高中化学开展单元整体教学的实践

摘 要：单元整体教学是培养学生学科核心素养的重要途径。以人教版高中化学选择性必修1“原电池”单元为例，教师可探讨单元整体教学在促进学生学科核心素养培养的具体应用。教师可以根据发展学科核心素养导向进行单元教学分析，明确单元教学内容和单元教学目标；可以进行深入的学情分析，了解学生已有知识基础，以及学习障碍和困惑。基于此，确定高中化学开展单元整体教学的思路，通过构建分析模型强化学生对电化学本质的理解，开展“问题解决”教学培养学生运用所学知识解决问题的综合能力，进行对比分析实现单元整体教学的衔接和进阶，推进高中化学单元整体教学的有效落实。

关键词：单元整体教学；高中化学；原电池

中图分类号：G63 文献标识码：A 文章编号：0450-9889（2024）29-0130-05

《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》（以下简称化学新课标）明确要求，高中化学课程以培养化学学科核心素养为主旨，重视开展素养为本的教学，倡导基于化学学科核心素养的评价。根据这一要求，高中化学教师要有目的、有计划地对知识体系和核心概念进行结构化设计，以促进学科核心素养培养的实现。单元整体教学是以系统论为指导，强调知识建构过程，对教学单元进行整体性设计的教学策略［1］，是实施“素养为本”教学的重要方法之一。单元整体教学强调整体与部分的内在联系与作用，确保每个课时相互关联、互相补充。在制订单元目标时，教师需对整个单元的教学内容进行整体分析，确保教学内容的完整性，避免将教学内容拆分为单独的课时，而且每节课的教学目标和内容，都是从整体单元目标和内容中提取的，每节课都是这一单元的有机组成部分。

“原电池”是高中化学的重要知识点之一，包含氧化还原反应、电解质溶液、金属特性及电学等内容。这些知识点相互渗透、互相结合，有利于深化学生对原电池工作原理的理解，有助于学生从能量转换、装置结构和工作原理等三个维度构建起关于原电池的全面认知模型，有助于学生在学习化学电源的知识后能够解决更为复杂的电源问题。同时，通过这一单元的学习，学生还能从变化、守恒和价值等多角度分析现实生活中的问题，并运用可持续发展和绿色化学的理念解决这些问题，从而促进自身认知水平的螺旋式提升和学科素养的全面发展。但是，对不少高中生而言，“原电池”知识是一个学习难点，不少学生表示找不到有效的学习方法。为此，近年来，笔者基于建构主义认识模型，探讨发展学生化学学科核心素养的有效教学对策，进行了单元整体教学的实践，取得了较为突出的教学成效。

一、以发展学科核心素养为目的的单元整体教学分析

（一）单元教学内容分析

“原电池”是高中化学学科的一个关键理论知识，它为学生提供了一个理解化学反应和能量转换过程的重要工具和典型示例。化学新课标对高中化学选择性必修1 “化学反应与电能”提出了要求：学生要能从氧化还原反应的角度分析和解释原电池的工作原理，从日常生活的角度理解原电池的应用，从能量利用和社会价值的角度体验化学电池的创新和发展。这些构成了“原电池”这一单元的核心内容。

关于“原电池”的教学内容教材如此设计：第一节，通过锌铜双液原电池的例子介绍原电池的工作原理；第二节，依次阐述锌锰干电池、铅蓄电池和燃料电池的工作原理、性能及应用。教材内容的编排顺序体现了知识在逻辑上的递进关系。而且，从锌铜原电池到氢氧燃料电池的演变，既反映了原电池技术层面的迭代更新，又显示了原电池装置模型认知的深化。例如，在锌铜原电池装置中，通常强调电极由两种不同活性的金属或金属与其他导电材料组成，其中负极与电解质溶液发生氧化反应；而在氢氧燃料电池装置中，电极不与电解质溶液直接反应。这样的内容编排逻辑体现了从简单原电池工作原理的分析到解决复杂电源问题的进阶。

从这样的视角分析“原电池”单元知识，可以帮助学生拓展知识视野，使学生对相关原理形成深刻的理解。例如，将电化学中的单液原电池、双液原电池、燃料电池的工作原理及效率等知识与电解质溶液中的离子迁移、导线中的电子传递和电极反应等微观知识相联系，有助于学生全面理解原电池的相关知识，培养他们分析和解决电化学问题的思维方式，从而提升学生的知识应用能力。此外，通过对教学内容的整体规划，可以引导学生认识原电池在能量转换、实验研究等领域的实际价值和重要作用。基于以上分析，笔者进行了以核心素养培养为导向的原电池单元知识层级结构设计（如图1所示）。在此基础上，笔者引导学生认识不同原电池的类型和运作规律，让学生在实践学习过程中，掌握解决实际问题的基本流程与思维方式。

