新课标主题大概念统摄下的化学教学：以“燃烧和灭火”教学为例

新课标主题大概念统摄下的化学教学：以“燃烧和灭火”教学为例2022年版义务教育化学课程标准构建了大概念统领的化学课程内容体系，强调发挥大概念的高度概括性、统摄性和迁移应用价值。本文以“燃烧和灭火”这一经典学习内容为例，依据主题大概念“物质的变化与转化”的内涵，明确学习内容与大概念的互促关系，探索如何通过落实主题核心思路方法，整体规划主题单元、设计相应的学习活动，发挥大概念统领功能，促进学生核心素养的发展。《义务教育化学课程标准（2022年版）》（以下简称“新课标”）强调发挥化学课程的育人功能，凝练化学课程所承载的核心素养发展要求，倡导开展核心素养导向的化学教学。为落实素养立意的化学课程目标，新课标构建了大概念统领的化学课程内容体系。改变囿于具体性知识内容的教学，形成大概念统领的单元教学模式，是实现新课标高质量落地的重要途径。一、依据大概念确定主题学习目标（一）把握新课标中学习目标的要求变化新课标确立了基于核心素养培育的课程目标，因此学习主题和具体内容的组织较《义务教育化学课程标准（2011年版）》（以下简称“2011年版课标”）有了调整。以“燃烧和灭火”这一义务教育化学课程的经典学习内容为例，在2011年版课标中，该内容位于“化学与社会发展”主题的“化学与能源和资源的利用”部分，其相关的内容要求为“认识燃料完全燃烧的重要性，了解使用氢气、天然气（或沼气）、液化石油气、煤气、酒精、汽油和煤等燃料对环境的影响，懂得选择对环境污染较小的燃料”“认识燃烧、缓慢氧化和爆炸发生的条件，了解防火灭火、防范爆炸的措施”。由此可见，对于这部分内容，2011年版课标以常见燃料种类、燃烧条件、灭火措施等具体知识为学习要求，包含基于具体知识的简单推理。而在新课标中，“燃烧和灭火”位于“物质的化学变化”主题，属于“物质的变化与转化”这一大概念统领的核心知识。同一学习内容，主题关系的改变，意味着核心学习目标的变化以及对学生发展价值的变化。（二）把握新课标学习主题内容要求之间的关系新课标从大概念、核心知识、基本思路与方法、重要态度、必做实验及实践活动五个维度构建主题学习内容。学习主题中，大概念反映了化学学科本质，是化学观念在这个学习主题中的具体化。主题大概念具有功能性，指明了学生面对该主题研究对象时应有的基本认识角度及主要观点，利于其运用大概念解决实际问题，即大概念帮助学生确定“解决什么问题”“如何解决问题”。核心知识是支撑大概念形成的具体内容，大概念也有指导学生获得核心知识的功能。基本思路与方法是运用大概念解决实际问题的主要路径或方法。重要态度是在该主题问题解决过程中形成的正确的态度立场和对学科价值的理解。实验与实践活动则是必要的学习载体和活动，为具体知识的获取、大概念的形成与应用提供真实学习场景，以实现素养立意的教学。新课标中，“燃烧和灭火”这一内容所在的学习主题是“物质的化学变化”，涉及的大概念为“物质的变化与转化”，这一大概念引导学生从变化的视角认识物质世界，体会物理变化与化学变化的不同，要求学生在面对物质的化学变化时，能够从物质角度、能量角度、物质间实现转化需要遵循的规律、化学反应发生的条件等角度进行探讨，并理解化学反应中物质间的定量关系，发展化学学科的变化观念。学生要建立、发展并能够运用“物质的变化与转化”这一大概念，需要化学变化特征、化学反应类型、化学反应中的定量关系与质量守恒定律等核心知识的支撑，并获得认识化学反应的基本思路和方法。