朱汝葵　江晴　陳思靜

【摘要】本文以《化學反應與電能》教學設計為例，闡述促進學生化學學科核心素養(yǎng)發(fā)展的單元教學設計一次成功的實踐：基于教材分析確定單元教學目標與整體教學思路；將目標、情境、問題、活動相結(jié)合；以“金屬的腐蝕”為情境，通過分析金屬腐蝕、防護金屬等問題將《化學反應與電能》整個單元的內(nèi)容整合在一起，幫助學生建構(gòu)原電池、電解池的結(jié)構(gòu)模型；引導學生總結(jié)解決生產(chǎn)生活中有關電化學實際問題的思路和方法，從而使學生深刻地認識電化學對生產(chǎn)生活、社會發(fā)展的重要性。

【關鍵詞】化學學科核心素養(yǎng) 單元教學設計 《化學反應與電能》

【中圖分類號】G63 【文獻標識碼】A

【文章編號】0450-9889（2022）26-0125-04

如何落實立德樹人教育根本任務，發(fā)展學生化學學科核心素養(yǎng)是當前高中化學教學的關注點之一。長期以來，部分高中化學教師注重教學生知識，忽視培養(yǎng)學生自主學習、生疑質(zhì)疑以及分析和解決化學問題的能力，導致學生的化學學科核心素養(yǎng)發(fā)展受阻。在新課改背景下，教師在教學實踐中必須把重心從“知識本位”轉(zhuǎn)向“素養(yǎng)本位”，重視學生的主體地位和多元化發(fā)展，形成目標、情境、問題、活動相結(jié)合的課堂教學形式，準確提取實質(zhì)性的教學內(nèi)容并將其與學生已有知識整合，創(chuàng)設符合現(xiàn)代社會發(fā)展的問題情境，重組單元教學內(nèi)容，創(chuàng)新設計教學活動，從而實現(xiàn)課程目標。

一、教材分析

初中階段，學生已有從燃料的角度去認識發(fā)生化學反應所需條件的意識，知道如何調(diào)控化學反應，并知道化學反應伴隨能量變化；在宏觀層面上了解了能源與資源，知道合理利用資源和開發(fā)新能源的重要意義。在高中階段必修模塊的學習中，學生能根據(jù)化學鍵的斷裂來分析化學反應中能量變化的緣由；能舉例說明化學能轉(zhuǎn)化為熱能、電能的實際應用；定性了解了如何提高化學能轉(zhuǎn)化為熱能的效率，也了解了將化學能轉(zhuǎn)化為電能的裝置研發(fā)。在選修模塊的學習中，學生將從科學理論層面、定量及定性分析的層面系統(tǒng)地學習化學反應與電能的知識。因此，本單元內(nèi)容是對整個中學階段化學反應與電能知識的鞏固與整合。

人教版選擇性必修1教材在《化學反應與電能》這一單元中討論“化學能與電能相互轉(zhuǎn)化的雙向關系”，旨在達到以下效果：從學生現(xiàn)有的生活經(jīng)驗和情感體驗角度出發(fā)，引入化學能與電能的相互轉(zhuǎn)化——原電池和電解池；從宏微結(jié)合的角度出發(fā)，通過實驗分析原電池、電解池的基本工作原理，凸顯電能與化學能二者相互轉(zhuǎn)化的過程并能用化學用語表達過程中的反應；讓學生知道原電池原理、電解池原理在實際生活、生產(chǎn)中的應用；通過分析金屬腐蝕的原因認識到金屬腐蝕的危害，進而探究保護金屬的措施，從而知道調(diào)控化學反應發(fā)生的條件。

二、單元教學設計思路

（一）單元教學目標

1.第一課時

（1）能夠依據(jù)金屬腐蝕現(xiàn)象宏觀辨識金屬腐蝕與金屬所處環(huán)境有關，并從微觀的角度探究和分析不同環(huán)境對金屬腐蝕的影響。（宏觀辨識與微觀探析）

（2）能根據(jù)金屬物質(zhì)的性質(zhì)，描述或預測金屬在不同環(huán)境下可能發(fā)生的化學反應，并能評估析氫腐蝕和吸氧腐蝕的合理性。（宏觀辨識與微觀探析）

（3）能夠運用氧化還原反應原理解釋化學史上第一個原電池的工作原理問題，能依據(jù)第一個原電池的模型自行設計原電池并實施試驗方案。（證據(jù)推理與模型認知、科學探究與創(chuàng)新意識）

