指向核心素養(yǎng)的初中化學大單元教學實踐研究

林世鑫

［摘 要］新課標要求提升義務教育階段學生的核心素養(yǎng)，推行基于大概念的單元教學模式。文章以“空氣中氧氣含量的測定”復習課為例，以大單元課程設計為邏輯主線，以三種測定空氣中氧氣含量的經(jīng)典方法（燃燒法、銹蝕法和加熱法）引入課題，圍繞“氧氣”這一核心點將空氣的組成、氧氣的性質(zhì)、金屬的氧化等知識點有機地串聯(lián)起來，幫助學生全面提升化學學科的知識結構和學科能力，形成對普遍事物的理性認識。

［關鍵詞］核心素養(yǎng)；大單元教學；復習課；初中化學

［中圖分類號］ ? ?G633.8 ? ? ? ?［文獻標識碼］ ? ?A ? ? ? ?［文章編號］ ? ?1674-6058（2023）02-0077-03

一、課程內(nèi)容及目標

（一）課程內(nèi)容的時代背景

為了培養(yǎng)擔當民族復興大任的時代新人，教育部于2022年4月頒布了《義務教育化學課程標準（2022年版）》（本文簡稱新課標）。新課標以化學課程的性質(zhì)和教育價值為主線，結合我國高質(zhì)量人才的培養(yǎng)藍圖，提煉了化學觀念、科學思維、科學探究與實踐、科學態(tài)度與責任四個方面的核心素養(yǎng)發(fā)展要求。對于“初中化學課應如何有效拼接碎片化的課程內(nèi)容，引導學生形成整合型的知識結構？如何科學融合學生學情，實現(xiàn)學科邏輯順序與學生認知規(guī)律的高效融合？”等問題，新課標給出了優(yōu)化的教學建議，即基于大概念來組織單元教學內(nèi)容。以大概念為統(tǒng)領進行大單元教學，有利于教師把握教學內(nèi)容的本質(zhì)和關系，這就要求教師要深度挖掘教學材料，使課程內(nèi)容結構化；以主題為引領，使課程內(nèi)容情境化；開發(fā)多元的教學方法，使課程內(nèi)容精品化，最終促進學生核心素養(yǎng)的穩(wěn)步落實。

（二）課程內(nèi)容的實施依據(jù)

“空氣中氧氣含量的測定”在初中化學中有著舉足輕重的作用。滬教版化學教材中設置了“空氣中氧氣含量的測定”探究性實驗，讓學生通過實驗探究了解化學是研究物質(zhì)的組成、結構、性質(zhì)以及變化規(guī)律的學科，掌握純凈物和混合物的區(qū)分方法以及質(zhì)量守恒定律?！坝眉t磷測定空氣中氧氣的含量”是新授課中做過的實驗，該實驗誤差大且污染環(huán)境。在復習課中若重復該實驗則穩(wěn)固有余而知新不足，很難讓學生提起學習勁頭。因此在復習課中，教師應避免采用簡單記憶和機械訓練的復習模式，而是要形成大單元課程結構，梳理學生原有的知識內(nèi)容，提出具有驅(qū)動性的學習任務，引導學生根據(jù)實驗現(xiàn)象和細節(jié)展開質(zhì)疑、推理、歸納、總結等學習活動，促進學生形成整體性知識體系，提高學生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力，提升學生的核心素養(yǎng)。

（三）核心素養(yǎng)下的學習內(nèi)容

“空氣中氧氣含量的測定”復習課所涉及的核心素養(yǎng)及其對應的學習內(nèi)容如下。一是化學觀念：以氧氣的性質(zhì)為核心內(nèi)容構建大單元教學，探索空氣的組成，掌握測定空氣中氧氣含量的原理及方法，同時建立起平衡與守恒思想。二是科學思維：對運用到的測定方法進行優(yōu)缺點比較、分析、歸納和總結，能夠針對實驗中產(chǎn)生的誤差進行獨立的思考和判斷，進而對傳統(tǒng)的測量方式提出疑問和進行改進，形成科學思維。三是科學探究與實踐：本課的教學設計中包含方法和實驗，學生通過對實驗裝置的設計與搭建，增強動手操作及邏輯思考的能力，同時借助所學化學知識發(fā)現(xiàn)實驗中的不足，并通過自主探究改進實驗裝置，解決實際問題。四是科學態(tài)度與責任：在探索和改進實驗的過程中，著重強調(diào)實事求是的原則，讓學生明白今天“正確”的結論，今后有可能成為“不正確”或“不夠正確”的結論，從而培養(yǎng)學生質(zhì)疑和求實的科學態(tài)度。