“燃烧和灭火”属于所在主题的核心知识，新课标中，该部分的具体要求为“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”。从这一表述中我们可以看出：第一，“燃烧和灭火”属于“物质的化学变化”主题的学习内容，燃烧是化学变化的重要例证，通过对燃烧的理解认识可以学习化学变化的相关知识；第二，燃烧需要条件，燃烧在生活中有重要作用，燃烧时物质的化学变化伴随着能量变化，化学反应需要一定的条件；第三，“燃烧和灭火”体现了调控化学反应的重要意义，为本主题下学生重要态度的发展提供了学习素材；第四，通过实验探究认识燃烧的条件，说明了知识获得的方式，同时也发展了学生的科学探究能力。（三）主题学习目标应包含的主要要素结合新课标各主题五个维度的学习内容，“燃烧和灭火”这一内容的学习在帮助学生理解形成“物质的变化与转化”大概念、认识化学反应的思路与方法等方面也具有发展功能。由于燃烧和灭火是生活中的常见现象，学生对此有比较丰富的感性经验和原始认识。因此，这一教学内容可以被安排在化学课程的不同阶段，但其学习目标都应包含以下要素：1.基于化学变化的视角认识燃烧现象，分析燃烧的物质变化、能量形式变化，如燃烧的物质变化和能量变化、燃烧的现象；2.通过实验探究理解关于燃烧条件、灭火原理等基本知识；3.通过对燃烧等化学变化的概括、总结，发展“物质的变化与转化”大概念；依据大概念认识燃烧现象，解决燃烧相关问题；4.通过对燃烧现象的系统、全面分析，形成多角度认识化学反应的思路方法；应用认识化学反应的思路与方法分析燃烧现象及相关问题；5.通过对燃烧和灭火调控的讨论，发展对研究和调控化学反应的价值的认识；6.通过燃烧条件的实验探究和相关实践活动完成上述学习；在上述学习的基础上开展实验探究和实践活动。总之，在大概念统领下，“燃烧和灭火”的学习除了要让学生获得具体知识，还要承载学生建立大概念和应用大概念解决化学变化相关问题、形成与运用相关思路方法解决问题，以及感受化学反应的应用与调控的意义等重要的学习价值。图1呈现了“燃烧和灭火”学习内容的五维要素发展关系。二、发挥大概念统领功能，落实基本思路与方法的教学主题大概念是对本主题相关知识、观点的高度概括，为学生看待身边的事物提供了核心观点和稳定视角，在学生面对真实问题时，主题大概念需要发挥统领功能和迁移应用价值。新课标对物质的化学变化主题大概念“物质的变化与转化”的表述是：知道物质是在不断变化的，物质变化分为物理变化和化学变化；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反应可以实现物质转化，化学反应中的各物质间存在定量关系，初步形成变化观。学生形成“物质的变化与转化”大概念后，在面对现象或某个问题时会思考其中发生了什么变化；一旦确定这种变化为化学变化，就能够进一步根据大概念内涵中的描述，从物质变化、能量变化、化学反应发生条件、物质间的转化关系、定量关系等角度分析与解决问题，使思维系统、有序。体现核心素养的真实问题解决需要大概念统领下的思路方法支持。大概念为学生解决真实问题提供了主要观点和思考角度，学生将这些观点和思考角度内化为稳定的思维程序，形成思维模型，可以更高质量、高效率地完成任务。新课标提出了核心思路与方法的学习要求，帮助学生实现从认知大概念到外显能力表现的转化。越是综合复杂的任务越依赖大概念指导思考的方向，以实践任务“给民用飞机寻找合适燃料”为例1。“为飞机找燃料”就是利用燃料的燃烧反应为飞机提供能量，与化学变化主题有关，根据新课标提出的核心思路方法要求，引导学生从物质变化、能量变化、反应条件、反应现象几个角度，结合定量认识方法，概括形成选择燃料以及燃烧反应的评价指标：1.