题初步方案的能力得不到有效提升，不利于学生“科学思维”和“科学探究与实践”素养的形成；（2）教学时仅基于营养均衡视角强调需要补充人体必需的营养素，缺乏基于能量视角对获得能量与消耗能量的途径和数据进行分析和比较，导致学生食用食品时缺乏关注食品标签上的能量值的意识，不利于学生健康生活意识及习惯的形成，学科的育人价值体现不够充分。

二、单元教学目标的制定

1.学情分析

通过初中生物课程的学习，学生已初步感知常见食物中基本营养成分的存在，已初步了解植物光合作用的过程等；通过化学的学习，学生已得知木炭、石蜡、砂糖和面粉等物质中均含有碳元素［7］，但学生还没有形成从元素组成视角去理解什么是有机物的思路，缺乏从人体健康视角去认识食品中的常见有机物，不会基于有机物的应用去辨识日常生活中常见的有机物，很难真正体悟到一些有机物对生命活动的重要意义；通过化学的学习，学生已知道含碳、氢元素的可燃物完全燃烧时可分别生成二氧化碳和水，当氧气不充足时，可燃物中的部分碳、氢元素生成一氧化碳、碳氢化合物等有毒气体和微小的炭黑颗粒等物质［7］，已掌握在化学变化中，组成物质的元素种类不变，各元素的原子数目和质量也不变，所有化学反应都遵循质量守恒定律［7］，但学生对上述这些知识的认识还停留于事实性知识的层面，没有形成利用有机物的燃烧反应去定性和定量探究简单有机物组成的基本思路和方法。同时，本单元作为初三学生认识有机物概念的起始单元，学好本单元，能为学生后续学习能源、材料中的有机物知识奠定基础。

2.单元及课时教学目标

（1）单元教学目标

①通过认识食物中的常见有机物种类、组成及利用有机物的燃烧反应定性和定量探究有机物组成，进一步促进学生元素观的发展，形成从定性和定量角度探究有机物组成的基本思路和方法；通过对定量测定有机物组成的实验装置及操作等问题的讨论，培养学生质疑和批判的思维能力和提出解决实际问题初步方案的实践能力。

②通过食物中常见有机物的形成过程、变化及用途的讨论，了解常见有机物的性质及转化，让学生体悟常见有机物对人类生命活动的重要意义。

③通过人类必需的营养素的讨论，促进学生养成“均衡膳食、不能偏食”的饮食习惯；通过获得与消耗能量的途径分析和数据比较，发展学生获取、加工信息的学习能力，促进学生养成“摄入食物适量、保持适量运动、作息时间有规律”的生活习惯，从而让学生体会化学在解决与人体健康问题中的重要力量。

（2）课时安排和课时目标

本单元以“青团”为情境线，通过设计“识青团”“探青团”2个课时主题来进行教学。具体的课时安排和课时目标制定如表1。

表1 “食品中的有机化合物”单元复习课时目标

三、单元教学流程

第1 课时和第2 课时的“教学板块”“学习任务”“教师关键行为”“学生主要活动”教学流程图分别见图2和图3。

图2 第1课时教学流程图

图3 第2课时教学流程图

四、单元教学实践

1.第1课时的教学实录

板块一：认识青团中有机物的种类

【资料】播放制作菠菜青团的视频。通过观看视频可知，制作菠菜青团，首先要做好青团皮，然后用青团皮把馅料包好，最后进行蒸煮。制作青团皮需要用到的原料有糯米粉、澄粉、白糖、玉米油、菠菜；制作肉松馅需要用到的原料有蛋黄、牛肉松、沙拉酱。其中，制作澄粉的主要原材料是小麦，是用小麦进行特殊加工而成的一种面粉；沙拉酱是使用大量鸡蛋和油制作而成的。