（四）大單元課程目標

（1）通過“空氣中氧氣含量測定實驗的改進”探究活動，分析實驗所用試劑以及對應的測定原理；（2）在實驗探究過程中，經(jīng)歷發(fā)現(xiàn)問題、提出問題、分析問題、解決問題、改進完善的過程，逐漸提升邏輯思維能力和實驗設計能力；（3）通過對多種實驗裝置的分析、評價和改進，選擇適合的實驗裝置和方法，同時體驗合作學習與實驗操作帶來的愉悅感；（4）通過改進和優(yōu)化實驗，發(fā)現(xiàn)實驗的實際結果要比標準答案復雜得多，在面對出現(xiàn)的錯誤和偏差時，能不斷地糾錯，進而培養(yǎng)耐挫精神。

二、大單元教學的實踐過程

［教師］ “八月秋高風怒號，卷我屋上三重茅?！蔽覀儚亩鸥Φ脑娭锌梢愿惺艿娇諝獾拇嬖凇Ｄ敲纯諝馐菃钨|(zhì)還是混合物？我們要感謝在科學探索過程中敢于打破常規(guī)的科學家，讓我們站在知識之巔，以最簡單的方式認識空氣。通?？赏ㄟ^什么實驗來探究空氣中的氧氣含量呢？該實驗的優(yōu)缺點是什么？

［學生］用紅磷燃燒法來測定。該方法的優(yōu)點是反應現(xiàn)象明顯，缺點是：①當燃著的紅磷伸入集氣瓶中，瓶內(nèi)空氣會瞬間受熱膨脹逃逸；②當空氣中氧氣的含量降低到一定濃度之后，紅磷就不能再繼續(xù)燃燒；③反應產(chǎn)物P2O5會污染環(huán)境。

［教師］木炭、硫燃燒也消耗氧氣，能否用這些物質(zhì)代替紅磷呢？

［學生］不可以。這些物質(zhì)雖然能夠消耗氧氣，但產(chǎn)物是CO2、SO2等氣體，無法使裝置內(nèi)形成氣壓差。

評析：雖然經(jīng)過近一年的化學學習，學生的基本化學素養(yǎng)有了大幅度提升，但學生仍缺乏靈活運用所學知識的能力，復習課伊始教師創(chuàng)設情境提出問題，可引導學生思考解決問題的方法。

［教師］既然木炭燃燒會產(chǎn)生CO2，增補消耗掉的氧氣，那么我們可以使用能夠吸收CO2的試劑，以消除CO2的干擾，進而準確測定空氣中氧氣的含量?？梢赃x擇哪種試劑？如何設計實驗？

［學生活動］討論并設計實驗方案：先準確測量集氣瓶內(nèi)的總體積[V1]，隨后在集氣瓶中加入體積為[V2]的足量的NaOH濃溶液，讓蠟燭在集氣瓶中燃燒，待冷卻后打開止水夾，記錄瓶中溶液的體積[V3]。集氣瓶中溶液前后的體積差就是倒吸入的水的體積[ΔV=V3-V2]，用倒吸入的水的體積除以集氣瓶體積與NaOH濃溶液體積的差即可計算出空氣中氧氣的體積分數(shù)[φ（O2）=（V3-V2）/（V1-V2）×100%]。經(jīng)過實驗發(fā)現(xiàn)，用NaOH濃溶液吸收CO2后，計算得出的氧氣體積分數(shù)接近但小于20%。

［教師］為什么使用NaOH濃溶液來吸收CO2，仍然不能準確測定空氣中氧氣的含量呢？請同學們根據(jù)演示實驗過程分析原因。

［演示實驗］如圖1所示，預先用水測量三頸燒瓶內(nèi)部的體積（約250 mL），水倒出后在三頸燒瓶中加入15 mL的NaOH濃溶液，左側瓶口連接CO數(shù)字化傳感器，右側瓶口連接導管，導管的另一端伸入燒杯中。隨后，將點燃的蠟燭迅速伸入燒瓶中，蠟燭燃燒一段時間后熄滅。待燒瓶中溫度恢復至室溫后打開止水夾，水迅速倒吸入燒瓶中，用量筒量取燒瓶中的液體體積。此時CO數(shù)字化傳感器的讀數(shù)為42.7 ppm。

［學生］當氧氣含量減少時，蠟燭不完全燃燒并產(chǎn)生CO氣體，影響測定結果。

評析：由于實驗結果和學生預判的結果大相徑庭，促使學生帶著強烈的好奇心，依據(jù)已有的知識和經(jīng)驗做出與問題相關的猜測，并設計解決問題的思路與方案，通過科學探究實驗收集證據(jù)，修正猜想，得到合理的結論，充分揭示物質(zhì)變化的普遍規(guī)律。

［教師］氧氣是比較活潑的氣體，能與大部分金屬發(fā)生化學反應。請同學們使用金屬材料設計實驗方案，探究空氣中氧氣的含量。

［學生］選擇鐵絲銹蝕法，而非鐵絲燃燒法，原因是鐵絲無法在空氣中燃燒。在含有酸或鹽的環(huán)境中鐵會加快生銹的速率，鐵粉也可以加快反應速率，據(jù)此提出使用含有鐵粉的“暖寶寶”作為反應物。

