促进学生化学学科核心素养发展的单元教学设计

朱汝葵　江晴　陈思静

【摘要】本文以《化学反应与电能》教学设计为例，阐述促进学生化学学科核心素养发展的单元教学设计一次成功的实践：基于教材分析确定单元教学目标与整体教学思路；将目标、情境、問题、活动相结合；以“金属的腐蚀”为情境，通过分析金属腐蚀、防护金属等问题将《化学反应与电能》整个单元的内容整合在一起，帮助学生建构原电池、电解池的结构模型；引导学生总结解决生产生活中有关电化学实际问题的思路和方法，从而使学生深刻地认识电化学对生产生活、社会发展的重要性。

【关键词】化学学科核心素养 单元教学设计 《化学反应与电能》

【中图分类号】G63 【文献标识码】A

【文章编号】0450-9889（2022）26-0125-04

如何落实立德树人教育根本任务，发展学生化学学科核心素养是当前高中化学教学的关注点之一。长期以来，部分高中化学教师注重教学生知识，忽视培养学生自主学习、生疑质疑以及分析和解决化学问题的能力，导致学生的化学学科核心素养发展受阻。在新课改背景下，教师在教学实践中必须把重心从“知识本位”转向“素养本位”，重视学生的主体地位和多元化发展，形成目标、情境、问题、活动相结合的课堂教学形式，准确提取实质性的教学内容并将其与学生已有知识整合，创设符合现代社会发展的问题情境，重组单元教学内容，创新设计教学活动，从而实现课程目标。

一、教材分析

初中阶段，学生已有从燃料的角度去认识发生化学反应所需条件的意识，知道如何调控化学反应，并知道化学反应伴随能量变化；在宏观层面上了解了能源与资源，知道合理利用资源和开发新能源的重要意义。在高中阶段必修模块的学习中，学生能根据化学键的断裂来分析化学反应中能量变化的缘由；能举例说明化学能转化为热能、电能的实际应用；定性了解了如何提高化学能转化为热能的效率，也了解了将化学能转化为电能的装置研发。在选修模块的学习中，学生将从科学理论层面、定量及定性分析的层面系统地学习化学反应与电能的知识。因此，本单元内容是对整个中学阶段化学反应与电能知识的巩固与整合。

人教版选择性必修1教材在《化学反应与电能》这一单元中讨论“化学能与电能相互转化的双向关系”，旨在达到以下效果：从学生现有的生活经验和情感体验角度出发，引入化学能与电能的相互转化——原电池和电解池；从宏微结合的角度出发，通过实验分析原电池、电解池的基本工作原理，凸显电能与化学能二者相互转化的过程并能用化学用语表达过程中的反应；让学生知道原电池原理、电解池原理在实际生活、生产中的应用；通过分析金属腐蚀的原因认识到金属腐蚀的危害，进而探究保护金属的措施，从而知道调控化学反应发生的条件。

二、单元教学设计思路

（一）单元教学目标

1.第一课时

（1）能够依据金属腐蚀现象宏观辨识金属腐蚀与金属所处环境有关，并从微观的角度探究和分析不同环境对金属腐蚀的影响。（宏观辨识与微观探析）

（2）能根据金属物质的性质，描述或预测金属在不同环境下可能发生的化学反应，并能评估析氢腐蚀和吸氧腐蚀的合理性。（宏观辨识与微观探析）

（3）能够运用氧化还原反应原理解释化学史上第一个原电池的工作原理问题，能依据第一个原电池的模型自行设计原电池并实施试验方案。（证据推理与模型认知、科学探究与创新意识）