【教师】制作青团皮和肉松馅所用的原料中分别富含什么营养物质？

【学生】糯米粉、澄粉中富含淀粉，白糖中富含蔗糖，玉米油、沙拉酱中富含油脂，菠菜中富含维生素和纤维素，蛋黄、牛肉松中富含蛋白质。

【教师】淀粉、蔗糖、油脂、维生素、纤维素、蛋白质，属于无机物还是有机物？说出你的理由。

【学生】有机物，因为它们都是含有碳元素的化合物。

【追问】含有碳元素的化合物，一定就是有机物吗？

【学生】不是，像CO、CO2、CaCO3等含碳化合物，因为其组成和性质与无机物相似，所以把它们归入无机物。

板块二：定性分析有机物组成

【教师】哪些生活或实验事实能证明上述有机物中含有碳元素呢？

【学生】灼烧后都会变焦，由于得到的黑色物质的主要成分是碳，根据化学变化前后元素种类不变，可推出有机物中都含有碳元素。

【教师】演示实验：取少量蔗糖放入燃烧匙中，在酒精灯上加热，蔗糖燃烧后立即伸入集气瓶中。待燃烧停止完全烧焦后，取出燃烧匙，并用玻璃片盖住集气瓶。

【教师】蔗糖燃烧过程中集气瓶内壁有水雾产生，说明蔗糖中还含有什么元素？

【学生】蔗糖燃烧能生成水，说明蔗糖中还含有氢元素。

【追问】除了烧焦的现象外，再补充什么实验也能证明蔗糖中含有碳元素？

【学生】向集气瓶内倒入澄清石灰水，若澄清石灰水变浑浊，说明蔗糖燃烧还产生了二氧化碳，由此推出蔗糖中含有碳元素。

【教师】由此，你能总结出证明有机物中含有碳、氢元素的基本思路吗？

【学生】基本思路是根据化学变化前后元素种类不变，若有机物燃烧后产生CO2、CO 或C，证明含有碳元素；若有机物燃烧后产生水，证明含有氢元素。

【教师】按上述思路，能得出蔗糖中一定含有氧元素的结论吗？

【学生】不能。蔗糖燃烧需要氧气参与反应，因为氧气中含有氧元素，所以蔗糖中不一定含有氧元素。

板块三：定量测定有机物组成

【资料】德国化学家李比希于1831 年提出定量测定有机物中碳和氢元素含量的分析方法。即将准确称量的样品置于一燃烧管中，经红热的氧化铜氧化后，再将其彻底燃烧成二氧化碳和水，用纯的氧气流把它们赶入分别装有高氯酸镁及烧碱石棉剂（附在石棉上粉碎的氢氧化钠）的吸收管内，前者吸收水而质量变重，后者吸收二氧化碳而质量变重。如果碳与氢的百分含量相加达不到100，而又检测不出其他元素，则差值就是氧的百分含量。

【教师】图4是实验室模拟德国化学家李比希用燃烧法测定有机物组成的装置。将3.42 g蔗糖固体置于燃烧管中完全反应，若反应前后装有足量高氯酸镁的甲装置增重1.98 g，装有足量烧碱石棉剂的乙装置增重5.28 g，则蔗糖固体中是否含有氧元素？若有，蔗糖中碳、氢、氧原子的个数比是多少？

图4 实验室模拟李比希法测定有机物组成的装置

【学生】学生相互讨论，把讨论结果记录在作业设计单上并分享交流。图5和图6呈现的是学生的讨论成果。

图5 学生讨论成果1

图6 学生讨论成果2

【教师】假如你是李比希，请你与研究团队成员一起讨论作业设计单上的问题，记录讨论结果并分享交流。

图7呈现的是学生的讨论成果。

图7 学生讨论成果3

【总结】基于以上分析，可以归纳总结出测定有机物组成的基本思路和方法：利用“有机物在氧气中完全燃烧生成二氧化碳和水”这一反应原理，根据反应前后元素种类不变定性分析出有机物中一定含有碳、氢元素；根据反应前后元素质量不变定量分析出有机物中是否含有氧元素。具体图示见图8。

