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教学设计|鹤壁市宋新光初中化学名师工作室
2026
9/14
Carbon
“碳”索未来
——核心素养导向与AI赋能的碳及其化合物主题式学习教学设计
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第一课时 碳的“变形记”——碳单质的多样性
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鹤壁市山城区实验中学 曾晶晶
一、教学分析
1.教材分析
本课是人教版2024版九年级化学上册第六单元“碳和碳的氧化物”课题1“碳单质的多样性”的第一课时内容。第六单元是继第二单元“空气和氧气”之后，学生系统学习的第二个元素化合物知识单元，在初中化学课程中起着承上启下的重要作用。
本课题以碳单质为切入点，通过对比金刚石、石墨、C60的结构与性质差异，引导学生认识物质的多样性与微观结构的关联；同时结合生活实例介绍碳单质的用途，体现化学与生活、生产的密切联系。教材编写体现了从“宏观现象→微观结构→性质差异→实际用途”的认知逻辑，为后续学习碳的氧化物、碳的转化等内容奠定基础。
本课时内容紧密联系科技发展和学生生活，相关情境素材十分丰富。教材中涉及金刚石的切割用途、石墨的导电性与润滑性、木炭和活性炭的吸附性等，与学生的日常生活经验有较多交集，有利于激发学生的学习兴趣。
2.学情分析
已有基础：通过前面五个单元的学习，学生已建立了“物质是由元素组成的”“物质可分为纯净物和混合物”“物质的性质决定用途”等基本观念。学生已初步具备了从现象推知性质、由性质了解用途的思维能力，也接触了氧气、氢气、水等具体物质的学习。
认知发展区：学生尚未建立“物质的结构与性质之间的关系”这一观念，对“同一种元素可以组成不同单质”缺乏认识。对于金刚石和石墨“都由碳元素组成但性质差异巨大”这一事实，学生会产生强烈的认知冲突，这正是教学的切入点。
可能的困难与易错点：
对“由同种元素组成的物质不一定是单质”理解不透，易将金刚石和石墨的混合物误认为单质。
书写时“碳”与“炭”不分，对“碳”指元素、“炭”指具体物质（木炭、活性炭等）的区别不清。
从宏观现象到微观结构的跨越有一定难度，需要借助模型等直观手段突破。
3.课标依据
依据《义务教育化学课程标准（2022年版）》：
(1)大概念：物质的多样性
(2)内容要求：
认识物质是多样的，知道物质既有天然存在的也有人工创造的。
知道物质具有独特的物理性质和化学性质，同类物质在性质上具有一定的相似性。
认识依据物质的组成和性质可以对物质进行分类。
(3)学业要求：
能依据物质的组成对物质进行分类。
能举例说明物质性质的广泛应用及性质与用途的关系。
(4)教学提示：
通过实物、图片、模型等直观手段，联系学生常见的具体物质，引导学生感受物质的多样性。
结合元素、原子和分子等核心概念，引导学生进行比较、分类、概括。
二、教学目标（核心素养导向）
1.化学观念
（1）了解金刚石、石墨和C60的物理性质和主要用途，知道它们都是由碳元素组成的单质。
（2）理解碳单质物理性质存在明显差异的根本原因是碳原子的排列方式不同，初步建立“结构决定性质、性质决定用途”的化学观念。
（3）认识同一种元素可以组成不同的单质，初步感受物质的多样性。
2.科学思维
（1）能运用比较、分类、归纳等科学方法，分析金刚石、石墨、C60在性质上的异同。
（2）能从宏观与微观相结合的视角，理解碳原子排列方式不同导致物理性质差异的原因。
（3）能基于实验事实和模型观察进行证据推理，解释结构与性质的关系。
3.科学探究与实践
（1）通过观察金刚石和石墨的实物样品（或高清图片），培养观察能力和信息获取能力。
（2）通过石墨导电性实验和木炭吸附性实验，发展科学探究能力。
（3）通过AI 3D模型交互观察，培养运用现代技术手段获取和加工信息的自主学习能力。
4.科学态度与责任
（1）发展对物质世界的好奇心、想象力和探究欲，保持对化学学习的浓厚兴趣。
（2）通过对碳单质多样性的学习，认识化学学科在促进人类文明和社会可持续发展方面的重要价值。
（3）了解碳纳米管、石墨烯等新型碳材料的研究进展，感受科学探索是无止境的。
三、教学重难点
教学重点：
金刚石、石墨、C₆₀的物理性质和主要用途。
教学难点：
理解碳单质物理性质差异的原因——碳原子的排列方式不同；初步建立“结构—性质—用途”三者之间的关联模型。
四、教学准备
1.教师准备
（1）常规教学准备：
