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化学大概念单元教学：内涵价值、设计模式及实施策略摘要：化学大概念单元教学，即将化学大概念与单元教学有效整合的教学形式。其价值体现在融合二者特征以发挥各自优势，使知识在真实复杂的学科问题或跨学科问题的解决过程中得到迁移和应用，深化学生对化学学科思想方法的理解，培育其化学观念，发展其科学思维。化学大概念单元教学设计包括确定预期结果、确定合适的评价证据、设计学习体验活动三个阶段。在实践中，应渗透化学学科思想观念，创设单元主题问题情境，组织单元主题学科实践活动，引入化学发展史实。关键词：化学大概念；单元教学；核心素养；学科思想方法《义务教育化学课程标准(2022年版)》 (以下简称“新课标”)提出，“聚焦学科育人方式的转变，深化化学教学改革。基于大概念的建构，整体设计和合理实施单元教学”[1]3。大概念单元教学成为新时代背景下深化课堂教学改革的重要内容。目前，中学化学教师面临着如何将大概念单元教学理念落实到具体教学实践中的挑战。为解决这一问题，本文对化学大概念单元教学的内涵价值进行分析，构建设计模式并提出实施策略，以期有效推动化学课堂育人方式的根本变革。一、化学大概念单元教学的内涵价值化学大概念单元教学，即将化学大概念与单元教学有效整合的教学形式。所谓化学大概念，是能够统领具体化学事实与理论、促进化学内容整合并体现化学思想方法的组织结构或认知框架。21世纪以来，国际科学教育界倡导基于大概念的课程设计模式，不再聚焦具体学科知识，而是“围绕每一个大概念对学生需要达成的成就来阐述内容标准，体现让学生围绕大概念来解决问题的价值取向”[2]。新课标从化学学科的属性和本质出发，凝练了五个化学大概念，即化学科学本质、物质的多样性、物质的组成、物质的变化与转化、化学与可持续发展。1]2所谓单元教学，是指基于一个具有内在联系的知识主题或与社会生活有联系的学科问题及跨学科问题进行的教学。单元教学追求学科知识的系统性和结构性及其与学生经验和社会问题的有效融合，强调以真实情境中的问题系统驱动学生思维，连续且有目的地提高问题探究的深度和应用价值。化学大概念单元教学就是从学科思想方法的组织结构或认知框架的角度俯瞰化学知识体系，组织构建 “观念性主题、社会性主题、学科性主题或方法性主题”[1352等多样的单元形式来开展教学活动。其价值体现在融合化学大概念与单元教学的特征，以推动学生核心素的综合发展。 (一)关注知识之间的联系与迁移，促使知识结构化知识结构化是学生认知发展和素养生成的重要基础，是教师引导学生理解化学知识之间的关联性，帮助学生建立系统化和逻辑化的化学知识结构的过程。单元是知识结构化的重要表现形式。单元教学的内容组织就是将一系列具体知识按照它们之间的联系归纳概括为化学知识结构，并以这一结构对化学概念命题及转化规律进行简约化、概括化、系统化的统整，体现学科内容的连贯性与思想方法的统一性。例如，“物质的性质与应用”单元主要是对空气、氧气、二氧化碳、水、盐酸等常见物质的主要性质和用途进行探究，其知识结构体现为物质之间基于自身性质产生的联系。这种联系以单质、化合物、金属、酸、碱、盐等核心概念为节点，“物质的多样性” 大概念贯穿其中。学生能在连贯的单元学习活动中更好地关注知识之间的联系，在建构大概念的过程中逐步将零散的知识组织成层次分明、逻辑清晰的结构化知识，并在真实复杂的学科问题或跨学科问题解决中迁移应用，从而为自身的认知发展和素养生成奠定知识与方法基础。 (二)注重化学思想方法的渗透和理解，培育化学观念化学观念是“关于化学学科本质特征、学科发展规律以及化学问题解决的思想观点”[3],具体表现为个体主动运用化学思想方法认识身边事物和处理问题的自觉意识或思维习惯[4]。化学大概念单元教学以化学思想方法建构知识结构、关联问题系统、形成认知框架，因此具有培育化学观念的功能。例如，“物质的组成与结构”单元蕴含的化学大概念是“物质的组成”,其基本内涵是“形成基于元素和分子、原子认识物质及其变化的视角，建立认识物质的宏观和微观视角之间的关联”[1]23。