图8 利用有机物燃烧测定有机物组成的基本思路和方法

2.第2课时的教学实录

板块一：认识青团中有机物的性质

［回顾］通过上节课的学习可知：糯米粉、澄粉中富含淀粉，白糖中富含蔗糖，玉米油、沙拉酱中富含油脂，菠菜中富含维生素和纤维素，蛋黄、牛肉松中富含蛋白质。

【教师】如何检验澄粉中含有淀粉、牛肉松中含有蛋白质？

【学生】向澄粉溶液中滴加几滴碘酒，若溶液变蓝色说明含有淀粉；灼烧牛肉松，若有烧焦羽毛的气味说明含有蛋白质。

【实验】学生动手实验检验淀粉、蛋白质。

【教师】糯米和小麦中的淀粉、甘蔗中的蔗糖、菠菜中的纤维素等，在植物生长过程中分别是如何形成的呢？

【学生】绿色植物通过光合作用把二氧化碳气体和水合成为葡萄糖，葡萄糖再进一步转化为蔗糖、淀粉或纤维素。

【教师】淀粉、蔗糖、纤维素为什么能为人和动物提供能量？

【学生】因为绿色植物通过光合作用把太阳能转化并贮存在葡萄糖、淀粉、蔗糖、纤维素中；淀粉、蔗糖、纤维素在一定条件下可以和水发生化学反应，转化为葡萄糖，葡萄糖在动物体内经缓慢氧化转化为二氧化碳和水，并释放出能量。

【教师】根据上述讨论，你能否用图示来表示二氧化碳、葡萄糖、淀粉、纤维素、蔗糖之间的转化关系？

【总结】在学生讨论交流的基础上完善CO2与相关有机物的转化关系图（如图9）。

图9 CO2与相关有机物的转化关系图

【资料】播放肉松的制作过程视频。肉松制作过程需要经过热水煮肉、炒肉去水等过程，这一过程蛋白质发生了什么变化？

【学生】高温条件下蛋白质会失去原有的生理活性，发生变性。

【教师】人吃了肉松等食物后，食物中的蛋白质在人体内会转化成什么？

【学生】氨基酸。这些氨基酸和氮、硫、锌、铁等元素再重新合成人体所需要的蛋白质。

【教师】蛋白质能为人提供能量吗？

【学生】能。蛋白质不仅能为人提供能量，也是构成人体细胞的基础物质。

板块二：从营养均衡角度合理利用有机物

【资料】青团馅料除了肉松蛋黄馅之外，还有草莓馅、菠萝馅、橘子馅等水果馅料。表2是制作不同馅料的青团所用原料的营养成分表。

表2 展示食物营养成分表/100 g

【教师】从营养均衡的角度看，食用肉松蛋黄馅的青团好，还是水果馅的青团好？

【学生】水果中主要富含维生素，食用水果馅的青团，很难补充蛋白质，故食用肉松蛋黄馅的青团更好。

【教师】若食用水果馅的青团，可以在水果外面先裹上一层（ ）再包入青团皮中，以促进营养均衡。

A.猪脊肉 B.芋头泥 C.苹果酱 D.蜂蜜

【学生】A。因为猪脊肉中富含蛋白质。

【教师】由表2可知，与其他食物相比，菠菜除了富含维生素之外，还富含什么营养物质？

【学生】膳食纤维。

【教师】医学健康专家指出，膳食纤维也是满足健康的重要物质。每种营养素都不可或缺，否则易产生各种疾病，因此，我们要养成不能偏食的好习惯。食用食物，一方面要基于营养均衡，合理搭配膳食；另一方面还要基于热量（或能量）多少，科学合理生活。

板块三：从获得与消耗能量角度合理利用有机物

【教师】结合所学知识或生活经验，请思考：人每天获得能量和消耗能量的主要途径有哪些？

【学生】获得能量的主要途径：摄入含蛋白质、油脂、糖类（或碳水化合物）的食物；消耗能量的主要途径：人体基础代谢、各类体力（或脑力）活动、体内消化食物。

【资料】按照GB 7718-2011《食品安全国家标准预包装食品标签通则》规定，食品包装上的营养成分表里必须有五大项，即热量（能量）、蛋白质、脂肪、碳水化合物和钠。其中就包括三大产生热量的营养素：蛋白质、脂肪、碳水化合物。科学研究证明：1 g 脂肪产生的热量是9 kC（约37 kJ），1 g碳水化合物和1 g蛋白质产生的热量都是4 kC（约17 kJ）。