2.第二课时

（1）能从金属材料的构成出发对保护金属的有效措施提出可能的假设，依据证据证明，归纳总结得出结论。（证据推理与模型认知）

（2）能从微观视角分析金属与其接触物质所发生的化学反应，提出防护金属的假设，依据假设设计电解池。（科学探究与创新意识）

（3）能对电解池的工作原理进行三重表征，能将电解池模型和化学事实进行关联和合理分配。（宏观辨识与微观探析、证据推理与模型认知）

3.第三课时

（1）能对单液原电池的工作原理进行反思，提出能否改变酸碱性环境的质疑，对比分析，评价和优化方案。（科学探究与创新意识）

（2）能根据铅酸蓄电池的总反应分析其充放电的工作原理，能运用微粒结构图示描述微粒物质的变化过程，解释同类不同物质性质变化的规律。（宏观辨识与微观探析）

（3）能从微粒角度分析化学变化的内因和本质，能利用化学反应原理分析研究酸碱性环境对生成物的影响。（变化观念与平衡思想）

4.第四课时

（1）能运用电解池模型的工作原理解释或推测饱和食盐水在电解过程中发生的变化，分析探究电解食盐水的工作原理。（证据推理与模型认知）

（2）能对复杂的化学问题情境中的关键要素——电镀、精炼铜进行分析以分别建构电镀模型、精炼铜模型，综合解释或解决复杂的化学问题；能运用电镀的方法解决水龙头腐蚀的化学问题，运用精炼铜的方法解决精炼金属的化学问题。（证据推理与模型认知、科学态度与社会责任）

（二）整体分析

本次单元教学设计以现实生活中常见的现象——金属腐蚀为情境线索，提出如何防止金属被腐蚀的系列问题，设计科学探究的教学活动，用四个课时教学《化学反应与电能》，以达到教学目标，发展学生的化学学科核心素养。教师可以根据金属腐蚀现象引导学生思考金属腐蚀的原因（包括化学腐蚀与电化学腐蚀），结合必修2有关化学能与电能的相关知识展开原电池的深度学习；知道金属腐蚀的原因后便可“对症下药”，根据腐蚀原因设计防止金属被腐蚀的有效措施；从改变与金属接触物质反应的条件出发学习电解池的工作原理；根据原电池的工作原理分析一次电池、二次电池及燃料电池的工作原理，根据电解池的工作原理向学生介绍电解池在工业生产中的应用。通过本单元的教学，可以让学生认识到电化学及其应用对能源、材料、环境和健康等领域的重大意义，让学生意识到电化学在生活、生产和科学研究中的重要作用。

三、单元教学设计

（一）第一课时

【情境线索】1.根据与金属接触的气体、液体的异同，将发生的腐蚀情况分类。

2.根據所在环境的不同，分析钢铁被腐蚀的两种情况，即析氢腐蚀和吸氧腐蚀。

3.根据第一个化学电源的化学史分析原电池的工作原理。

【问题线索】1.金属为什么会发生腐蚀现象？

2.金属在不同的环境下发生腐蚀的原理是什么？你能用化学语言表达吗？

3.如何将可自发进行的氧化还原反应设计成原电池？

【活动线索】1.根据身边的现象分析金属腐蚀的原因。

2.在周围环境不同的情况下，讨论、归纳、总结化学腐蚀与电化学腐蚀的概念及原理，并用化学语言表达。

3.连接一个电流表，从电流表指针偏转的现象知道原电池的工作原理，讨论如何将可自发进行的氧化还原反应设计成原电池。

【设计思路】第一课时主要学习金属腐蚀、原电池的工作原理等内容，讲解了金属腐蚀的现象、金属腐蚀的类型以及原电池的工作原理。在本课时中，从学生身边存在的生活现象——金属腐蚀现象入手，透过真实情境下的现象分析金属腐蚀的本质及原因。通过真实情境发现不同的气体、液体对金属腐蚀的影响情况不同，可将金属腐蚀分为化学腐蚀和电化学腐蚀。根据金属所在的环境不同，可将电化学腐蚀细分为析氢腐蚀和吸氧腐蚀。学生根据不同气体、液体、金属的微观结构及性质，预测金属在一定条件下可能发生的化学变化，从而解释金属腐蚀现象存在的合理性，从宏观与微观结合的视角对物质的变化进行分类和描述，发展了“宏观辨识与微观探析”的化学学科核心素养。在真实情境的背景下引入新课，不仅可以提高学生的学习兴趣、激发学生的学习主动性，还可以降低学习内容的难度。给学生介绍第一个化学电源的历史，说明化学成果给人类文明带来的伟大贡献，能够增强学生主动关心资源开发等社会热点问题的意识，培养学生“科学态度与社会责任”的化学学科核心素养。利用化学史引导学生对“化学能是否能转化为电能”进行猜想并验证，通过连接电流表分析腐蚀现象背后发生的微粒变化，依据微粒变化从不同视角分析化学能到电能的转化过程，从而推导出合理的结论。理解、描述和表示原电池的认知模型，指出原电池模型表示的具体含义，能够使学生对化学能转化为电能的过程有更深入的认识，从而领悟原电池的工作原理，发展“证据推理与模型认知”的化学学科核心素养。

