基于学科前沿知识的“物质构成的奥秘”教学设计

基于学科前沿知识的“物质构成的奥秘”
教学设计
摘要：学科前沿知识是科学家研究的热点内容，将其巧妙融于中学化学的基
础教学课堂，不仅可以让学生知古今，明未来，同时感受科学家发现新知识、新
现象时坚持不懈的科学探究精神，有利于培养其学习兴趣和核心素养。

以“二氧
化碳人工合成淀粉”这一学科前沿知识为情境，从认识物质、认识变化、应用价
值3个环节展开第三章“物质构成奥秘”的复习，通过层层递进式的提问引导学
生从宏微结合的角度建构物质组成、结构、变化之间的关系。

关键词：学科前沿知识、人工合成淀粉、中学化学、核心素养
一、前言
学科前沿是指某一学科中最能代表该学科发展前景、制约该学科当前发展的
关键性
科学问题。

随着教育改革的不断深入，义务教育化学课程围绕核心素养确立
课程目标，提倡教材内容的选择着力于体现化学对人类文明发展的重要贡献，关
注化学科学发展史和科学家的故事，引导学生认识科学本质，传承科学精神，增
强文化自信[1]。

中学化学是学生认识化学的启蒙阶段，这个阶段既可以巩固学生学习化学的
基础，还对落实立德树人的根本任务、促进学生德智体美劳全面发展具有重要价
值。

因此，学科前沿知识与中学化学教学的融合，可以让学生意识到化学不只是
单纯的理论学习，有更多的实际应用，应用知识解决实际生产中的问题方可体现
知识的力量。

继上世纪60年代在世界上首次完成人工合成结晶牛胰岛素之后，中国科学
家历时6年多科研攻关，又在人工合成淀粉方面取得重大突破，即“国际上首次
在实验室实现二氧化碳到淀粉的从头合成”。

与自然界光合作用合成和积累淀粉
相比，成功将60多步生化反应和复杂的生理调控降低到只有11步反应，能量
转化效率也比光合作用的2%左右提升为3.5倍，使高效固定二氧化碳高效合成淀
粉成为可能。

而学科前沿知识教育，就是通过实验、讲课、文献阅读等方式，让
学生了解本专业最新学术进展[2]。

因此，笔者针对“二氧化碳人工合成淀粉”这
一学科前沿知识设计了一节“物质构成的奥秘”单元复习课，让学生增加其知识
储备和科学见识的同时，进一步掌握相关知识，体会化学的实用性，发展其对物
质世界的好奇心和探究欲。

二、教学设计
1．教材分析
“物质构成的奥秘”是沪教版初中化学教材第三章的内容，这一课题要求学
生转变思维方式，通过观察、想象、类比、模型化方法从微观角度分析和认识物
质及其变化，内容抽象且知识容量大，使学生在学习过程中存在较大的困难。

2．学情分析
通过新课的学习，学生已经初步认识到：物质由元素组成、由微粒构成；能
识记并正
确书写常见元素及物质的化学符号，能对元素和物质进行简单的分类；能说
明分子、原子、离子间的区别和联系，能从微观角度解释生活中常见的变化和现象。

但由于缺乏总体上的认识和理解，并不能厘清各知识点之间的关系，因此需
要作章节整理、归纳等复习。

3．教学目标
在培养学生核心素养的前提之下，将化学学科的前沿知识融合于课堂教学中，以培养其用发展的眼光看待化学知识。

基于此，本节课的教学目标设计如下所示。

通过创设科研热点为情境，激发学生的学习兴趣，培养严谨求实的科学精神；通过甲醇等物质化学式的书写，帮助学生进一步认识物质的宏观组成和微观构成，
准确辨析物质分类和变化的宏微观区别，并掌握分子、原子的联系与区别；通过
二氧化碳合成淀粉的计算，使学生对物质组成和构成的认识由定性走向定量，并
进一步感受到学习化学为生产生活带来的重要意义；通过交流讨论、小组合作等
学习活动培养学生的协作能力；在比较、归纳、推理中培养学生的逻辑推理能力；在模拟物质微观变化的过程中，使学生将抽象的微粒具体化，帮助学生树立正确
的“微粒观”和“变化观”。

4．教学重难点
通过对人工合成淀粉中物质的分类和物质化学变化的微观模拟，掌握纯净物、混合物、单质、化合物、元素等概念的宏微观区别，分子、原子的联系与区别，
化学式的定性和定量意义；用科研热点作为情境，激发学生的兴趣，用层层递进
的信息作为铺垫，组织学生独立思考，生生互助，展示交流，质疑反思，帮助学
生厘清宏观物质、元素与微粒关系的难点。

5. 教学过程
环节一：创设情境，引入新课
【情境引入】袁隆平“禾下乘凉”的图片引入人类面临的粮食危机问题，播
放视频“二氧化碳人工合成淀粉”。

【教师提问】和自然界合成淀粉相比，人工合成淀粉有哪些优势呢？
【学生回答】合成步骤少、时间短、能量转化率高、可节约耕地等。

【设计意图】创设科研热点新闻为情境，激发学生的学习兴趣，培养其学习
科学家严谨求实的科学态度，引导其迅速进入课堂。

环节二：师生互动，认识物质
【资料信息】二氧化碳人工变成淀粉的物质转化过程
【教师提问】人工合成淀粉中涉及到那些物质呢？请参考资料写出对应物质
的化学式。

【资料信息】①锆元素的符号和化合价②甲醇分子的微观图
【多媒体展示】学生书写结果
【学生回答】讲解书写依据：确定元素种类→调整元素符号的顺序→标出化合价→确定原子个数比→得出氧化锆的化学式ZrO2，根据化学式表示物质，也可以表示构成该物质的一个分子，由甲醇分子的模型得到其化学式为CH4O。

