基于大概念建构的单元学习设计

摘要

根据新教材内容，结合新课标的要求，设计大概念建构的单元学习。从“铁及其化合物”学习内容中提取了两个大概念，分别是“同类性质有通性、价态转化有规律、应用场景看性质”“物质类别与元素价态两大视角分析物质性质的一般方法和程序模型”。为了促进学生大概念的建构，整体设计3个课时，均以真实情境为载体，形成核心问题，结合实验探究和离子反应、氧化还原反应两大理论基础，通过教学实践有效培养学生证据推理与模型认知、科学探究与创新意识、科学精神与社会责任的化学核心素养。

Graphical abstract

关键词

单元学习 / 学科核心素养 / 铁及其化合物

单元学习在高中化学核心素养的培养中发挥重要的作用。基于大概念建构的单元学习以社会热点和日常生活为情境，通过真实的驱动问题为载体，建构大概念知识框架和分析模型，符合学生认知规律，可以有效培养化学核心素养。本文以“铁及其化合物”单元学习为例，进行具体的规划和设计。

1 单元规划

1.1 单元学习主题分析

（1） 单元学习主题类型：大概念建构。

《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》（以下简称“新课标”）关于元素化合物部分指出，构建元素及其化合物的大概念和探索物质性质、应用及转化的大任务^［1］。参考大概念抽提模型^［2］，“铁及其化合物”单元学习的大概念抽提过程如图1所示。

“铁及其化合物”属于教材章节单元，教学中以离子反应、氧化还原反应两个理论为指引，应用化学实验3大模型——实验原理、装置原理、操作原理^［3］引导学生探究。同时运用多维度演绎推理方法，如分类观、变化观、预测观、创新观、应用观等，从而有效辅助建构大概念。

（2） 单元学习主题。

“铁及其化合物”为2019年人教版高中化学必修第一册第三章“铁 金属材料”第一节内容。铁元素在地壳中含量非常丰富，是生产生活中应用最广泛的金属元素。对于常见物质的学习，学生能较快产生学习兴趣。但铁元素存在不同价态和多种化合物，对于高一学生，存在知识点繁多、反应链交错、框架构建难等问题。笔者通过设计相互关联的单元主题和任务，建构元素化合物大概念和认识物质性质的一般方法和程序模型——物质类别与元素价态两大视角^［4］的大概念，充分利用大概念的引领作用，实现知识结构化和迁移化，方法模型化和创新化。

（3） 大概念统领的单元教学结构。

大概念统领的单元教学结构如图2所示。

（4） 真实情境说明。

“新课标”中“铁及其化合物”教学内容提供了“情境素材建议”，具体有补铁剂、实验室中硫酸亚铁的保存与使用、打印机使用的墨粉中铁的氧化物（利用磁性性质）、印刷电路板的制作、菠菜中铁元素的检测等情境^［1］，为课堂情境提供指导。单元学习的3个课时，情境的特点主要有：①以真实情境作为核心问题，在解决问题中串联小情境。如第二课时关于补铁剂的讨论，串联Fe²⁺保存、Fe³⁺制作覆铜板等，打破单一情境，拓展知识的应用，强化“应用场景看性质”的大概念。②突破新教材、新课标中的情境设定，挖掘更多、更复杂的真实情境。如第3课时聚焦“聚合硫酸铁制备”的核心问题，为解决这一复杂的真实问题，从“铁源”获取、Fe²⁺和Fe³⁺的转化到铁的氢氧化物的性质和制备的讨论，串联了铁及其化合物的性质，突出“同类性质有通性，价态变化有规律”的大概念。

1.2 单元学习目标分析

根据“新课标”中化学学科核心素养水平划分，结合大概念1“同类性质有通性、价态转化有规律、应用场景看性质”设计整体单元目标。了解铁及其化合物在自然界的存在；通过实验探究性质，体会实验对物质研究的作用，建构实验探究模型，形成证据意识；学会从“价-类”视角认识变价元素间的转化^［5］，建立认知模型；运用物质性质解决生产和生活中简单的问题，建构“应用场景看性质”的大概念。

第1课时“建构铁元素的价-类思维模型——铁和铁的氧化物”，通过打印机墨粉中磁粉成分的实验探究，学习铁和铁的氧化物性质，以铁元素为例初步建构价-类思维模型。从我国古代铁器的应用、铁制品在生产生活的广泛应用实例，认识铁及其化合物在生产生活的重要应用，扩展知识的视野，激发化学学习热情。

第2课时“应用价-类思维模型解决真实问题——铁盐和亚铁盐”，通过缺铁性贫血患者对医嘱的疑问，展开铁盐和亚铁盐化学性质的讨论，了解铁元素与人类健康的关系。应用价-类思维模型实现铁盐和亚铁盐的转化、检验等。体会科学探究的基本思路和方法，建构价-类思维模型，并应用模型解决真实问题。

