基于大概念建构与科学探究的单元起始课教学设计-以“物质及其变化”为例

基于大概念建构与科学探究的单元起始课教学设计——以“物质及其变化”为例一、教学内容分析

本节课是初中科学（化学部分）的单元起始与核心概念建构课，其内容在《义务教育科学课程标准（2022年版）》中隶属于“物质的结构与性质”及“物质的化学反应”两大主题。从知识图谱看，本节课需要引导学生从宏观的物理变化与化学变化辨识，深入到化学变化的微观本质理解，并初步建立“质量守恒定律”这一化学学科的基石性大概念，为后续学习化学方程式、化学反应类型及定量计算奠定不可或缺的逻辑基础。在过程方法上，课标强调“探究实践”与“模型建构”，这要求我们将“验证质量守恒定律”的实验从简单的操作验证，升格为引导学生经历“提出问题设计实验获取证据解释交流”的完整探究循环，并运用粒子模型对守恒本质进行推理与可视化表征。在素养价值层面，本节课是培养学生“科学观念”（守恒思想）、“科学思维”（证据推理、模型认知）和“探究实践”（实验设计、合作交流）的关键载体，通过揭示化学反应中“变”与“不变”的辩证关系，引导学生初步形成从微观尺度认识与预测物质变化的科学世界观。

九年级学生已具备物质性质、简单物理变化与化学变化的宏观辨识能力，但认知大多停留在现象层面。其思维障碍点主要在于：第一，难以自发建立宏观现象与微观粒子运动间的有效联系，即“宏观微观符号”三重表征的转换存在断层；第二，受生活经验影响（如木材燃烧后灰烬质量减轻），极易对“质量守恒”产生前科学概念或认知冲突；第三，化学方程式的书写作为一项新技能，需在理解意义的基础上进行符号化与规则化训练，学生易感抽象枯燥。为此，教学策略上需精心设计“认知冲突实验实证模型拆解”的递进式学习路径，通过可视化工具（动画、模拟软件）搭建微观理解的脚手架，并在技能训练中嵌入游戏化、协作化任务，化解畏难情绪，实现差异化发展。二、教学目标

1.知识目标：学生能准确辨析物理变化与化学变化的本质区别；能基于实验证据阐述质量守恒定律的内容及适用条件；能初步从原子种类、数目、质量不变的角度，解释质量守恒的微观本质；能说出化学方程式的定义及其在表征化学反应中的优越性。

2.能力目标：学生能够以小组合作形式，设计并完成验证质量守恒定律的简单实验，规范操作并客观记录数据；能够基于实验现象和数据，运用证据进行推理并得出结论；能够初步尝试根据化学反应事实书写简单的化学方程式。

3.情感态度与价值观目标：在实验探究中，学生能体验到科学发现的严谨性与实证精神，形成尊重证据、敢于质疑的科学态度；在小组讨论中，能倾听同伴观点，进行建设性交流，感受协作的价值。

4.科学思维目标：重点发展“模型认知”与“证据推理”能力。通过将抽象的“原子重新组合”过程可视化，建立微观粒子模型；通过分析不同实验装置下的数据异同，锻炼基于证据进行逻辑推理与批判性思考的能力。

5.评价与元认知目标：学生能依据实验操作量规进行同伴互评；能在课堂小结时，运用思维导图自主梳理本节课的概念网络，并反思“我是如何从疑惑走到理解”的学习路径，初步形成规划学习策略的意识。三、教学重点与难点

教学重点：质量守恒定律的微观解释及其宏观验证。其确立依据在于，该定律是贯穿整个化学学科定量研究的核心大概念，是连接微观粒子世界与宏观质量变化的桥梁，也是学业水平考试中考查学生是否建立正确物质观和守恒观的关键考点。理解其微观本质，方能真正超越机械记忆，为后续所有定量计算和推理提供理论支点。