2.第二課時

（1）能從金屬材料的構(gòu)成出發(fā)對保護金屬的有效措施提出可能的假設，依據(jù)證據(jù)證明，歸納總結(jié)得出結(jié)論。（證據(jù)推理與模型認知）

（2）能從微觀視角分析金屬與其接觸物質(zhì)所發(fā)生的化學反應，提出防護金屬的假設，依據(jù)假設設計電解池。（科學探究與創(chuàng)新意識）

（3）能對電解池的工作原理進行三重表征，能將電解池模型和化學事實進行關聯(lián)和合理分配。（宏觀辨識與微觀探析、證據(jù)推理與模型認知）

3.第三課時

（1）能對單液原電池的工作原理進行反思，提出能否改變酸堿性環(huán)境的質(zhì)疑，對比分析，評價和優(yōu)化方案。（科學探究與創(chuàng)新意識）

（2）能根據(jù)鉛酸蓄電池的總反應分析其充放電的工作原理，能運用微粒結(jié)構(gòu)圖示描述微粒物質(zhì)的變化過程，解釋同類不同物質(zhì)性質(zhì)變化的規(guī)律。（宏觀辨識與微觀探析）

（3）能從微粒角度分析化學變化的內(nèi)因和本質(zhì)，能利用化學反應原理分析研究酸堿性環(huán)境對生成物的影響。（變化觀念與平衡思想）

4.第四課時

（1）能運用電解池模型的工作原理解釋或推測飽和食鹽水在電解過程中發(fā)生的變化，分析探究電解食鹽水的工作原理。（證據(jù)推理與模型認知）

（2）能對復雜的化學問題情境中的關鍵要素——電鍍、精煉銅進行分析以分別建構(gòu)電鍍模型、精煉銅模型，綜合解釋或解決復雜的化學問題；能運用電鍍的方法解決水龍頭腐蝕的化學問題，運用精煉銅的方法解決精煉金屬的化學問題。（證據(jù)推理與模型認知、科學態(tài)度與社會責任）

（二）整體分析

本次單元教學設計以現(xiàn)實生活中常見的現(xiàn)象——金屬腐蝕為情境線索，提出如何防止金屬被腐蝕的系列問題，設計科學探究的教學活動，用四個課時教學《化學反應與電能》，以達到教學目標，發(fā)展學生的化學學科核心素養(yǎng)。教師可以根據(jù)金屬腐蝕現(xiàn)象引導學生思考金屬腐蝕的原因（包括化學腐蝕與電化學腐蝕），結(jié)合必修2有關化學能與電能的相關知識展開原電池的深度學習；知道金屬腐蝕的原因后便可“對癥下藥”，根據(jù)腐蝕原因設計防止金屬被腐蝕的有效措施；從改變與金屬接觸物質(zhì)反應的條件出發(fā)學習電解池的工作原理；根據(jù)原電池的工作原理分析一次電池、二次電池及燃料電池的工作原理，根據(jù)電解池的工作原理向?qū)W生介紹電解池在工業(yè)生產(chǎn)中的應用。通過本單元的教學，可以讓學生認識到電化學及其應用對能源、材料、環(huán)境和健康等領域的重大意義，讓學生意識到電化學在生活、生產(chǎn)和科學研究中的重要作用。

