基于三重表征的單元整體教學(xué)研究-以“反應(yīng)熱”概念教學(xué)為例

化學(xué)學(xué)科的內(nèi)容特點(diǎn)決定了化學(xué)學(xué)習(xí)中，學(xué)習(xí)者必然要從宏觀、微觀和符號等方面對物質(zhì)及其變化進(jìn)行多種感知，從而形成化學(xué)學(xué)習(xí)獨(dú)特的三重表征：宏觀表征、微觀表征和符號表征。本文以“反應(yīng)熱”概念教學(xué)為例，基于“宏觀—微觀—符號”三重表征的視角開展單元整體教學(xué)研究，突出三重表征教學(xué)對于學(xué)生建構(gòu)核心概念、發(fā)展核心素養(yǎng)具有重要作用。一、教學(xué)主題內(nèi)容及教學(xué)現(xiàn)狀分析（一）教學(xué)主題內(nèi)容分析“反應(yīng)熱”是化學(xué)熱力學(xué)研究的重要內(nèi)容之一，也是化學(xué)學(xué)科的核心概念之一?！胺磻?yīng)熱”是定量描述化學(xué)反應(yīng)中能量變化的物理量，是化學(xué)變化觀念的一個(gè)重要方面?！镀胀ǜ咧谢瘜W(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱《課程標(biāo)準(zhǔn)》）對本節(jié)的內(nèi)容要求為：認(rèn)識化學(xué)能可以與熱能等其他形式能量之間相互轉(zhuǎn)化，能量的轉(zhuǎn)化遵循能量守恒定律。知道內(nèi)能是體系內(nèi)物質(zhì)的各種能量的總和，受溫度、壓強(qiáng)、物質(zhì)的聚集狀態(tài)的影響。認(rèn)識化學(xué)能與熱能的相互轉(zhuǎn)化，恒溫恒壓條件下化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)熱可以用焓變表示。從以上內(nèi)容要求中我們可以抽提出“化學(xué)反應(yīng)伴隨著能量變化”這一核心觀念。在這一觀念的統(tǒng)領(lǐng)下，通過“反應(yīng)熱”的概念教學(xué)，希望幫助學(xué)生實(shí)現(xiàn)從宏觀感知到微觀探析的思維進(jìn)階，從定性認(rèn)識到定量分析的能力進(jìn)階，發(fā)展“宏觀辨識與微觀探析”的學(xué)科核心素養(yǎng)。（二）教學(xué)現(xiàn)狀分析“反應(yīng)熱”的內(nèi)容理論性較強(qiáng)，教學(xué)中涉及到較多與熱化學(xué)有關(guān)的概念，如體系與環(huán)境、內(nèi)能、焓與焓變、熱化學(xué)方程式、燃燒熱等。在以往的教學(xué)中，因該內(nèi)容學(xué)習(xí)起來相對比較枯燥，又并非高考的重難點(diǎn)內(nèi)容，學(xué)生通過一定量的訓(xùn)練通常都能過關(guān)，故本主題內(nèi)容的教學(xué)方式多為傳統(tǒng)的講授式，而忽略了內(nèi)容之間的關(guān)聯(lián)和內(nèi)容所承載的學(xué)科核心素養(yǎng)以及其中蘊(yùn)藏的核心價(jià)值。筆者通過文獻(xiàn)搜索了解到，國內(nèi)基于本主題發(fā)表的論文多為試題研究，教學(xué)研究論文相對較少。教學(xué)研究主要集中在實(shí)驗(yàn)教學(xué)、情境創(chuàng)設(shè)等方面進(jìn)行單課時(shí)教學(xué)設(shè)計(jì)，而鮮有經(jīng)過整體規(guī)劃的單元教學(xué)研究。二、基于三重表征單元整體教學(xué)設(shè)計(jì)思路（一）單元教學(xué)目標(biāo)1.通過真實(shí)情境下對體系、環(huán)境、內(nèi)能、焓等概念的學(xué)習(xí)，建構(gòu)反應(yīng)熱的概念。從宏觀角度解釋反應(yīng)熱的產(chǎn)生與內(nèi)能以及焓變的關(guān)系，從微觀層面結(jié)合物質(zhì)結(jié)構(gòu)知識理解反應(yīng)熱產(chǎn)生的原因，發(fā)展學(xué)生“宏觀辨識與微觀探析”的學(xué)科核心素養(yǎng)。2.通過對熱化學(xué)方程式的理解與書寫這一符號表征過程形成化學(xué)反應(yīng)熱量變化的定量認(rèn)識，從而進(jìn)一步理解物質(zhì)的能量與溫度、壓強(qiáng)等因素的關(guān)系，發(fā)展學(xué)生的能量觀念。