核心素养导向的初中化学大单元教学设计与实践-以“我们周围的空气”为例

核心素养导向的初中化学大单元教学设计与实践——以“我们周围的空气”为例

  一、设计理念与理论依据

  本教学设计立足于《义务教育化学课程标准（2022年版）》所倡导的核心素养发展目标，即“宏观辨识与微观探析”、“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”。设计超越了传统的、以课时为单位的碎片化知识传授模式，转而采用大单元整体教学理念。我们以“我们周围的空气”这一核心主题为统领，将与之相关的物质性质、变化规律、实验探究、实际应用及社会议题进行有机整合与重构，形成一个内容结构化、情境真实化、任务项目化的完整学习单元。

  理论层面，本设计深度融合了建构主义学习理论、项目式学习（PBL）理念以及社会性科学议题（SSI）教学范式。我们强调学生在真实或模拟真实的问题情境中，通过主动探究、协作讨论、动手实践来建构对空气的组成、氧气与二氧化碳等核心物质的性质、以及空气污染与防治等系统性知识的理解。整个教学过程旨在引导学生像科学家一样思考问题，像工程师一样解决问题，在知识习得的过程中同步发展高阶思维、实践能力与价值判断力，实现从“知识本位”向“素养本位”的课堂转型。

  二、单元教学目标

  （一）核心素养目标

  1.宏观辨识与微观探析：能从宏观上辨识空气的主要成分及其体积分数，能通过实验现象推断物质的性质；初步建立物质的宏观组成与微观粒子（分子、原子）之间的关联，例如用分子运动解释气体的扩散、空气成分的稳定性等。

  2.变化观念与平衡思想：认识空气中氧气、氮气、二氧化碳等主要成分的化学稳定性与特定条件下的可变性（如氧气参与燃烧、呼吸、铁生锈；二氧化碳参与光合作用、与碱反应等）；理解空气成分的相对稳定是一种动态平衡的结果，初步树立物质是变化的、变化是有条件的观念。

  3.证据推理与模型认知：能基于拉瓦锡等科学史实和“测定空气中氧气含量”的定量实验证据，推理得出空气的组成结论；能基于实验现象，运用比较、分类、归纳等方法，建构氧气支持燃烧、二氧化碳不支持燃烧且能与澄清石灰水反应等性质认知模型。

  4.科学探究与创新意识：经历“空气成分探究”、“氧气实验室制取与性质”、“二氧化碳实验室制取与性质”等完整的探究过程，掌握基本的实验操作技能和观察、记录、分析、得出结论的科学方法；能针对“如何改善教室空气质量”、“设计简易空气净化装置”等实际问题，提出有创意的初步解决方案。

  5.科学态度与社会责任：通过了解空气污染（PM2.5、二氧化硫、氮氧化物等）的来源、危害及防治措施，深刻认识化学在环境保护中的双重作用，树立绿色化学观念和可持续发展意识；能基于科学知识对日常生活中与空气相关的社会议题（如烟花爆竹燃放、工业废气排放、新能源推广）进行理性分析，形成积极参与社会决策的责任感。