多媒体课件（含金刚石、石墨、C60的图片和结构模型）。
实验器材：玻璃刀、玻璃片、小刀、铅笔芯、干电池、导线、小灯泡、锥形瓶、木炭（或活性炭）、红墨水、水等。
教学PPT及相关视频资料。
（2）AI赋能教学准备：
用AI工具（如DeepSeek等）生成金刚石、石墨的3D可交互结构模型（学生可在平板上旋转、缩放观察碳原子排列方式）。
创建AI智能体“碳博士”，预设关于碳单质多样性的问答库（包括金刚石为什么最硬、石墨为什么能导电、C60的分子结构特点等常见问题）。
用AI生成“碳元素的一天”数字人趣味讲解视频，介绍碳元素在自然界中的存在形式。
用AI生成碳纳米管、石墨烯等新型碳材料的前沿应用短视频（2～3分钟）。
2.学生准备
（1）课前探究任务：
用AI工具搜索“金刚石和石墨的用途”，整理成2分钟的分享报告（可从饰品、工业切割、电极、铅笔芯、润滑剂等方面搜集）。
观看教师推送的AI生成“碳原子排列方式”3D动画微课，初步感知碳原子不同的排列方式。
（2）课堂学习用品：
平板电脑（或手机），用于查看AI 3D模型和与AI智能体对话。
导学案（含对比表格、思考问题等）。
五、教学过程（45分钟）
环节一 情境导入——碳元素的“神奇变身”（5分钟）
教学步骤
教师活动
学生活动
AI赋能
核心素养
1.1 播放视频
播放AI生成的“碳元素的一天”数字人趣味讲解视频。数字人用拟人化的口吻介绍：“大家好，我是碳元素！我无处不在——铅笔里有我，钻石里有我，就连你呼出的二氧化碳里也有我。但奇怪的是，同样是‘我’，为什么有的身价百万，有的却默默无闻呢？”
观看视频，记录疑问
AI数字人趣味讲解
激发好奇
1.2 提出问题
视频播放结束后，展示钻石和铅笔芯的实物（或高清图片），发布驱动问题：“同样是碳元素组成的物质，为什么钻石璀璨夺目、价值连城，而铅笔芯却灰黑柔软、价格低廉？它们之间到底有什么‘秘密’？”
思考问题，自由发言，分享初步猜想
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引发认知冲突
1.3 揭示课题
板书课题：“碳的‘变形记’——碳单质的多样性”。简要说明：今天我们将一起揭开碳元素的“变身”之谜。
记录课题
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明确学习目标
设计意图：通过AI数字人创设生动有趣的情境，以“同种元素组成性质差异巨大的不同物质”制造认知冲突，激发学生的探究欲望。问题驱动式导入让学生在“愤悱”状态下进入新课学习。
环节二 自主探究——认识碳家族的“三兄弟”（12分钟）
教学步骤
教师活动
学生活动
AI赋能
核心素养
2.1 观察样品
组织学生分组观察金刚石模型（或高清图片）、石墨样品、C60分子模型。引导学生从颜色、光泽、形状等方面进行观察描述。
分组观察，记录观察结果
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观察能力
2.2 演示实验（金刚石）
用玻璃刀现场演示切割玻璃（注意做好安全防护），引导学生观察现象并推测金刚石的性质。总结：金刚石是天然存在的最硬的物质。
观察实验现象，推测金刚石的硬度
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证据推理
2.3 分组实验（石墨）
①指导学生用小刀削铅笔芯，触摸粉末感受滑腻感；②指导学生用铅笔芯、干电池、导线和小灯泡连接电路，验证石墨的导电性。
动手操作，记录实验现象，得出结论
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科学探究
2.4 AI 3D模型观察
引导学生用平板打开AI生成的3D可交互结构模型，分别观察金刚石（空间网状结构）和石墨（层状结构）的碳原子排列方式，自由旋转、缩放。
操作3D模型，观察并记录两种结构中碳原子排列的差异
AI 3D模型交互观察
化学观念（宏观—微观联系）
2.5 C60介绍
展示C60的分子结构模型（足球状），简要介绍其发现和分子构成。
观察C60模型，了解其独特结构
拓展视野
设计意图：通过实物观察、动手实验和AI 3D模型交互，让学生从宏观和微观两个层面认识碳单质，将抽象的结构概念可视化。学生在“做中学”中建立感性认识，为后续理性分析奠定基础。
环节三 AI协同探究——揭秘性质差异的“微观密码”（10分钟）
教学步骤
教师活动
学生活动
AI赋能
核心素养
3.1 小组讨论