可燃物和助燃物（反应物）易得、成本低，可燃物最好不是气体，方便携带，但又要与助燃物充分混合；助燃物可以携带，也可以直接用空气中的氧气。2.产物尽量环保，如果能循环利用就更好，根据元素守恒，反应物中最好不要有硫、氮等燃烧后产生污染气体的元素，或者产物可以被收集再利用。3.选择放出能量多的燃烧反应，若助燃物都是空气中的氧气，则利用化学反应的比例关系比较相同质量的可燃物燃烧放出能量的多少。4.选择反应条件适宜的反应，反应条件易于达成，但是又不能过于易燃，以免不安全。5.考虑燃烧现象，尽量选择平稳燃烧、不容易爆炸的反应。再结合技术、工程方面的思考，还可以根据可燃物和助燃物配比设计燃烧反应发生区域的进料装置，根据反应条件设计点火装置，根据对燃烧产物的循环利用设计产物回收装置等。发挥大概念的统领作用，让学生形成认识化学反应的思路与方法，使其真正体会到研究化学变化、调控化学反应的价值和参与探究活动、形成创新成果的快乐。三、明确大概念发展路径，进行单元整体规划大概念不是具体知识，记住新课标中提炼的大概念的语句并不意味着形成了大概念，只有在不同情境下，面对与主题相关的问题，都能自觉运用大概念分析解决问题、提出合理观点，实现大概念的功能价值，才意味着大概念的形成。大概念的形成需要一定的学习周期，需要新课标五维内容要素共同发展，因此，教师要整体规划主题学习内容，将大概念发展与核心知识和思路方法的学习目标、学生解决主题相关问题的行为表现目标建立关联，形成有序推进、持续进阶的发展系统。以“物质的化学变化”主题为例，学生应该能够关注物质的变化、认识化学变化特征、理解化学变化本质、从定量角度研究化学变化中的物质关系等，才能表明形成了对“物质的变化与转化”大概念的认识。结合该主题内容，教师可以构建基于大概念发展线索的单元整体规划。下面是以燃烧相关问题的分析和解决为能力发展目标的教学规划示例。发展阶段一：关注物质的变化在进入化学课程前，学生几乎不能从物理变化、化学变化的角度看待身边的各种现象，没有形成看待物质变化的稳定的观念，所以，本单元化学课程的起始阶段是建立化学变化主题的大概念，让学生形成初步的物质变化观。这一阶段教师需引导学生观察身边各种各样的变化，发现变化无处不在，认识燃烧也是一种变化，并伴随很多现象。发展阶段二：认识化学变化特征各种燃烧现象是帮助学生认识物理变化和化学变化的有效素材，例如，物质燃烧后变为灰烬、黑烟、气体等是化学变化产生新物质的判断依据；蜡烛燃烧后部分蜡烛受热变形，变形后的蜡烛依然可以使用又是物理变化的典型示例。对燃烧及其他常见化学变化的观察分析可以帮助学生初步建立认识化学反应的几个角度：反应物→生成物的物质变化视角，化学变化伴随能量变化的视角，从沉淀、气体、颜色变化、发光、放热等各种现象推测化学反应发生的视角。发展阶段三：认识化学反应是一个系统，需要反应条件在观察各种燃烧现象时，学生对“化学反应需要一定的反应条件”是有直观感受的。学生可从已有经验出发，通过控制变量的实验探究过程确认可燃物、氧气、达到着火点是燃烧发生的三个条件。在已经认识了化学反应的基本特征、具备了认识化学反应的初步思路的基础上，学生对燃烧条件的认识就不能仅停留在经验概括层面，而应学会运用对物质变化的认识建立化学反应认识模型（图2），运用认识模型理解燃烧的三个条件以及其他化学反应条件，调控化学反应的发生。发展阶段四：理解化学变化本质通过对燃烧及其他简单化学反应的学习，从反应物、生成物的名称，结合化学式的书写，学生可以感受反应物和生成物之间存在相同的要素，反应物向生成物转化是元素在物质中的传递，从而形成朴素的元素观。