  （二）学业要求与学习目标

  1.知识与技能：

  （1）说出空气的主要成分及其体积分数，认识空气对人类生活的重要作用。

  （2）掌握氧气和二氧化碳的物理性质、化学性质及主要用途。

  （3）初步学习实验室制取氧气（过氧化氢分解）和二氧化碳（石灰石与稀盐酸反应）的原理、装置、收集方法及检验方法。

  （4）了解纯净物、混合物的概念，并能进行初步区分。

  （5）了解空气污染的成因、主要污染物及防治措施。

  2.过程与方法：

  （1）通过分析科学史资料和进行定量实验，体验科学探究的过程，学习从实验数据中得出结论的方法。

  （2）通过对比氧气和二氧化碳的性质实验，学习观察、描述、比较、归纳的科学方法。

  （3）通过设计并完成气体制取实验，学习气体发生、收集、检验的系统性实验思路与方法。

  （4）通过调查、讨论空气污染问题，学习搜集、处理信息以及合作交流、表达观点的方法。

  3.情感·态度·价值观：

  （1）感受化学对认识物质世界和解决实际问题的价值，激发学习化学的持久兴趣。

  2）崇尚科学家严谨求实、勇于探索的科学精神。

  （3）增强保护空气、爱护环境的社会责任感，初步形成主动参与社会决策的意识。

  三、学情分析

  本单元教学对象为九年级学生。学生在小学科学和初中物理、生物课程中，已对空气的存在、风（空气流动）、呼吸作用、光合作用等有初步的感性认识，知道空气由多种气体混合而成，但对具体成分和定量组成缺乏科学认知。学生具备一定的实验观察能力和简单操作技能，但系统的化学实验探究（特别是定量实验和气体实验）经验不足，对实验方案的设计、变量的控制、证据的推理能力较弱。在思维层面，学生正处于从具体形象思维向抽象逻辑思维过渡的关键期，对微观粒子的认识存在困难，但对生活中的化学现象充满好奇，乐于动手实践和小组合作。因此，教学设计需充分利用学生已有的生活经验，创设生动有趣、富有挑战性的探究情境，搭建从宏观现象到微观本质、从定性描述到定量分析的思维阶梯，引导学生在“做中学”、“思中学”，逐步构建系统的化学知识网络和科学的思维方式。

  四、教学重难点及突破策略

  （一）教学重点

  1.空气的组成及各成分的体积分数。

  2.氧气和二氧化碳的化学性质及其实验室制法。

  3.纯净物与混合物的概念辨析。

  4.科学探究方法的初步运用（提出问题、设计实验、进行实验、分析解释、交流评价）。

  （二）教学难点

  1.“测定空气中氧气含量”实验的原理理解、误差分析及实验方案的改进与评价。

  2.从微观角度理解空气是混合物及其成分的稳定性。

  3.根据反应原理和气体性质，自主设计并优化实验室制取气体的简易装置。

  4.运用化学知识系统分析空气污染的成因，并提出有科学依据的、可行的防治建议。

  （三）突破策略

  1.针对难点1：采用“科学史情境再现+实验探究+数字化传感技术辅助”的策略。先呈现拉瓦锡研究空气组成的经典实验，引导学生分析其原理与结论。再组织学生分组进行“红磷燃烧法”测定实验，在操作中观察、记录、计算。引入压强传感器实时监测密闭体系内压强的变化，将不可见的氧气消耗过程可视化、数据化，深化对原理的理解。最后创设“为何水面上升不足1/5？”等问题，引导学生多角度分析误差来源，并鼓励对实验装置、药品进行改进设计（如使用暖宝宝中的铁粉生锈耗氧），培养批判性思维与创新意识。

  2.针对难点2：运用“模拟动画+类比推理”的策略。利用高质量的分子运动模拟动画，展示空气中氮气分子、氧气分子等不同粒子独立、无规则的运动状态，帮助学生建立“混合物由不同种分子构成”的微观图像。通过“一袋黄豆和一袋绿豆混合后总体积小于两袋单独体积之和”的类比，初步解释空气成分体积分数非简单加和性的微观原因（粒子间有间隔）。

  3.针对难点3：实施“原型分析→拆解功能→创新组合”的建模流程。不直接给出制取装置，而是先分析典型发生装置（固液常温型）和收集装置（向上排空气法、排水法）的原理和适用条件。然后提供注射器、U型管、塑料瓶、带孔橡胶塞、导管等多种器材，组织学生开展“装置设计大赛”，要求小组合作，设计出能“随开随用、随关随停”或“控制反应速率”的二氧化碳发生装置，并进行展示、互评，在实践与讨论中深化理解。

  4.针对难点4：采用“项目式学习（PBL）+社会性科学议题（SSI）辩论”的策略。发布核心驱动性问题：“作为校园环保顾问，请为我校撰写一份《校园空气质量提升方案》”。引导学生分组从“污染源调查（实验室废气、操场扬尘、周边交通尾气等）”、“监测数据分析（查阅本地环保部门数据或使用简易检测仪）”、“防治措施提案（绿植选择、行为倡议、技术小发明）”三个维度展开为期一周的课外项目研究。在单元后期组织“经济发展与环境保护能否双赢？”微型辩论会，引导学生在价值冲突中权衡利弊，形成基于证据的、负责任的观点。

  五、教学资源与环境准备

  1.实验器材与药品：集气瓶、燃烧匙、橡胶塞、导管、烧杯、红磷、酒精灯；过氧化氢溶液、二氧化锰、木炭、硫粉、细铁丝、澄清石灰水；石灰石（或大理石）、稀盐酸、碳酸钠、试管、锥形瓶、带导管橡胶塞、水槽、毛玻璃片；制取装置设计大赛所用各类替代仪器。

