陳朝才,張延婷,楊艷華**,董春燕,李艷妮
(1.昆明學院 化學化工學院,云南 昆明 650214;2.云南省楚雄第一中學,云南 楚雄 675000)
《普通高中化學課程標準(2017年版)》中指出,基于宏觀辨識與微觀探析的核心素養(yǎng)要求學生能夠從不同層次認識物質(zhì)的多樣性,對物質(zhì)進行分類;能夠從元素、原子、分子水平上認識物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、變化,形成“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)”的概念;能夠從宏觀和微觀的角度來分析和解決實際問題[1]。宏觀辨識與微觀探析是學習化學的必備科學素養(yǎng),學生對外界的認識從宏觀視角向微觀視角過渡,是一個循序漸進的過程,這就要求教育者在教育教學過程中,要善于將抽象的微觀視角可視化,注重學生宏微結(jié)合能力的培養(yǎng)。
因此,高中化學教學中,以化合價為媒介,使學生的認知從宏觀層面向微觀層面進行過渡,通過宏觀視角物質(zhì)得失氧判斷化合價變化,推出氧化還原反應(yīng)的概念,引導學生判斷化學反應(yīng)類型。通過微觀視角對化合價變化原因的講述,使學生認識到引起化合價升降的原因是電子的轉(zhuǎn)移,然后結(jié)合宏觀視角和微觀視角,得出氧化還原反應(yīng)的實質(zhì)是電子的轉(zhuǎn)移。學生通過對氧化還原反應(yīng)的學習,能夠提升宏觀辨識與微觀探析核心素養(yǎng)能力。
學生在初中階段已經(jīng)學過,可通過有無氧氣參與判斷一些簡單的氧化還原反應(yīng),但高中階段要求學生能通過參與化學反應(yīng)的物質(zhì)化合價變化判斷氧化還原反應(yīng),并且理解氧化還原反應(yīng)的本質(zhì),以達到利用氧化還原反應(yīng)的基本概念和規(guī)律解決相關(guān)問題的能力。兩個階段學習的知識內(nèi)容為由簡單到復雜的螺旋上升結(jié)構(gòu),且學習內(nèi)容從氧氣參與反應(yīng)逐漸上升至化學價變化和電子得失(轉(zhuǎn)移)的高階學習內(nèi)容。因此,在教學過程中,要注重學生宏微結(jié)合的思維的培養(yǎng),將抽象的知識具體化。
在導入環(huán)節(jié),通過觀察被切開的蘋果切面,讓學生切身感受氧化還原反應(yīng)發(fā)生的過程。并通過生活中常見的鐵生銹現(xiàn)象,解釋被切開的蘋果顏色變紅是因為蘋果中含有鐵元素,暴露在空氣中造成鐵被氧化。然后,寫出相關(guān)的化學反應(yīng)方程式,讓學生回顧初中氧化還原反應(yīng)內(nèi)容,并且判斷反應(yīng)為氧化反應(yīng)還是還原反應(yīng)。在此基礎(chǔ)上,引導學生分析碳還原氧化銅和一氧化碳還原氧化鐵的化學反應(yīng)中元素化合價的升降情況,使學生對氧化還原反應(yīng)的認識從元素過渡到化合價變化。通過引導學生理解雙線橋表示得失氧及化合價變化的過程、發(fā)生的反應(yīng)類型,掌握氧化還原反應(yīng)的特征及概念。
讓學生判斷沒有氧元素參與的化學反應(yīng),并分析其反應(yīng)類型,營造學生認知沖突。通過多媒體展示NaCl的形成過程,使學生明白化合價變化的根本原因。通過對氧化還原反應(yīng)概念的講述,讓學生明白氧化劑、還原劑、氧化產(chǎn)物、還原產(chǎn)物的性質(zhì),并比較其性質(zhì)強弱。結(jié)合電子轉(zhuǎn)移導致元素化合價改變,用雙線橋的模型直觀的將電子轉(zhuǎn)移過程表示出來,為學生后續(xù)學習雙線橋法配平氧化還原反應(yīng)方程式奠定基礎(chǔ)。
在教師對氧化還原反應(yīng)基本概念、特征、本質(zhì)的授課過程中,利用原電池需要有自發(fā)的氧化還原反應(yīng)來設(shè)計實驗引導學生探究,直觀理解氧化還原反應(yīng)的本質(zhì),提升學生的科學探究精神。與此同時,引導學生將準備好的實驗儀器及實驗藥品,按照實驗裝置圖進行組裝,培養(yǎng)學生的實踐操作能力。通過宏觀視角觀察到靈敏電流計指針偏轉(zhuǎn)、鋅片溶解以及銅片上生成新的銅單質(zhì)附著于銅片,引導學生結(jié)合微觀的電子定向移動、元素得失電子,分析實驗現(xiàn)象產(chǎn)生的原因,培養(yǎng)學生宏微結(jié)合的能力。
1)宏觀辨識與微觀探析
引導學生將得失氧與化合價聯(lián)系起來,讓學生能夠通過元素化合價升降來判斷氧化還原反應(yīng),培養(yǎng)學生宏觀辨識的能力。然后,通過多媒體展示化合價變化的原因,使學生明白電子的轉(zhuǎn)移會引起元素化合價升降,推導出化學反應(yīng)的實質(zhì)是電子的得失(轉(zhuǎn)移),最后,以Cu-Zn雙液原電池的探究實驗為例,使學生通過宏觀實驗現(xiàn)象直觀感受電子轉(zhuǎn)移過程,提升學生微觀探析能力。
