[摘 要]基于發(fā)展學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的目標(biāo),開展“氧化還原反應(yīng)”這一基本概念的教學(xué)。首先深入挖掘教材,從宏觀辨識(shí)、微觀探析、符號(hào)表征三個(gè)方面依次展開,然后建構(gòu)氧化還原反應(yīng)認(rèn)知模型,再指導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用該模型去深入理解元素化合物知識(shí),體會(huì)三重表征和模型認(rèn)知對(duì)學(xué)習(xí)化學(xué)基本概念的指導(dǎo)作用。
[關(guān)鍵詞]三重表征;模型認(rèn)知;基本概念教學(xué);氧化還原反應(yīng)
[中圖分類號(hào)]" " G633.8" " " " " " " " [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]" " A" " " " " " " " [文章編號(hào)]" " 1674-6058(2025)05-0057-05
一、問題的提出
《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版2020年修訂)》明確指出,高中化學(xué)教學(xué)以發(fā)展學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)為主旨,教師應(yīng)重視教學(xué)內(nèi)容的結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì),結(jié)合具體的化學(xué)教學(xué)內(nèi)容的特點(diǎn)和學(xué)生的實(shí)際,引導(dǎo)學(xué)生開展分類與概括、證據(jù)與推理、模型與解釋、符號(hào)與表征等具有學(xué)科特質(zhì)的學(xué)習(xí)活動(dòng)[1]。在高中化學(xué)課堂教學(xué)中,改變知識(shí)本位的教學(xué)觀,立足學(xué)科本質(zhì)和課程標(biāo)準(zhǔn)來分析教材內(nèi)容,探究知識(shí)之間的內(nèi)在聯(lián)系,發(fā)掘化學(xué)知識(shí)的素養(yǎng)功能,幫助學(xué)生建構(gòu)學(xué)科基本觀念,是貫徹新課標(biāo)要求的有效途徑。
化學(xué)基本概念內(nèi)容與元素化合物內(nèi)容相輔相成,在現(xiàn)行幾個(gè)版本的高中化學(xué)必修教材中,這兩部分內(nèi)容多交叉編排,尤其在蘇教版教材中,氧化還原反應(yīng)、離子反應(yīng)沒有單獨(dú)設(shè)章節(jié),而是分別編排在“氯氣及氯的化合物”“金屬鈉及鈉的化合物”單元中。元素化合物內(nèi)容的學(xué)習(xí)為理解化學(xué)基本概念做了必要鋪墊,而對(duì)基本概念的深入認(rèn)識(shí)又能幫助學(xué)生更好地理解元素化合物的性質(zhì)。
三重表征包括宏觀表征、微觀表征、符號(hào)表征。宏觀表征主要是指物質(zhì)在物理和化學(xué)變化中表現(xiàn)出來的、可以直接觀察到的宏觀現(xiàn)象在學(xué)習(xí)者頭腦中的反映;微觀表征主要是指有關(guān)物質(zhì)的微觀組成和結(jié)構(gòu)、微觀粒子的運(yùn)動(dòng)及相互作用等微觀屬性在學(xué)習(xí)者頭腦中的反映;符號(hào)表征主要是指由拉丁文或英文字母組成的符號(hào)及圖形符號(hào)在學(xué)習(xí)者頭腦中的反映。這三種表征形式相互關(guān)聯(lián),共同構(gòu)成化學(xué)知識(shí)的完整表征體系,體系中各要素的具體關(guān)系如圖1所示。從宏觀、微觀、符號(hào)三種表征水平上認(rèn)識(shí)和理解化學(xué)知識(shí),是化學(xué)學(xué)習(xí)者特有的思維方式[2]。利用三重表征的思維方式學(xué)習(xí)和理解化學(xué)基本概念,再用化學(xué)基本概念指導(dǎo)和輔助元素化合物知識(shí)的學(xué)習(xí),是一個(gè)知識(shí)關(guān)聯(lián)和結(jié)構(gòu)化的過程,有助于學(xué)生建構(gòu)系統(tǒng)性的化學(xué)知識(shí)框架。
二、教學(xué)背景分析
(一)課標(biāo)要求
新課標(biāo)對(duì)氧化還原反應(yīng)的內(nèi)容要求為:認(rèn)識(shí)有化合價(jià)變化的反應(yīng)是氧化還原反應(yīng),了解氧化還原反應(yīng)的本質(zhì)是電子的轉(zhuǎn)移,知道常見的氧化劑和還原劑。此外,新課標(biāo)還給出了教學(xué)策略提示:創(chuàng)設(shè)豐富多樣的真實(shí)問題情境,發(fā)揮核心概念對(duì)元素化合物學(xué)習(xí)的指導(dǎo)作用[3]。
