基于大概念统领下促进核心素养提升的项目式教学设计——以“化学反应能量转化及应用”复习课为例

基于大概念统领下促进核心素养提升的项目式教学设计
——以“化学反应能量转化及应用”复习课为例
一、教学分析
1．教学内容分析
本节教材利用火箭推进剂这一主要情境素材，以神舟十四号航天员太空之旅为题，围绕着化学反应中能量转化的具体形式—化学能与热能等其他形式能量的转化为核心概念，在宏观和微观两个层面上，分析化学反应中能量变化的实质—旧化学键的断裂和新化学键的形成存在的能量差异，反应物总焓和生成物总焓之差。通过具体化学反应的热效应，介绍定量表示化学反应热量变化的具体形式—热化学方程式的书写。其次，从“化学反应为何会伴随能量的变化”这一问题引出内能变化和焓变、热和功的相关概念，使学生能够了解反应热效应的根源是内能的变化，并且能量是守恒的，只是转化成了不同的能量形式，并深入了解热力学第一定律、热力学第二定律的基本观点和具体应用，初步形成热化学的基本知识和能力框架，强化“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”、“科学态度与社会责任”等化学学科核心素养的发展，丰富对化学反应能量转化的认识，能分析和评价生活生产实际中的能量转化现象，并能从能源利用率、环境保护、可持续发展等角度综合考虑和优化选择。
2. 学生情况分析
通过高中化学必修第一册和选择性必修1有关化学反应热效应的学习，学生理解了化学反应热效应的有关概念，掌握了热化学方程式的书写和有关燃烧热和盖斯定律的计算。具备了有关化学反应热效应的计算、分析和归纳等能力。但缺少从真实情境中如何选择物质、评价化学反应的思路；缺少从能量视角研究化学反应的思路。在所学知识的基础上，从化学反应规律出发，引导学生用化学反应热效应原理探秘火箭推进剂，根据热化学方程式，以及与盖斯定律相结合的反应热计算，分析化学反应，形成合理选择和利用化学反应的思路。帮助学生在化学层面上找到分析问题和解决问题的方法，建立认识化学反应的能量视角，完善物质变化观念，培养学生从生活中学习化学的意识，提高学生的探究能力、动手能力以及合作能力。
二、教学设计
1. 教学目标
（1）能辨识化学反应中的能量转化形式，能解释化学反应中能量变化的本质。
（2）能明确化学反应能量变化的根源是内能的变化，能指出焓变与等压反应热的关系。
（3）能明确热化学方程式的含义，能用热化学方程式表示反应中的能量变化。
（4）能设计简单路径，利用盖斯定律计算化学反应的焓变。
（5）能综合运用能量守恒与转化、物质变化等角度合理选择和利用化学反应解决实际问题。
2. 教学流程
本节课围绕“化学反应能量转化与应用”的核心概念，整体设计遵循学生认知发展规律。秉承“知识问题化、问题情境化”的设计理念，设计多维度的教学线索关系网。从“情境线”到“问题线”，从“视频资料线”到“知识能力线”，最后再归结到“学科素养线”，既考虑到知识的整体性，又注重核心素养的落实，以增强学生的实践感和参与感，让学生体会化学反应在实际生活中的应用价值和自主学习的获得感。
教学环节 任务线 情境线 问题线 知识线 活动线 设计意图 (学生能力发展)
教师活动 学生活动
辨识化学反应中的能量转化 任务一： 化学反应能量的转化形式与本质 [复习回顾] 问题1．化学反应中的能量转化形式有哪些？ 问题2．化学反应中能量变化的本质是什么？ 化学反应能量转化形式多样 旧键断新键成是化学反应能量变化的本质原因 2022年，中国航天 事业取得了很大成 就，中国天宫空间 站基本构型建立。 神舟十四号宇航员 在轨生活长达6个 月，引起了人们的 广泛关注。 思考讨论，回 答问题1：化学能、热能、机械能、电能、光能等。 回答问题2：旧键断吸收的能量和新键成释放的能量存在差异。 化学反应能量 变化的实际应 用。 科学精神与社 会责任的学科 素养。
视频1： “万户 飞天” 视频2： “火箭升空” 观看两段视频，分 小组讨论并完成下 列表格。 火箭升空的原理是气体反作用力。 播放视频1和2。 活动Ⅰ： 分组讨论，得 出结论： 起飞原理是高 温气体的反作 用力。 化学能转化为 热能和做功。 分析问题和团 队协作能力。 证据推理和模 型认知的学科 素养。
液氢液氧是最高效的液体火箭推进剂。 例题1． 有关化学键的键能数值如下：写出H2(g)和O2(g)燃烧生成H2O(g)的热化学方程式。 利用键能计算焓变。 投屏例题1. 思考：请借助相关数据说明上述反应是放热反应的本质原因。 完成例题1，思考反应放热和键能的关系。 宏观辨识与微观探析学科素养。
无 【复习回顾】 问题 1. 书写热化学方程式的注意事项有哪些？ 问题 2. 可以利用哪些物理量计算化学反应的焓变？ 规范书写热化学方程式的注意事项及焓变计算方法。 投屏复习回顾，引导学生回顾思考。 思考讨论，概括回答： 1.物质的聚集状态、△H 的正负、单位、△H 的数值与计量数对应等 2.焓、反应热、键能、相对能量等 明确热化学方 程式书写的注 意事项和判断 正误方法。 了解焓变计算 的一般方法。 变化观念与平 衡思想的学科 素养。
