基于三重表征的单元整体教学研究——以“反应热”概念教学为例

荣 蓉（广东省肇庆市教师发展中心）

化学学科的内容特点决定了化学学习中，学习者必然要从宏观、微观和符号等方面对物质及其变化进行多种感知，从而形成化学学习独特的三重表征：宏观表征、微观表征和符号表征。本文以“反应热”概念教学为例，基于“宏观—微观—符号”三重表征的视角开展单元整体教学研究，突出三重表征教学对于学生建构核心概念、发展核心素养具有重要作用。

一、教学主题内容及教学现状分析

（一）教学主题内容分析

“反应热”是化学热力学研究的重要内容之一，也是化学学科的核心概念之一。“反应热”是定量描述化学反应中能量变化的物理量，是化学变化观念的一个重要方面。《普通高中化学课程标准（2017 年版2020 年修订）》（以下简称《课程标准》）对本节的内容要求为：认识化学能可以与热能等其他形式能量之间相互转化，能量的转化遵循能量守恒定律。知道内能是体系内物质的各种能量的总和，受温度、压强、物质的聚集状态的影响。认识化学能与热能的相互转化，恒温恒压条件下化学反应的反应热可以用焓变表示。

从以上内容要求中我们可以抽提出“化学反应伴随着能量变化”这一核心观念。在这一观念的统领下，通过“反应热”的概念教学，希望帮助学生实现从宏观感知到微观探析的思维进阶，从定性认识到定量分析的能力进阶，发展“宏观辨识与微观探析”的学科核心素养。

（二）教学现状分析

“反应热”的内容理论性较强，教学中涉及到较多与热化学有关的概念，如体系与环境、内能、焓与焓变、热化学方程式、燃烧热等。在以往的教学中，因该内容学习起来相对比较枯燥，又并非高考的重难点内容，学生通过一定量的训练通常都能过关，故本主题内容的教学方式多为传统的讲授式，而忽略了内容之间的关联和内容所承载的学科核心素养以及其中蕴藏的核心价值。笔者通过文献搜索了解到，国内基于本主题发表的论文多为试题研究，教学研究论文相对较少。教学研究主要集中在实验教学、情境创设等方面进行单课时教学设计，而鲜有经过整体规划的单元教学研究。

二、基于三重表征单元整体教学设计思路

（一）单元教学目标

1.通过真实情境下对体系、环境、内能、焓等概念的学习，建构反应热的概念。从宏观角度解释反应热的产生与内能以及焓变的关系，从微观层面结合物质结构知识理解反应热产生的原因，发展学生“宏观辨识与微观探析”的学科核心素养。

2.通过对热化学方程式的理解与书写这一符号表征过程形成化学反应热量变化的定量认识，从而进一步理解物质的能量与温度、压强等因素的关系，发展学生的能量观念。

3.通过从能量释放和环境保护的角度进行火箭推进剂的研究性学习，汇报展示学习成果，体会燃烧热的应用价值，感受化学反应能量变化的重要价值，发展学生“科学态度与社会责任”的学科核心素养。

（二）单元教学思路

目前，我国的航空航天事业飞速发展，火箭推进剂在航天和军事等领域具有广泛应用。我们以“火箭推进剂”为情境主线贯穿于整个单元的学习中。通过层层递进的3 个核心问题链（如图2）设计了3 课时单元整体教学，促进学生对反应热概念的结构化认识，从宏观表征（体系与环境间热交换）、微观表征（化学键断裂和形成）和符号表征（热化学方程式）三个视角建立研究化学反应与能量的认识思路，同时体会化学反应中能量变化的重要价值。

图1 情境与问题链设计

图2 “反应热”单元整体教学流程

（三）单元教学流程

在“火箭推进剂”的情境主线贯穿下，围绕反应热的概念教学分3 课时进行整体设计：课时1 进行概念的构建，从宏观和微观角度理解反应热的定义以及本质；课时2 进行概念的表征，利用化学学科的独特符号语言进行表达，提升对概念的理解；课时3 进行概念的应用，通过研究性学习的开展了解反应热的示例——燃烧热的概念，体会化学在生活中具体应用的价值。

三、教学实录

（一）创设情境，宏观表征

视频导入：师生共同观看“神舟十二”火箭发射视频。提问：是什么力量让火箭足以将自身和搭载的探测器一并托起呢？图片资料：展示火箭的平面构造图及常见火箭推进剂的成分，如N2H4（燃料）与O2（氧化剂）。