3.通過從能量釋放和環(huán)境保護(hù)的角度進(jìn)行火箭推進(jìn)劑的研究性學(xué)習(xí)，匯報(bào)展示學(xué)習(xí)成果，體會(huì)燃燒熱的應(yīng)用價(jià)值，感受化學(xué)反應(yīng)能量變化的重要價(jià)值，發(fā)展學(xué)生“科學(xué)態(tài)度與社會(huì)責(zé)任”的學(xué)科核心素養(yǎng)。（二）單元教學(xué)思路目前，我國的航空航天事業(yè)飛速發(fā)展，火箭推進(jìn)劑在航天和軍事等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。我們以“火箭推進(jìn)劑”為情境主線貫穿于整個(gè)單元的學(xué)習(xí)中。通過層層遞進(jìn)的3個(gè)核心問題鏈（如圖2）設(shè)計(jì)了3課時(shí)單元整體教學(xué)，促進(jìn)學(xué)生對反應(yīng)熱概念的結(jié)構(gòu)化認(rèn)識，從宏觀表征（體系與環(huán)境間熱交換）、微觀表征（化學(xué)鍵斷裂和形成）和符號表征（熱化學(xué)方程式）三個(gè)視角建立研究化學(xué)反應(yīng)與能量的認(rèn)識思路，同時(shí)體會(huì)化學(xué)反應(yīng)中能量變化的重要價(jià)值。圖1情境與問題鏈設(shè)計(jì)圖2“反應(yīng)熱”單元整體教學(xué)流程（三）單元教學(xué)流程在“火箭推進(jìn)劑”的情境主線貫穿下，圍繞反應(yīng)熱的概念教學(xué)分3課時(shí)進(jìn)行整體設(shè)計(jì)：課時(shí)1進(jìn)行概念的構(gòu)建，從宏觀和微觀角度理解反應(yīng)熱的定義以及本質(zhì)；課時(shí)2進(jìn)行概念的表征，利用化學(xué)學(xué)科的獨(dú)特符號語言進(jìn)行表達(dá)，提升對概念的理解；課時(shí)3進(jìn)行概念的應(yīng)用，通過研究性學(xué)習(xí)的開展了解反應(yīng)熱的示例——燃燒熱的概念，體會(huì)化學(xué)在生活中具體應(yīng)用的價(jià)值。三、教學(xué)實(shí)錄（一）創(chuàng)設(shè)情境，宏觀表征視頻導(dǎo)入：師生共同觀看“神舟十二”火箭發(fā)射視頻。提問：是什么力量讓火箭足以將自身和搭載的探測器一并托起呢？圖片資料：展示火箭的平面構(gòu)造圖及常見火箭推進(jìn)劑的成分，如N2H4（燃料）與O2（氧化劑）。學(xué)生：書寫火箭推進(jìn)劑反應(yīng)的原理；分析火箭推進(jìn)劑中的能量變化；用能量示意圖表示出反應(yīng)過程中物質(zhì)的能量變化。追問：化學(xué)反應(yīng)為什么會(huì)產(chǎn)生熱量變化？我們應(yīng)該如何描述化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的熱量呢？引導(dǎo)點(diǎn)撥：以N2H4與O2反應(yīng)為例，明確體系、環(huán)境、內(nèi)能等概念，建立概念關(guān)系圖，學(xué)習(xí)反應(yīng)熱的概念。設(shè)計(jì)意圖：在“火箭發(fā)射”的視頻情境中感受化學(xué)反應(yīng)不但有物質(zhì)的變化，而且伴隨著能量的變化。通過概念關(guān)系圖理解反應(yīng)熱的基本概念，并通過能量示意圖從宏觀角度分析反應(yīng)熱的產(chǎn)生原因，形成對反應(yīng)熱的初步認(rèn)識。（二）微觀表征，探尋本質(zhì)提問：化學(xué)反應(yīng)的本質(zhì)是什么？反應(yīng)過程中為什么會(huì)有反應(yīng)熱呢？小組活動(dòng)：畫出N2H4與O2反應(yīng)的微觀示意圖，分析反應(yīng)過程中化學(xué)鍵的變化，從微觀角度討論反應(yīng)熱的實(shí)質(zhì)。學(xué)生：化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生本質(zhì)上是化學(xué)鍵的斷裂與形成，斷裂化學(xué)鍵需要吸收能量，形成化學(xué)鍵需要放出能量。在此反應(yīng)中，形成化學(xué)鍵釋放的能量高于斷裂化學(xué)鍵吸收的能量，故反應(yīng)放熱。