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。

1 教學設(shè)計背景

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。

2 教學設(shè)計思路

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)。

3 基于宏觀辨識與微觀探析核心素養(yǎng)的教學內(nèi)容的確立

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。

4 基于宏觀辨識與微觀探析核心素養(yǎng)的教學設(shè)計

4.1 核心素養(yǎng)目標

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。

4.2 教學重難點

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)。

4.3 教學方法

包括實驗探究法、講授法、演示法。

4.4 基于宏觀辨識與微觀探析的核心素養(yǎng)的教學過程

【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

4.5 課程小結(jié)

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。

5 總結(jié)

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)。