素养导向的初中化学大概念教学实践研究——以《物质组成的表示》为例

《义务教育化学课程标准（2022年版2025年修订）》构建了大概念统领的化学课程内容体系。以发展学生核心素养为导向，王磊教授在新课标解读时提出了由大概念统领的BCMAP多维课程内容，包括大概念（B）、核心知识（C）、基本思路与方法（M）、重要态度（A）及主要实践活动（P）。本课题以人教版九年级上册第四单元课题3《物质组成的表示》为例，进行BCMAP多维内容的大概念教学设计，以促进化学知识、认识思路及化学观念的结构化。

（一）课题整体概述

本课题以“物质组成的表示”为大概念，统领化学式、化合价、物质组成的简单计算等核心知识，引入“宏观-微观-符号”三重表征的认识方式和定性、定量的认识视角，形成对物质组成表示的整体性与结构化认识，建构“应用物质组成指导生产生活”的认识思路，强化化学在生产生活中关注食品、药品标签成分并进行科学决策的重要性。本课题知识关联结构见图1。

图1 《物质组成的表示》课题知识关联结构图

（二）课标分析

本课题内容属于新课标学习主题三“物质的组成与结构”的核心内容之一。在元素、原子、分子视角认识物质的基础上增加了符号视角。新课标对于本节课的内容要求和学业要求见表1，本课题BCMAP多维内容结构见图2。

表1 义务教育化学课程标准（2022年版2025年修订）》内容节选

图2 大概念统领的BCMAP多维度内容结构

（三）教材分析

教材共设置了三个课题，以水的组成为切入点展开对物质组成表示的学习。围绕化学式分别从定性和定量、宏观与微观等认识视角引导学生理解化学式的含义，构建“宏观-微观-符号”三重表征的化学思维。在编排顺序上，教材先以“水”为载体介绍了化学式及其含义，并学习化学式的书写，然后引入化合价，最后利用化学式从定量的角度分析物质的组成。本课题的重难点在于理解并应用化合价书写化学式及物质组成的简单计算。如果说化学式是建立在微观与宏观之间的符号桥梁，则化合价就是微观与符号表征之间的重要链接。

（四）学情分析

本课题内容属于概念原理类，其中“化合价”的相关内容是初中化学的教学难点，化合价的应用是初中化学教学的重点，此部分内容抽象性强，学生理解起来存在一定困难。通过课前调查，学生已具备的知识、化学核心素养水平及学习认知障碍如下：

1.已具备的知识与素养水平

（1）学科知识：通过对第三单元《物质构成的奥秘》的学习，学生初步能够用微粒的观点解释简单的宏观现象，能举例说明分子、原子、离子的区别与联系，会书写常见元素符号及物质化学式。

（2）学科核心素养：学生已初步建立了物质由微粒构成、物质性质由结构决定等化学观念；通过对原子结构的学习及水的组成的探索，知道可以通过实验、想象、推理、假说、模型等方法探索物质的结构，具备一定的制作和使用模型的能力；对物质世界充满好奇，具备一定的批判性思维。

2.学生的认知障碍

通过课前学情问卷调查发现，学生对于“价”的认识来源于生活中物品的“价值”或“价格”，对于化学中的“价”并无相关知识经验储备；化合价的本质是抽象的，学生难以理解不同原子化合时会有特定的数量关系。学生很难把“化合价”与原子个数比建立联系；抽象思维能力水平较弱。

（一）课题目标

1.通过对比分析多种“水”的表示方法，知道可以用化学式表示物质的组成，能从宏观和微观视角简述化学式的含义，形成“宏观-微观-符号”三重表征的化学思维。

2.通过探索化合价的发展史，理解化合价作为元素性质的涵义，建构化合价认知模型，能够根据化学式初步推断元素化合价，能利用化合价书写简单的化学式。

3.通过探讨“科学补钙”的社会性科学议题，以“水”为模型，了解相对分子质量的含义，并能根据化学式进行物质组成的简单计算。

4.通过完成补钙剂选择的任务，看懂食品、药品等标签或说明书上标示的物质成分和含量，在选择食品、药品时能够做出科学的决策。

（二）课时目标

基于学情及校情，本课题调整了教材内容的顺序，改为“先介绍化学式定义→引出化合价→学习化学式书写及含义→利用化学式对物质组成进行简单计算”。这种调整主要有以下几点思考：第一，化学式含义的系统认知建构难度较高，按照教材现有顺序，抽象的概念内容较为集中，学生容易产生畏难情绪。调整顺序后，先解决“化学式是什么、为什么”的问题，降低认知负荷。第二，教材中缺乏从“电子转移数量与方向→化合价数值→化学式书写”的微观与符号的关联建构，学生容易陷入符号表征的机械训练，产生将化合价“正负价态”等同于数学运算中的“正负号”的错误理解，且不利于学生高中阶段学习元素周期律、氧化还原反应等知识。第三，按照教材的顺序，学生容易把“化学式”理解为主观规定的符号，而非基于实验事实的科学表达。在“水的组成”实验基础上建构对化合价的理解，能够解决科学探究与实证思维欠缺，实验数据与化学式推导脱节的问题，帮助学生科学理解化学式的意义。教学设计上，以水为研究对象，按照3W1H的逻辑重整教材内容，具体设计见图3。