从中可以看出，“物质的组成” 大概念渗透着对元素观、微粒观等化学思想观念及其关系的综合理解。具体来说，该单元主要包括元素、分子、原子与物质等核心知识。首先，通过元素的教学，使学生初步形成元素观，即 “认识物质是由元素组成的，知道质子数相同的一类原子属于同种元素，了解在化学反应中元素的种类是不变的”[1]23。其次，通过分子、原子的教学，帮助学生建立微粒观，即知道“物质是由分子、原子等微观粒子构成的；认识原子是由原子核和核外电子构成的；知道原子可以结合成分子，也可以转变为离子”[1]23。最后，通过介绍人类对物质的组成与结构的探索历程，让学生 “了解研究物质的组成与结构对认识和创造物质的重要意义”[1724。上述单元教学通过对“物质的组成”大概念的系统建构，培育学生的元素观和微粒观，使他们逐渐形成从微观、本质的角度认识物质及其变化的新视角。 (三)注重认识思路和方法的结构化，发展化学思维化学思维是指化学家在开展化学科学活动中形成的具有化学学科本质属性的思维方式和方法，如科学抽象、分析综合、归纳演绎、假说验证等抽象思维方法，观察意象、联想想象、模拟或模型等形象思维方法以及具有可操作性、形式化和结构化特征的符号思维方法等。5]化学大概念单元教学不仅注重基于知识关联的结构化，还注重认识思路和方法的结构化。在学习活动的组织上，强调利用化学思想观念解决问题，使学生通过参与学科实践活动建构知识，形成结构化的认识思路。例如，在“物质的组成与结构”单元教学中，学生在建构“物质的组成”大概念时，可以“通过实验、想象、推理、假说、模型等方法探索物质的结构；初步学习利用物质的性质和化学反应探究物质组成的基本思路与方法”[124。在分析、处理和解决化学问题的过程中，学生的科学论证、演绎推理、模型建构、类比迁移等思维能力得以逐渐形成，大概念统摄学科知识(知识结构化)与发展学生素养(思维结构化)的功能得以真正实现。6]6 二、化学大概念单元教学的设计模式目前，学界对大概念单元教学设计的研究普遍侧重大概念对教学结构的统摄作用7],注重学习活动的情境创设和操作设计8]。但这些研究更多地关注教师如何组织教学材料和如何引导学生完成任务，并未聚焦指向学生发展预期的评价任务去组织学生活动。因此，为更好地体现大概念单元教学的价值，笔者依据格兰特 ·威金斯和杰 ·131· 伊 · 麦克泰格创立的“理解为先的教学设计” (understanding by design,UbD) 理论构建化学大概念单元教学框架。 UbD 理论倡导评价先行， “以终为始”逆向思考学生学习应该达到的目标，遵从“学习优先次序”,根据学习目标所要求或暗含的表现性行为来设计和组织学生活动。[9717 基于UbD 理论的逆向教学设计包括确定预期结果、确定合适的评价证据以及设计学习体验活动三个阶段。[9718-19结合化学大概念单元教学的特征，笔者将这三个阶段拆分为六个环节，形成大概念单元教学的逆向设计模式(见图1)。这一模式以教学目标为设计起点，先预设评价标准，再设计学习活动，以便实现化学大概念的深度理解和有效迁移。下面以人教版初中化学教材第七单元“燃料及其利用”为例，阐释化学大概念单元教学的逆向设计思路。 ·132· 化学大概念单元教学控制确定合适的评价证据反馈提炼化学确定大概念教学目标个个课标具体要求整合性单元目标教材隐喻体系具体化课时目标落实化学核心素养设计学习任务与活动表现评价个课堂倾听及追问课堂观察及作业构建结构化思维测评框架个 SOLO 分类理论学习进阶设计教学结构个化学知识结构学生认知特征组织教学活动个大主题情境实验探究化学发展史设计学习体验活动控制反馈确定预期结果图 1 化学大概念单元教学设计模式 (一)确定大概念单元教学的预期结果在大概念单元教学中，学生发展的预期结果一般表现为通过对一些离散的知识与技能的理解，领会蕴含在单元主题和内容中的化学观念，发展科学思维。因此，教学预期结果的确定包括提炼化学大概念和确定教学目标两个环节。要分析“燃料及其利用”单元蕴含的大概念内涵，须先从学科整体视角梳理“物质的变化与转化”统领的初中化学知识体系(见图2)。