第3课时“应用价-类思维模型解决复杂情境中的真实问题——聚合硫酸铁的制备”，通过聚合硫酸铁制备流程的探究，融合铁及其化合物的性质、转化等核心知识，应用价-类思维模型解决复杂情境中的真实问题，体会科学探究的基本思路和方法，建构完整的大概念。

1.3 规划单元学习主题

第1课时核心问题：探究打印机中墨盒中磁粉的成分。设计两个驱动性问题：①铁元素在自然界中的存在有哪些形式？②设计实验探究磁粉成分。猜想１：铁粉；猜想２：Fe₃O₄；猜想３：Fe和Fe₃O₄的混合物。学生活动任务：任务1.查阅资料了解铁及铁的氧化物在自然界的存在及性质；任务2.趣味实验，定性探究磁粉中含有Fe₃O₄；任务3.查阅资料，设计定量实验证明磁粉中没有铁粉；任务4.小组讨论借助铁和铁的氧化物建构价-类思维模型。本课时通过定性和定量实验探究，初步建构价-类思维模型，培养模型认知和证据推理的核心素养。

第2课时核心问题：关于补铁剂的讨论。具体讨论的问题：①补铁剂一定有Fe²⁺吗？②缺铁患者还缺维生素C吗？③Fe³⁺有哪些性质和应用？④怎么检验生活中食品和药品中的铁元素？学生活动任务：任务1.设计检验Fe²⁺的方案，合作完成实验，总结Fe²⁺性质；任务2.应用“价-类”思维模型预测Fe³⁺化学性质，设计实验探究验证；任务3.检验菠菜、奶粉和琥珀酸亚铁片中的铁元素。本课时培养学生应用价-类思维模型预测物质性质、变价元素的转化方式等，掌握研究物质的思路和方法，培养科学探究和创新意识；学会用化学方法检验生活中含亚铁离子的食物和药物，培养运用知识解决真实问题的能力以及科学态度和社会责任的核心素养^［5］。

第3课时核心任务：聚合硫酸铁的制备。驱动性问题：①哪些途径获得铁源？②将Fe²⁺转化成Fe³⁺哪种试剂最合适？③聚合硫酸铁中的OH^-是加碱制得的吗？④自制絮凝剂净水效果怎样？学生活动任务：任务1.利用价-类思维模型，结合查阅的资料，寻找制备聚合硫酸铁中合适的铁源；任务2.利用价-类思维模型，结合净水剂特点讨论Fe²⁺转化成Fe³⁺的方式；任务3.铁盐和亚铁盐中加入碱的现象及Fe（OH）₂制备的讨论；任务4.分组利用浊度计测定自制絮凝剂净水效果；任务5.总结大概念1和大概念2。本课时以价-类思维，实现铁及其化合物转化，掌握Fe（OH）₂和Fe（OH）₃的性质和制备，充实铁的化合物的类别；构建、应用价-类思维模型解决复杂真实问题；从生产、生活的角度了解净水的方法和定量检测净水效果。将化学知识与实际应用结合，培养学生科学态度和社会责任的核心素养；将知识和方法提升至具体的大概念模型，将知识系统化，能力方法化。