教学难点：化学方程式的规范书写与初步配平。难点成因在于，这要求学生同时进行多重思维加工：理解反应事实、识别反应物与生成物、记忆元素符号与化合价规则、运用原子守恒进行配平。这对学生的符号抽象能力、规则应用能力和专注力提出了较高要求，是学生从定性认识迈向定量表征的第一步，也是最易出现分化的一步。突破方向在于，将书写过程拆解为“写、配、标、查”四步，并设计阶梯式练习，从模仿到创造，逐步内化规则。四、教学准备清单

1.教师准备

1.1媒体与教具：交互式电子白板课件（内含微观反应动画、重点知识框架）；质量守恒定律探究实验套件（方案一：敞口容器中碳酸钠与盐酸反应；方案二：密闭体系如锥形瓶配气球中白磷燃烧或硫酸铜与铁钉反应）；分子结构模型球。

1.2文本与评价工具：分层学习任务单（含导学案、实验记录表、分层练习）；课堂过程性评价观察表；化学方程式书写“四步法”挂图。

2.学生准备

2.1知识预备：复习物理变化与化学变化的相关实例；预习课本关于质量守恒定律的初步介绍。

2.2物品与分组：携带科学课本与笔记本；课前完成异质分组（4人一组，角色：操作员、记录员、发言人、安全员/材料员）。五、教学过程第一、导入环节

1.情境创设与认知冲突：同学们，我们先来看一个熟悉的场景。（播放一段剪辑视频：蜡烛燃烧，最终“消失”；铁钉生锈，质量增加。）大家有没有想过，化学反应前后，物质的总质量到底怎么变？是像蜡烛一样变没了，还是像铁钉一样变多了，或者……存在其他可能？凭你的直觉和经验，和同桌简单交流一下看法。

1.1核心问题提出与路径明晰：我看到大家有不同的猜测，这非常正常，科学史上人们对这个问题也争论了很久。那么，真理在哪一边？今天，我们就化身“科学侦探”，通过亲手实验寻找证据，并潜入神奇的微观世界，揭开“物质及其变化”中最根本的一条规律——质量守恒定律的神秘面纱。我们的探索将分两步走：先动手“称量”化学反应，看看数据怎么说；再开动脑筋，用“放大镜”看看粒子层面到底发生了什么。第二、新授环节

任务一：质量真的守恒吗？——宏观实验初探

教师活动：首先，我们进入“实证阶段”。教师展示两套实验装置：敞口容器中碳酸钠与盐酸快速反应产生大量气泡；密闭锥形瓶（配气球或橡皮塞）内进行白磷燃烧或硫酸铜与铁钉反应。提出驱动性问题：“如何设计实验，才能公正地‘称量’一场化学反应？”引导学生关注“反应体系是否封闭”这一关键变量。然后，分发学习任务单，明确三个实验目标：1.分组完成至少一个密闭体系的实验，精确称量反应前后总质量；2.观察并记录现象；3.分析数据，小组初步得出结论。巡回指导时，重点关注学生天平的规范使用和团队协作，对操作有困难的小组进行示范，并挑战已完成基础任务的小组：“如果把这个密闭容器的盖子打开再做一次，结果会怎样？为什么？”

学生活动：学生以小组为单位，分工协作进行实验操作、观察记录。他们需要讨论并确保所有反应物和生成物都在称量体系内。记录实验数据，对比反应前后质量，并在组内展开讨论：“我们的数据支持哪种猜想？”“为什么敞口容器的实验可能不‘准’？”各小组发言人准备分享本组的发现与困惑。

即时评价标准：1.实验操作是否规范、安全（特别是天平调平、砝码取用、密闭检查）；2.数据记录是否真实、准确、完整；3.小组讨论时，能否基于本组数据提出合理的初步解释，并倾听其他成员意见。

形成知识、思维、方法清单：★质量守恒定律的内容：参加化学反应的各物质的质量总和，等于反应后生成的各物质的质量总和。▲定律的适用条件：必须针对所有参加反应和生成的全部物质，通常在密闭体系中验证。◆科学探究方法：控制变量（敞口vs密闭）是设计对比实验的关键思想。▌常见误区：质量守恒是总质量不变，而非各物质质量单独不变；有气体参与或生成的反应，必须在密闭体系中进行探究。

