指向化学学科核心素养发展的单元整体教学设计

［摘 要］文章基于学生化学学科核心素养的发展需要，根据人教版选择性必修教材对“化学平衡”的内容选择、编排顺序和呈现方式，从学生的学习实际出发，结合学生的认识发展特点，从工业合成氨中化学平衡状态的特征、化学平衡常数及其应用、化学平衡的影响因素三个内容展开教学设计，实施指向核心素养发展的“化学平衡”单元整体教学，并归结教学反思。通过本单元内容的教学，使学生的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等学科核心素养得到进一步发展。

［关键词］ 化学学科核心素养；单元整体教学；化学平衡；教学设计

［中图分类号］    G633.8        ［文献标识码］    A        ［文章编号］    1674-6058（2024）14-0070-07

《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》中指出：学生化学学科核心素养的发展是一个持续进步的过程，因此，教师应依据化学学科核心素养的内涵及其发展水平、高中化学课程目标、高中化学课程内容及学业质量要求（包括学业要求和学业质量水平），结合学生已有经验，对学段、模块或主题、单元和课时教学目标进行整体规划和设计［1］。做好单元教学设计，不仅能使教师更好地解读教材，按照学习进阶设计学习内容，把握教学内容的深度和广度，而且能使学生在学习的过程中对知识有系统的理解和认识，学会寻找知识点间的关系，建立系统的知识体系。

单元整体教学设计是在充分的学情分析的基础上，对单元教学内容进行的整体设计，它需对单元教学内容的地位和作用、各知识点之间的结构、体现的思想方法、完成学习任务需要的从属知识技能、与本单元相关的知识和思想方法等进行综合分析［2］。

“化学平衡”是选择性必修模块基本概念、基本理论学习的中间环节，承担着回顾、总结、深化前面所学知识和提升学生认识化学研究及应用价值的双重任务；为培养学生分析、处理实验数据以及从数据中获得信息、总结规律的能力奠定基础。同时，化学反应的限度是认识化学反应的一个必不可少的维度，化学平衡还与后续的电离平衡、水解平衡、沉淀溶解平衡等学习内容有着密切的联系，在选择性必修模块学习中起着承上启下的作用。2020年修订的新课标对该主题的学业要求是：①能书写平衡常数表达式，能进行平衡常数、转化率的简单计算，能利用平衡常数和浓度商的关系判断化学反应是否达到平衡及平衡移动的方向。②能运用浓度、压强、温度对化学平衡的影响规律，推测平衡移动方向及浓度、转化率等相关物理量的变化，能讨论化学反应条件的选择和优化［3］。

一、指向核心素养发展的单元整体教学分析

（一）单元知识内容分析

人教版教材将本单元内容分为三个部分：首先，延续必修中的可逆反应的定性内容，以工业合成氨这个可逆反应为背景，通过对比正反应和逆反应最终到某个时刻各物质的浓度不再改变，引出化学平衡状态的客观存在及定义。接着，提供一组数据，引导学生经历化学平衡常数模型建构的过程，展示在确定温度的可逆反应中，按照不同比例投料发生反应，达到平衡时浓度商是相等的，引出化学平衡常数的概念。然后，进一步介绍化学平衡常数的意义，列出三段式进行平衡转化率、平衡浓度等物理量的计算。最后，通过分组实验探究，演绎推理出浓度、温度、压强对化学平衡状态的影响，突出通过实验探究学习知识的方法，展示勒夏特列原理的模型建构过程。本单元内容框架如图1所示。

（二）学情分析

在必修模块学生建立了如下认识：①了解了可逆反应的含义。②认识到化学反应存在限度，知道了可逆反应达到限度时即为化学平衡状态，反应的限度决定了反应物在该条件下的最大转化率。③认识到化学平衡状态受外界条件影响，体会了从限度和快慢两个方面去认识和调控化学反应的重要性。必修阶段并未讨论外界条件对化学平衡的影响，学生仅能定性分析达到平衡状态时化学反应的特征，对化学平衡状态的判断还不够清晰，存在一定的学习困难。此外，对选择性必修模块化学反应速率知识的学习，也为本单元的学习奠定了基础，其探究问题的思路和方法可以迁移至对本单元知识的学习中。