  2.数字化实验设备：压强传感器、数据采集器、电脑及投影设备，用于定量测定空气中氧气含量实验。

  3.多媒体资源：空气成分发现史纪录片片段；分子运动模拟动画；空气污染现状及影响的图片、视频资料；制取气体的多种装置图。

  4.文本资料：拉瓦锡实验的图文介绍；本地近一个月空气质量指数（AQI）报告（学生提前搜集）；关于空气污染治理的国家政策或科技新闻摘要。

  5.学习环境：配备多媒体和实验桌的化学实验室，便于开展小组合作探究。布置“空气探秘”主题墙，用于展示学生项目研究的阶段性成果和设计作品。

  六、教学实施过程（大单元整体规划，约8-10课时）

  第一阶段：单元导读与情境建构（1课时）

  核心任务：感知空气的存在与价值，提出本单元核心驱动性问题。

  学习活动：

  1.情境导入：播放一段从太空俯瞰地球的影片，聚焦于那层蔚蓝的“薄纱”——大气层。提问：没有这层“薄纱”，地球会怎样？引导学生从生物生存、气候调节、物质循环等多角度讨论空气的重要性。

  2.初探空气：进行几个趣味实验。（1）将空杯子倒扣入水中，杯口倾斜，观察气泡冒出，证明空气存在并占据空间。（2）用扇子扇动，感受风（空气流动）。（3）展示被锈蚀的铁钉、燃烧的蜡烛、正在光合作用的植物图片，提问：这些现象都与哪种（些）空气成分有关？你对空气了解多少？激发认知冲突。

  3.提出驱动性问题：教师总结学生发言，引出本单元的核心探究线索：“空气，这种我们每时每刻都离不开却又‘视而不见’的物质，究竟由什么组成？各成分有何性质？它们如何影响自然界和人类生活？我们又该如何保护这份珍贵的‘蓝色馈赠’？”同时，发布本单元的终极项目任务——“校园空气质量提升方案”设计。

  4.规划学习路径：师生共同浏览本单元学习内容框架图，明确各阶段的学习主题、核心活动与成果要求，使学生对即将开始的探索之旅有整体认知和期待。

  设计意图：通过宏大意境与身边现象的对比，迅速激发学习兴趣和内在动机。将单元知识置于“认识与保护空气”的大情境中，赋予学习以现实意义。明确提出项目任务，使后续所有知识学习都具有明确的目的性和指向性。

  第二阶段：核心知识探究与建模——空气的组成与性质（3-4课时）

  课时一：追溯历史，定量揭秘——空气组成的探究

  学习活动：

  1.科学史回眸：学生阅读拉瓦锡研究空气组成的材料，讨论其实验设计的巧妙之处（定量、密闭、汞的独特性质），体会科学研究的严谨与创造性。

  2.实验探究（一）：仿照拉瓦锡思路，进行“红磷燃烧测定空气中氧气含量”分组实验。学生需自主完成装置连接、红磷引燃、冷却后打开止水夹、观察记录水面上升高度、计算氧气体积分数等操作。

  3.数据与反思：各组汇报实验结果，常发现数值偏离21%。教师引导学生展开“误差分析大会”：是红磷量不足？装置漏气？还是未冷却至室温就打开止水夹？鼓励学生从操作细节和反应原理（红磷只与氧气反应，生成固体五氧化二磷）寻找原因。

  4.技术赋能探究：教师演示利用压强传感器定量测定空气中氧气含量的实验。学生通过电脑屏幕实时观察燃烧前后密闭体系内压强的显著下降，并通过软件直接计算出氧气体积分数。对比传统方法与数字化方法的异同，感受科技对科学探究的助力。

  5.建构认知：基于实验证据，师生共同总结空气的主要成分（氮气、氧气、稀有气体、二氧化碳等）及其粗略体积分数。引入“体积分数”概念，强调是体积比而非质量比。

  设计意图：将科学史作为探究的起点，培养科学精神。传统动手实验与数字化实验相结合，既锻炼基础操作，又提升数据分析与理解能力。聚焦误差分析，培养批判性思维和实事求是的态度。

  课时二：概念辨析与微观初探——从混合物到微观世界

  学习活动：

  1.概念生成：出示一瓶氧气、一瓶氮气、一瓶空气。提问：它们有何不同？引导学生从组成是否单一的角度，归纳出纯净物和混合物的概念，并尝试举例说明。

  2.微观探秘：播放空气微观粒子运动模拟动画。学生观察并描述：动画中有几种不同的“小球”（代表分子）？它们是如何运动的？彼此间有何关系？通过讨论，理解空气是混合物，由氮气分子、氧气分子、二氧化碳分子等多种不同的粒子混合而成，这些粒子都在不停地无规则运动。