随着对元素、物质的组成等内容的学习，学生能进一步明确物质转化遵循元素守恒的定理，理解化学反应前后原子的种类数量不变，认识化学变化的本质。基于此，学生可以从化学反应的反应物预估生成物，也可以根据生成物推测反应物，还可以根据需要的生成物初步设计可能的化学反应。比如，含有硫元素、氮元素的可燃物不宜作为大规模使用的民用燃料，以免带来空气污染；若需要燃烧过程实现低碳，可以减少含碳元素燃料的使用，或者将燃烧生成的二氧化碳等含碳物质转化为其他物质。发展阶段五：理解化学反应中各物质间存在定量关系化学反应中存在两类定量关系，一类是反应物质量总和与生成物质量总和相等的质量关系，另一类是化学反应各物质间的比例关系。化学反应存在质量关系的原因是化学反应前后原子种类、个数不变，存在比例关系的原因是各种原子按照一定比例关系构成各物质。发展学生对化学反应的定量认识可以帮助其更精准地利用和调控化学反应，计算产量或原料用量，在燃烧反应中根据物质间的比例关系以及物质和释放能量的比例关系推算可燃物和助燃剂的用量关系，计算一定燃料燃烧可以获得多少能量等。发展阶段六：形成变化观，在真实问题解决中系统、多角度分析化学变化，调控化学反应通过该单元的学习，学生应具有化学变化观，不仅能全面地、定性-定量地分析燃烧相关的各种问题，还能敏锐地从任务情境中发现陌生化学变化，并在“物质的变化与转化”大概念统领下，利用化学反应系统分析、定性-定量分析等方法解决问题。教师在进行上述以大概念发展为主线索的单元整体规划时，可考虑选择一个实践主题作为主情境素材驱动学生学习。例如，研究家用燃料的变迁，可以通过“远古时期人们可以通过哪些方法获得能量？”“为什么煤、石油、天然气是常见的燃料？”“为什么不同燃料需要不同的灶具，不断改进的灶具优化了什么？”“选择哪种燃料更划算？”“未来燃料和灶具什么样？”等一系列问题提升学生知识方法的运用能力。上述内容也可以分为几个阶段和物质的性质与应用、物质的组成与结构等教学内容穿插完成，为“物质的变化与转化”大概念的发展提供更多知识支持，发挥大概念功能价值。四、指向大概念发展，设计问题线索和课堂学习活动课堂教学是落实课程内容、发展学生核心素养的重要场域。课堂教学中，教师“教”的本质是为了学生“学”的发生。教师可以通过设计学习活动引导学生学习，完成相应的学习目标。大概念的发展也需要通过学习活动实现，教师应设计指向大概念发展的驱动性问题或任务，开展相应的课堂学习活动。大概念具有概括性、统摄性和迁移应用价值，从学生学习需求的角度看，指向大概念发展的学习活动大概有四种类型：一是在新情境背景下反思，发现已有观念不足以指导完成该类问题，产生建立大概念的需求；二是通过对具体知识的概括总结，形成大概念，这是大概念建构的必经过程，通过这类学习活动，学生逐步建构主题大概念，使大概念的内涵得到发展，体现学科观念素养的发展；三是根据大概念内涵，结合思路方法，探索发现新的知识，这是大概念统摄作用的体现，也是对大概念的进一步强化；四是应用大概念解决真实问题，这是大概念迁移应用价值的重要体现。以2012年人教版九年级化学教材中“燃烧和灭火”相关内容的教学为例，教师以“酒精灯的研究”为主要素材向学生提出指向“物质的变化与转化”大概念发展的驱动性问题，设计学习活动，意图通过学习活动，实现对大概念的建构、巩固、发展、诊断。在本课教学前，学生已经完成“我们周围的空气”“碳和碳的氧化物”“物质构成的奥秘”“化学方程式”等内容的学习，对化学变化有了很多经验，但对“物质的变化与转化”大概念的意识和运用能力仍旧不足。