任务二：质量为何守恒？——微观模型解释

教师活动：大家先别急着下结论，我们让实验数据说话。现在，请各组代表分享你们的“发现”。（收集各小组数据，汇总到白板上。）看，大多数密闭实验的数据都惊人地接近！这强烈暗示了一条规律。但为什么呢？化学反应明明“面目全非”了呀？这就需要我们戴上“超级放大镜”，进入原子的世界。教师播放水电解的微观模拟动画：“大家看，通电前，水分子（H₂O）在运动；通电后，水分子‘拆开’成氢原子和氧原子，它们又重新‘手拉手’组合成新的氢分子（H₂）和氧分子（O₂）。在这个过程中，原子的‘三要素’——种类、数目、质量，改变了吗？”引导学生得出“不变”的结论。进而总结：“所以，原子是化学变化中的‘不朽积木’，只是重新搭建。总质量自然不变。”这就是质量守恒的微观本质。

学生活动：学生代表分享实验数据与结论。全体学生观看动画，跟随教师的引导性问题，描述微观过程的变化。他们需要回答：“反应前后，什么变了？（分子种类、物质种类）什么没变？（原子种类、数目、质量）”并尝试用自己的话解释：“因为原子这个‘基本零件’没变，所以总质量守恒。”

即时评价标准：1.能否从宏观数据归纳出普遍规律；2.能否清晰描述动画中的微观过程；3.能否建立“原子不变”与“质量守恒”之间的因果逻辑链。

形成知识、思维、方法清单：★质量守恒的微观本质：化学变化中，原子的种类、数目、质量均不改变。★宏观微观符号三重表征：这是化学学习的核心思维方式（宏观现象：质量不变；微观解释：原子不变；符号表达：即将学习化学方程式）。◆模型认知方法：将看不见的粒子用动画模型呈现，是理解抽象概念的有力工具。

任务三：如何表征化学变化？——引入化学方程式

教师活动：理解了本质，我们如何用一种既简洁又包含丰富信息的方式来记录和传递一个化学反应呢？用文字描述太啰嗦。（展示文字表达式：碳+氧气→二氧化碳）科学家们发明了化学方程式——用化学式来表示化学反应的式子。它就像一个“化学反应的护照”，信息完备。以木炭燃烧为例，它的方程式是：C+O₂→CO₂（暂不标条件）。请大家观察，这个式子体现了我们刚学的哪些知识？（提示：箭头两边原子的种类和数目）对，它直观地反映了反应物、生成物以及……原子守恒！

学生活动：学生对比文字表达式和化学方程式，感受后者在简洁性和信息量上的优势。他们尝试从C+O₂→CO₂这个方程式中找出碳原子、氧原子的数目在反应前后是否相等，初步体会方程式隐含的“原子守恒”原则。

即时评价标准：1.能否说出化学方程式相比文字表达式的优点；2.能否在简单方程式中指认反应物、生成物；3.能否初步验证简单方程式中各原子数目是否相等。

形成知识、思维、方法清单：★化学方程式的定义：用化学式表示化学反应的式子。★化学方程式的意义（初步）：表示反应物、生成物和反应条件；表示各物质之间的粒子（分子或原子）数目关系；表示各物质之间的质量关系（后续深化）。◆符号化思想：将具体的化学反应抽象为国际通用的符号系统，是科学交流与深化的基础。

任务四：化学方程式的“游戏规则”——书写与配平初体验

教师活动：书写方程式可不能随心所欲，必须遵守“原子守恒”这条铁律。这就需要“配平”——调整化学式前的系数，使两边各原子种类和数目相等。我们把它编成四步口诀：“一写、二配、三标、四查”。（结合挂图讲解）。现在，我们来挑战一个例子：磷在氧气中燃烧生成五氧化二磷。第一步，写：正确写出反应物和生成物的化学式P+O₂→P₂O₅。第二步，配：这是关键，就像玩数字平衡游戏。我们先从最复杂的P₂O₅入手……（引导学生尝试，展示最小公倍数法）。第三步，标：在等号上注明条件“点燃”。第四步，查：检查原子是否守恒。好，现在请大家在任务单上，尝试配平氢气燃烧的方程式：H₂+O₂→H₂O。有困难的组可以参照“四步法”挂图，或者使用老师提供的“原子卡片”进行实物拼配。

