劉臣　何彩霞

摘要： 以學(xué)科大概念為抓手開展單元教學(xué)是學(xué)科核心素養(yǎng)落地的重要途徑。以化學(xué)選擇性必修1中的“化學(xué)反應(yīng)與電能”為載體，以“化學(xué)反應(yīng)與能量”大概念為統(tǒng)領(lǐng)，闡述了

構(gòu)建電化學(xué)知識的結(jié)構(gòu)、形成認(rèn)識電化學(xué)的思路方法以及結(jié)合學(xué)生能力發(fā)展的單元教學(xué)與實(shí)踐的相關(guān)策略。

關(guān)鍵詞： 中學(xué)化學(xué)； 大概念； 單元整體教學(xué)； 化學(xué)反應(yīng)與電能

文章編號： 10056629（2023）11003406 中圖分類號： G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： B

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱化學(xué)新課標(biāo)）基于學(xué)科本質(zhì)凝練了化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)，構(gòu)建了以大概念為統(tǒng)領(lǐng)的課程主題和模塊，強(qiáng)調(diào)“以學(xué)科大概念為核心”“有目的、有計(jì)劃地進(jìn)行認(rèn)識思路和核心觀念的結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)”，以促進(jìn)學(xué)科核心素養(yǎng)的落實(shí)［1］?！皢卧笔侵富趯W(xué)科核心素養(yǎng)、學(xué)生認(rèn)知規(guī)律和學(xué)生知識邏輯體系建構(gòu)的基本教學(xué)單位，是依據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)分解所形成的大概念來確定的?！皢卧虒W(xué)”是落實(shí)核心素養(yǎng)的重要途徑之一［2］，需要“結(jié)合學(xué)生的已有經(jīng)驗(yàn)，對學(xué)段、模塊或主題、單元和課時(shí)教學(xué)目標(biāo)進(jìn)行整體規(guī)劃和設(shè)計(jì)”［3］。

作為重要的化學(xué)概念原理知識，“化學(xué)反應(yīng)與電能”是對氧化還原反應(yīng)、化學(xué)反應(yīng)中的能量變化、水溶液、離子反應(yīng)、金屬活動性順序等知識的綜合運(yùn)用，有助于學(xué)生了解化學(xué)能與電能相互轉(zhuǎn)化所遵循的基本原理和規(guī)律，認(rèn)識化學(xué)能與電能相互轉(zhuǎn)化的實(shí)際意義和重要作用，是培養(yǎng)學(xué)生對于學(xué)科知識綜合理解和應(yīng)用的很好的切入點(diǎn)［4］。

依據(jù)以學(xué)科大概念為統(tǒng)領(lǐng)促進(jìn)學(xué)生知識理解、思維發(fā)展和能力培養(yǎng)同步協(xié)調(diào)統(tǒng)一的化學(xué)教學(xué)主張［5］，現(xiàn)以“化學(xué)反應(yīng)與能量”學(xué)科大概念為引領(lǐng)，

針對選擇性必修1中的“化學(xué)反應(yīng)與電能”單元教學(xué)展開深入探討。

1 大概念統(tǒng)攝下單元知識分析

大概念是指反映學(xué)科本質(zhì)，具有抽象性、概括性、統(tǒng)攝性和廣泛遷移價(jià)值的學(xué)科觀念、思想和方法等［6］。

單元教學(xué)的構(gòu)建，依賴于教師對學(xué)科知識本質(zhì)的把握，以及依此形成的對學(xué)生知識理解、思維發(fā)展和能力培養(yǎng)的期待及系統(tǒng)考慮。聚焦學(xué)科本質(zhì)，分析和挖掘具體知識背后更為本質(zhì)的思想方法（大概念），并以大概念來統(tǒng)整相關(guān)內(nèi)容，將具體知識內(nèi)容與大概念建立關(guān)聯(lián)或?qū)樱瑸閱卧虒W(xué)指引方向，就成為系統(tǒng)分析和構(gòu)建單元教學(xué)的關(guān)鍵所在［7］。

“化學(xué)反應(yīng)與電能”屬于選擇性必修1課程“主題1化學(xué)反應(yīng)與能量”下的重要內(nèi)容。從學(xué)科角度看，一定條件下物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成新物質(zhì)，伴隨著能量變化，可以實(shí)現(xiàn)化學(xué)能與其他形式能量的轉(zhuǎn)化，這是有關(guān)“化學(xué)反應(yīng)與能量”的學(xué)科大概念。