提出核心问题：“金刚石和石墨都由碳原子构成，为什么硬度差异如此巨大？请结合刚才观察的3D模型，小组讨论分析原因。”
小组讨论，结合3D模型分析原因
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合作交流
3.2 AI智能体对话
引导学生向AI智能体“碳博士”提问验证自己的猜想。示范提问：“碳博士，为什么金刚石是自然界最硬的物质？”要求学生记录AI的回答。
小组代表向AI智能体提问，记录AI的回答内容
AI智能体苏格拉底式追问
科学思维
3.3 批判性分析
追问学生：“AI的回答有道理吗？证据是什么？你同意AI的分析吗？有没有不同意见？”
批判性审视AI的回答，结合模型观察进行验证和反驳
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批判质疑
3.4 归纳总结
引导学生得出结论：金刚石中碳原子呈空间网状结构，结构紧密，因此硬度极大；石墨中碳原子呈层状结构，层间作用力弱，因此质软、可润滑。
记录结论，理解“结构决定性质”
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化学观念
3.5 追问拓展
追问：“石墨能导电而金刚石不导电，原因又是什么？”引导学生继续用AI验证。
继续与AI对话探究
AI智能体即时答疑
科学思维
设计意图：AI智能体充当“可质疑的学习伙伴”，学生先自主思考讨论，再与AI对话验证，最后批判性审视AI的回答——这个过程培养学生“不盲从权威”的科学精神。苏格拉底式追问引导学生深度思考，而非直接获取答案。
环节四 合作建构——绘制“结构—性质—用途”关系图（10分钟）
教学步骤
教师活动
学生活动
AI赋能
核心素养
4.1 填写对比表格
要求学生小组合作完成金刚石、石墨、C60的对比表格（包含结构特点、物理性质、主要用途）。
小组合作填写表格
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比较归纳
4.2 建构关系模型
引导学生总结：“结构（微观）→ 性质（宏观）→ 用途（应用）” 三者之间的关系。板书核心模型。
在导学案上绘制“结构—性质—用途”关系箭头图
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化学观念
4.3 小组展示
组织2～3个小组展示完成的对比表格和关系图，引导其他小组补充和质疑
展示成果，互评补充
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表达交流
设计意图：通过填写表格和绘制关系图，将零散的知识结构化。AI辅助绘图降低绘图门槛，让学生将更多精力放在理解结构—性质—用途的逻辑关系上。
环节五 拓展升华——碳材料的“未来之路”（8分钟）
教学步骤
教师活动
学生活动
AI赋能
核心素养
5.1 拓展视频
播放“碳纳米管、石墨烯”前沿应用短视频（2～3分钟），展示这些新型碳材料在材料科学、信息技术等领域的应用前景。
观看视频，感受科技前沿
态度责任
5.2 畅想未来
提问：“如果让你用碳材料设计一种未来产品，你会设计什么？依据是什么？”
自由畅想，分享创意
创新意识
5.3 总结升华
总结本课核心：“碳元素的‘变形’奥秘在于——同样的原子，不同的排列，造就了不同的性质，决定了不同的用途。结构决定性质，性质决定用途——这是化学的核心理念之一。”
齐读核心观念，内化理解
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化学观念
5.4
检测反馈：1.下列有关碳单质性质与用途的对应关系，不正确的是（ ）
A. 金刚石硬度大——裁割玻璃
B. 石墨有导电性——制作电极
C. 活性炭有吸附性——去除异味
D. 木炭具有可燃性——制作导电材料
2.科学家成功地将石墨转化为金刚石，这一变化属于 ______（填“物理”或“化学”）变化。该过程成功实现，从微观角度证明了金刚石和石墨都是由 ______（填具体微粒名称）构成的，但它们的 _____________ 不同，从而导致物理性质存在巨大差异。
知识内化
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5.5 布置作业
布置课后作业（见第七部分）
记录作业
六、板书设计
第一课时 碳的“变形记”——碳单质的多样性
一、碳家族的“三兄弟”
二、核心观念
三、本质原因：碳原子排列方式不同