（三）单元教学目标分析

1.以工业合成氨为例，通过对可逆反应中有关物质的浓度随时间变化示意图及正、逆反应速率随时间变化示意图的分析，说明在可逆反应中，当正反应速率和逆反应速率相等，反应物和生成物的浓度均保持不变的状态就是化学平衡状态，由此完成化学平衡状态的建立，帮助学生建构变化观和平衡观，增强学生对化学学科的认同，提升学生的科学态度与社会责任感。

2.化学平衡常数是本单元教学的重点，也是下一章学习电离平衡常数、溶度积常数的基础，因此要充分重视化学平衡常数的建构过程。教学中要结合数据分析，建构化学平衡常数的概念，定量认识化学平衡状态。通过设计教学环节，提供数据引导学生体验科学家发现化学平衡常数表达式的过程，引导学生关注化学平衡常数与温度的关系，归纳出利用平衡常数[K]分析问题的基本思路，如平衡时转化率的计算，利用平衡常数[K]和浓度商[Q]的关系判断化学反应是否达到平衡及平衡移动的方向等，培养学生的对比分析和数据处理能力、证据推理意识和模型认知能力。

3.反应条件对化学平衡的影响是本单元教学的难点，教学中要注意从获取证据和应用数据分析两个方面进行讲解。通过实验探究，理解温度、浓度、压强等对化学平衡状态的影响，进一步建构“化学变化是有条件的”这一学科观念，培养学生的科学探究与创新意识。利用[K]和[Q]的关系，对具体的平衡体系进行分析后，再次引导学生进行总结归纳，提炼出依据[K]和[Q]的关系判断平衡移动方向的思维模型，进一步培养学生的证据推理意识和模型认知能力。理解勒夏特列原理，能依据原理分析平衡移动的方向，体会理论对实践的指导作用。

二、单元整体教学设计思路

单元整体教学设计是基于学生的知识、技能和认知发展特点，对教材单元知识的主要内容，从整体上进行统领和整合。由于对“化学平衡”内容的学习是由浅入深、由表及里的过程，故将本单元教学设计为3个课时，分别围绕化学平衡状态的概念与特征、化学平衡常数及其应用、化学平衡的影响因素三个内容展开教学设计（如图2），逐步揭开化学反应限度的真实面纱。

三、单元整体教学实践

（一）化学平衡状态的概念与特征（课时1）

【环节1】创设工业合成氨的情境：氨气在国民经济中占有重要地位。随着人类社会的发展和人口的不断增长，对粮食和化肥的需求不断增长，进而对氨的需求量与日俱增。如何提高工业合成氨的效率呢？只要尽量提高化学反应速率，生产效率就一定高吗？提供N2与H2反应前后各物质的量数据资料（见表1）。

表1 N2与H2反应前后各物质的量

[各物质的起始量/mol   充分反应后各物质的量/mol N2   H2   NH3       N2   H2   NH3       5     15    0     3     9     4     ]

引导学生阅读与思考，进而得出结论：合成氨反应的原料无法转化完全，只考虑加快反应速率是不够的，还需考虑如何尽可能多地将原料转化为产品，这就涉及化学反应限度及化学平衡问题。

设计意图：创设化学平衡状态的真实情境，引入概念；增强学生对化学学科的认同，提升学生的科学态度与社会责任感。

【环节2】提出疑问：任何可逆反应在一定条件下都存在反应限度，达到反应限度时反应就停止了吗？在一定条件下，往容积不变的密闭容器中充入N2和H2使其发生反应，反应中各物质的浓度随时间如何变化？正、逆反应速率随时间如何变化？引导学生分别绘制出相应的浓度-时间图和速率-时间图（如图3）。