以此為視角分析“化學(xué)反應(yīng)與電能”單元知識，其意義體現(xiàn)在多個(gè)方面。首先，能夠豐富學(xué)生的認(rèn)識角度和認(rèn)識內(nèi)容，形成對“化學(xué)能與電能相互轉(zhuǎn)化”的認(rèn)識，即化學(xué)能與電能的相互轉(zhuǎn)化需要通過氧化還原反應(yīng)、借助一定的裝置才能實(shí)現(xiàn)；其次，將化學(xué)反應(yīng)與電能的能量轉(zhuǎn)化形式、過程以及效率等問題，與電解質(zhì)溶液中離子移動、導(dǎo)線中電子移動、電極反應(yīng)等微觀原理及其實(shí)現(xiàn)這一轉(zhuǎn)化的裝置條件聯(lián)系起來，能夠增進(jìn)學(xué)生對“化學(xué)反應(yīng)與電能”知識的整體把握，幫助學(xué)生建立分析和解決相關(guān)問題的思路與方法［8］，發(fā)展學(xué)生的模型認(rèn)知；其三，由此可以引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識化學(xué)能與電能相互轉(zhuǎn)化在“物質(zhì)制備與轉(zhuǎn)化”“能量轉(zhuǎn)化”等方面的實(shí)際意義和重要作用。

基于上述分析，將“化學(xué)反應(yīng)與能量”學(xué)科大概念與“能量轉(zhuǎn)化”跨學(xué)科大概念［9］相對接，并將其與“化學(xué)反應(yīng)與能量”單元知識相關(guān)聯(lián)，同時(shí)結(jié)合化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行的方向、速率、限度等反應(yīng)原理內(nèi)容，梳理出大概念統(tǒng)攝下的“化學(xué)反應(yīng)與電能”單元知識層級結(jié)構(gòu)（見圖1）。以此為依托，按照知識理解、模型建構(gòu)及應(yīng)用實(shí)踐的學(xué)習(xí)進(jìn)程，引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識化學(xué)能與電能相互轉(zhuǎn)化所遵循的規(guī)律，領(lǐng)悟?qū)⑵鋺?yīng)用于解決實(shí)際問題的一般過程與思路方法。

2 學(xué)生的已有知識基礎(chǔ)與能力分析

2.1 學(xué)生已有知識基礎(chǔ)分析

在必修階段“主題3物質(zhì)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)與化學(xué)反應(yīng)規(guī)律”的學(xué)習(xí)中，從知識與能力層面，學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了一些吸熱與放熱反應(yīng)，了解到化學(xué)反應(yīng)體系能量的變化與化學(xué)鍵的斷裂和形成有關(guān)，知道化學(xué)反應(yīng)可以實(shí)現(xiàn)化學(xué)能與其他能量形式的轉(zhuǎn)化。以鋅銅單液原電池為例認(rèn)識化學(xué)能可以轉(zhuǎn)化為電能，從氧化還原反應(yīng)的角度初步認(rèn)識原電池的工作原理，能初步分析一些化學(xué)電池的構(gòu)造與性能；從情感與態(tài)度層面，認(rèn)識到能源合理利用的重要性，并發(fā)現(xiàn)單液原電池能量轉(zhuǎn)化效率低等實(shí)際問題，產(chǎn)生了對提高電池能量效率的好奇心和探求欲。

2.2 學(xué)生的學(xué)習(xí)障礙及困惑

電化學(xué)知識隸屬于化學(xué)熱力學(xué)研究范疇，其知識體系龐雜。高中階段電化學(xué)教學(xué)內(nèi)容無論從知識的包容性、復(fù)雜性還是綜合性，學(xué)生在學(xué)習(xí)理解與內(nèi)化過程中都面臨著諸多困難。與此同時(shí)，像“雙電層理論”“電極電勢”“能斯特方程”等概念自身難度較大，容易產(chǎn)生學(xué)習(xí)障礙，不宜直接下放到高中課堂講授。分析學(xué)習(xí)內(nèi)容及素材，學(xué)生在本單元學(xué)習(xí)中可能存在的障礙點(diǎn)及困惑有：（1）在“ZnCuH2SO4”雙液電池中，鋅的電子流動到銅表面的驅(qū)動力是什么？該裝置為何可以產(chǎn)生電流？（2）為何鋅在ZnSO4溶液中能夠失去電子？（3）在原電池裝置中，為何電子不能進(jìn)入溶液？（4）氫氧燃料電池和電解水的電化學(xué)過程有哪些異同？（5）如何理解物質(zhì)（粒子）在陰、陽兩極的放電順序，它是一成不變的嗎？（6）電鍍裝置中，如鐵上鍍鋅，為何Zn2+能先于H+在陰極放電？（7）電解FeCl2溶液，為何Fe2+可以源源不斷地靠近陽極，并在陽極失去電子？（8）如何發(fā)現(xiàn)金屬的腐蝕現(xiàn)象，并與所學(xué)電化學(xué)模型建立聯(lián)系等。