【教师】根据图10 的信息，请计算每100 g 青团所含的能量是多少千焦？（保留整数）

图10 艾草莲蓉青团的标签

【学生】每100 g 青团所含的能量：2.5 g×17 kJ+9.5 g×37 kJ+64.5 g×17 kJ≈1 491 kJ。

【教师】一个中学生一日要消耗的能量和自身的体重关系如下：

男性11～17岁的热量计算公式为体重（kg）×105=基本热量（kJ）

女性11～17岁的热量计算公式为体重（kg）×84=基本热量（kJ）

根据自己的体重，请计算：若全以吃青团来获得能量，你1天大概至少要吃多少克青团才能满足基本的能量需求？

【学生】（1）以50 kg 的男生为例，消耗的能量为50（kg）× 105 =5 250 kJ，需要吃的青团质量为（5 250 kJ/1 491 kJ）×100 g≈352 g。（2）以45 公斤的女生为例，消耗的能量为45（kg）×84=3 780 kJ，需要吃的青团质量为（3 780 kJ/1 491 kJ）×100 g≈254 g。

【教师】基于以上数据，如果你一天吃青团获得的能量远远大于消耗的能量，好不好？小于呢？

【学生】（1）大于：不好，因为剩余能量会转化成脂肪，造成肥胖症等；（2）小于：不好，这样会导致人体基础代谢、消化食物都不正常，会导致人精神乏力等。

【教师】为此，一名身体健康的人，要养成哪些良好的生活习惯来维持健康？

【学生】（1）基于获得能量视角：摄入食物适量，不能过度或太少等；（2）基于消耗能量视角：保持适量运动（每天1小时运动），作息时间有规律（不熬夜、不过度学习）等。

【教师】针对两类人：①久未进食的病人；②体重偏胖的正常人，分别是食用肉松蛋黄馅的青团好，还是水果馅的青团好？为什么？

【学生】（1）久未进食的病人，缺少能量。为了能补充更多的能量，食用肉松蛋黄馅的青团较好。（2）体重偏胖的正常人，可以通过消耗脂肪获得能量，不需要太多过剩的能量，食用水果馅的青团较好。

【总结】通过本节课的学习，可知不同类型的人要结合实际，基于营养均衡和能量获得与消耗视角科学合理地规划自己的健康生活方式。

五、教学实践反思

1.凝练单元大概念，确定知识承载的素养发展功能

从大概念视角分析，教学实践中的“化学科学—化学课程主题内容—化学单元教学内容”的转变，一定会产生“化学学科大概念—化学主题大概念—化学单元大概念”的演化［8］。化学单元大概念是化学学科大概念、主题大概念与单元教学内容结合的产物，是化学学科大概念的次级大概念［8］。“食品中的有机化合物”单元大概念，主要围绕“化学与可持续发展”主题大概念，涉及“物质的多样性”“物质的组成”等主题大概念，是多个主题大概念与单元教学内容相融合的凝练产物，具有发展“化学观念”“科学思维”“科学探究与实践”“科学态度与责任”四大课程核心素养的功能，具体内容如图11。

图11 “食品中的有机化合物”单元在核心素养发展上的定位

2.基于“板块—任务式”设计，实施情境问题教学

所谓“板块—任务式”设计，是指以板块、任务的形式来组织和呈现教学内容的一种教学设计［9］。用“板块”，既可以表明教学内容之间的递进连接方式，如本单元2个课时的教学内容是按照“有机物种类→有机物组成→有机物性质→有机物用途”的顺序不断递进，遵循学科知识的逻辑顺序和学生的认知发展规律；又可以表明教学内容之间的其他逻辑关系，如并列连接方式、从属连接方式等，如第1课时的板块二和三是并列连接方式，且从属于“有机物组成”板块；第2课时的板块二和三也是并列连接方式，且从属于“有机物用途”板块。由于化学课程所培养的核心素养需要在与化学相关的情境问题解决中培养，学生的核心价值观也根植于情境［8］，所以每一板块在学习任务的驱动下需要实施情境问题教学。如本单元以“青团”为真实情境，通过对“青团”和相关化学史料（具体内容详见图2 和图3 的教师关键行为）中的相关问题进行讨论交流，在情境问题解决中较好地培养了学生的核心素养。