三、單元教學設計

（一）第一課時

【情境線索】1.根據(jù)與金屬接觸的氣體、液體的異同，將發(fā)生的腐蝕情況分類。

2.根據(jù)所在環(huán)境的不同，分析鋼鐵被腐蝕的兩種情況，即析氫腐蝕和吸氧腐蝕。

3.根據(jù)第一個化學電源的化學史分析原電池的工作原理。

【問題線索】1.金屬為什么會發(fā)生腐蝕現(xiàn)象？

2.金屬在不同的環(huán)境下發(fā)生腐蝕的原理是什么？你能用化學語言表達嗎？

3.如何將可自發(fā)進行的氧化還原反應設計成原電池？

【活動線索】1.根據(jù)身邊的現(xiàn)象分析金屬腐蝕的原因。

2.在周圍環(huán)境不同的情況下，討論、歸納、總結(jié)化學腐蝕與電化學腐蝕的概念及原理，并用化學語言表達。

3.連接一個電流表，從電流表指針偏轉(zhuǎn)的現(xiàn)象知道原電池的工作原理，討論如何將可自發(fā)進行的氧化還原反應設計成原電池。

【設計思路】第一課時主要學習金屬腐蝕、原電池的工作原理等內(nèi)容，講解了金屬腐蝕的現(xiàn)象、金屬腐蝕的類型以及原電池的工作原理。在本課時中，從學生身邊存在的生活現(xiàn)象——金屬腐蝕現(xiàn)象入手，透過真實情境下的現(xiàn)象分析金屬腐蝕的本質(zhì)及原因。通過真實情境發(fā)現(xiàn)不同的氣體、液體對金屬腐蝕的影響情況不同，可將金屬腐蝕分為化學腐蝕和電化學腐蝕。根據(jù)金屬所在的環(huán)境不同，可將電化學腐蝕細分為析氫腐蝕和吸氧腐蝕。學生根據(jù)不同氣體、液體、金屬的微觀結(jié)構(gòu)及性質(zhì)，預測金屬在一定條件下可能發(fā)生的化學變化，從而解釋金屬腐蝕現(xiàn)象存在的合理性，從宏觀與微觀結(jié)合的視角對物質(zhì)的變化進行分類和描述，發(fā)展了“宏觀辨識與微觀探析”的化學學科核心素養(yǎng)。在真實情境的背景下引入新課，不僅可以提高學生的學習興趣、激發(fā)學生的學習主動性，還可以降低學習內(nèi)容的難度。給學生介紹第一個化學電源的歷史，說明化學成果給人類文明帶來的偉大貢獻，能夠增強學生主動關心資源開發(fā)等社會熱點問題的意識，培養(yǎng)學生“科學態(tài)度與社會責任”的化學學科核心素養(yǎng)。利用化學史引導學生對“化學能是否能轉(zhuǎn)化為電能”進行猜想并驗證，通過連接電流表分析腐蝕現(xiàn)象背后發(fā)生的微粒變化，依據(jù)微粒變化從不同視角分析化學能到電能的轉(zhuǎn)化過程，從而推導出合理的結(jié)論。理解、描述和表示原電池的認知模型，指出原電池模型表示的具體含義，能夠使學生對化學能轉(zhuǎn)化為電能的過程有更深入的認識，從而領悟原電池的工作原理，發(fā)展“證據(jù)推理與模型認知”的化學學科核心素養(yǎng)。

（二）第二課時

【情境線索】1.從金屬、與金屬接觸的物質(zhì)的角度，設計防護金屬的有效措施。

2.從金屬和與其接觸物質(zhì)的反應條件的角度，設計防護金屬的有效措施。

3.電解池的工作原理——電能轉(zhuǎn)化為化學能。

【問題線索】1.分析金屬腐蝕的原因后，你有什么方法或措施能夠防護金屬？

2.你可以從金屬和與其接觸物質(zhì)的反應條件角度設計防護金屬的有效措施嗎？

3.可以將電能轉(zhuǎn)化成化學能嗎？如何轉(zhuǎn)化？

【活動線索】1.分析金屬腐蝕的原因，從金屬、與金屬接觸的物質(zhì)出發(fā)，提出可以通過改變金屬材料的組成、在金屬表面覆蓋保護層等防護金屬的措施。

2.從金屬和與其接觸物質(zhì)的反應條件出發(fā)，根據(jù)原電池的工作原理，引導學生從電能轉(zhuǎn)化為化學能的角度設計防護金屬的有效措施。

3.在原電池的基礎上連接一個直流電源，實現(xiàn)電能轉(zhuǎn)化為化學能（電解池的工作原理），引導學生建立原電池、電解池的結(jié)構(gòu)模型。

