基于大概念统领下促进核心素养提升的项目式大单元教学设计
——以“化学反应中的能量转化与守恒规律”大单元为例
《普通高中化学课程标准》提炼了化学学科五大核心素养，分别是宏观辨识与微观探析、变化观念与平衡思想、证据推理与模型认知、科学探究与创新意识、科学态度与社会责任。新课标指出要突出化学大概念的统领作用，重视以学科大概念为核心，使课程内容结构化。在实际教学中，教师以课时为单位进行教学设计与教学实施，割裂了知识之间的联系，忽视了知识结构化，因此开展单元整体教学研究是十分必要的。大单元教学与课程标准提出的大概念具有很强的融合性，能帮助学生有效立足化学大概念思考与探究学科知识和问题。以大概念为引领的化学大单元教学从知识和学生发展的整体性与结构性出发，帮助学生完善认知结构、树立学科观念，最终形成核心素养。为完善和强化以大概念为引领的化学大单元教学实践，教师结合自身实践经验对相关概念进行简要说明，并基于高中化学“化学反应中的能量转化与守恒规律”这一大概念，结合“化学反应的方向、化学反应能量变化及应用、化学平衡状态、化学平衡状态的应用”等基础概念进行大单元教学设计。
第一部分
【总体设计思路】基于大概念统领下的高中化学大单元教学设计，涉及大概念与大单元两个重要概念。大概念是在学科知识解构与重组的基础上形成的学科核心概念，大概念在学科概念体系中具有统领作用，不仅涵盖一系列的小概念，同时还涵盖具有关联性的相关事实。大概念具有可拆解性与迁移性，促使相关概念形成有意义的联结。学科大概念是知识内容、思维方法、价值观念等多维教育结构的统一体。而大单元中所说的“单元”不同于教材原有单元，大单元是基于原有单元同时又高于原有单元的教学设计。基于大概念统领下的高中化学大单元教学设计围绕某一学科大概念对知识进行审视、选择和重组，从而形成新的知识结构。高中化学教学实践中，教师不可能直接把大概念教授给学生，这就要求教师通过大单元的教学设计具体落实。同时，从大单元教学视角出发，重组整合相关知识内容进而形成新的教学单元，也离不开大概念的统领。遵循大概念与大单元二者之间的内在逻辑进行教学设计，必须以大概念为统领，梳理概念体系，在此基础上确定单元主题，立足教学目标，促使学生从点—线—网的传统认知形式进阶发展为层级上升的认知过程，并在此过程中发展和提升学科核心素养。热力学是热和温度的科学，是研究宏观系统在能量相互转化过程中所遵循规律的学科内容。热力学研究的对象是由大量微粒构成的集合体表现出来的宏观性质，如温度、压强、体积等等，不涉及变化过程中的速率等动力学问题。在研究化学反应时，反应能否发生，会产生怎样的能量变化，反应进行到什么程度为止等等都属于热力学研究的范畴，热力学可以解决化学反应中能量如何转换等实际问题。自然界的一切物质都具有能量，能量有多种不同形式。能量可以在物体之间传递，也可以从一种形式转化成另一种形式，在转化中能量是守恒的，这就是热力学第一定律的主要内容。大量事实证明，自然界中发生的变化都有一定的方向性，放热及熵增加的过程，是孤立体系中的自发过程，这也是热力学第二定律的表达形式之一。大多数化学反应都可以同时向正、逆两个方向进行，当反应进行到一定程度时，正逆反应速率相等，各物质的浓度不再改变的状态即为化学平衡状态。恒温恒压下，当反应达到平衡时，吉布斯自由能变等于0，此时反应浓度商等于标准平衡常数即热力学平衡常数，也就是说△G＝△H－T△S＝0，即△G＝RTln(Q/K)，因此可以用浓度商Q和平衡常数K来判断等温等压下化学反应的方向。任何化学平衡都是在一定温度、压强、浓度条件下的暂时的动态平衡，一旦反应条件发生变化，原有的化学平衡状态就被破坏，向另一个平衡状态转化。在平衡移动的过程中伴随着能量的转化和物质的变化，遵循能量守恒定律和元素守恒规律。实际生产中，我们通过调控反应条件实现化学反应向特定的方向转化，以便更好的利用化学反应为人类社会造福。