(二)教材分析
“氧化還原反應(yīng)”是蘇教版高中化學(xué)必修第一冊(cè)專題3第一單元第3課時(shí)的內(nèi)容。氧化還原反應(yīng)是非常重要的化學(xué)基本概念,是分析物質(zhì)化學(xué)性質(zhì)、學(xué)習(xí)電化學(xué)等知識(shí)的必備工具,在整個(gè)高中化學(xué)中具有極其重要的地位。
橫向來看,“氧化還原反應(yīng)”在不同版本教材中的出現(xiàn)順序有很大區(qū)別:在人教版教材中,氧化還原反應(yīng)、離子反應(yīng)等基本概念集中編排在必修第一冊(cè)第一章,在這些概念的基礎(chǔ)上再進(jìn)行元素化合物知識(shí)的學(xué)習(xí)(第二章、第三章、第五章)[4-5];而蘇教版教材將化學(xué)基本概念與元素化合物知識(shí)交叉編排,本課時(shí)“氧化還原反應(yīng)”就編排在“氯氣的性質(zhì)及應(yīng)用”之后[6]。氯氣的性質(zhì)及應(yīng)用能夠?yàn)榉治隼斫庋趸€原反應(yīng)提供貼近學(xué)生認(rèn)知的教學(xué)情境,而氧化還原反應(yīng)作為核心概念,將對(duì)后續(xù)元素化合物知識(shí)的學(xué)習(xí)起到重要的指導(dǎo)作用。因此,在本節(jié)課的教學(xué)中,在學(xué)生理解氧化還原反應(yīng)的本質(zhì)后,教師還要引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用氧化還原反應(yīng)理論來理解元素及其化合物的性質(zhì)。
縱向來看,根據(jù)學(xué)生的認(rèn)識(shí)規(guī)律,蘇教版教材將“氧化還原反應(yīng)”這一基本概念在必修第一冊(cè)分三個(gè)層面滲透。首先是宏觀辨識(shí),即“氧化還原反應(yīng)是有元素化合價(jià)變化的反應(yīng)”(專題1第一單元);其次是微觀探析,即“氧化還原反應(yīng)是有電子轉(zhuǎn)移的化學(xué)反應(yīng)”(專題3第一單元);最后是守恒角度,即“氧化還原反應(yīng)中得失電子總數(shù)一定相等”(專題4第二單元)[7]。本課時(shí)屬于第二個(gè)層面,著重從微觀角度理解氧化還原反應(yīng)的本質(zhì),并用化學(xué)語言(雙線橋)進(jìn)行表示,實(shí)現(xiàn)宏觀、微觀、符號(hào)三重表征,為后續(xù)理解得失電子守恒打好基礎(chǔ)。
(三)學(xué)情分析
學(xué)生在初中已接觸過一些化學(xué)反應(yīng),在本節(jié)課之前還系統(tǒng)學(xué)習(xí)了氯及其化合物的性質(zhì),具備一定的元素化合物知識(shí)基礎(chǔ),知道氧化還原反應(yīng)中元素化合價(jià)會(huì)發(fā)生變化,能夠判斷哪些反應(yīng)是氧化還原反應(yīng),但不清楚氧化還原反應(yīng)中元素化合價(jià)變化的根本原因。學(xué)習(xí)方式上,學(xué)生能在小組合作學(xué)習(xí)中積極思考、討論探究,從而發(fā)現(xiàn)問題,分析并解決部分問題,但缺少從微觀角度解釋宏觀現(xiàn)象的意識(shí),不能主動(dòng)運(yùn)用氧化還原概念去系統(tǒng)理解元素化合物的性質(zhì),這些都需要教師進(jìn)行及時(shí)適當(dāng)?shù)囊龑?dǎo)。
三、教學(xué)目標(biāo)及重難點(diǎn)
(一)教學(xué)目標(biāo)
1.通過從原子結(jié)構(gòu)角度討論化合價(jià)變化的原因,理解氧化還原反應(yīng)的本質(zhì),培養(yǎng)從微觀角度解釋宏觀現(xiàn)象的意識(shí),發(fā)展“宏觀辨識(shí)與微觀探析”核心素養(yǎng)。
2.通過了解氧化還原反應(yīng)理論發(fā)展的化學(xué)史,發(fā)展“科學(xué)態(tài)度與社會(huì)責(zé)任”核心素養(yǎng)。
3.通過討論氧化劑、還原劑在氧化還原反應(yīng)中的變化,建構(gòu)氧化還原反應(yīng)認(rèn)知模型,發(fā)展“變化觀念與平衡思想”“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”等核心素養(yǎng)。
4.掌握用雙線橋表示氧化還原反應(yīng)的方法,培養(yǎng)宏觀、微觀、符號(hào)三重表征的意識(shí)和能力。
5.通過從氧化還原角度理解氯氣的性質(zhì),培養(yǎng)運(yùn)用氧化還原反應(yīng)理論學(xué)習(xí)元素化合物知識(shí)的意識(shí)。