图3  《物质组成的表示》3W1H教学设计框架

（一）课题整体教学设计

本课题共三课时，通过三个核心驱动问题引导学生展开学习活动，整体思路如图4所示。

图4 《物质组成的表示》课题整体教学设计思路

（二）课题实施过程

以第一课时为例，介绍教学实施过程。本课时共五个教学环节，在AI技术的支持下，通过问题链激活学生思维，建构化合价认知模型，教学设计框架见图5。

图5 第一课时《初识化学式》教学设计框架

环节一：情境导入

以学生熟悉的“水”为研究起点，在实验探究的基础上进一步提出：“可以用哪些方法表示‘水’？哪种方法能较全面体现水的组成结构？”学生通过小组合作，罗列出文字、符号、图示等多种方式，比较得出“H₂O”最能体现水的组成结构。结合普利斯特里对世界各地水的成分分析的化学史料，介绍纯净物的固定组成特性，自然引出化学式概念，为学生建立清晰的符号表征基础。

环节二：科学论证

虽然水的化学式学生很熟悉，但对于“H₂O”的写法存在主观规定的认知偏差。为突破这一障碍，有必要在介绍化合价之前，帮助学生理解化学式表达的科学依据。这一环节，引入了CER科学论证模型，通过提出主张、证据支持、科学推理得出关于水化学式的结论，见图6。学生根据电解水实验证据推理出水分子中氢、氧原子相互结合时的个数关系。随后，展示科学家拍摄的水分子的真实结构图像，验证学生的发现，强化科学探究的真实性。

图6 “水的化学式”推理论证结构图

环节三：模型建构

本环节以化合价的发展史为线索，学生像科学家一样经历从对化合价的模糊认识，到对化合价的人为界定，最终形成现代化合价概念的完整探索过程。

首先，学生通过观察氯化钠、氯化钙、氯化氢、氯化镁等化学式，分析在结合氯原子时，不同原子的能力不尽相同，进而发现原子间的“结合力”。将这一发现对标英国化学家弗兰克兰的“结合力”观点，在搭建认知台阶的同时，鼓励学生继续深入探究。

其次，借助第三单元“离子”的学习经验，利用原子结构磁吸模型，学生小组合作模拟氯化钠的形成过程，进一步揭开“结合力”与原子结构之间的紧密联系。学生的发现与凯库勒的“亲合力单位”观点一致，至此，引出化合价概念就水到渠成了。化合价的概念是人为规定的，是为了解释原子化合时的数量关系，之所以用“化合价”一词，这里面还有一个小的科学史话：由于当时德国在化学领域有较高的话语权，因此把这种“亲合力单位”命名为了德语意义的“valence”，意为“能力、容量”，这一定义符合学生的认知理解，后来逐渐被英语引用发展成为了“化合价”一词。这样设计的目的在于破解学生无“价态”前概念的认知障碍和教学难点。

第三，在理解化合价本质的基础上，学生由一及多，分析化合价中“正负号”、数字与原子结构最外层电子之间的关系，并将这一发现迁移到氧、氟、铝等元素化合价的推测中，理解化合价具有“方向性”和“数量性”的本质特征，从化学视角解决化合价相关问题。紧接着，通过用AI动画简要演示氯化钠、氯化氢形成过程，拓展化合价含义，为高中学习打好基础。在化合价概念建立后，由学生总结化合价的特征、规律及利用化合价书写化学式方法。

本环节以化学史为线索，建构起由原子结构决定元素化合价，由化合价推求元素原子个数比并书写化学式的化合价认知模型。进一步深化对“结构决定性质”化学观念的认识。

环节四：模型应用

应用化合价认知模型解决化学式的书写问题。为了提升学习投入度，激发兴趣，提升效率，我设计了两项游戏任务，将书写化学式的方法作为游戏规则，在小组内开展化学式卡牌游戏，帮助学生熟悉并掌握化学式书写的简单“方法”，然后通过组间PK的交互网页游戏进行巩固训练。

本环节将传统的书写化学式练习设计为学生喜闻乐见的卡牌游戏和网页游戏，激发学习主动性，学生在游戏体验中深化对物质组成的学习，同时培养学生的团队协作能力与竞争意识。

环节五：作业设计

在巩固练习环节，以书写生活中食品标签里常见物质的化学式为例，对学生应用化合价书写化学式方法掌握情况进行考查，同时也为第三课时的实践活动开展奠定基础。

以书写食品标签中的常见物质化学式为巩固练习，既考查本节课重点内容的掌握情况，又为课题3即将开展的实践活动埋下伏笔。在课堂小结时，除了反思学习过程，还引导学生理解科学家在探索世界时通过建构模型、假说等方式来认识或解释问题的科学研究方法。

本节课的作业设计如下：

（一）本课题创新点

1.以第一课时为例，为了了解教学策略的有效性，除了通过课后习题得到学生反馈外，借助人工智能技术开展课后调查，结果显示，大多数学生表示出了对本课较高的认同感和获得感；学生在认知、思维、实践和参与维度得分均高于中间值，尤其是思维维度达4.31，说明教学策略具有良好效果，见图7。

图7 《初识化学式》教学效果调查结果

2.依据学情调整教学内容顺序，降低认知负荷，科学构建对化学概念的理解；以化学史料为线索，搭建化合价认知台阶，促进对化学式及化合价的理解；人工智能技术赋能教学评全过程，充分发挥DeepSeek等大语言模型的优势，提高教学的质与效。

（二）不足之处

教学过程中发现，少部分后进生在进行化合价概念建构时存在困难，分析原因，可能是在第三单元学习原子结构时留下了学习盲点，导致在学习化合价时没有学习支架，在今后的教学中要充分考虑到这部分学生的障碍，差异化设计学习任务单，以促使不同水平的学生都能基本完成学习目标。