大概念的内涵蕴含在对核心概念的认识之中，包括认识化学变化的特征与化学反应的基本类型、理解质量守恒定律的实质两个方面。教师应以此为基础，帮助学生建立认识化学变化的多元视角，即 “从物质变化、能量变化、反应条件、反应现象、反应类型和元素守恒等视角认识化学反应”1]27, 逐渐形成从宏观到微观、从定性到定量的化学思维。梳理知识体系后，便可进一步分析新课标的基本要求，确定大概念的内涵及其表征方式。新课标关于“燃烧及其利用”单元的基本要求是 “通过实验探究认识燃烧的条件，理解燃烧和灭火的原理及其在生活中的应用，初步体会调控化学反应的重要意义”[1727。可以看出，“燃烧”这一核心概念承载的教学价值在于认识“物质的变化过程伴随着能量变化，在一定条件下通过化学物质的变化与转化化学变化的特征化学反应的基本类型化学反应的定量关系质量守恒定律能量变化燃料及其利用反应类型、现象及条件分解反应化合反应置换反应复分解反应氧化反应还原反应物质变化物质变化及性质元素守恒质量守恒定律核心概念认识视角— 具体知识 → 大概念 — 图 2 “物质的变化与转化”统领的初中化学知识体系反应可以实现物质转化”[1]26。综上，“燃料及其利用”单元蕴含的大概念内涵体现为从反应条件和能量视角认识化学变化，其核心功能在于帮助学生初步形成应用能量观、变化观等化学观念解决问题的思路。大概念单元教学目标的确定，既要注重单元目标的整合性，通过梳理教学内容，明确单元课题和学习任务，凸显核心知识与态度方法的结构化关联；又要注重课时目标的具体化，通过设定每一课时的知识理解与思维发展进阶层级，逐步实现对大概念的建构。根据新课标要求，可以将 “燃料及其利用”单元的教学目标确定为“认识燃烧的本质是可燃物的化学反应，从反应条件和能量视角形成对化学反应的认识，基于变化观和控制变量思想建立认识燃烧反应的思路，发展绿色化学观念”。根据大概念建构的进程，以2022 年北京冬奥会火炬接力火种灯为素材创设真实问题情境，设计三个课时的具体教学目标。课时 1: 通过梳理“冬奥火种灯之前世今生”,认识火种灯的来源、结构及燃料的选择，理解化学反应中的能量变化，树立绿色环保意识。课时2:通过探究“冬奥火种灯之燃烧奥秘”,认识燃烧的本质和条件，了解易燃易爆物的安全知识。课时 3: 通过探究“冬奥火种灯之熄灭方法”,理解灭火的原理，了解常见灭火器的使用方法，体会化学反应的应用价值，初步形成对化学反应的合理调控意识。上述三个课时的教学目标相互关联、逐级进阶，有助于学生实现从反应条件和能量视角对物质变化的深度理解。 (二)确定学生活动表现与思维发展的评价证据逆向设计聚焦学生的发展预期设计评价任务和教学活动，以便收集能检验预期目标是否达成的证据。大概念单元教学可以采用学生活动表现评价与结构化思维测评相结合的方式对学生的知识应用与思维发展情况进行持续性评价，为教学活动设计与改进提供证据。一方面，大概念单元教学关注学生在大概念建构过程中的概念理解和思维发展表现，因此，可围绕知识应用设计问题，利用课堂提问、倾听、追问、观察和课后作业等方式了解学生的概念理解和思维发展情况。例如，针对课时2的教学目标“认识燃烧的本质和条件”,可以设计讨论问题：“用化学知识解释成语‘钻木取火'‘火上浇油’‘釜底抽薪’的含义。”考查学生能否用燃烧的原理解释上述成语，了解他们对燃烧本质的认识水平和运用化学知识解释问题的能力。针对课时3的教学目标“理解灭火的原理”,可以设计讨论问题：“如果在做实验时不慎碰倒酒精灯，洒出的酒精在桌面上燃烧起来，应采用什么方法灭火?如果是电路老化短路而起火或炒菜时油锅起火，又应分别采用什么方法灭火?”考查学生对灭火原理的理解和迁移运用情况。学生结合燃烧的条件与灭火的原理分析不同可燃物起火后的灭火方法，可以加深对灭火的认识并提升安全防护意识。可见，围绕知识在生产生活中的应用设计学习任务与活动表现评价，考查学生在探究活动中的行为表现，有助于了解学生的思维结构特点，引导他们建构对概念、规律和学科思想方法及其间关系的理解，为教学提供有效反馈。