学生活动：学生跟随教师示范，学习“四步法”。独立或协作完成氢气燃烧方程式的配平挑战。部分学生可能使用“原子卡片”（写有H、O的卡片）进行实体操作，通过摆放来直观感受配平过程。完成后与同桌交换检查。

即时评价标准：1.能否记住并尝试应用“写、配、标、查”的书写步骤；2.配平过程中是否体现“原子守恒”的核心理念；3.能否通过同伴互查发现并纠正错误。

形成知识、思维、方法清单：★化学方程式书写原则：必须以客观事实为基础；必须遵守质量守恒定律（通过配平实现）。★配平：在化学式前配上适当的系数，使反应前后各原子的种类和数目相等。◆配平方法（最小公倍数法入门）：以两端出现次数最多、原子数目差异较大的原子为突破口。▌易错点提醒：只能改系数，不能改化学式的下标；条件和箭头符号要规范标注。第三、当堂巩固训练

基础层（全体必做）：1.判断：10g冰融化成10g水，此过程遵循质量守恒定律吗？（辨析定律适用范围）2.从微观角度解释：为什么镁带在空气中燃烧后，生成物的质量比原来镁带的质量重？

综合层（大多数学生完成）：3.某化学反应在密闭容器中进行，测得反应前后各物质质量如下表。请判断未知物质X是反应物还是生成物，并计算其质量。4.尝试配平化学方程式：Al+O₂→Al₂O₃。

挑战层（学有余力选做）：5.【情境题】古代“点石成金”的幻想为何从科学角度看不可能实现？请用本节课所学知识进行驳斥。6.【微项目】设计一个家庭小实验方案（可画图），验证质量守恒定律，并思考如何解决“非密闭环境”的测量难题。

反馈机制：基础题和综合题通过全班快速问答与白板投屏典型解答进行即时反馈。挑战题由学生自愿分享思路，教师进行点评和升华。鼓励学生使用“我同意…因为…”或“我有个补充…”的句式进行同伴互评。第四、课堂小结

知识整合：同学们，今天我们完成了一次从宏观到微观、从现象到本质的深度探索。现在，请大家用2分钟时间，在笔记本上以“质量守恒定律”为核心，画出本节课的概念图或思维导图，建立起“宏观验证微观解释符号表征”之间的联系。我请一位同学到黑板上展示。

方法提炼：回顾一下，我们用了哪些“法宝”来攻克今天的难题？（引导说出：实验探究、模型想象、符号表达、控制变量、定量分析等）。

作业布置与延伸：这是大家今天的“能量补给包”（展示分层作业清单）。必做部分：整理课堂笔记与知识清单；完成课本配套基础练习。选做部分（二选一）：A.寻找生活中一个现象，用质量守恒定律进行解释，录制1分钟解说视频。B.自学了解“质量守恒定律的发现史”，写一篇200字的科学家精神感悟。下节课，我们将利用今天打造的“守恒”武器，去解决更复杂的化学反应定量问题。六、作业设计

基础性作业（全体必做）：1.背诵质量守恒定律内容，并从原子角度复述其微观解释。2.完成教材课后练习中关于判断变化类型、验证实验分析的基础习题。3.抄写并配平以下两个化学方程式：铁在氧气中燃烧生成四氧化三铁；水通电分解生成氢气和氧气。

拓展性作业（建议大多数学生完成）：4.【情境应用题】在燃气灶上烧一壶水，水沸腾后质量减少。这与质量守恒定律矛盾吗？请撰写一段分析说明。5.【技能迁移】给出一个未配平的化学方程式（如：CH₄+O₂→CO₂+H₂O），尝试用“最小公倍数法”或自己摸索的方法完成配平，并写出配平步骤。