（二）第二课时

【情境线索】1.从金属、与金属接触的物质的角度，设计防护金属的有效措施。

2.从金属和与其接触物质的反应条件的角度，设计防护金属的有效措施。

3.电解池的工作原理——电能转化为化学能。

【问题线索】1.分析金属腐蚀的原因后，你有什么方法或措施能够防护金属？

2.你可以从金属和与其接触物质的反应条件角度设计防护金属的有效措施吗？

3.可以将电能转化成化学能吗？如何转化？

【活动线索】1.分析金属腐蚀的原因，从金属、与金属接触的物质出发，提出可以通过改变金属材料的组成、在金属表面覆盖保护层等防护金属的措施。

2.从金属和与其接触物质的反应条件出发，根据原电池的工作原理，引导学生从电能转化为化学能的角度设计防护金属的有效措施。

3.在原电池的基础上连接一个直流电源，实现电能转化为化学能（电解池的工作原理），引导学生建立原电池、电解池的结构模型。

【设计思路】第二课时的内容包含了金属的防护、电解池的工作原理等内容，主要探究如何防护金属以及电解池的工作原理。结合上一课时的内容，教师可以引导学生从金属本身的材质、与金属接触的物质的属性、金属与其接触物质反应的条件等方面设计防止金属腐蚀的有效措施。从金属腐蚀变化的事实中提取证据，对如何防止金属腐蚀提出假设并根据证据证明，从而培养学生“证据推理与模型认知”的化学学科核心素养。在从金属与其接触物质反应条件的角度设计金属防护的方法和措施时，根据能量守恒定律，引导学生对“电能是否能转化为化学能”进行猜想并验证，通过连接直流电源后的实验现象证实电能可以转化为化学能，从而得出可以采用外加电流法防护金属的结论。学生在研究防止金属腐蚀的方法的过程中提出能否将电能转化为化学能的假设，依据假设设计实验方案、操作实验、收集实验证据并进行分析，进而得出结论，从而发展学生“科学探究与创新意识”的化学学科核心素养。依据外加电流法引导学生学习电解池的工作原理，帮助学生构建化学能转化为电能、电能转化为化学能的结构模型，即原电池、电解池的装置模型，不仅让学生认识到电化学及其产品对能源、材料、环境和健康等领域的重大意义，还让学生意识到电化学在生活、生产和科学研究中的重要作用。学生能对电能转化为化学能的问题进行分析从而建构电解池模型，从宏微结合的视角分析电解池的工作原理，理解电解池的认知模型，对阴、阳极物质及其变化进行三重表征，发展了“宏观辨识与微观探析”“证据推理与模型认知”等化学学科核心素养。

（三）第三课时

【情境线索】1.锌铜单液原电池、酸性锌锰电池、碱性锌锰电池。

2.二次电池——以铅酸蓄电池为例。

3.在不同环境条件下的氢氧燃料电池。

【问题线索】1.起初使用的酸性锌锰电池就是依据锌铜单液原电池的原理进行设计的。你认为能用KOH和MnO2代替稀H2SO4吗？若能，请写出碱性锌锰电池的电极反应。二者对比，碱性锌锰电池的优点可能是什么？其中，MnO2的作用是什么？

2.已知铅酸蓄电池的总反应，请你分析铅酸蓄电池的充、放电原理。

3.请你分别写出氢氧燃料电池在酸性、碱性、熔融氧化物等介质中的电极反应。

【活动线索】1.回顾单液原电池的工作原理，猜想能否改变电解质酸碱性以及改变后有无优点，分析MnO2在碱性锌锰电池中的作用，介绍碱性锌锰电池的结构。

2.通过分析二次电池的工作原理，再次巩固原电池、电解池的工作原理。

3.由于条件会影响物质变化，因此可以通过分析相同氧化剂、还原剂在不同的酸碱性环境中的反应来介绍氢氧燃料电池。

【设计思路】第三课时主要学习化学电源，即利用原电池的工作原理分析化学电源。通过将必修2中单液原电池中的酸性电解质更换为碱性电解质，判断电解质的酸碱性是否会对电解池工作产生影响，比较酸碱性电解池之间的区别，分析碱性锌锰电池的优点，介绍一次电池。通过常见的铅酸蓄电池的总反应，剖析其充、放电的过程及原理，再次巩固原电池、电解池的工作原理，向学生介绍二次电池，并对比一次电池与二次电池之间的异同与优劣。学生能依据正负极物质的微观结构预测并描述其中发生的化学变化，以评估二次电池工作的合理性，解释同类的不同物质性质变化的规律，有利于发展学生“宏观辨识与微观探析”的化学学科核心素养。根据“条件会影响物质变化”的原则，分析在不同环境下，相同氧化剂、还原剂所发生的反应（以氢氧燃料电池为例），进而介绍燃料电池，并对比其与前两种电池之间的区别。学生分析解释氢氧燃料电池的工作原理，运用化学变化的规律说明生产、生活实际中燃料电池的化学变化，发展了“变化观念与平衡思想”的化学学科核心素养。