（二）单元教学目标分析

“原电池”单元的教学内容主要有两个方面：一是原电池的工作原理。教师要通过研究“锌-铜-稀硫酸”原电池中电流逐渐减弱的现象，指导学生进行双液原电池的探索性实验。这有助于学生通过理解简单双液原电池的工作机制，构建起分析原电池相关问题的思维框架。二是化学电源的研究。教师可以干电池、蓄电池的发展为案例，引导学生运用已建立的思维模型分析日常生活中遇到的复杂电源问题。接着，教师可以氢氧燃料电池为例，介绍新型化学电源，并通过探讨燃料电池的结构和工作原理的独特性，进一步完善学生分析原电池问题的思维模型，不断提高学生的综合能力。基于此，笔者将本单元的单元教学目标和课时教学目标制订如下，如表1所示。

二、学生已有知识基础与能力的分析

（一）学生已有知识基础分析

在学习“原电池”单元之前，学生已经掌握了氧化还原反应的基本原理，理解了氧化剂和还原剂的功能。学生对单液原电池的工作机制及常见的化学电源也有初步认识，能初步分析常见化学电池的结构和性能，并对“化学变化伴随热量变化”“化学能通过特定条件转化为电能”有初步认识，对原电池的工作原理有了基础性理解。这些是学生能够进行“原电池“单元学习的基础。然而，学生对某些概念的理解还存在局限性。如，不少学生认为氧化剂和还原剂只有在接触时才能发生氧化还原反应，未能将反应原理与原电池装置的各个要素联系起来，也缺乏运用电荷守恒定律分析溶液中离子迁移的定性和定量的能力。

（二）学生的学习障碍及困惑

原电池原理是电化学领域的基础知识，也是物理与化学学科融合的关键点。高中生在学习、理解和吸收这一知识点时，常常会遇到诸多挑战。在本单元的学习过程中，学生可能遇到以下六个方面的挑战：①在锌铜双液原电池的设置中，为何锌放在硫酸锌溶液中会释放电子？②在原电池的构造中，盐桥扮演怎样的角色？③为什么单液原电池无法提供持续稳定的电流，而双液原电池却可以？④氢氧燃料电池与电解水的电化学过程存在哪些差异？⑤在燃料电池中，隔膜的作用是什么？选择隔膜的依据是什么？⑥如何解释暖手宝的发热现象？如何将其与所学的电化学模型相联系？

三、核心素养导向下的单元整体教学设计

“原电池”单元的教学设计要紧紧围绕学科的核心概念，通过教学内容的传授促进学生对这些概念的深入理解，从而提升学生的学科核心素养。在具体教学中，笔者首先将本单元教学具体分为三个课时，以“改进原电池装置实验使小车更高效运动”为真实情境，以基于原电池的宏观概念构建为单元教学的核心问题。其次，笔者将这些宏观问题细化为课堂上需要解决的具体问题，引导学生深入分析原电池的工作原理，并将知识运用于复杂的真实情境中。通过这种方式，笔者的目的是帮助学生自主构建分析未知电池系统的思维模型，从而实现全面提升学生的能力、思维和素养的目标。

基于上文关于单元教学内容、学生现有知识基础和能力的分析，本单元教学将围绕“改进原电池装置实验以使小车更高效地运动”这一核心情境展开，旨在解决以下问题：①如何构建装置将化学能有效转化为电能？②怎样提升单液和双液原电池的电流产生效率？如何设计燃料电池装置？

在第1课时中，笔者从“小车为何能够运动”这一情境出发，设计以下问题：①你能写出伏打电池的电极反应式并分析其局限性吗？②为什么铜双液原电池能成为实用电源，它的优势在哪里？③原电池的基本原理和组成要素是什么？④根据反应或Cu+2Fe3+=2Fe2++Cu，设计一个双液原电池，绘制装置图并写出电极反应式。笔者通过这些问题，引导学生运用所学知识书写单液电池电极反应式，并分析其不足之处；引导学生利用历史资料分析锌铜双液原电池的优势；引导学生通过组装实验设备并分析实验结果，明确原电池的组成要素、基本原理和工作方式。在此过程中，学生通过构建分析原电池问题的思路和方法，培养了科学探究精神、提升了实验设计能力，并将理论知识转化为解决实际问题的工具，实现本课的教学目标。