2)證據(jù)推理與模型認知
利用雙線橋模型表述微觀電子轉(zhuǎn)移的過程,以Cu-Zn雙液原電池實驗中的靈敏電流計指針偏轉(zhuǎn),驗證氧化還原反應(yīng)的本質(zhì)。
3)科學精神與社會責任
通過引導學生分析各元素化合價變化的實質(zhì)是電子得失(轉(zhuǎn)移)的過程,培養(yǎng)學生探索未知、崇尚真理的意識。通過Cu-Zn雙液原電池探究實驗,引導學生對實驗現(xiàn)象進行解釋,讓學生養(yǎng)成嚴謹求實、透過現(xiàn)象看本質(zhì)的科學態(tài)度。
1)教學重點:宏微結(jié)合理解氧化還原反應(yīng)的實質(zhì)。
2)教學難點:從宏觀向微觀轉(zhuǎn)變認識氧化還原反應(yīng)。
包括實驗探究法、講授法、演示法。
【導入】將一塊切開一段時間的蘋果和一塊剛切開的蘋果拿給學生觀察,讓學生觀察兩塊蘋果切面的顏色。思考為什么它們顏色存在差異。展示一個密封且只有一半的蘋果,告知學生拿出的蘋果和切面變黃的蘋果是同一個。兩塊蘋果是同時切開的,解釋為什么顏色不相同。
設(shè)計意圖:以生活情境導入,有利于使學生將化學與生活聯(lián)系起來。讓學生分析切面變黃的原因,能夠激發(fā)學生的好奇心,從而提升學生的求知欲。通過蘋果切開時間的不同,引導學生朝著食物變質(zhì)的方向思考,得出食物變質(zhì)的條件不僅和時間有關(guān),還與暴露在空氣中有關(guān),讓學生聯(lián)系初中氧化反應(yīng)的內(nèi)容。
【回顧舊知】寫出碳還原氧化銅和一氧化碳還原氧化鐵的化學反應(yīng)方程式,判斷兩個反應(yīng)分別屬于初中學過的四種反應(yīng)類型中的哪幾類,并且判斷兩個化學中哪些物質(zhì)得氧,哪些物質(zhì)失氧,從而判斷兩個化學反應(yīng)的反應(yīng)類型。
(初中所學的置換反應(yīng))
(不屬于初中學過的四種反應(yīng)類型)
設(shè)計意圖:判斷學生是否掌握了初中的氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)內(nèi)容,并制造認知沖突,為后續(xù)教學的展開打下基礎(chǔ)。
【過渡】讓學生在兩個化學反應(yīng)中的反應(yīng)物和生成物標上化合價,引導學生分析物質(zhì)得氧和失氧后,元素化合價會發(fā)生怎樣的變化。
設(shè)計意圖:學生對化學式進行標價,并與物質(zhì)得氧失氧聯(lián)系起來,引導學生從宏觀角度發(fā)現(xiàn)氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)不僅和氧元素的得失有關(guān),還和化合價有關(guān),將學生對氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)的認識從得失氧向化合價變化過渡。
【雙線橋法的特點及用途】雙線橋法是連接化學反應(yīng)生成物和反應(yīng)物中相同元素的兩條帶箭頭的線,可以用來表示氧化還原反應(yīng)過程中得失氧導致元素化合價變化的過程,也可以用來表示氧化還原反應(yīng)中電子轉(zhuǎn)移導致同一元素化合價變化的過程[2]。通過引導學生分析,可以用雙線橋法表示上述兩個化學反應(yīng)得失氧過程為:
【小結(jié)】在化學反應(yīng)過程中,物質(zhì)失去氧后,組成該物質(zhì)的另一元素化合價降低,發(fā)生還原反應(yīng);物質(zhì)得到氧后,組成該物質(zhì)的另一元素化合價升高,發(fā)生氧化反應(yīng)。在同一個化學反應(yīng)中,有物質(zhì)得氧化合價升高,就有物質(zhì)失氧化合價降低。因此,有化合價發(fā)生改變的化學反應(yīng)叫做氧化還原反應(yīng)。
設(shè)計意圖:雙線橋法能夠直觀地反映化學反應(yīng)過程中得氧和失氧以及化合價變化的情況,學生在初中階段只知道氧化反應(yīng)和還原反應(yīng),并不能將它們聯(lián)系起來。通過化合價這一紐帶,將氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)聯(lián)系起來,讓學生知道氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)是在同一時間同一地點發(fā)生的同一反應(yīng),氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)只是通過反應(yīng)過程中元素化合價升和降這兩種情況來定義的。
【小組討論】判斷下列化學反應(yīng)是不是氧化還原反應(yīng),判斷依據(jù)是什么?