提供資料：已知在298K、100kPa下，一些化學(xué)鍵的鍵能。設(shè)計(jì)意圖：通過繪制N2H4與O2反應(yīng)的微觀示意圖，幫助學(xué)生理解化學(xué)反應(yīng)的微觀過程，通過鍵能計(jì)算反應(yīng)熱，從微觀角度探尋化學(xué)反應(yīng)的本質(zhì)，從而對宏觀現(xiàn)象進(jìn)行解釋，發(fā)展學(xué)生“宏觀辨識與微觀探析”的學(xué)科核心素養(yǎng)。（三）符號表征，加深理解引入：化學(xué)方程式是我們化學(xué)學(xué)科獨(dú)特的語言表達(dá)，第一課時(shí)大家寫出的方程式：N2H4＋O2=N2＋2H2O代表什么含義呢？學(xué)生：代表N2H4與O2反應(yīng)生成了N2和H2O。教師：化學(xué)方程式可以表達(dá)出化學(xué)反應(yīng)中的物質(zhì)變化，但是要同時(shí)表達(dá)出能量變化，就要用到一種特殊的化學(xué)語言——熱化學(xué)方程式。創(chuàng)設(shè)情境：肼（N2H4）是一種良好的火箭燃料。在常溫常壓下，科學(xué)家測得2mol液態(tài)火箭推進(jìn)劑N2H4與2molNO2反應(yīng)，生成3molN2和4mol水蒸氣，放出1134.4kJ能量。如何表達(dá)上述過程的物質(zhì)與能量的變化？學(xué)生：自學(xué)教材內(nèi)容，自主書寫熱化學(xué)方程式。小組討論：相互評價(jià)，歸納總結(jié)書寫熱化學(xué)方程式的要點(diǎn)。小結(jié)：（略）。設(shè)計(jì)意圖：通過趣味性的流行語言引入課堂，讓學(xué)生感受化學(xué)語言的魅力，通過自主學(xué)習(xí)、小組合作、相互點(diǎn)評等學(xué)習(xí)活動(dòng)，幫助學(xué)生構(gòu)建熱化學(xué)方程式的書寫方法，通過“宏觀—微觀—符號”三重表征進(jìn)一步理解反應(yīng)熱的內(nèi)涵。（四）問題解決，提升價(jià)值教師：我們?nèi)绾伪容^不同燃料釋放出的能量大小？學(xué)生：分析不同燃料放出的能量的比較方法，學(xué)習(xí)燃燒熱的定義。問題設(shè)置：火箭推進(jìn)劑選擇的標(biāo)準(zhǔn)是什么？火箭推進(jìn)劑的發(fā)展對人類進(jìn)步有什么促進(jìn)作用？“冰箭”的推進(jìn)劑是什么？與以往推進(jìn)劑相比有哪些優(yōu)點(diǎn)？如何選擇家用燃料？學(xué)生：展示匯報(bào)。各小組自選問題設(shè)置中的課題，提前查閱資料，課堂上分小組做匯報(bào)展示（略）。設(shè)計(jì)意圖：通過研究性學(xué)習(xí)的開展，了解火箭推進(jìn)劑的發(fā)展史，感受我國航空航天科技的發(fā)展，增強(qiáng)民族自豪感，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生的合作精神和“科學(xué)態(tài)度與社會(huì)責(zé)任”的學(xué)科核心素養(yǎng)。四、單元整體教學(xué)反思在進(jìn)行單元整體教學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)，教師要充分分析教學(xué)內(nèi)容，理解學(xué)科知識之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，形成基于知識關(guān)聯(lián)的結(jié)構(gòu)化認(rèn)識，并在核心觀念的統(tǒng)領(lǐng)下幫助學(xué)生建立化學(xué)學(xué)科研究物質(zhì)及反應(yīng)的一般思路與視角。本單元的學(xué)習(xí)中，在“化學(xué)反應(yīng)伴隨能量變化”的核心觀念引領(lǐng)下，我們幫助學(xué)生建立了“宏觀—微觀—符號”三重表征的認(rèn)識視角，通過3課時(shí)的進(jìn)階式教學(xué)實(shí)現(xiàn)了單元目標(biāo)。對于具有高度抽象性的概念教學(xué)，通過構(gòu)建真實(shí)情境幫助學(xué)生快速建構(gòu)和理解概念是一種非常有效的教學(xué)策略。本單元通過“火箭推進(jìn)劑”的情境貫穿性設(shè)計(jì)，增強(qiáng)了課程實(shí)施的整體性。從觀看我國火箭發(fā)射視頻出發(fā)，通