在第2课时中，笔者以“改进装置，让小汽车能跑得更远”为具体情境，设计以下问题：①实验从哪个方面对碱性锌锰干电池进行了改良？其工作原理及其优点是什么？②铅蓄电池是如何完成充放电循环的？③隔膜电池是如何改进以达到理想电压的？为了帮助学生理解相关知识，笔者引导他们阅读教材资料，分析锌锰干电池内部结构的变化，并明确其工作原理。在此过程中，通过比较碱性锌锰干电池与普通锌锰干电池的结构差异，学生了解了离子导体对电池性能的影响，以及评价电池性能优劣的标准。通过构建装置模型、观看视频，学生了解了铅蓄电池的工作原理，理解其构造，并书写电极反应式。通过查阅资料，学生了解电极材料数量增加对电池性能的影响，同时关注铅蓄电池的缺陷及其导致的铅污染问题。在这一教学环节，有助于学生发展获取关键信息能力和对比分析能力，培养创新精神和创新能力，激发学习化学学科的兴趣。

在第3课时中，教学目标是深化和提升前两个课时的学习内容，引导学生在新的情境下运用之前学到的知识解决实际问题。因此，笔者设计了以下问题：①现代新型电池有哪些种类？②新型电源如何改善我们的生活品质？③氢氧燃料电池的工作原理及新型电池的发展趋势是什么？在引导学生解决这些问题的过程中，笔者首先为学生提供适当的辅助工具，如在不同介质中燃料电池电极反应式的书写规律。然后，笔者让学生设计并组装燃料电池与电解水循环系统，培养他们的科学创新精神。接着，学生通过实验探究Ag+和Fe2+的可逆反应，并测定其平衡常数。通过这一过程，学生体会到了在化学学习中建立模型、应用模型及理解模型认知的重要性。

四、核心素养导向下的单元整体教学的对策

（一）构建分析模型，强化学生对电化学本质的理解

关于核心素养3“证据推理与模型认知”中的水平4，化学新课标中明确指出：学生应能依据各类物质及其反应的不同特征寻找充分的证据，能解释证据与结论之间的关系；能对复杂的化学问题情境中的关键要素进行分析以建构相应的模型，能选择不同模型综合解释或解决复杂的化学问题；能指出所建模型的局限性，探寻模型优化需要的证据。随着科学技术的进步，虽然原电池装置经历了多次改进与创新，但是其工作原理和本质始终保持一致。因此，构建认知模型以解决不同类型的原电池问题，对学生而言就变得尤为重要，这有助于学生厘清一些模糊的概念。如，在双液原电池的教学过程中，学生常常面临这样的难题：在高一的课程中不是提到化学反应需要接触才能发生吗？为什么锌与硫酸铜溶液没有直接接触也能发生反应？为什么锌电极上的电子会自发地转移到铜电极上，使铜离子能在铜电极上获得电子？锌铜原电池电流衰减迅速的原因是什么？

在具体教学过程中，笔者通过构建电化学三维认知模型（如图2所示）帮助学生厘清模糊概念，深入理解电化学的核心原理。其中，设计装置维度目的是：引导学生分析电子和离子在导体中的定向移动，形成闭合回路，产生电流；理解导体可以是两极材料、电解质溶液、盐桥或各种离子交换膜。能量维度，目的是引导学生从机械能、热能、化学能、电能等不同角度探讨装置中能量的转换方式。设计原理维度目的是：引导学生运用氧化还原反应原理；从宏观和微观两个层面分析电极反应的反应物或产物，明确其核心在于氧化还原反应的本质。例如，通过装置维度，学生可以深化对原电池装置模型的理解，明确原电池装置的基本组成要素，包括负极材料、正极材料、电子导体（导线）及离子导体（电解质溶液、盐桥、离子交换膜）等；通过原理维度，学生能够分析原电池装置产生电流的宏观背景，并建立电极反应与氧化还原反应微观过程之间的联系。

通过构建三维分析模型，学生能够很快地理解本单元的核心概念，完成从单液原电池的学习过渡到双液原电池的学习。而且，在此过程中，笔者不断对模型进行优化，帮助学生在原理和装置两个维度上深化对电化学模型的理解，并建立各维度间的联系，从而逐步引导学生构建知识的层级结构，促使他们形成一个结构化的知识体系。

（二）开展“问题解决”教学，培养学生运用所学知识解决问题的综合能力

在单元教学过程中，教师精心设计并执行有效的课堂教学问题对提高教学效率而言至关重要，而且这直接关系到学生解决实际问题能力的培养。针对提炼出的“单元核心问题”，教师需深入分析学生的学习情况，并据此设计适宜的教学活动。通过一系列驱动性问题，教师可以引导学生深入思考，并通过追问的方式揭示学生的思维过程，从而有效地促进化学学科核心素养的培养。