热化学方程式，焓变的简单计算 任务二：热化学方程式的书写及焓变的计算 偏二甲肼和四氧化二氮是常用的液体火箭推进剂组合 例题2． （1）已知C2H8N2(l)的热值为4.25×107 J·kg－1，写出表示偏二甲肼摩尔燃烧焓的热化学方程式。 摩尔燃烧焓的热化学方程式书写。 投屏例题2. 引导学生提取并分析陌生信息。 引导学生形成盖斯定律答题模板。 完成例题2. 明确摩尔燃烧焓的定义，反应热和焓变的关系。 提取分析信息的能力。证据推理与模型认知的学科素养。
神舟十四号发射视频 感受火箭发射时的能量变化和现象。 播放视频 感受火箭升空的激动和自豪，体会推进剂点火时的能量变化。 爱国情怀、热爱科学的思想培养。 科学态度与社会责任的学科素养。
肼常用作载人飞船姿态发动机的燃料。 例题3.已知200℃时，肼可能发生以下反应： 反应②的能量变化过程如图1所示。 （1）根据题意，计算反应②的焓变ΔH2＝____ kJ·mol-1 （2）200℃时，写出肼分解生成氮气和氢气的热化学方程式。 利用相对能量图判断焓变。 投屏例题3.引导学生学会看图并获取有用的信息。 完成例题3. 分析图表、获取并分析信息的能力。 变化观念与平 衡思想的学科 素养。
合理选择和利用化学反应 任务三： 合理选择和利用化学反应的能量 问题 1： 已知200℃时，肼可能发生以下反应： ① 3N2H4(g)＝N2(g)+4NH3(g) ΔH1=－32.9 kJ·mol-1 ② N2H4(g)= N2(g)+2H2(g)　 ΔH2=＋50.7 kJ·mol-1 请根据能量变化，选择更合适的姿态发动机推进剂原理并说明理由。 从能量变化的角度分析化学反应。 投屏问题1 思考讨论回答问题1. 选择反应①。 因ΔH1＜0，反应放热，产生的气体能量更高，推力更大。 能运用能量守恒思想解决实际问题。 分析和解决问题的能力。 变化观念与平 衡思想的学科 素养。
观看视频，了解中国空间站的环控生保系统。 问题2．电解制氧过程中涉及哪些形式能量的转化？ 能量转化形式的分析判断。 投屏问题2 思考回答问题2. 光能（太阳能）、电能、化学能 明确电解过程能量的转化形式，了解空间站中能量的转化情况。 宏观辨识与微观探析的学科素养。
中国空间站的环控生保系统功能之一是将人体代谢废物CO2中的氧元素转化为O2，实现氧循环。 例题4. （1）已知下列反应：①CO2(g)＋2H2O(g)＝CH4(g)＋2O2(g) ΔH1=＋802.3 kJ·mol-1 ②2H2O(g)＝2H2(g)＋O2(g) ΔH2=＋483.6 kJ·mol-1 ③ CO2(g)＋4H2(g)＝CH4(g)＋2H2O(g) ΔH3 反应③的焓变ΔH3=____kJ·mol-1。 盖斯定律计算反应焓变 投屏例题4 思考完成例题4. 1.－164.9 建立盖斯定律计算焓变的基本模型和方法。 证据推理与模型认知的学科素养。
（2）可以实现CO2转化为O2的过程有：① CO2(g)＝C(g)＋O2(g) ΔH1=＋393.5 kJ·mol-1 ②2CO2(g)＋2Na2O2(s)＝2Na2CO3(s)＋O2(g) ΔH2=－452.8 kJ·mol-1 ③ CO2(g)＋2H2O(g)＝CH4(g)＋2O2(g) ΔH3=＋802.3 kJ·mol-1 ④ CO2(g)＋4H2(g)＝CH4(g)＋2H2O(g) ΔH4=－164.9 kJ·mol-1 2H2O(g)＝2H2(g)＋O2(g) ΔH5=＋483.6 kJ·mol-1 请从能量和物质的角度分析，上述四个过程更适合在空间站中应用的________， 理由是____ 分析化学反应能量变化情况 物质守恒和能量守恒思想的应用 投屏例题4（2） 小组讨论，选择最佳方案。 分析实际问题，正确选择化学反应的能力。 科学态度与社会责任学科素养。
拓展活动 自制火箭体验推进剂的反应原理 视频7： 模拟固 体火箭 推进器 视频8： 模拟液 体火箭 推进器 用锡纸、火柴、 一次性筷子、打火 机自制固体火箭推 进器。 用注射针管、点 火器、热熔枪、酒 精等自制液体火箭 推进器。 运用火 箭推进 器的基 本原理， 选取生 活中常 见的废 旧材料 进行实 验。 播放视频7。 播放视频8。 小组讨论， 设计实验步 骤，进行实验 方案实施。 帮助学生在化 学层面上找到 分析问题和解 决问题的方法， 建立认识化学 反应的能量视 角，完善物质变 化观念，提高学 生的探究能力、 动手能力以及 合作能力。
三、教学反思
本项目以“神舟十四号航天员太空之旅”为总任务驱动，通过完成三个基于真实情境的项目任务，理解和巩固了化学反应热效应的原理，将文献查阅与学生实验相结合，让学生多角度地展示自己，旨在培养学生的文献检索能力、实验探究能力以及高阶思维能力。
本项目式学习研究中也暴露了学生在实际动手研究中存在的一些问题。首先，学生在实验方案的设计上存在不全面、不严谨的问题，变量控制意识不够，需要提高科学探究性的意识。此外，学生的思考比较浅显，不够深入，需要教师提出呈梯度递进的问题，多方面、多角度地引导学生深入思考并探究，使学生对实际问题的研究成为常态，养成思考和质疑的习惯。