七、作业设计
1.基础性作业（必做）
（1）完成导学案中的对比表格和“结构—性质—用途”关系图。
（2）判断下列说法是否正确，并说明理由：
①金刚石和石墨都是由碳元素组成的，所以它们是同一种物质。
②石墨能导电，所以可以用来制作干电池的电极。
③由同种元素组成的物质一定是单质。
（3）用简洁的语言解释：为什么金刚石和石墨的物理性质差异巨大？
2.实践性作业（选做）
“碳家族求职记”创意任务：
金刚石、石墨和C60打算去“碳材料公司”求职。请你为其中一种碳单质撰写一份“求职简历”，内容包括：
姓名（碳单质名称）
外貌特征（物理性质）
核心技能（主要用途）
自我评价（从结构角度说明自己为什么适合这份工作）
形式不限：可以是文字版、手抄报或PPT（可用AI辅助制作）
3.拓展性作业（挑战）
用AI工具继续向“碳博士”提问：“除了金刚石、石墨和C60，还有哪些由碳元素组成的单质？它们有什么神奇用途？”将探究结果整理成100字左右的科学笔记，下节课分享。
八、教学反思
1.教学效果预判
（1）情境导入效果：AI数字人“碳元素的一天”创设了生动有趣的情境，预计能有效激发学生的好奇心和探究欲。“同样是碳，差别为什么这么大”的认知冲突问题，能够迅速将学生带入学习状态。
（2）AI 3D模型的使用效果：学生可以自由旋转、缩放观察金刚石的空间网状结构和石墨的层状结构。与静态图片相比，3D交互模型能更直观地展示原子排列的立体特征，预计能有效突破“微观结构决定宏观性质”这一教学难点。
（3）AI智能体对话的效果：AI“碳博士”作为可质疑的学习伙伴，学生先自主思考、再与AI对话验证、最后批判性审视AI回答——这个设计预计能培养学生“不盲从权威”的科学精神。
（4）可能遇到的问题及对策：
平板设备数量不足：可安排2～3人共用一台，轮流操作3D模型。
AI回答可能不准确：教师应提前测试AI智能体的问答库，确保回答的科学性；同时引导学生批判性审视。
课堂时间把控：各环节时间需严格控制，AI对话环节可提前预设好问题模板。
2.教学改进方向
（1）强化“宏观—微观—符号”三重表征：本课时侧重宏观现象与微观结构的联系，后续课时可逐步引导学生用化学用语（化学式、结构式等）进行符号表征。
（2）增加学生动手建模的机会：可考虑让学生用橡皮泥或球棍模型动手搭建碳原子排列模型，实现“具身认知—数字验证”的闭环学习。
（3）关注“碳”与“炭”的区分：学生在书写时容易混淆，后续教学中应多次强调：“碳”指元素（如二氧化碳、碳酸钙），“炭”指具体物质（如木炭、活性炭）。
（4）深化跨学科融合：后续可结合物理学科（石墨的导电性原理）、美术学科（铅笔芯的艺术用途）等，进一步拓展跨学科实践活动的深度和广度。
3.核心素养达成情况预评估
核心素养维度
预期达成表现
评估方式
化学观念
能说出碳单质性质差异的原因是原子排列方式不同，能初步运用“结构—性质—用途”模型分析问题
课堂提问、对比表格
科学思维
能比较三种碳单质的异同，能基于模型观察进行推理
小组讨论、AI对话记录
科学探究与实践
能完成石墨导电性实验和木炭吸附性实验，能操作AI 3D模型
实验操作观察
态度责任
能举例说明碳单质在生活中的应用，对新型碳材料表现出兴趣
课堂发言、拓展作业
九、附录：
AI赋能教学操作指南
1.AI 3D模型模型使用说明
工具推荐：可使用DeepSeek等AI工具生成基于HTML的3D交互分子模型。
操作方式：学生在平板上用手指拖拽即可旋转模型、双指缩放观察细节。
观察重点：金刚石中每个碳原子与周围4个碳原子连接（空间网状）；石墨中碳原子呈六边形层状排列，层与层之间作用力弱。
2.AI智能体“碳博士”对话指南
预设问题库：
“碳博士，为什么金刚石是自然界最硬的物质？”
“碳博士，石墨为什么能导电？”
“碳博士，C60的分子结构有什么特别之处？”
“碳博士，金刚石和石墨可以相互转化吗？”
使用建议：先让学生自主讨论猜想，再向AI提问验证，最后批判性分析AI的回答。
3.AI生成内容的使用原则
AI生成的教学资源（数字人视频、3D模型、拓展视频等）应提前审核，确保科学性。
AI是辅助工具而非替代品，不能完全替代真实实验和师生互动。
引导学生批判性使用AI信息，培养“不盲从、敢质疑”的科学精神。
“碳”索未来，
科技创造美好生活
【END】
文案丨鹤壁市宋新光初中化学名师工作室
图片丨教学设计
鹤壁市山城区实验中学 曾晶晶
说明丨
1.该课来自于鹤壁市宋新光名师工作室优秀教案展示；
2.本节教学设计作者为鹤壁市山城区实验中学曾晶晶老师；
3.欢迎各位初中化学同行借鉴、评议或研讨。