2.3 學(xué)生的能力發(fā)展分析

依據(jù)大概念統(tǒng)攝下的“化學(xué)反應(yīng)與電能”單元知識層級結(jié)構(gòu)，學(xué)生在經(jīng)歷知識理解、模型建構(gòu)及應(yīng)用實(shí)踐的學(xué)習(xí)進(jìn)程后，其能力發(fā)展可具體表現(xiàn)為以下幾方面：知識理解能力。能依據(jù)氧化還原反應(yīng)的實(shí)質(zhì)對常見化學(xué)電源及新型電池的裝置特點(diǎn)及工作原理進(jìn)行分析，并寫出相關(guān)電極反應(yīng)式；模型建構(gòu)能力。從原理維度和裝置維度建構(gòu)電化學(xué)的認(rèn)識模型，實(shí)現(xiàn)對原電池、電解池的統(tǒng)一認(rèn)識；應(yīng)用實(shí)踐能力。從能量轉(zhuǎn)化、物質(zhì)制備及實(shí)驗(yàn)研究等維度，發(fā)現(xiàn)生活中金屬的電化學(xué)腐蝕現(xiàn)象，應(yīng)用電化學(xué)原理設(shè)計(jì)能量轉(zhuǎn)化的路徑和裝置，應(yīng)用電化學(xué)過程實(shí)現(xiàn)物質(zhì)的制備與純化，應(yīng)用電化學(xué)方法研究物質(zhì)性質(zhì)及化學(xué)反應(yīng)規(guī)律等。

具體來說，深刻認(rèn)識學(xué)科大概念中氧化還原反應(yīng)的實(shí)質(zhì)是理解電化學(xué)過程的基礎(chǔ)。初中階段，以木炭還原氧化銅反應(yīng)為認(rèn)識載體，從木炭得氧、氧化銅失氧的角度認(rèn)識“氧化反應(yīng)”與“還原反應(yīng)”的概念；必修階段，從自然環(huán)境、生活經(jīng)驗(yàn)及學(xué)生熟悉的事物出發(fā)，引導(dǎo)學(xué)生建立“氧化反應(yīng)”與“還原反應(yīng)”間的聯(lián)系，借助銅鋅原電池裝置中電流表指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)驗(yàn)證氧化還原反應(yīng)中電子的轉(zhuǎn)移，進(jìn)而建立電化學(xué)模型對原電池原理維度的認(rèn)識；選擇性必修階段，選取合適的裝置，利用氧化還原反應(yīng)實(shí)現(xiàn)化學(xué)能和電能的相互轉(zhuǎn)化，進(jìn)一步學(xué)習(xí)電解原理和電解池，建立電化學(xué)模型對原理維度和裝置維度的認(rèn)識，從物質(zhì)變化與能量變化兩個(gè)維度理解相關(guān)的重要概念。進(jìn)而，基于學(xué)生在必修階段對原電池的已有認(rèn)識模型展開教學(xué)，并將認(rèn)識模型轉(zhuǎn)化為問題解決模型，逐步提升學(xué)生應(yīng)用所學(xué)知識解決實(shí)際問題的能力。如以應(yīng)用電化學(xué)過程實(shí)現(xiàn)對物質(zhì)的制備——氯堿工業(yè)的教學(xué)設(shè)計(jì)思路為例，開展原電池和電解池的對比教學(xué)，并探究溶液中離子的放電順序。在演示實(shí)驗(yàn)中引導(dǎo)學(xué)生仔細(xì)觀察電解飽和食鹽水的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象并思考：陽極、陰極產(chǎn)生的氣泡從何而來？氣泡中可能含有哪些物質(zhì)？如何進(jìn)行檢驗(yàn)？層層遞進(jìn)，啟發(fā)學(xué)生關(guān)聯(lián)“水的電離”及初中階段學(xué)習(xí)過的“電解水實(shí)驗(yàn)”，通過對比兩者的異同，建構(gòu)對原電池和電解池兩個(gè)電化學(xué)過程的統(tǒng)一認(rèn)識模型。其次，為實(shí)現(xiàn)鐵上鍍銅、電解精煉銅等實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，通過設(shè)計(jì)問題解決型任務(wù)，引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)出電化學(xué)裝置，并闡述該裝置是通過怎樣的電化學(xué)過程達(dá)成了實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，以逐步形成基于電解模型解決問題的系統(tǒng)分析思路，提升學(xué)生對陌生、復(fù)雜問題的解決能力。