【設計思路】第二課時的內(nèi)容包含了金屬的防護、電解池的工作原理等內(nèi)容，主要探究如何防護金屬以及電解池的工作原理。結(jié)合上一課時的內(nèi)容，教師可以引導學生從金屬本身的材質(zhì)、與金屬接觸的物質(zhì)的屬性、金屬與其接觸物質(zhì)反應的條件等方面設計防止金屬腐蝕的有效措施。從金屬腐蝕變化的事實中提取證據(jù)，對如何防止金屬腐蝕提出假設并根據(jù)證據(jù)證明，從而培養(yǎng)學生“證據(jù)推理與模型認知”的化學學科核心素養(yǎng)。在從金屬與其接觸物質(zhì)反應條件的角度設計金屬防護的方法和措施時，根據(jù)能量守恒定律，引導學生對“電能是否能轉(zhuǎn)化為化學能”進行猜想并驗證，通過連接直流電源后的實驗現(xiàn)象證實電能可以轉(zhuǎn)化為化學能，從而得出可以采用外加電流法防護金屬的結(jié)論。學生在研究防止金屬腐蝕的方法的過程中提出能否將電能轉(zhuǎn)化為化學能的假設，依據(jù)假設設計實驗方案、操作實驗、收集實驗證據(jù)并進行分析，進而得出結(jié)論，從而發(fā)展學生“科學探究與創(chuàng)新意識”的化學學科核心素養(yǎng)。依據(jù)外加電流法引導學生學習電解池的工作原理，幫助學生構(gòu)建化學能轉(zhuǎn)化為電能、電能轉(zhuǎn)化為化學能的結(jié)構(gòu)模型，即原電池、電解池的裝置模型，不僅讓學生認識到電化學及其產(chǎn)品對能源、材料、環(huán)境和健康等領域的重大意義，還讓學生意識到電化學在生活、生產(chǎn)和科學研究中的重要作用。學生能對電能轉(zhuǎn)化為化學能的問題進行分析從而建構(gòu)電解池模型，從宏微結(jié)合的視角分析電解池的工作原理，理解電解池的認知模型，對陰、陽極物質(zhì)及其變化進行三重表征，發(fā)展了“宏觀辨識與微觀探析”“證據(jù)推理與模型認知”等化學學科核心素養(yǎng)。

（三）第三課時

【情境線索】1.鋅銅單液原電池、酸性鋅錳電池、堿性鋅錳電池。

2.二次電池——以鉛酸蓄電池為例。

3.在不同環(huán)境條件下的氫氧燃料電池。

【問題線索】1.起初使用的酸性鋅錳電池就是依據(jù)鋅銅單液原電池的原理進行設計的。你認為能用KOH和MnO2代替稀H2SO4嗎？若能，請寫出堿性鋅錳電池的電極反應。二者對比，堿性鋅錳電池的優(yōu)點可能是什么？其中，MnO2的作用是什么？

2.已知鉛酸蓄電池的總反應，請你分析鉛酸蓄電池的充、放電原理。

3.請你分別寫出氫氧燃料電池在酸性、堿性、熔融氧化物等介質(zhì)中的電極反應。

【活動線索】1.回顧單液原電池的工作原理，猜想能否改變電解質(zhì)酸堿性以及改變后有無優(yōu)點，分析MnO2在堿性鋅錳電池中的作用，介紹堿性鋅錳電池的結(jié)構(gòu)。

2.通過分析二次電池的工作原理，再次鞏固原電池、電解池的工作原理。

3.由于條件會影響物質(zhì)變化，因此可以通過分析相同氧化劑、還原劑在不同的酸堿性環(huán)境中的反應來介紹氫氧燃料電池。

【設計思路】第三課時主要學習化學電源，即利用原電池的工作原理分析化學電源。通過將必修2中單液原電池中的酸性電解質(zhì)更換為堿性電解質(zhì)，判斷電解質(zhì)的酸堿性是否會對電解池工作產(chǎn)生影響，比較酸堿性電解池之間的區(qū)別，分析堿性鋅錳電池的優(yōu)點，介紹一次電池。通過常見的鉛酸蓄電池的總反應，剖析其充、放電的過程及原理，再次鞏固原電池、電解池的工作原理，向?qū)W生介紹二次電池，并對比一次電池與二次電池之間的異同與優(yōu)劣。學生能依據(jù)正負極物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)預測并描述其中發(fā)生的化學變化，以評估二次電池工作的合理性，解釋同類的不同物質(zhì)性質(zhì)變化的規(guī)律，有利于發(fā)展學生“宏觀辨識與微觀探析”的化學學科核心素養(yǎng)。根據(jù)“條件會影響物質(zhì)變化”的原則，分析在不同環(huán)境下，相同氧化劑、還原劑所發(fā)生的反應（以氫氧燃料電池為例），進而介紹燃料電池，并對比其與前兩種電池之間的區(qū)別。學生分析解釋氫氧燃料電池的工作原理，運用化學變化的規(guī)律說明生產(chǎn)、生活實際中燃料電池的化學變化，發(fā)展了“變化觀念與平衡思想”的化學學科核心素養(yǎng)。