当充入的是NH3时，反应中相应的浓度-时间图和速率-时间图如图4所示。

分析合成氨的可逆反应，该反应中包含正、逆两个反应，两个反应同时发生。当正、逆反应速率相等时，达到看似不变的表面静止状态，但实际上反应并未停止，一直在进行中，这时的状态，我们称之为化学平衡状态。达到化学平衡时，反应达到该条件下物质转化的最大限度，即反应物的转化率达到最大值。[转化率a=反应物的减少量反应物的起始量×100%]。根据N2与H2反应前后各物质的量数据资料，让学生练习计算平衡时H2的转化率。

设计意图：通过对可逆反应中有关物质的浓度随时间变化图像及正、逆反应速率随时间变化图像的分析，完成化学平衡状态的建立，使学生形成变化观和平衡观。

【环节3】师生共同梳理与提炼化学平衡状态的特点：①v（正）= v（逆）≠ 0，即任何一种物质的生成速率等于其消耗速率；②各组分的质量或浓度保持不变；③动态平衡，即当达到平衡时正、逆反应仍在进行；④联系影响化学反应速率的因素（如浓度、压强、温度等），推断改变这些因素就有可能改变化学平衡。

设计意图：使学生理解和掌握化学平衡状态的特征。

【环节4】化学平衡状态的本质特征是正反应速率和逆反应速率相等，这是判断化学平衡状态的根本标志。由于v（正）=v（逆），平衡体系中各组分的质量分数保持不变，所以一般情况下平衡体系的压强、气体密度、浓度等多种宏观特征也保持不变，这些宏观特征有时也可作为判断化学平衡状态的标志。练习如何判断一个可逆反应是否达到了化学平衡状态：一定温度下，在容积不变的密闭容器中进行合成氨反应，以下哪些选项可以判断为反应已达到化学平衡状态？A.单位时间内消耗a mol N2，同时生成2a mol NH3； B.H2消耗速率等于N2生成速率的3倍； C.容器内的压强不再变化； D.混合气体的总质量不再变化；E.混合气体的密度不再变化；F.混合气体的平均相对分子质量不再变化。引导学生构建化学平衡状态判断的方法模型：①“等”：正、逆反应速率相等——同种物质v正（A）=v逆（A）、不同种物质v正（A）∶v逆（B）=a∶b（化学计量数之比）；②“定”：变量不变，关键是判断某参数是不是变量。

设计意图：通过加强练习，使学生掌握化学平衡状态的本质特征和定性分析达到化学平衡状态的判断方法。

（二）化学平衡常数及其应用（课时2）

有了第1课时的定性分析，如何让学生从定量的角度认识化学平衡状态呢？为此，引入了化学平衡常数的内容。

【环节1】提出问题引发思考：化学平衡的改变有规律可循吗？不同的化学平衡状态，反应物和生成物的浓度之间有什么关系呢？接着，依次以表格形式（见表2至表4）提供在容积不变的密闭容器中，CO（g）+ H2O（g）⇌CO2（g）+ H2（g），H2（g）+ I2（g）⇌2HI（g），N2（g）+ 3H2（g）⇌2NH3（g）三个反应的多组起始浓度、平衡浓度数据，探究这些反应达到平衡状态时，反应物和生成物的浓度之间的关系。

学生通过计算得出CO（g）+ H2O（g）⇌CO2（g）+ H2（g）反应中[c（CO2）·c（H2）c（CO）·c（H2O）]是定值。H2（g）+ I2（g）⇌2HI（g）反应中[c（HI）c（H2）·c（I2）]不是定值；带入了计量数后，[2c（HI）c（H2）·c（I2）]也不是定值；改变书写形式得[c（HI）·c（HI）c（H2）·c（I2）]，即[c2（HI）c（H2）·c（I2）]，是定值。以此类推计算N2 + 3H2 ⇌2NH3达到平衡时[c2（NH3）c（N2）·c3（H2）]的数值，体验科学家发现规律的过程，得出化学平衡常数[K]的表达式。