3 基于學(xué)科大概念的單元教學(xué)思路

單元教學(xué)思路圍繞大概念進(jìn)行整體設(shè)計(jì)，教學(xué)內(nèi)容要為大概念的形成服務(wù)，為學(xué)生核心素養(yǎng)的發(fā)展服務(wù)［10］?；诼鋵?shí)新課標(biāo)理念，著力于學(xué)生學(xué)習(xí)方式的轉(zhuǎn)變及學(xué)科思維的培養(yǎng)，單元教學(xué)中要多創(chuàng)設(shè)機(jī)會讓學(xué)生主動去發(fā)現(xiàn)和領(lǐng)悟，如生活中金屬的腐蝕現(xiàn)象；教學(xué)中除采用演繹的思路，還可更多地采用概括和歸納的方法，將金屬的腐蝕這一真實(shí)問題抽提成電化學(xué)模型，提供支撐素材引發(fā)學(xué)生更多的思考，如怎樣形成原電池，正極、負(fù)極的反應(yīng)物是什么，電解質(zhì)溶液是什么等等，促使學(xué)生在具體情境問題的解決中形成概念，進(jìn)而得出對電化學(xué)過程認(rèn)識的關(guān)鍵角度及路徑，促進(jìn)學(xué)生的能力發(fā)展。據(jù)此，單元整體教學(xué)在知識結(jié)構(gòu)化、建構(gòu)學(xué)生電化學(xué)的認(rèn)識角度和思路、提升學(xué)生思維的深刻性等層面對相關(guān)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行整合，如表1所示。

4 基于學(xué)科大概念的單元教學(xué)主要策略

4.1 采用對比策略，實(shí)現(xiàn)單元教學(xué)中的銜接、遞進(jìn)與發(fā)展

對比學(xué)習(xí)策略，即采用對比兩種事物的異同進(jìn)行學(xué)習(xí)，其中相同部分可以進(jìn)行歸納，從而產(chǎn)生通用方法或者理論；對于不同部分，可以“優(yōu)勢互補(bǔ)”，以達(dá)成對學(xué)習(xí)內(nèi)容的融合?？紤]單元教學(xué)的連續(xù)性和整體性，需要關(guān)注電化學(xué)內(nèi)容在必修階段和選擇性必修階段的銜接、遞進(jìn)與發(fā)展。例如，從“單液原電池”到“雙液原電池”，教學(xué)中采用對比策略，以任務(wù)和問題驅(qū)動教學(xué)，要學(xué)生預(yù)測“銅鋅雙液原電池”能否產(chǎn)生電流，并闡述理由，進(jìn)一步診斷學(xué)生對原電池的認(rèn)知水平，進(jìn)而從裝置維度發(fā)展學(xué)生對離子導(dǎo)體和鹽橋的認(rèn)識，從原理維度建立氧化還原反應(yīng)與電極反應(yīng)間的關(guān)系，圍繞單元大概念，幫助學(xué)生逐步建構(gòu)知識的層級結(jié)構(gòu)，促使學(xué)生的知識結(jié)構(gòu)化。

再如，通過對比“銅鋅雙液原電池”和“氫氧燃料電池”，引導(dǎo)學(xué)生從氫氣和氧氣的反應(yīng)入手，將其設(shè)計(jì)成電池裝置，從而找到對雙液原電池認(rèn)識的發(fā)展點(diǎn)——電池中的反應(yīng)物不一定儲存在電池內(nèi)部。

對于原電池和電解池的對比教學(xué)，可設(shè)計(jì)概括關(guān)聯(lián)任務(wù)，使學(xué)生通過對比氫氧燃料電池和電解水兩個(gè)電化學(xué)過程的差異性，從反應(yīng)條件、反應(yīng)方向、反應(yīng)的能量變化、實(shí)現(xiàn)反應(yīng)發(fā)生的方式等維度認(rèn)識到反應(yīng)中均涉及3種相同的物質(zhì)，但反應(yīng)發(fā)生的方向截然相反，進(jìn)而理解判斷原電池和電解池的關(guān)鍵所在——反應(yīng)發(fā)生的驅(qū)動力不同，即電解裝置中存在外接電源。