【教师引导】从淀粉的结构图中书写淀粉的化学式为(C6H10O5)n。

【教师提问】从定量的角度思考，我们能从淀粉的化学式中获取到哪些信息呢？
【学生回答】相对分子质量、各元素质量比、各元素质量分数。

【教师提问】请同学们从组成和构成的角度出发，选择标准，将上述物质分类？
【学生活动】小组合作、交流讨论、分享成果。

从构成物质的微粒种类、是否由一种元素组成、是否含有一种原子、是否由氧元素和另一种元素组成等分类标准。

【设计意图】让学生在物质分类中调动学生对物质组成、结构、性质、表示的记忆，化学式书写中渗透模型认知的科学素养；通过交流讨论、问题引导、归纳总结等活动，加深学生对物质宏观组成与微观构成的理解，尤其是单质、化合物、纯净物、混合物等相关概念的辨析。

环节三：递进引导，认识变化
【教师提问】请再次阅读材料，在物质转化流程图中填空。

【教师提问】请继续完善第一步合成甲醇的微观反应图。

【教师提问】该过程中什么改变，什么没变？
【学生回答】二氧化碳分子和氢气分子改变，碳、氢、氧原子没变。

【教师追问】碳氢氧原子的总质量变了吗？
【学生回答】因为碳氢氧原子的种类和个数都没变，所以质量也没变。

【归纳小结】化学变化前后原子的总质量不变，即对应元素的质量也不变。

如该反应中：m(C,二氧化碳)=m(C,甲醇)
【设计意图】通过阅读资料、物质推断、问题的引导，培养学生提取信息的
能力，让学生进入从微观角度认识变化的思考；让学生完善化学变化微观模拟图
的过程中，加深了对物质变化的微观理解，进一步掌握分子和原子的联系与区别；通过层层递进式的提问，引导学生调动已学知识，在培养其逻辑思维能力的同时
掌握了化学变化中元素守恒的关系。

环节四：知识应用，感悟价值。

【多媒体展示】PPT呈现2021全国两会上的重点议题“碳达峰”“碳中和”
的概念、现状、意义及目标。

【教师提问】由调研数据可知：常州市一天消耗汽油16.5吨。

汽油中的含
碳量约为84%，若汽油发生完全燃烧，生成多少二氧化碳？若将这么多二氧化碳
通过该流程全部转化为淀粉，将得到多少亿吨淀粉？（提示：m(C,CO2)=m(C,淀粉)）
【教师提问】查阅资料得知大米中淀粉含量大约75%，全球76亿人一年对大
米的需求量约0.4亿吨,请计算一下上述淀粉可以满足76亿人多少年的需求呢？
【总结升华】根据计算结果以及本节课对二氧化碳人工合成淀粉这一学科前
沿知识的了解，你有体会到这项科研成果所带来的实际意义吗？
【学生回答】解决粮食危机、缓解温室效应、节约耕地面积等。

【设计意图】通过计算，让学生再次体会用化学式有表示物质组成和构成的
定性意义和定量的意义，同时学会应用该知识度量一个新发现或创造的具体意义。

6. 教学总结
本节课我们利用第三章所学的知识从宏观到微观、从定性到定量了解了人工
合成淀粉的部分内容。

相信大家已深刻感受到学习化学的重要性，希望将来同学
们能用所学的化学知识将这一成果投入实际生产，真正实现袁隆平的“禾下乘凉梦”。

（板书见下图）
三、教学反思
1、问题设计巧，递进式提问中将课堂内容逻辑化。

如：在认识化学变化的
环节中，通过问题①该变化中什么变，什么没变？②碳氢氧原子的总质量变了吗？
③元素的定义是什么？④碳氢氧元素的质量变了吗？从微观到宏观的一系列递进
式的提问中，学生掌握了化学变化中质量守恒定律的内容，同时培养其从宏观、
微观、符号相结合的视角认识物质变化的科学思维，提升其学科素养。

2.情境创设真，多方式介绍中拓展学生的思维。

“二氧化碳直接合成淀粉”
是一项完全颠覆了传统的淀粉生产方式，它对未来的粮食生产具有革命性的影响，对全球生物制造业的发展起着里程碑式的意义。

渗透该化学前沿知识于本节课，
既充实学生的科学知识，同时使课堂教学具有时代气息。

学生通过了解现代科技
的新成果，拓展其智力空间和思维广度的同时，也是对其科学价值观的培养。

3.评价给出妙，多形式反馈中将核心素养显性化。

如认识物质环节中，在学生描述淀粉化学式的意义后，及时从定性和定量两个视角进行归纳，培养其研究物质的化学观念。

学生从物质组成和构成的角度对物质分类后，表扬其可以从宏观和微观两个角度认识物质，培养其比较、分析、归纳的科学思维。

五、参考文献
[1] 中华人民共和国教育部.普通初中化学课程标准［S］. 北京：北京师范大学出版社，2022.
[2] 俞磊.论理工科学科前沿知识教学的实施[A].扬州大学，2020。