【总体教学及评价目标】在本单元中，将从化学反应的方向，化学反应能量转化与应用，化学反应限度以及化学平衡移动的应用等方面，探索化学反应的规律及其应用。通过本单元的学习，引导学生进一步
认识化学变化所遵循的基本原理，初步形成关于物质变化的科学观念。了解化学反应中能量转化所遵循的规律，赞赏运用化学反应原理对科学技术和人类社会文明所起的重要作用，发展化学学科核心素养。完善学生认识化学反应的视角，学会从物质变化、能量变化两种角度认识化学反应，形成通过改变条件改变化学反应速度和限度，进而控制化学反应的物质变化和能量变化的观念。初步形成从化学反应中的物质变化、能量变化及反应速率与限度的视角科学解决问题的思路。能从调控化学反应速率与限度的角度综合选择合适的反应条件，解释化学实验和化工生产中条件的选择问题，体会化学反应在生产生活中的应用。
第二部分
【课时教学设计】
教师大单元教学时可安排四个课时：①化学反应的方向②化学反应能量转化及应用③化学反应限度④平衡移动的应用。
第①课时：化学反应的方向
1. 教学目标
（1）知道化学反应是有方向的。
（2）掌握焓判据及其局限性，通过图形的变化了解活化能与焓变对反应条件的影响。
（3）通过对异常现象分析，理解焓的意义，建立生活中自然现象与熵的联系；会定性判断化学反应前后熵的变化情况。
（4）通过已有知识及日常生活经验，构建化学反应方向的判断模型。
（5）通过对汽车尾气的综合治理，能从限度、速率等角度对化学反应和化工生产条件进行综合分析，提升对化学反应价值的认识。
2. 教学流程
以科学史话—金属钾的制备为情境引入，设计三个任务。
任务1：生活体验——感知化学反应与能量的变化
设计意图：学生对于放热反应与反应自发性理解的“障碍点”主要在于反应条件，他们的错误理解是加热才能发生的放热反应就不是自发反应。通过一系列的师生对话，学生将直观体验、发生条件与反应的微观过程、能量变化有序地整合在一起。通过教师不断追问，引导学生在充分理解“焓变”的基础上敢于质疑，从而培养学生自觉的批判意识，帮助学生全面认识“自发反应”的概念。
任务2：探究之旅——理解化学反应与熵值的变化
设计意图：在概念课中引入创新实验，发挥实验的独特价值，“热冰”实验让学生感知“熵增”的局限性，再给出三个熟悉的反应，学生在自主探究中不断修正错误观念，体验概念发展的过程，运用判断、归纳、演绎等方法发现规律。正是对假设进行持续性的、客观的检验，构成了批判性思维的一般过程。学生通过小组讨论复合判据判断自发性，从而完善自发反应判断的思维模型。
任务3：问题解决——应用吉布斯自由能进行定量判断
设计意图：以金属的制备这个情境贯穿于整节课，从定性的熵增到利用耦合反应（定量关系）进行熵增，学生在递进式熵增反应的分析中，感悟到科学家认识和改造世界的经验发展，尽可能还原知识的本来面目，让学生逐渐成为规律的发现者。
3. 教学反思
本课例以“生活体验”为切入点，以“认知冲突”为主线，以“化学史实”为背景，对感知反应方向、理解反应方向、应用反应方向进行有机组合，教学设计立足于学生认识生长点和知识的逻辑顺序，构建和完善反应
方向判断的思维模型。例外查阅知网发现有很多教学设计引导学生从生活、生命角度去了解熵变，用熵的概念理解人不断“衰老”的过程，利用熵变的原理分析治理工业废气或废液的关键环节，在课堂中渗透“生命教育”，能更好地培养学生的化学学科核心素养，这有待在下一轮的教学中开展相应实践。