4.2 建立模型，轉(zhuǎn)變迷思概念，提升對電化學(xué)本質(zhì)的認(rèn)識

對于雙液原電池的教學(xué)，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中存在諸多迷思概念，如“鋅的電子自發(fā)流動到銅表面的驅(qū)動力是什么”“為何鋅在硫酸鋅溶液中也能失去電子”等等。在教學(xué)過程中，可適當(dāng)介紹“雙電層理論”的基本概念，但不宜過多地出現(xiàn)專業(yè)術(shù)語，如圖2和圖3所示?？珊喴硎鰹楫?dāng)金屬M(fèi)與其溶液Mn+接觸時(shí)，存在以下兩種趨勢：（1）金屬表面的原子受到溶劑分子吸引變?yōu)槿軇┗碾x子進(jìn)入溶液，電子留在金屬上，此時(shí)金屬的電勢低于溶液；金屬越活潑，溶液越稀，此過程進(jìn)行的程度越大（如Zn和Zn2+體系）；（2）溶液中的Mn+與金屬表面的電子結(jié)合，沉積在金屬表面，此時(shí)金屬帶正電，電勢高于溶液；金屬越不活潑，溶液越濃，此過程進(jìn)行的程度越大（如Cu和Cu2+體系）。通過模型，幫助學(xué)生建立電子流動的驅(qū)動力是兩電極電勢的高低不同，以此厘清并轉(zhuǎn)變學(xué)生的迷思概念，提高對電化學(xué)本質(zhì)的認(rèn)識。

4.3 基于真實(shí)情境，提升綜合運(yùn)用所學(xué)知識解決問題的能力

學(xué)以致用，用以促學(xué)。在課堂教學(xué)中我們既要突出基礎(chǔ)主干知識，亦要關(guān)注學(xué)生思維過程、創(chuàng)新意識及

分析、解決真實(shí)問題能力的提升。以開展“為熱水器碳鋼內(nèi)膽設(shè)計(jì)防腐方案”學(xué)生活動為例，依據(jù)“犧牲陽極法”和“外加電流法”兩種電化學(xué)保護(hù)方法，從陽極金屬種類的選取、金屬在熱水器中放置的位置、進(jìn)出水口的高度等視角展開討論，畫出設(shè)計(jì)的裝置圖并闡述理由，促使學(xué)生將電化學(xué)模型用起來，充分發(fā)揮模型的指導(dǎo)功能，讓學(xué)生會說、會寫、會分析、會設(shè)計(jì)。再如，將2021年高考北京卷第15題進(jìn)行改編，在課堂上引導(dǎo)學(xué)生圍繞由乙烯經(jīng)電解制備環(huán)氧乙烷的電化學(xué)過程展開討論，突出應(yīng)用電化學(xué)方法實(shí)現(xiàn)物質(zhì)制備及純化的思路和方法，體現(xiàn)知識的理解與運(yùn)用相統(tǒng)一。同時(shí)，啟發(fā)學(xué)生在工藝流程中找出可循環(huán)使用的物質(zhì)KCl，滲透綠色化學(xué)理念，在實(shí)際問題中引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注化學(xué)對生態(tài)環(huán)境和社會發(fā)展的影響。

總之，以大概念為統(tǒng)領(lǐng)設(shè)計(jì)單元整體教學(xué)，超越了教師在單一層面對某個(gè)知識點(diǎn)的教學(xué)。以大概念統(tǒng)領(lǐng)具體知識，建立具體知識與大概念的對接，有利于促進(jìn)學(xué)生從化學(xué)知識向化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的轉(zhuǎn)化［12］。依據(jù)學(xué)科大概念，教師把握教學(xué)內(nèi)容的本質(zhì)和關(guān)鍵，促使學(xué)生在知識結(jié)構(gòu)化的學(xué)習(xí)中對學(xué)科概念原理形成系統(tǒng)認(rèn)識，并建構(gòu)認(rèn)識思路和方法，以實(shí)現(xiàn)學(xué)生的能力發(fā)展，還需要廣大教師開展更加深入的思考與探索。

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［10］夏添， 王姝瑋， 王珍珍. 大概念統(tǒng)領(lǐng)下“化學(xué)能與電能”單元教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)踐［J］. 化學(xué)教學(xué)， 2022， （12）： 48～58.

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*北京市教育科學(xué)“十四五”規(guī)劃2021年度一般課題“學(xué)科核心素養(yǎng)導(dǎo)向的中學(xué)化學(xué)單元深度學(xué)習(xí)實(shí)踐研究”（課題編號：CDDB21219）部分研究成果。