  3.解释现象：利用微观模型尝试解释：（1）为什么我们能闻到花香？（分子不断运动）。（2）为什么空气成分相对稳定？（不同粒子均匀混合，且运动状态相似）。

  4.深化理解：进行“分离混合物”小活动（如铁粉与沙子的分离），并讨论：空气能否被分离？如何分离？引出工业上分离液态空气制取氧气、氮气的方法，体现化学对资源的利用。

  设计意图：从宏观样本到微观模拟，搭建思维桥梁，帮助学生初步建立“宏观-微观”相联系的化学思维方式。用化学概念解释生活现象，体现学以致用。

  课时三至四：认识空气中的“主角”之一——氧气

  学习活动：

  1.氧气的制取探究：

  （1）需求产生：回顾空气组成，提问：如何从空气中获得较纯净的氧气？引出实验室制取的必要性。

  （2）原理学习：介绍过氧化氢在二氧化锰催化下分解制氧气的反应，书写文字表达式。讨论催化剂的作用。

  （3）装置设计：提供仪器，小组合作搭建固液常温型发生装置，并讨论收集方法（排水法、向上排空气法）的选择依据（氧气密度略大于空气、不易溶于水）。

  （4）实践操作：分组实验制取并收集1-2瓶氧气，学习检验氧气的方法（带火星木条复燃）。

  2.氧气的性质探究：

  （1）物理性质：观察集气瓶中氧气的颜色、状态，查阅密度、溶解性数据。

  （2）化学性质（“氧气发布会”）：分组进行木炭、硫、铁丝、蜡烛在空气和氧气中燃烧的对比实验。要求详细观察、记录现象（光、焰、色、热、生成物特性），并比较在纯氧中反应更剧烈的现象。

  （3）归纳建模：引导学生对实验现象进行分类、比较，归纳出氧气是一种化学性质比较活泼的气体，能支持燃烧（助燃性），能与许多物质发生氧化反应，常放出热量。初步建立研究气体化学性质的实验模型（对比观察、产物检验）。

  （4）反思与应用：讨论为什么物质在氧气中燃烧更旺？从反应物浓度角度解释。联系生活：富氧炼钢、医疗急救、航天燃料助燃等。

  设计意图：将气体制取与性质研究有机结合，使制取的目的性更强。通过系列对比实验，让学生亲身经历从现象到性质的科学归纳过程，建构认知模型。联系实际应用，体现化学价值。

  第三阶段：跨学科实践与拓展——二氧化碳与空气污染（2-3课时）

  课时五：认识空气中的“另一主角”——二氧化碳

  学习活动：

  1.从生活到化学：展示碳酸饮料、灭火器、温室效应新闻等图片。提问：二氧化碳在这些场景中扮演了什么角色？它有哪些性质？

  2.性质初探：分组实验：（1）向放有高低不同蜡烛的烧杯中倾倒二氧化碳，观察现象（下层蜡烛先熄灭），推断其密度比空气大、不支持燃烧。（2）向澄清石灰水中吹气，观察变浑浊，学习二氧化碳的检验方法。（3）观察固态二氧化碳（干冰）升华现象。归纳二氧化碳的物理性质和主要化学性质。

  3.制取探究与装置创新：

  （1）原理学习：学习石灰石（大理石）与稀盐酸反应制取二氧化碳，书写文字表达式。

  （2）“我是小小设计师”活动：在明确反应原理和二氧化碳性质（密度比空气大、能溶于水）的基础上，各小组利用提供的多样化器材，设计并搭建有创意的二氧化碳发生与收集装置。重点挑战：如何实现反应的“随时控制”？鼓励设计出如“多功能瓶启普发生器原理装置”等。

  （3）展示交流与优化：各小组展示设计作品，阐述设计思路、优点及可能存在的问题。其他小组提问、评价，共同优化方案。

  （4）实践验证：选择优化后的方案进行实验，制取并收集二氧化碳，用澄清石灰水检验。

  设计意图：从生活应用切入，激发兴趣。将性质探究前置，为制取装置的设计提供依据。装置设计大赛是培养工程思维和创新能力的核心环节，通过设计、展示、质疑、优化，深化对原理和装置选择的理解。

