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学科大概念统领下发展模型认知的单元教学实践

摘要：?以学科大概念为统领，以“水处理过程的化学”为例开展主题教学，整体考虑水的净化、硬水软化、含铬污水处理3个情境任务，引导学生自主建构并应用拓展“水处理”认知模型，促进学科知识结构化，发展解决问题的能力，提升化学学科核心素养。

关键词：?学科大概念；认知模型；物质的分离与转化；水处理；单元教学

1?问题的提出

《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》［1］（以下简称“课标”）主张“素养为本”的化学教学，倡导“真实问题情境的创设，重视教学内容的结构化设计”“通过分析、推理等方法认识研究对象的本质特征、构成要素及其相互关系，建立认知模型，并能运用模型解释化学现象，揭示现象的本质和规律”。知识关联，认识思路、核心观念的结构化是实现学科知识向学科核心素养转化的关键。教学中需要选择合适的主题情境，以学科大概念为统领，实现知识结构化，注重思维方法建构，切实提高解决实际问题的能力［2，3］。

水处理的过程包含水的净化、硬水软化、污水处理等任务，其核心在于利用混合物中组分的性质及其差异进行物质的分离与转化，这是中学化学学习的重要内容，对于发展学生综合运用化学知识分析解决问题，发展学生化学学科核心素养具有重要作用。现各版本高中化学教材没有集中编排“水处理”的内容，暂未见中学教学中对水的净化、硬水软化、污水处理等几个任务整合的文献。

本文针对高二学生设计“水处理过程的化学”主题学习，以“物质的分离与转化”学科大概念为统领，建构并应用认知模型，形成解决此类问题的一般思路。

2?学科大概念统领下的单元知识分析与认知模型

2.1?单元知识结构分析

利用物质的性质及反应进行物质的分离、转化是中学化学学习的重要内容。高中化学必修课程［4］要求：“能根据物质性质的差异选择物质分离的实验方法”，了解通过化学反应可以实现物质转化，认识物质及其转化的重要价值。高中化学选择性必修1课程［5］强调，“选取典型案例，能从限度、平衡等角度对化学反应和化学工业生产条件进行综合分析”，了解水溶液中的离子反应及平衡在物质分离、转化中的应用，认识化学反应的调控在生产、生活和科学研究中的重要作用。

就“水处理过程”相关学科知识而言，自然界中的水、工业生产排放的废水属于混合物，为满足生活和生产需要，人们需要根据水质的不同进行分离、转化等处理，以达到净化、安全和可持续利用的目的。尽管水的净化、硬水软化和含铬污水处理等“水处理过程”各有其独特的原理和技术，但它们都蕴含共同的道理，即根据混合物中组分性质的差异选择合适的方法和程序来进行物质的分离、转化和提纯。也就是说，解决这类问题需要关注两类关键知识：概念原理与方法程序［6］。因此，“水处理”过程的关键是要考虑依据什么原理、采用什么方法和程序来分离除去水中的杂质，其分离的路径大致有以下情形：一是利用物理性质差异直接分离，如利用过滤的方法进行分离，除去水中的不溶物；二是依据化学性质差异通过反应将其转化为可直接分离的状态再进行分离，或利用化学方法将杂质转化成符合要求的成分，以达到去除和净化的目的，如加沉淀剂使杂质转化成沉淀后再利用过滤来分离，或加消毒剂进行杀菌消毒等。

基于上述分析，在学习人教版选择性必修1化学反应原理后设置“水处理过程的化学”主题单元，学科大概念统领下的知识结构如图1所示。学生认识进阶侧重于：综合运用学科知识，根据物质的性质与反应，选择合适的试剂，利用化学方法将杂质转化为易于除去的物质进行分离，以达到净化、除杂的目的，即能从水溶液中离子反应与平衡的角度、运用化学实验的核心思路，融合多学科知识思考问题，发展学生从离子、平衡、能量、调控等角度认识溶液中物质的性质和反应，形成分析“水处理”这类问题的方法策略并能应用于解决实际问题。

2.2?认知模型

实际工业生产中，“水处理”这类问题都是通过一系列的处理步骤和方法来完成的，其综合性较强，比较复杂。基于图1所示结构化知识构建“基于物质分离与转化的水处理认知模型”（见图2）：首先，明确研究对象和分离除杂的目的和要求；其次，分析混合物的组分及其性质差异；再次，按照“易分”“除尽”“环保”“最优”的基本原则，选择方法和选用试剂。对于难溶等易分离杂质可直接过滤或吸附分离，对于不易分离的杂质选用化学方法将其转化为易于除去或无毒害物质等来实现分离和除杂，过程中要结合化学反应原理等知识考虑试剂的选择、用量、顺序、使用条件等，从速率、限度的角度调控化学反应，从能量等角度综合分析，最终获得目标产物。

3?“水处理过程的化学”单元教学目标与教学流程

3.1?单元教学目标

（1）通過对水的净化工艺流程的分析，初步建构混合物（待净化的水）分离与转化的认知模型，能应用于硬水软化、含铬废水处理等实际问题的分析，完善混合物分离与