学生：书写火箭推进剂反应的原理；分析火箭推进剂中的能量变化；用能量示意图表示出反应过程中物质的能量变化。

追问：化学反应为什么会产生热量变化？我们应该如何描述化学反应产生的热量呢？

引导点拨：以N2H4与O2反应为例，明确体系、环境、内能等概念，建立概念关系图，学习反应热的概念。

设计意图：在“火箭发射”的视频情境中感受化学反应不但有物质的变化，而且伴随着能量的变化。通过概念关系图理解反应热的基本概念，并通过能量示意图从宏观角度分析反应热的产生原因，形成对反应热的初步认识。

（二）微观表征，探寻本质

提问：化学反应的本质是什么？反应过程中为什么会有反应热呢？小组活动：画出N2H4与O2反应的微观示意图，分析反应过程中化学键的变化，从微观角度讨论反应热的实质。学生：化学反应的发生本质上是化学键的断裂与形成，断裂化学键需要吸收能量，形成化学键需要放出能量。在此反应中，形成化学键释放的能量高于断裂化学键吸收的能量，故反应放热。提供资料：已知在298 K、100 kPa 下，一些化学键的键能。

设计意图：通过绘制N2H4与O2反应的微观示意图，帮助学生理解化学反应的微观过程，通过键能计算反应热，从微观角度探寻化学反应的本质，从而对宏观现象进行解释，发展学生“宏观辨识与微观探析”的学科核心素养。

（三）符号表征，加深理解

引入：化学方程式是我们化学学科独特的语言表达，第一课时大家写出的方程式：N2H4＋O2= N2＋2H2O 代表什么含义呢？学生：代表N2H4与O2反应生成了N2和H2O。教师：化学方程式可以表达出化学反应中的物质变化，但是要同时表达出能量变化，就要用到一种特殊的化学语言——热化学方程式。

创设情境：肼（N2H4）是一种良好的火箭燃料。在常温常压下，科学家测得2 mol 液态火箭推进剂N2H4与 2 mol NO2反应，生成 3 mol N2和 4 mol 水蒸气，放出 1134.4 kJ 能量。如何表达上述过程的物质与能量的变化？

学生：自学教材内容，自主书写热化学方程式。小组讨论：相互评价，归纳总结书写热化学方程式的要点。小结：（略）。

设计意图：通过趣味性的流行语言引入课堂，让学生感受化学语言的魅力，通过自主学习、小组合作、相互点评等学习活动，帮助学生构建热化学方程式的书写方法，通过“宏观—微观—符号”三重表征进一步理解反应热的内涵。

（四）问题解决，提升价值

教师：我们如何比较不同燃料释放出的能量大小？学生：分析不同燃料放出的能量的比较方法，学习燃烧热的定义。

问题设置：火箭推进剂选择的标准是什么？火箭推进剂的发展对人类进步有什么促进作用？“冰箭”的推进剂是什么？与以往推进剂相比有哪些优点？如何选择家用燃料？

学生：展示汇报。各小组自选问题设置中的课题，提前查阅资料，课堂上分小组做汇报展示（略）。

设计意图：通过研究性学习的开展，了解火箭推进剂的发展史，感受我国航空航天科技的发展，增强民族自豪感，同时培养学生的合作精神和“科学态度与社会责任”的学科核心素养。

四、单元整体教学反思

在进行单元整体教学设计时，教师要充分分析教学内容，理解学科知识之间的关联关系，形成基于知识关联的结构化认识，并在核心观念的统领下帮助学生建立化学学科研究物质及反应的一般思路与视角。本单元的学习中，在“化学反应伴随能量变化”的核心观念引领下，我们帮助学生建立了“宏观—微观—符号”三重表征的认识视角，通过3 课时的进阶式教学实现了单元目标。

对于具有高度抽象性的概念教学，通过构建真实情境帮助学生快速建构和理解概念是一种非常有效的教学策略。本单元通过“火箭推进剂”的情境贯穿性设计，增强了课程实施的整体性。从观看我国火箭发射视频出发，通过能量曲线图的绘制，从宏观角度构建了“物质变化伴随着能量变化”的化学核心观念；再通过“宏观—微观—符号”的三重表征实现“反应热”概念的内涵与外延的深入理解；最后，通过研究性学习活动回归真实情境，并通过燃烧热的学习解决了真实情境下的实际问题——如何选择火箭推进剂以及日常生活中的燃料？在后续的实践练习中证明此次单元整体教学效果良好。