設(shè)計意圖:學生已經(jīng)知道氧化還原反應(yīng)和化合價有關(guān),但是上面的反應(yīng)都是有氧元素參與的反應(yīng),引導學生利用氧化還原反應(yīng)的概念判斷沒有氧元素參與的化學反應(yīng),深化學生對氧化還原反應(yīng)概念的理解。
【思考】氧化還原反應(yīng)的判定是在反應(yīng)過程中是否有元素化合價的變化,但是如何變化,變化了多少,符合怎樣的規(guī)律?
設(shè)計意圖:學生已經(jīng)會利用化合價是否變化來判斷化學反應(yīng)是否屬于氧化還原反應(yīng),但是對化合價變化的總數(shù)和規(guī)律還不是很清楚,引導學生思考并知道氧化還原反應(yīng)過程中,有元素化合價升高,就一定有元素化合價降低,而且化合價升高和降低的總數(shù)是相等的,為后續(xù)學生理解氧化還原反應(yīng)的本質(zhì)是電子的得失(轉(zhuǎn)移)奠定基礎(chǔ),理解“電子不能憑空產(chǎn)生,也不能憑空消失”的辯證唯物主義觀點。
【多媒體展示】NaCl形成過程,讓學生知道電子轉(zhuǎn)移會引起化合價的變化,視頻截圖如圖1所示[3]。
圖1 氯化鈉形成過程視頻截圖
設(shè)計意圖:NaCl的形成過程,將微觀的電子轉(zhuǎn)移以宏觀的手段展示出來,讓學生能夠直觀的理解元素間電子轉(zhuǎn)移(偏移、或電子對的共用)會引起元素化合價升降,而化合價升降是判斷氧化還原反應(yīng)的依據(jù),推出氧化還原反應(yīng)的本質(zhì)是電子的轉(zhuǎn)移。
【講述基本概念】氧化還原反應(yīng)的本質(zhì)是電子的轉(zhuǎn)移,電子轉(zhuǎn)出(轉(zhuǎn)入)會導致元素化合價升高(降低),電子轉(zhuǎn)出(轉(zhuǎn)入)前的物質(zhì)叫做還原劑(氧化劑),在反應(yīng)過程中該物質(zhì)被氧化(被還原),生成對應(yīng)的氧化產(chǎn)物(還原產(chǎn)物)。并且氧化劑和氧化產(chǎn)物都有氧化性,還原劑和還原產(chǎn)物都有還原性,其中氧化劑的氧化性強于氧化產(chǎn)物,還原劑的還原性強于還原產(chǎn)物[4]。
【區(qū)分】雙線橋與單線橋
雙線橋法能夠直觀地反映電子轉(zhuǎn)移的過程。引導學生用雙線橋法將電子的轉(zhuǎn)移、化合價升降、氧化劑、還原劑、氧化產(chǎn)物、還原產(chǎn)物以及反應(yīng)類型的關(guān)系表示出來。
【實踐應(yīng)用】從判斷氧化還原反應(yīng)開始,引導學生標出各元素的化合價,然后找出化合價變化的元素,將化合價變化的同種元素用帶箭頭的雙線連接起來,箭頭指向電子轉(zhuǎn)移的方向,算出電子得失總數(shù)。(步驟:標化合價、找變化、架雙線、求電子轉(zhuǎn)移總數(shù))
設(shè)計意圖:引導學生完成整個過程,讓學生掌握雙線橋法的基本步驟,對后續(xù)學生應(yīng)用其配平化學反應(yīng)方程式有幫助,也能培養(yǎng)學生通過從宏觀的化合價變化推導出微觀的電子轉(zhuǎn)移,有利于學生宏觀辨識與微觀探析核心素養(yǎng)的發(fā)展。
單線橋是通過帶箭頭的單線將原劑化和氧化劑聯(lián)系起來的一種方法,單線橋的出發(fā)點是還原劑中失電子的元素,終點是氧化劑中得電子的元素,其與雙線橋法的區(qū)別是單線橋法只需要考慮氧化劑轉(zhuǎn)入電子的總數(shù)或者還原劑轉(zhuǎn)出電子的總數(shù)即可(步驟:標化合價、連單線、求電子轉(zhuǎn)移總數(shù))。引導學生進行實踐將上述兩個反應(yīng)的電子轉(zhuǎn)移情況用單線橋表示如下:
設(shè)計意圖:學生在遇到已經(jīng)配平的氧化還原反應(yīng)方程式,并且需要判斷該反應(yīng)過程中電子轉(zhuǎn)移總數(shù)時,不用再將雙線橋法復述出來,只需要將還原劑失去的電子總數(shù)或者氧化劑得到的電子總數(shù)計算出來,用帶箭頭的單線連接氧化劑和還原劑的變價元素,將轉(zhuǎn)移電子表示在單線之上即可。
【設(shè)問】電子很小,我們無法直接觀察到,那怎樣才能證明氧化還原反應(yīng)過程中有電子轉(zhuǎn)移呢?帶著這個問題,我們一起通過實驗探究,驗證氧化還原反應(yīng)的實質(zhì)是電子的轉(zhuǎn)移。
設(shè)計意圖:電子是很小的微粒,不能以宏觀視角直接觀察到,但是利用一些方法將其可視化。讓學生帶著問題進行探究,以驗證氧化還原反應(yīng)的本質(zhì)是電子的轉(zhuǎn)移,可以提升學生的科學探究和實踐的能力。
【探究實驗】
[知識補充]組成原電池需要有自發(fā)的氧化還原反應(yīng)、活潑性不同的兩個電極、電解質(zhì)溶液以及通過導線連接使裝置形成閉合回路等四個條件,本實驗應(yīng)用組成原電池需要有自發(fā)的氧化還原反應(yīng)這一條件設(shè)計實驗,主要目的是從宏觀和微觀角度解釋實驗現(xiàn)象以驗證氧化還原反應(yīng)的實質(zhì)是電子的轉(zhuǎn)移。
[實驗儀器及材料]兩只規(guī)格為 250 mL 的燒杯,KCl鹽橋,靈敏電流計一只,用砂紙打磨過的鋅板、銅板各一片,導線若干,200 mL 0.5 mol/L 的Cu2SO4溶液和 200 mL 0.5 mol/L 的ZnSO4(電解質(zhì)溶液)。
[實驗原理]
[實驗裝置圖]見圖2[5]。
圖2 實驗裝置圖
設(shè)計意圖:補充知識的目的是讓學生明白該實驗應(yīng)用的知識點后續(xù)才會學到,但在此利用的原理是已經(jīng)學習過的,使實驗具有可操作性。實驗前讓學生知道實驗原理是氧化還原反應(yīng),驗證后的結(jié)論才能夠說明氧化還原反應(yīng)的實質(zhì)是電子的轉(zhuǎn)移,讓學生明白化學實驗的嚴謹性;實驗儀器和實驗藥品是實驗開展的基礎(chǔ),實驗裝置可以用來指導學生組裝實驗并進行實驗。
[實驗過程][6]①將配置好的ZnSO4、CuSO4溶液分別加入兩只燒杯中,并且使兩燒杯內(nèi)液面一樣高;
②將導線連接在鋅板和銅板上;
③將連接銅片的導線與靈敏電流計正極連接,將鋅片與靈敏電流負極相連;
④將銅片浸泡于CuSO4溶液中,將鋅片浸泡在ZnSO4溶液中;
⑤將鹽橋兩端分別插入裝有CuSO4溶液和ZnSO4溶液的燒杯中,使原電池形成閉合回路。
設(shè)計意圖:對知識點進行補充,讓學生理解該實驗主要利用的原理是學習過的內(nèi)容,使實驗具有可操作性,引導學生動手操作,提升學生的實踐操作能力,為學生將來進行化學實驗做準備。
[觀察與分析]引導學生應(yīng)用已掌握的理論知識解釋實驗現(xiàn)象的原因,并且進行總結(jié)。
實驗現(xiàn)象1:將鹽橋插入兩電解質(zhì)溶液形成閉合回路,電流計指針發(fā)生偏轉(zhuǎn);
現(xiàn)象解釋:將鹽橋插入兩電解質(zhì)溶液后,電路形成閉合回路,導線中電子定向移動產(chǎn)生電流,導致電流計指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)。
實驗現(xiàn)象2:鋅片部分溶解且銅片表面生成紅色物質(zhì)。
現(xiàn)象解釋:鋅元素電子流向硫酸中的銅離子,使銅離子得電子后變成銅單質(zhì)附著于銅片表面。
實驗現(xiàn)象3:鋅片表面有小氣泡產(chǎn)生。