（四）第四课时

【情境线索】1.根据电解池的工作原理分析电解饱和食盐水的原理。

2.电镀铜保护铁水龙头。

3.精炼铜——电冶金。

【问题线索】1.请写出电解氯化钠溶液、氯化铜溶液时阴、阳极的产物分别是什么，并写出其电极反应方程式。

2.铁质水龙头易生锈，思考“穿上铜外衣”的水龙头为什么不生锈了，并画出装置示意图进行分析。

3.思考所给装置是如何精炼粗铜的，分析原理。

【活动线索】1.学生回顾电解池的工作原理，分析电解氯化钠溶液、氯化铜溶液的工作原理。

2.学生通过装置图分析总结得出电鍍模型：阴极——待镀金属制品，阳极——镀层金属，电镀液——含镀层金属离子溶液。

3.根据精炼铜装置图分析精炼粗铜原理，总结得出精炼模型：阳极——待精炼金属，阴极——精炼纯金属，电解质——含精炼金属离子溶液。

【设计思路】第四课时主要介绍电解原理的应用。通过回顾电解池的工作原理分析电解饱和氯化钠溶液（食盐水）、氯化铜溶液的原理，不仅巩固了电解池的相关知识，而且利用该原理对工业生产、现实生活中工业废水的处理提出了应对方法；通过“穿上铜外衣”的铁水龙头不易生锈的真实情境，引导学生画出装置示意图并分析该水龙头不易生锈的原因，从而总结得出电镀模型；依据电解池的模型认识精炼粗铜的装置，解释精炼粗铜的工作原理，并对电冶金进行模型构建，总结得出精炼原理。对工业废水的处理、“穿上铜外衣”的铁水龙头不易生锈、精炼粗铜等真实情景中的复杂化学问题的关键要素进行分析和评价，利用模型以及科学的化学方法对电解池的应用进行解释，从而构建相应的新模型，揭示了化学服务生活的思想理念，有利于培养学生“证据推理与模型认知”“科学态度与社会责任”的化学学科核心素养。

四、总结与反思

本单元教学设计涵盖了教材中的所有知识点，将宏微视角的化学三重表征、证据推理能力、建构认知模型能力、实验探究能力、社会责任等化学学科核心素养渗透于整个单元教学的过程，结合真实的情境，利用化学知识进行科学实验探究活动，从而解决现实生活中的问题，以达到培养学生综合运用化学的能力、发展学生的化学学科核心素养的目标。从知识体系上讲，本单元设计思路较为清晰：按照“金属腐蚀—原电池—防护金属—电解池—化学电源—电解池的工业应用”的顺序讲述化学反应与电能之间的关系，通过构建原电池、电解池的结构模型解释分析化学电源，并利用该模型解决生产生活中有关电化学的实际问题，体现了化学的社会功能和价值，激发了学生的社会责任感和使命感，培养了学生勇于探索的科学精神。

参考文献

［1］刘馥毓，陆国志.基于化学核心素养的单元教学设计探索［J］.中学化学，2021（12）.

［2］李艳丽.“化学反应与能量”主题教学设计研究［D］.北京：首都师范大学，2013.

［3］李书霞.“目标、情境、活动、问题”四步落实化学核心素养［J］.基础教育课程，2019（Z1）.

注：本文系广西壮族自治区教育厅2019年广西学位与研究生教育改革课题“依托高水平学科竞赛提高专业硕士研究生实践创新能力的研究”（JGY2019115）、广西壮族自治区教育厅2019年广西高等教育本科教学改革工程项目一般B类“面向师范专业认证的课程建设与教学改革研究——以化学专业为例”（2019JGB267）的研究成果。

作者简介：朱汝葵（1970— ），广西玉林人，副教授，主要研究方向为化学课程与教学研究；江晴（1999— ），湖南衡阳人，主要研究方向为化学课程与教学；陈思静（1980— ），通讯作者，广西柳州人，硕士，讲师，主要研究方向为化学课程与教学、信息技术与课程整合。

（责编 刘小瑗）