本次教学意图借助“燃烧和灭火”这一化学变化的重要素材，帮助学生构建基于“物质的变化与转化”大概念的视角分析解决化学变化相关问题的系统思维。上课开始时，教师演示了“魔棒点灯”（用蘸取高锰酸钾和浓硫酸混合物的玻璃棒点燃酒精灯），提出问题：“神奇的魔棒点燃了酒精灯，燃烧是如何发生的，需要哪些条件呢？”并指导学生通过实验探究确定了燃烧的三个条件：可燃物、氧气、达到着火点。同时，解释“魔棒点灯”的原理是“魔棒”上的物质发生了化学变化，放热和产生氧气（此处也是为后续从能量变化、物质变化角度认识化学反应做隐性铺垫）。接着，教师引导学生进一步探讨酒精灯的燃烧问题。问题1：点燃酒精灯时到底发生了什么？教师引导学生进行小组讨论，经过讨论，所有小组都能提出酒精在灯芯的帮助下挥发出来，与空气中的氧气接触，遇到燃烧的火柴等高温物时就燃烧起来，即用燃烧条件的三要素进行分析。也有小组提出，酒精燃烧产生了二氧化碳。此时教师继续追问：“为什么会想到产生二氧化碳？当我们关注到酒精燃烧生成二氧化碳的时候，我们实际上是从什么角度看酒精的燃烧的？”学生总结出自己是从物质变化或化学变化的角度看酒精的燃烧的。教师进一步补充证据：酒精的化学式为，用什么证据可以证明发生了化学变化？学生设计实验检验酒精燃烧后的产物是二氧化碳和水，教师用二氧化碳传感器、空气湿度传感器实验证明酒精燃烧后的产物是二氧化碳和水（图3）。教师再次提问：“从燃烧的三个条件角度分析燃烧和从化学变化角度分析燃烧有什么区别和联系呢？”部分学生只能分析出燃烧的三个条件是告诉我们怎么操作，而化学变化说的是燃烧的本质。也有学生发现化学变化与燃烧的条件是一致的，可燃物和氧气就是化学变化中的反应物，达到着火点就是反应条件。学生还发现，从化学变化的角度看燃烧会得到更多信息，可以根据可燃物推测生成物（教师板书呈现了燃烧条件和化学反应间的关系）。问题2：酒精灯是实验室的主要热源，生活中还有很多燃烧现象，为什么不能作为实验室热源使用？都是化学变化，这些燃烧到底有什么不一样？经过激烈的小组讨论后，学生提出了系列观点：燃烧的反应物不同，引起燃烧的温度不同；燃烧反应的产物不同，燃烧放出的能量不同；有的燃烧没有火焰（学生举例木炭和铁丝燃烧）……据此，教师将学生从物质的变化（反应物、生成物）、能量变化、反应条件、反应现象几个角度分析的燃烧反应，以及利用元素守恒推测不同燃料燃烧后的产物，概括为“认识一般化学反应的角度”，让学生认识到这些角度可以帮助他们比较、选择化学反应，甚至是调控、设计化学反应（教师边讲述边将这些角度补充在板书上，形成化学反应的系统认识模型）。此后，教师进一步启发学生：“我们知道化学反应中存在定量关系，大家认为从定量角度认识化学反应有意义吗？从定量角度认识燃烧反应有价值吗？”学生从反应物与生成物的质量关系、燃料和氧气的质量关系、燃料或生成物质量与释放能量多少的关系等多方面论证定量认识化学反应有意义。教师把定量角度补充在板书上，如图4所示。问题3：酒精灯被广泛使用，说明人们对热源有需求。但是咱们有很多同学不愿意使用酒精灯。酒精灯到底存在什么问题？我们可以从哪些方面优化它呢？

为解决这一真实问题，学生以小组为单位展开讨论，由一个小组主汇报，其他小组进行补充。在小组讨论过程中，学生先从直观感受入手，比如点火可能烫手，酒精流出会引发火灾等；随着讨论的深入，学生开始寻找更系统的方式——用化学反应认识模型，寻找改进角度。通过现场归类，学生提出的改进方法可以概括为以下几种：从反应物角度看：用固