探究性/创造性作业（学有余力学生选做）：6.【家庭探究】利用小苏打（碳酸氢钠）和食醋（醋酸）设计一个简易实验，定性或半定量地感受质量守恒（可借助电子厨房秤），记录过程、现象并分析成败原因。7.【跨学科联系】查阅资料，了解质量守恒定律在生态学（物质循环）、经济学（能量与物质流分析）中的体现或类比，制作一份简易的科普小报。七、本节知识清单及拓展

★1.物理变化与化学变化的根本区别：宏观上，是否有新物质生成；微观上，分子本身是否发生改变（化学变化中，分子分裂为原子，原子重新组合成新分子）。

★2.质量守恒定律（宏观表述）：参加化学反应的各物质的质量总和，等于反应后生成的各物质的质量总和。注意：关键词是“参加”和“生成”，遗漏任何一部分物质都会导致结论错误。

★3.质量守恒的微观本质：在一切化学反应中，反应前后原子的种类没有改变，数目没有增减，原子的质量也没有变化。这是定律成立的根源。

▲4.定律的验证与条件：定律的验证通常需要在密闭体系中进行，以确保所有反应物和生成物都被计入总质量。对于有气体参与或生成的反应，这一点尤为关键。敞口容器中质量的“变化”往往是由于物质散逸到空气中或从空气中补充进来。

★5.化学方程式：用化学式来表示化学反应的式子。它是对化学反应的简洁、科学且信息丰富的表征。

★6.化学方程式的意义（现阶段）：（1）表明反应物、生成物及反应条件；（2）表明反应物与生成物之间的粒子（分子或原子）数量关系。

★7.书写化学方程式的两大原则：（1）必须以客观事实为基础，不能臆造；（2）必须遵守质量守恒定律，通过配平使等号两边各原子种类和数目相等。

◆8.化学方程式书写步骤（“四步法”）：一写（正确写出反应物和生成物的化学式）；二配（配平化学计量数，使原子守恒）；三标（标明反应条件、生成物状态符号等）；四查（整体检查）。

◆9.配平的目的与方法：目的是使方程式遵守质量守恒定律。最小公倍数法是基础方法，从两端出现次数多、原子数差异大的原子入手，求其最小公倍数来确定系数。

▌10.易混淆点辨析：“质量守恒”是指总质量守恒，而非各物质质量单独不变；化学变化中分子一定改变，原子一定不变；配平时只能改变化学式前的系数，绝不能改动化学式本身的下标。

▲11.科学思想方法：本节课集中体现了宏观辨识与微观探析、证据推理与模型认知、实验探究等科学核心素养。通过实验获取证据，通过模型解释本质，通过符号进行表达。

▲12.拓展视野：质量守恒定律的发现史：从罗蒙诺索夫、拉瓦锡的定量实验到道尔顿的原子理论，该定律的确立是科学从定性走向定量的里程碑，彰显了实证与理论结合的力量。八、教学反思

（一）教学目标达成度评估：从当堂巩固训练的完成情况看，约85%的学生能准确复述定律内容并完成基础配平，表明知识技能目标基本达成。在小组实验与汇报环节，学生能围绕证据展开讨论，大部分小组的探究过程记录详实，体现了能力与过程方法的有效落实。情感目标在“挑战生活前概念”和“协作完成实验”中得到渗透，课堂氛围积极。

（二）核心环节有效性分析：1.导入环节：蜡烛与铁钉的对比成功制造了认知冲突，学生表现出强烈的好奇心，“侦探”的角色设定激发了探究欲。2.任务一（实验探究）：采用分层实验任务（基础密闭实验+开放挑战）是亮点，既保证了核心探究的完成，又为学优生提供了思辨空间。但在巡视中发现，部分小组对“体系”的理解仍显模糊，下次可增加一个“绘制实验体系边界图”的微任务。3.任务二（微观解释）：动画演示是关键脚手架，但仍有部分学生眼神迷茫，内心独白：“原子重新组合我懂了，但怎么就和质量联系起来？