現(xiàn)象解釋:鋅片不純,其內(nèi)部雜質(zhì)與鋅片形成微型原電池而生成氣體(教師解釋)。
[實驗結(jié)論]開關(guān)閉合后,鋅元素的電子向銅電極轉(zhuǎn)移,銅離子得電子變成銅單質(zhì)附著在銅片上,導致電路中電子定向移動而產(chǎn)生電流,因此靈敏電流計指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)。
[驗證結(jié)論]氧化還原反應(yīng)的本質(zhì)是電子的轉(zhuǎn)移。
設(shè)計意圖:引導學生從微觀角度對實驗現(xiàn)象進行分析,有利于培養(yǎng)學生宏微結(jié)合的能力,有利于學生宏觀辨識與微觀探析核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。在分析過程中,指導學生對微觀的電子轉(zhuǎn)移情況進行分析,提升學生的求知欲,同時學生在分析過程中能夠感受實驗探究的樂趣,提升學生的學習興趣。
【實驗反思】在實驗過程中,靈敏電流計指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)的現(xiàn)象是很明顯的,只要將鹽橋插入電解質(zhì)溶液中,就能看到靈敏電流計指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)。但是如果使用的鋅片不夠純,鋅片及其雜質(zhì)形成微弱的原電池,會觀察到副反應(yīng)的實驗現(xiàn)象,在此用很純的鋅片可以避免副反應(yīng)的發(fā)生。
【思考分析】初中我們已經(jīng)學習過四大基本反應(yīng),它們和氧化還原反應(yīng)有何區(qū)別呢?結(jié)合表1,應(yīng)用你們掌握的知識對其進行歸類。
表1 初中各化學反應(yīng)類型與氧化還原反應(yīng)關(guān)系
設(shè)計目的:根據(jù)學生的認知,設(shè)計表格,并且對化學反應(yīng)進行分析,能夠讓學生將氧化還原反應(yīng)與四大基本反應(yīng)聯(lián)系起來,應(yīng)用氧化還原反應(yīng)的概念對它們進行分類如圖3所示。
圖3 各反應(yīng)類型間的關(guān)系
本節(jié)課以生活例子進行導入,激發(fā)學生學習興趣;通過多媒體展示,讓學生能直觀地理解元素化合價的改變和電子的轉(zhuǎn)移有關(guān),并利用雙線橋法表示反應(yīng)過程中的電子轉(zhuǎn)移和物質(zhì)變化的情況,使學生對氧化還原反應(yīng)的概念、特征、本質(zhì)的認識由淺入深,循序漸進;最終利用實驗引導學生進行探究,達到培養(yǎng)學生宏微結(jié)合和科學探究的能力。有利于讓學生能將氧化還原反應(yīng)的概念、特征、本質(zhì)綜合起來應(yīng)用于實際問題的解決。
本文以氧化還原反應(yīng)為例,培養(yǎng)學生宏觀辨識與微觀探析核心素養(yǎng)。首先,通過生活情境導入,利用舊知形成認知沖突,提升學生的學習興趣和求知欲,讓學生從宏觀視角認識氧化還原反應(yīng)從元素層面向化合價層面進行轉(zhuǎn)變;再利用多媒體引導學生的認知從宏觀向微觀轉(zhuǎn)變;最后,利用雙線橋法引導學生將宏觀視角和微觀視角結(jié)合起來,以達到學生宏微結(jié)合的能力的培養(yǎng)。學生對理論理解再透徹,都只是停留在理論理解層面,因此,本文以銅-鋅(稀硫酸)原電池的原理設(shè)計實驗,引導學生利用理論聯(lián)系實際進行探究,有利于學生綜合應(yīng)用能力的培養(yǎng),對學生未來的發(fā)展打下堅實的基礎(chǔ)。