第②课时：化学反应能量转化及应用
1. 教学目标
（1）能辨识化学反应中的能量转化形式，能解释化学反应中能量变化的本质。
（2）能明确化学反应能量变化的根源是内能的变化，能指出焓变与等压反应热的关系。
（3）能明确热化学方程式的含义，能用热化学方程式表示反应中的能量变化。
（4）能设计简单路径，利用盖斯定律计算化学反应的焓变。
（5）能综合运用能量守恒与转化、物质变化等角度合理选择和利用化学反应解决实际问题。
2. 教学流程
本节课围绕“化学反应能量转化与应用”的核心概念，以“中国航天神舟十四号载人飞船太空之旅”为情境引入，通过设计三个任务，借助“问题线、知识线、活动线”多角度、多维度的提升学生化学学科核心素养，加深核心概念的理解和应用。
任务1：化学反应能量的转化形式与本质
设计意图：认识到化学反应能量变化的本质是旧键断吸收的能量和新键成释放的能量不同。提升分析问题、团队协作解决问题的能力。锻炼宏观辨析与微观探析、科学精神与社会责任的化学学科核心素养。
任务2：热化学方程式的书写及焓变的计算
设计意图：明确热化学方程式书写的注意事项和判断正误方法。了解焓变计算的一般方法和具体模板。利用等压反应热与反应焓变的关系理解能量的变化实质是内能的改变，利用能量示意图求算化学反应的焓变。提升分析信息和数据，概括总结核心考点网格化知识的能力。锻炼证据推理与模型认知的化学学科核心素养。
任务3：合理选择和利用化学反应的能量
设计意图：根据热力学第一定律，即能量守恒定律，合理选择化学反应为人类服务。能利用利用盖斯定律计算化学反应的焓变，能综合运用能量守恒与转化、物质变化等角度合理选择和利用化学反应解决实际问题。建立认识化学反应的能量视角，完善物质变化观念，提高学生的探究能力、动手能力以及合作能力。锻炼科学精神与社会责任、变化观念与平衡思想的化学学科核心素养。
3. 教学反思
本项目以“神舟十四号航天员太空之旅”为总任务驱动，通过完成三个基于真实情境的项目任务，理解和巩固了化学反应热效应的原理，将文献查阅与学生实验相结合，让学生多角度地展示自己，旨在培养学生的文献检索能力、实验探究能力以及高阶思维能力。本项目式学习研究中也暴露了学生在实际动手研究中存在的一些问题。首先，学生在实验方案的设计上存在不全面、不严谨的问题，变量控制意识不够，需要提高科学探究性的意识。此外，学生的思考比较浅显，不够深入，需要教师提出呈梯度递进的问题，多方面、多角度地引导学生深入思考并探究，使学生对实际问题的研究成为常态，养成思考和质疑的习惯。
第③课时：化学反应限度
1. 教学目标
(1)通过案例数据分析和实验探究，自主探究绘制图像，体会化学平衡的建立，概括化学平衡状态的特征和归纳化学平衡状态的判断方法，形成认知化学平衡的基本思路，核心素养的培养指向证据推理与模型认知、变化观念与平衡思想。
(2)通过创设问题情境，解决问题，巩固化学平衡的核心概念，分析影响平衡移动的因素，核心素养的培养指向科学探究与创新意识。
(3)以化学史实为主线，融合学科思政，培养学生追求真理、契而不舍的科学精神，核心素养的培养指向科学态度与社会责任。
2. 教学流程
本节课围绕“化学平衡状态及影响因素”的主干知识，整体设计秉承“知识问题化、问题情境化”的设计理念，既考虑到知识的整体性，又注重核心素养的落实，以增强学生的实践感和参与感，让学生体会化学知识的价值和自主学习的乐趣。
任务1：化学平衡
设计意图：学生通过分析数据变化和图像，顺利建立化学平衡状态的核心概念好的课堂问题可以推动学生的思维向高阶发展化学平衡的核心概念建立后，教师主要通过创设问题情境，推动学生思维不断发展。通过问题逐步引导，帮助学生找到解决问题的方法和思路，通过数据图像实验现象等多角度定性判断化学平衡，使学生解决问题的关键能力得到提升，形成学科思维模型。