在“原电池”单元教学中，笔者以“让小车运动起来”为情境，贯穿教学过程的始终，将原电池的组成、工作原理、性能对比及性能提升等知识点有机串联起来。笔者通过螺旋式的提问，引导学生深入探究、交流思想、设计实验方案，并亲自实践操作，体验知识的形成过程。这样的教学方式不仅加深了学生对知识的理解，而且拓展了他们的思维深度与广度，使他们能够感受到学习化学的乐趣。同时，笔者通过创设贴近生活和生产的化学问题情境，帮助学生构建单元教学的整体框架，培养学生解决实际问题的能力。如，以2022年全国高考甲卷理科化学试题选择题第10题为例，笔者通过对这道题进行改编，引导学生在课堂上利用电化学知识，探讨不熟悉的双隔膜电池中的离子迁移问题。问题如下：①正极材料是否参与反应，正极中哪些物质会获得电子？②正极和负极可能发生哪些反应？电极反应方程式应如何书写？③双隔膜电池有哪些特殊要求？如果两种隔膜的位置互换，原电池的反应会受到影响吗？

通过上述论述，不难发现，如果依赖于零散、孤立的知识点，那么学生在遇到复杂且陌生的真实情境时，往往难以应对和解决问题。这种碎片化的知识设有形成体系无法为学生提供足够的支持，导致他们在实际应用中感到无从下手。而实施单元整体教学，能够将这些零散的知识点整合成一个有机的整体，帮助学生形成系统的知识结构。单元整体教学强调知识的内在联系和实际应用，使学生能够在真实情境中更好地运用所学知识，从而提高解决问题的能力。在学习过程中，学生不仅能够深入地理解和掌握知识，形成系统的知识结构，而且能将其内化为自身的素养，在面对实际问题时能够灵活运用所学知识，有效解决学与用脱节的问题。

（三）进行对比分析，实现单元整体教学的衔接和进阶

教材中介绍了多种化学电源，这些电源既有原理上的相似性，也有装置结构上的差异。学习这种既相似又不同的概念，采用对比学习方法能收到更好的学习效果。因为通过归纳共同点，学生可以提炼出通用的方法或理论；而针对差异部分，通过结合各自的优势，学生可以促进学习内容的融合［2］。无论是哪种化学电源，都会涉及能量转化方式、氧化还原反应原理及电子和阴阳离子的移动方向等知识，而它们的差异性则可以通过对比分析进行深入理解和掌握。以“原电池”原理的教学为例，在进行单元整体教学时，教学的重点和难点在于如何掌握电化学内容在必修2和选择性必修1两本教材中的知识共性和差异性。如，在引入盐桥后，教师可以采用对比教学法，利用问题链和驱动性任务引导学生理解单液原电池与双液原电池的异同，预测并用实验验证盐桥在双液原电池中是否能将化学能转化为电能。通过观察实验现象，并结合单液原电池的反应原理进行分析解释，教师可以评估学生对原电池原理的理解程度。

例如，从双液原电池向氢氧燃料电池的转变过程中，教师可以引导学生深入探讨原电池的装置特性及氢气和氧气的总反应过程。通过这种方式，揭示原电池认知模型的延伸和拓展，使学生理解“负极材料并不一定需要失去电子，氧化剂和还原剂也可以由外界持续供给，而无需储存在电池内部”的知识。在进行单液原电池、双液原电池和燃料电池的对比教学时，教师可以设计一系列综合性任务，让学生从反应条件、反应方向、能量变化、反应途径等多个维度进行深入的对比分析，从而促进学生对知识的融会贯通和全面理解。

综上所述，以化学学科核心素养培养为指导进行单元整体教学，能够有效解决在教学过程中仅限于单一知识点传授的问题，避免了学生从学习一个知识点到学习另一个知识点知识点间缺乏联系的现象。这种教学方式有助于学生从专注于具体化学知识的学习，转向对化学学科核心素养培养的关注。在这一转变过程中，教师需深入研究如何才能更精准地掌握教学内容的本质与核心，帮助学生在构建知识结构的同时，形成有效的认识方法和思维模型，促进学生能力的全面提升。

参考文献

［1］崔允漷.如何开展指向学科核心素养的大单元设计［J］.北京教育（普教版），2019（2）：11-15.

［2］刘臣，何彩霞.基于化学学科大概念的单元整体教学设计：以选择性必修1“化学反应与电能”为例［J］.化学教学，2023（11）：34-38+56.

（责编 蒙秀溪）