（四）第四課時

【情境線索】1.根據(jù)電解池的工作原理分析電解飽和食鹽水的原理。

2.電鍍銅保護鐵水龍頭。

3.精煉銅——電冶金。

【問題線索】1.請寫出電解氯化鈉溶液、氯化銅溶液時陰、陽極的產(chǎn)物分別是什么，并寫出其電極反應方程式。

2.鐵質(zhì)水龍頭易生銹，思考“穿上銅外衣”的水龍頭為什么不生銹了，并畫出裝置示意圖進行分析。

3.思考所給裝置是如何精煉粗銅的，分析原理。

【活動線索】1.學生回顧電解池的工作原理，分析電解氯化鈉溶液、氯化銅溶液的工作原理。

2.學生通過裝置圖分析總結(jié)得出電鍍模型：陰極——待鍍金屬制品，陽極——鍍層金屬，電鍍液——含鍍層金屬離子溶液。

3.根據(jù)精煉銅裝置圖分析精煉粗銅原理，總結(jié)得出精煉模型：陽極——待精煉金屬，陰極——精煉純金屬，電解質(zhì)——含精煉金屬離子溶液。

【設計思路】第四課時主要介紹電解原理的應用。通過回顧電解池的工作原理分析電解飽和氯化鈉溶液（食鹽水）、氯化銅溶液的原理，不僅鞏固了電解池的相關知識，而且利用該原理對工業(yè)生產(chǎn)、現(xiàn)實生活中工業(yè)廢水的處理提出了應對方法；通過“穿上銅外衣”的鐵水龍頭不易生銹的真實情境，引導學生畫出裝置示意圖并分析該水龍頭不易生銹的原因，從而總結(jié)得出電鍍模型；依據(jù)電解池的模型認識精煉粗銅的裝置，解釋精煉粗銅的工作原理，并對電冶金進行模型構(gòu)建，總結(jié)得出精煉原理。對工業(yè)廢水的處理、“穿上銅外衣”的鐵水龍頭不易生銹、精煉粗銅等真實情景中的復雜化學問題的關鍵要素進行分析和評價，利用模型以及科學的化學方法對電解池的應用進行解釋，從而構(gòu)建相應的新模型，揭示了化學服務生活的思想理念，有利于培養(yǎng)學生“證據(jù)推理與模型認知”“科學態(tài)度與社會責任”的化學學科核心素養(yǎng)。

四、總結(jié)與反思

本單元教學設計涵蓋了教材中的所有知識點，將宏微視角的化學三重表征、證據(jù)推理能力、建構(gòu)認知模型能力、實驗探究能力、社會責任等化學學科核心素養(yǎng)滲透于整個單元教學的過程，結(jié)合真實的情境，利用化學知識進行科學實驗探究活動，從而解決現(xiàn)實生活中的問題，以達到培養(yǎng)學生綜合運用化學的能力、發(fā)展學生的化學學科核心素養(yǎng)的目標。從知識體系上講，本單元設計思路較為清晰：按照“金屬腐蝕—原電池—防護金屬—電解池—化學電源—電解池的工業(yè)應用”的順序講述化學反應與電能之間的關系，通過構(gòu)建原電池、電解池的結(jié)構(gòu)模型解釋分析化學電源，并利用該模型解決生產(chǎn)生活中有關電化學的實際問題，體現(xiàn)了化學的社會功能和價值，激發(fā)了學生的社會責任感和使命感，培養(yǎng)了學生勇于探索的科學精神。

參考文獻

［1］劉馥毓，陸國志.基于化學核心素養(yǎng)的單元教學設計探索［J］.中學化學，2021（12）.

［2］李艷麗.“化學反應與能量”主題教學設計研究［D］.北京：首都師范大學，2013.

［3］李書霞.“目標、情境、活動、問題”四步落實化學核心素養(yǎng)［J］.基礎教育課程，2019（Z1）.

注：本文系廣西壯族自治區(qū)教育廳2019年廣西學位與研究生教育改革課題“依托高水平學科競賽提高專業(yè)碩士研究生實踐創(chuàng)新能力的研究”（JGY2019115）、廣西壯族自治區(qū)教育廳2019年廣西高等教育本科教學改革工程項目一般B類“面向師范專業(yè)認證的課程建設與教學改革研究——以化學專業(yè)為例”（2019JGB267）的研究成果。

作者簡介：朱汝葵（1970— ），廣西玉林人，副教授，主要研究方向為化學課程與教學研究；江晴（1999— ），湖南衡陽人，主要研究方向為化學課程與教學；陳思靜（1980— ），通訊作者，廣西柳州人，碩士，講師，主要研究方向為化學課程與教學、信息技術與課程整合。

（責編 劉小瑗）