另一方面，大概念单元教学的功能价值集中体现为让学生通过理解大概念的内涵，建构结构化的思维方式，形成从化学视角研究物质及其变化规律的思路与方法。比格斯提出的 SOLO 分类理论从前结构、单点结构、多点结构、关联结构以及抽象拓展结构五个层级描述学生的思维发展水平。1]对于“燃料及其利用”单元，教师可以依据 SOLO 分类理论，将学生在解决问题的过程中表现出来的认识方式和思维特征具体刻画为无序思维、单一思维、多元思维、结构化综合思维以及拓展迁移应用思维五个水平，并对每个水平的学生表现进行清晰阐释，由此建构结构化思维测评框架(见下页表1)。依据测评框架创设从简单到复杂的问题情境，可测评学生在学习过程中的思维特征，外显他们的思维结构化与迁移应用水平，为设计和改进教学提供有价值的反馈。例如，设计测试题：“了解家庭中常用燃料的性能及其对环境的可能影响，从资源、环境、经济等方面综合考虑，分析这些燃料的优缺点。” 该题考查常用燃料的选择、利用以及合理开发，评估学生的思维能否达到拓展迁移应用水平，即能否将所学知识关联起来，并进行一定程度的迁移应用。这样的测试题能够很好地反映学生的思维发展情况。 ·133· 表 1 “燃料及其利用”单元结构化思维测评框架思维水平学生具体表现无序思维思维处于无序状态，对有关燃烧的问题不知如何作答和解释单一思维在问题解决过程中只能联想到单一知识点，如知道燃烧需要可燃物，但忽略了其他两个条件，思路比较单一多元思维在问题解决过程中能同时关注到多个知识点，但不能进行有效的关联，如不能运用燃烧的三个条件系统地分析问题结构化综合思维在问题解决过程中不仅能联想到多个知识点，还能理解知识的实质及其联系，以结构化知识体系综合分析和解决问题，如在理解燃烧条件的基础上，能自然地联想到控制或破坏燃烧的条件就能达到灭火的目的拓展迁移应用思维能将所学知识关联起来，并迁移应用至新情境，解决真实化学问题或综合性问题，具有认识化学反应的一般思路和较强的迁移应用能力，如对于常用燃料的选择、利用以及合理开发，能从燃料的性能、资源、环境以及经济等多方面综合考虑，提出对环境的可能影响和在生产生活中科学合理开发与运用燃料的方法，并评估其价值 ·134· (三)设计大概念单元学习体验活动逆向设计的第三个阶段，即设计学习体验活动，包括合理地选择与组织教学内容来建构大概念单元教学结构、设计体现大概念发展进程的教学活动两个环节。大概念的内涵深藏在其与核心概念和一般知识的逻辑关系中。教师需要在整体把握学科知识体系的基础上，分析大概念与单元核心概念、一般知识之间的层级关系和系统关联，基于学生的认知特点和思维进阶情况，确定大概念统摄下的单元课时划分和教学结构。“燃料及其利用”单元包括“燃烧的条件”“灭火的原理和方法”“燃料的合理利用与开发”等主题内容。根据核心概念之间的逐级进阶关系，以火种灯“烛照千年” 为问题情境，可构建包括“燃料的选择”“燃烧的条件”“灭火的原理”三个课时的单元教学结构(见图3)。随着教学进程的不断深入，学生能逐步理解核心概念与知识原理，逐渐形成系统认识化学变化的思路与方法，他们的化学观念与科学思维得到有效发展提升。为了更好地落实教学目标，教师要重视对大概念单元教学活动的具体设计。一方面，可以组织学生“运用变量控制思想设计燃烧条件等实验探究方案”[1]28,“初步体会调控化学反应的重要意义”[1727。另一方面，可以回溯科学家认识燃烧概念的历史脉络，从“燃素说”到拉瓦锡提出 “燃烧是物质与氧化合的过程”[11],再到人们发现物质和其他气体(如氯气)的化合也能产生燃烧现象，上述关于燃烧现象和原理的科学探索历史有助于培育学生实证推理的科学思维与严谨认大概念单元情境课时2:燃烧的条件冬奥火种灯之燃烧奥秘火种灯燃烧的条件火种灯持续燃烧的奥秘易燃易爆物安全知识课时3:灭火的原理冬奥火种灯之熄灭方法火种灯熄灭的方法灭火的原理灭火器的选择与使用燃料的利用与开发环保理念的延续课时1:燃料的选择冬奥火种灯之前世今生火种灯前世大揭秘火种灯燃料的选择化学反应中的能量变化物质的变化与转化火种灯“烛照千年” 化学反应的应用价值与合理调控教学价值— 教学结构图 3 “燃料及其利用”单元教学结构真的科学态度。