［實驗步驟］①測量直筒玻璃杯的高度[H]；②將“暖寶寶”粘在玻璃杯內(nèi)壁；③將玻璃杯倒扣在水槽中；④記錄玻璃杯內(nèi)液體的高度[h]；⑤根據(jù)玻璃杯內(nèi)液面高度的變化，計算出氧氣的體積分數(shù)［[φ（O2）=h/H×100%]］。（如圖3）

［資料提示］大部分金屬在空氣中都可以被氧化，如鋁和銅，產(chǎn)物狀態(tài)為固體。用鋁和銅分別代替鐵完成測定實驗，并用數(shù)字化傳感器測定實驗裝置內(nèi)的氧氣含量，得到的數(shù)據(jù)如圖4和圖5所示，請分析未能準確測定的原因。

［學生］鋁表面氧化后會生成一層致密的氧化鋁膜，阻止鋁進一步氧化，導致實驗失敗；銅生銹的條件是銅、氧氣、二氧化碳和水四種物質(zhì)共同作用，而空氣中二氧化碳的含量只有0.03%，當二氧化碳耗盡后銅不能再繼續(xù)消耗氧氣，導致實驗失敗。

［教師］改變反應條件，銅也可以用來測定空氣中氧氣的含量，那么需要什么樣的反應條件呢？

［學生］灼燒銅時，銅可以和氧氣反應，并且產(chǎn)物是固體，可以用來準確測定空氣中氧氣的含量。

［實驗步驟］①檢查裝置氣密性；②試管中裝入足量的銅粉，旋緊橡膠塞，用止水夾夾緊橡膠管；③記錄燒杯中水的初始體積[V1]，將導管伸入燒杯中；④固定裝置后加熱試管底部；⑤停止加熱，待試管冷卻至室溫后打開止水夾，取出導管，記錄燒杯中水的體積[V2]；⑥繼續(xù)向試管中注水，記錄試管的總體積[V3]；⑦計算氧氣的體積分數(shù)。

［教師］銅灼燒時，試管內(nèi)部的氣壓會變大，活塞易被彈出，該如何控制試管內(nèi)部氣壓？另外，試管內(nèi)的氣體不流通，會導致氧氣不能充分反應，請同學們重新設計實驗裝置。

［實驗改進］先提出在裝置上方加一個氣球，以達到緩沖氣壓的作用；再提出在玻璃管左右端各連接一個注射器，不但可以緩沖氣壓，還可以通過推拉針筒讓氣體流動，使金屬與氧氣充分反應，并可以直接從注射器上讀取數(shù)據(jù)，準確便捷地獲取消耗氧氣的量。（如圖6）

［教師］“擇其善者而從之，其不善者而改之?！辈煌臏y定方法各有優(yōu)劣，遇到問題應像科學家一樣辯證地去思考。

評析：測定空氣中氧氣含量的方法有很多種，歸根結底取決于氧氣的化學性質(zhì)，而測量所用試劑的化學性質(zhì)又決定了測定的方法。本環(huán)節(jié)旨在歸納總結測定空氣中氧氣含量的實驗試劑以及對應測定方法的優(yōu)缺點。

三、大單元教學反思

古人云：“學貴知疑，小疑則小進，大疑則大進。疑者，覺悟之機也?！被瘜W是一門自然科學，也是一門變化的學科，它的發(fā)展存在著科學性與修正性。初中化學教師不僅要給學生教授知識，還要教會學生科學研究方法，使學生學會用化學思維方式認識世界，感知化學對人類社會文明所作出的貢獻，培養(yǎng)終身學習的能力。

大單元教學可以使各個單元形成合力，例如以探究空氣中的氧氣含量為“大主題”，將物質(zhì)的結構、氧氣的化學性質(zhì)、化學變化、金屬的冶煉以及金屬的防護和銹蝕等內(nèi)容巧妙聯(lián)系起來，將實驗改進設置為“大過程”的指向性活動（包含教師活動和學生活動），把短小的、零散雜亂的學習活動串聯(lián)在一起，形成貼近學生學情、整合學習內(nèi)容、完善學習任務的過程鏈?？偠灾?，大單元課程設置可以重組化學知識模塊，靈活把握教學方式，把化學學習與學生核心素養(yǎng)培養(yǎng)緊密聯(lián)系起來。

［ ? 參 ? 考 ? 文 ? 獻 ? ］

［1］ ?中華人民共和國教育部.義務教育化學課程標準：2022年版［M］.北京：北京師范大學出版社，2022.

［2］ ?王祖浩.義務教育教科書化學教師教學指導書：九年級上冊［M］.上海：上海教育出版社，2012.

（責任編輯 羅 艷）