2 单元课时设计

根据上述大单元教学规划，笔者将聚焦第2课时“应用价-类思维模型解决真实问题——铁盐和亚铁盐”，展示具体的教学设计。

2.1 教学目标

（1） 掌握铁盐和亚铁盐的化学性质、检验方法、转化关系及生活生产中的应用。

（2） 应用价-类模型分析物质类别和性质，建构“同类性质有通性、价态转化有规律”的大概念。

（3） 用化学方法检验生活中常见食物和药物中的Fe²⁺，培养科学态度和社会责任的核心素养，建构“应用场景看性质”的大概念。

2.2 教学重点

铁盐、亚铁盐的性质、检验、转化关系及用途，建构“价态转化有规律，应用场景看性质”的大概念；组织开展有效、积极的实验探究，培养科学探究与创新意识。

2.3 教学难点

Fe²⁺和Fe³⁺的检验及转化；应用价-类模型分析物质类别和性质；熟悉变价元素之间的转化。

2.4 教学过程

（1） 创设情境。

课前引导学生设计视频脚本，扮演并拍摄20 s的情境视频。上课时播放视频，引入本节课的问题。

（2） 检验铁离子的灵敏方法。

学生分组实验，FeCl₃溶液和FeCl₂溶液分别与KSCN溶液反应，探究检验Fe³⁺的灵敏方案。

（3） Fe²⁺和Fe³⁺的化学性质。

围绕引入的情境问题讨论，琥珀酸亚铁片中是否有Fe²⁺？可以怎样检验呢？

【任务一】检验Fe²⁺。

引导学生利用价-类思维图（图3），预测Fe²⁺的化学性质，设计实验，证明猜测。

学生总结Fe²⁺性质、Fe²⁺的检验方法。

根据Fe²⁺性质讨论真实问题：“我还缺维生素C吗？”“Fe²⁺有怎样的用途？”“含Fe²⁺的溶液应怎样保存”。

【任务二】Fe³⁺的化学性质。

利用铁及其化合物“价-类”思维图（图3），预测Fe³⁺性质，根据提供的仪器和药品设计实验，证明猜测。

总结Fe³⁺的化学性质，并讨论Fe³⁺的用途。图片展示制作覆铜板的实验过程。

交流总结：铁、铁盐和亚铁盐三者的转化（图4）；铁盐和亚铁盐的鉴别方法（表1）。

（4） 常见食物和药物中铁元素检测。

【任务三】检验菠菜、奶粉、补铁剂中的铁元素。

学生进行分组检验，分析、对比、总结。教师点评并介绍常见含铁量高的食物。

（5） 课堂总结。

根据“价-类”思维图，总结Fe²⁺和Fe³⁺的化学性质、检验方法、转化方式、应用等，强化大概念1和大概念2。结合建构的大概念引出下节课的问题，铁的氢氧化物会有怎样的性质呢？

3 教学反思

（1） 情境化融合，培养社会责任。

“新课标”在每个教学内容后特别增加“情境素材建议”，其中铁及其化合物的具体建议有补铁剂，实验室中硫酸亚铁的保存与使用，印刷电路板的制作，菠菜中铁元素的检测等情境^［1］。本节教学内容在知识的发现过程、应用条件和意义价值等场景^［6］巧妙地融合上述情境。基于真实情境问题进行讨论，激发学生学习的热情，体会化学知识在生产生活中的科学应用，培养社会责任感。

（2） 实验性探究，培养科学精神。

本节课知识的获取源于性质猜测→设计实验→实验验证的完整实验探究过程。Fe²⁺和Fe³⁺的性质探究呈现了具体的科学探究过程，特别是引导学生设计实验步骤的高阶行为^［7］，培养了学生的科学探究和创新意识。此外课前完成“制作覆铜板实验”，并进行了真实的记录，在课堂中展示，打破时间限制，拓展了课堂的广度。设计任务三请学生利用所学知识检验食物和药物中的铁元素，培养了学以致用的科学精神，体现了化学学科的应用价值。

（3） 大概念统摄，能力升级。

大概念统摄的教学具有灵活性、系统性、高阶性等特点，在整体设计时要分析知识的系统性与关联性，方法的有效性和推广性，提取出有效的大概念。“铁及其化合物”单元学习通过大概念建构金属、金属氧化物、金属盐及金属氢氧化物的性质，结合前面学过的钠及其化合物，建构“同类性质有通性”的大概念。铁元素有变价，不同价态的铁元素的转变较为复杂，运用价-类二维思维的方法，大概念可以化繁为简，刺激学生深度学习，发展高阶思维和批判思维，建构“价态转化有规律”的大概念和价-类思维分析的大概念，实现能力提升。

参考文献

[1] 中华人民共和国教育部. 普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订） ［S］.北京：人民教育出版社，2020．

[2] 郑长龙.大概念的内涵解析及大概念教学设计与实施策略［J］.化学教育，2022，43（13）：6-12.

[3] 贝伟浩，张金恒，潘卫周.高中化学实验本体研究“六策略”实践案例［J］.中学教学参考，2021（29）：63-65.

[4] 王晶，郑长龙.普通高中教科书化学必修第一册［M］.北京：人民教育出版社，2019.

[5] 熊娟.基于真实情境的“价-类”思维的构建：以“铁盐和亚铁盐”教学为例［J］.化学教与学，2022（06）：50-54.

[6] 张景雪，袁金芳.化学核心素养下的情境教学设计及反思：以“生活中两种常见的有机物”为例［J］.中学化学教学参考，2019（14）：35-36.

[7] 黄海清.人教版高中化学必修模块教科书实验活动的分析与比较：以2019年版教科书“实验”和“实验活动”栏目为例［J］.化学教育（中英文），2021，42（07）：8-14.

基金资助

湖南省首届基础教育教学改革研究项目“基于核心素养发展中的中学化学‘IT-双向驱动’课堂教学实践研究”(Y20230711)

湖南省基础教育教学改革研究项目“核心素养视域下高中化学项目式AI课程开发与实践探索”(Z2024172)