大概念单元教学设计模式围绕教学目标预设评价方案，根据评价方案确定学习体验活动，通过观察学生在活动中的行为表现来评价其大概念理解与结构化思维水平，由此获得的评价结果又可反过来为学习目标的确定和教学活动的组织提供反馈，真正实现了目标、教学与评价的有机统一。三、化学大概念单元教学的实施策略 (一)渗透化学学科思想观念，体现大概念的建构过程学科思想观念强调学科知识之上的思维方式方法和问题解决策略。大概念能够统摄化学核心知识和基本概念在学生学习进程中相对分离、零散的状态，蕴含着学科思想观念的建构过程，而不仅仅是建构的结果。67因此，应分析教学内容所蕴含的思想观念，帮助学生形成知识与思维的结构框架，以此强化大概念的建构过程。例如， “氧化还原反应”单元蕴含的大概念体现为对化学反应本质的认识，即“可通过氧化还原反应实现含有不同价态同种元素的物质的相互转化”[12]。其中蕴含的思想观念有二：一是分类观，即通过建构氧化还原反应概念，建立从微观的电子转移角度对化学反应进行分类和认识的新视角；二是元素观，即通过对氧化还原反应的宏观特征与微观本质的分析，形成“在化学反应中元素原子重新组合，生成新物质，元素种类不变”的思想。利用真实情境中的问题探究，帮助学生将分类观、元素观等化学思想观念融合统整，建构关于化学变化的大概念，形成从微观、本质以及普遍实证的角度认识化学反应的新视角。 (二)创设单元主题问题情境，深化大概念的迁移应用大概念单元教学需要创设主题问题情境，引领学生在真实复杂的问题情境中深入思考化学概念和原理，提升大概念的迁移应用能力。迁移是把在一个情境中学到的东西应用到新情境中的能力。[13]问题情境的创设要关注两个要点：一是情境中包含的学科知识要体现知识的综合应用和大概念的内涵；二是要注重问题的驱动性和探究性，以加强对大概念的深度理解。例如，“燃料及其利用”单元以火种灯为素材创设“烛照千年”主题情境，设计思路借鉴了已有研究中对 “西汉长信宫灯”教学素材的运用¹4],蕴含的学科知识包括燃料的选择、燃烧和灭火的原理及其在生活中的应用。对于燃烧条件的探究，可以设计以下驱动性问题：火种灯为什么能燃烧?在相同的条件下，为什么有的物质能燃烧，有的物质不能?同种物质在不同的条件下，为什么有时可以燃烧，有时不可以?如何熄灭火种灯?通过对这些问题的探究，学生能够基于能量和反应条件视角深入理解“物质的变化与转化”大概念的内涵，有效提升迁移应用能力。 (三)组织单元主题学科实践活动，加强大概念的学习体验大概念是抽象的、概括的，需要通过单元主题学科实践活动加强学习体验。新课标在每个单元主题的内容要求中都提供了丰富的学科实践活动建议，包括实验探究活动、调查与交流活动和项目式学习活动。[15]其中，实验探究是化学学科实践活动的核心方式，如在“燃料及其利用”单元开展关于燃烧条件的实验探究，能够深化学生对化学变化反应条件和能量视角的理解，帮助他们初步形成应用能量观、变化观等化学观念解决问题的思路。对于涉及物质微观结构及其变化本质的探究，如“物质的组成与结构”单元教学，则可以通过设计模拟实验或探讨历史上的真实实验场景，引导学生建立对原子结构的微观认识，发展认识物质组成及其变化的微观视角。 (四)引入化学发展史实，凸显大概念的发展逻辑任何大概念的形成都有其历史脉络。引入化学发展史实，围绕大概念内涵发展的历史进程来设计教学活动，有助于学生体验科学知识的动态生成过程，实现对大概念的时空建构。例如，对于高中阶段“氧化还原反应”单元的教学，教师可以讲述拉瓦锡推翻燃素说、建立燃烧氧化说的史实，戴维扩展氧化还原反应概念和鲍林等科学家提出价键理论的科学史。通过了解历史，学生可以扩展对氧化还原反应概念和表现特征的认识，深化对科学知识的建构性理解，认识到随着社会的进步、科学的发展，科学概念原理仍然可 ·135· 能会被否定或修正，其中蕴含的大概念内涵也会不断充实、演进与发展。

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