  课时六：关注空气的“健康”——空气污染与防治

  学习活动：

  1.数据感知：各组展示课前搜集的本地近期AQI数据，绘制趋势图。讨论：AQI包含哪些污染物指标？我们的空气质量如何？哪些日子可能是什么原因导致了污染？

  2.追根溯源：通过资料阅读和视频，系统学习主要空气污染物（PM2.5、SO2、NOx、CO、O3等）的来源（工业、交通、生活、自然）、危害（健康、生态、气候）。

  3.化学视角析污染：重点从化学变化角度分析：（1）酸雨的形成（SO2、NOx的转化）。（2）光化学烟雾的形成。（3）温室效应增强（CO2等温室气体）。书写相关的化学反应式（如SO2与水、氧气的反应）。

  4.防治策略研讨：“头脑风暴”空气污染的防治措施。引导学生从技术革新（脱硫、除尘、清洁能源）、政策法规（排放标准）、个人行动（绿色出行、节约能源）等多维度思考。初步讨论本组“校园空气质量提升方案”的框架。

  5.科学态度与社会责任升华：组织微型辩论或角色扮演，议题如：“为了发展经济，暂时牺牲一些空气质量可以接受吗？”、“作为市民，我们能为‘蓝天保卫战’具体做些什么？”引导学生在价值冲突中运用化学知识进行理性分析和价值判断。

  设计意图：将化学知识置于真实的环境问题中，培养学生运用知识分析复杂社会问题的能力。通过数据分析和议题讨论，深化对“科学-技术-社会-环境”关系的理解，切实培养社会责任感和参与意识。

  第四阶段：单元复习与系统整合（1课时）

  学习活动：

  1.知识网络构建：以“我们周围的空气”为中心词，小组合作绘制本单元思维导图或概念图，需涵盖组成、各成分性质与制取、混合物概念、污染与防治等核心内容及其内在联系。各组展示并互评。

  2.核心实验梳理：回顾“测定空气中氧气含量”、“氧气性质系列实验”、“二氧化碳制取与性质实验”的关键操作、现象、结论及注意事项，归纳气体研究的一般思路和方法。

  3.疑难问题解答：针对单元学习过程中遗留的共性疑难问题进行集中讨论和讲解。

  4.项目方案中期交流：各小组简要汇报“校园空气质量提升方案”的进展、遇到的问题及下一步计划，相互启发。

  设计意图：通过构建知识网络，将零散的知识系统化、结构化。回顾核心实验，巩固科学方法。为最终的单元检测和项目展示做好准备。

  第五阶段：项目成果展示与评价（1-2课时）

  学习活动：

  1.成果展示：“校园空气质量提升方案”发布会。各小组以PPT、海报、模型（如自制空气净化小模型）、倡议书、短视频等多种形式，展示其研究成果。内容包括：校园空气污染源调查分析、具体的改进措施建议（如建议种植特定吸尘植物、实验室废气处理改进方案、学生绿色行为公约等）、措施的科学依据及可行性分析。

  2.答辩与评价：展示后，接受其他小组和教师的提问，并进行答辩。评价标准包括：科学性、创新性、可行性、展示效果、团队合作等。采用小组互评、教师评价相结合的方式。

  3.总结与延伸：教师总结本单元学习，充分肯定学生在知识、能力、态度上的成长。将优秀方案整理后提交学校相关部门参考，实现学习成果的现实价值转化。提出延伸思考题：如何监测室内的甲醛污染？为下一单元可能涉及的内容做铺垫。

  设计意图：项目成果展示是单元学习的culminatingevent（高潮事件），是学生综合运用所学知识解决实际问题能力的集中体现。通过真实的展示、答辩和评价，锻炼学生的综合素养。将学习成果与校园生活实际相联系，增强学习的成就感和价值感。

  七、单元教学评价设计

  本单元评价贯穿始终，采用过程性评价与终结性评价相结合、多元主体参与的方式，重点评价学生核心素养的发展水平。

  1.过程性评价（占比60%）：

  （1）课堂表现观察记录：包括提问与回答的积极性与质量、小组合作参与度、实验操作的规范性与安全性、讨论中的逻辑表达能力等。

  （2）探究活动报告评价：对“测定空气中氧气含量”、“氧气/二氧化碳性质实验”的实验报告进行评价，重点关注实验目的明确性、步骤清晰性、现象记录客观性、结论