任务2：影响化学平衡的因素
设计意图：驱动学生思维向更高层发展通过画图学生会发现不同类型的反应体系，判断标准不太一样，使核心概念得到巩固和深化设置悬念，可以将问题引向
纵深，引起学生继续学习探究的欲望。
任务3：平衡常数、转化率
设计意图：通过链接高考，促进学生高阶思维，提升证据推理与模型认知，变化观念与平衡思想的核心素养。
3. 教学反思
这节复习课中精心选取适于学生的理解水平又切合教学内容的实验和例题，通过问题情境有意识地将有关图像探究融入教学中，同时引导学生探究教材和实验数据，采用对比、类比等方法获得相关结论，通过问题驱动和设计层次分明的问题，在解决问题的过程中将理论知识系统化，达成知识的自主建构，有效促进了学生对平衡状态概念内涵的理解，提升了学生获取与加工信息的能力，在潜移默化中促进学生对“证据推理与模型认知”“变化观念与平衡思想”的全面发展。高三复习离不开实战演练，实战演练是巩固知识、提高能力的重要环节，教师应寻找具有代表性、典型性的训练素材，训练学生的审题能力、思维能力、解题技巧，通过变化条件和设问的角度来训练学生知识迁移和运用能力，促使学生将已建构的知识体系转化为解决问题的能力。
第④课时：平衡移动的应用
1. 教学目标
（1）理解外界条件（浓度、温度、压强、催化剂等）对反应速率的影响，能用相应理论解释其一般规律。
（2）了解化学反应速率和化学平衡的调控在生产、生活和科学研究领域的重要应用。
2. 教学流程
本节以诺贝尔化学奖获得者德国物理化学家弗里茨.哈伯发明了人工合成氨为情境引入，设计四个任务环节。
任务1：合成氨的研究与条件选择
设计意图：会使用吉布斯自由能变△G=△H-T △S进行判定反应能否自发进行；明确K值的意义，可以表达反应进行的限度。能够依据图像分析变量的大小，明确平衡移动方向与T、P的改变关系。从浓度商的角度认识反应的方向：Qc＜Kc。
任务2：单一反应中条件的调控
设计意图：运用熵变、焓变，判断平衡移动的方向，根据图像分析你反应对反应方向的影响。能从速率、平衡两个方向分析图像。
任务3：并行反应中条件的调控
设计意图：从温度、熵变的方向分析平衡移动，明确催化剂不能更改化学反应平衡，能够分析图像的最高点与平衡点的区别。
任务4：总结化工生产中调控反应的一般思路
设计意图：能够从多角度认识一个反应，检测本节课学习成果。
第三部分
【结论】在新课程标准的科学指导下，在大概念教学理念的引领下，总结大单元教学设计的主要特征，提出本单元“化学反应能量转化与守恒规律”的教学设计思路。在教学设计中，渗透核心概念的教学理念，总结归纳出重要的核心概念和次要概念，形成科学有效的概念网格图，帮助学生加深核心概念的理解和应用，提升学生化学学科核心素养水平。
设计理念方面，本单元采用“利用化学反应促进人类发展”为主题引领，完善学生认识与利用化学反应的基本视角。内容设计方面，重视教学内容的结构化设计，注重主题引领，注重情境载体，重视项目式教学的设计与实施，使学生感受到化学来源于生产生活，又应用于生产生活，深刻的体会到化学学科对社会生活、人类发展的重要作用和重大贡献。
有计划的整体上发展学生化学学科核心素养，突出能量观、守恒观、变化观、平衡观的培养。开展以生活化学实验、化学生产为主的多种探究活动，收集证据信息并进行推理验证，发展学生科学探究和证据推理能力，培养学生用宏观和微观相结合的视角认识化学反应、解决实际问题的能力。发展学生对化学价值的认识水平，培养学生的科学精神与社会责任的核心素养。