(二)教學(xué)重難點(diǎn)
教學(xué)重點(diǎn):理解氧化還原反應(yīng)的本質(zhì),建構(gòu)氧化還原反應(yīng)認(rèn)知模型。
教學(xué)難點(diǎn):氧化還原反應(yīng)的符號(hào)表征。
四、教學(xué)設(shè)計(jì)思路
本單元前兩課時(shí)“氯氣的發(fā)現(xiàn)與制備”及“氯氣的性質(zhì)及應(yīng)用”為“氧化還原反應(yīng)”的教學(xué)提供了豐富的情境素材。首先,通過氯氣與金屬鈉的反應(yīng),可以引導(dǎo)學(xué)生從原子結(jié)構(gòu)角度理解氧化還原反應(yīng)的本質(zhì),即有電子的轉(zhuǎn)移,進(jìn)而分析電子轉(zhuǎn)移與化合價(jià)升降、氧化還原反應(yīng)之間的關(guān)系,并用化學(xué)用語(雙線橋)進(jìn)行表征。其次,介紹氧化劑、還原劑概念,并組織學(xué)生分組討論氧化劑、還原劑在氧化還原反應(yīng)中的一系列變化,建構(gòu)氧化還原反應(yīng)的認(rèn)知模型。最后,引導(dǎo)學(xué)生從氧化還原角度總結(jié)歸納氯氣的性質(zhì),分析氯元素的價(jià)-類二維圖,掌握用氧化還原反應(yīng)理論指導(dǎo)元素化合物學(xué)習(xí)的一般思路。
五、教學(xué)過程
環(huán)節(jié)一:復(fù)習(xí)導(dǎo)入,提供情境素材
導(dǎo)入:在這一單元的前兩課時(shí),我們學(xué)習(xí)了氯氣的制備和性質(zhì)。現(xiàn)在,讓我們來回顧一下這些知識(shí)。請(qǐng)同學(xué)們盡可能多地書寫出有關(guān)氯氣的化學(xué)方程式。
學(xué)生活動(dòng):書寫前兩課時(shí)所學(xué)的與氯氣相關(guān)的化學(xué)方程式,并派代表到黑板上進(jìn)行板演。
過渡:氯氣是一種活潑的非金屬單質(zhì),可以發(fā)生很多反應(yīng)。那么,我們?cè)撊绾问崂沓鲞@些反應(yīng)的結(jié)構(gòu)化認(rèn)知呢?通過今天的學(xué)習(xí),我們將對(duì)氯氣的性質(zhì)有一個(gè)全新的認(rèn)識(shí)。
設(shè)計(jì)意圖:通過復(fù)習(xí)氯氣的制備及性質(zhì),為接下來分析氧化還原反應(yīng)提供情境素材。同時(shí),通過設(shè)置懸念,激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和探究欲望,讓他們帶著目的開啟本節(jié)課的學(xué)習(xí)。
環(huán)節(jié)二:微觀探析,認(rèn)識(shí)氧化還原反應(yīng)
問題:如何判斷一個(gè)化學(xué)反應(yīng)是不是氧化還原反應(yīng)?
生:看有無元素化合價(jià)變化。
師:有元素化合價(jià)變化是氧化還原反應(yīng)的特征。那么,元素化合價(jià)變化的本質(zhì)是什么呢?我們以鈉在氯氣中燃燒為例,從原子結(jié)構(gòu)角度進(jìn)行討論。在反應(yīng)中,鈉原子失去電子變成鈉離子,氯原子得到電子變成氯離子,鈉離子與氯離子結(jié)合形成氯化鈉(如圖2)。
得出結(jié)論:氧化還原反應(yīng)是有電子轉(zhuǎn)移的化學(xué)反應(yīng)。
問題:初中階段我們認(rèn)識(shí)的氧化反應(yīng)、還原反應(yīng)是怎樣的?專題1第一單元是如何定義氧化還原反應(yīng)的?現(xiàn)在,你又是如何理解氧化還原反應(yīng)的?
生1:初中階段我知道了“物質(zhì)得氧的反應(yīng)是氧化反應(yīng),物質(zhì)失氧的反應(yīng)是還原反應(yīng)”。
點(diǎn)評(píng)1:這是從元素的角度來分辨的。
生2:專題1第一單元中將氧化還原反應(yīng)定義為“有元素化合價(jià)變化的反應(yīng)”。
點(diǎn)評(píng)2:這是從宏觀現(xiàn)象來定義的。
生3:現(xiàn)在我知道“氧化還原反應(yīng)是有電子轉(zhuǎn)移的化學(xué)反應(yīng)”。
點(diǎn)評(píng)3:這是從微觀結(jié)構(gòu)的角度來理解的。
化學(xué)史介紹:歷史上氧化還原反應(yīng)理論的發(fā)展經(jīng)歷了一個(gè)漫長的過程。化學(xué)家對(duì)氧化還原反應(yīng)的認(rèn)識(shí)也是由最開始的元素視角,到后來的化合價(jià)視角,再到現(xiàn)代化學(xué)原子結(jié)構(gòu)理論支持下的電子轉(zhuǎn)移視角,這是一個(gè)從宏觀到微觀、從表觀到本質(zhì)的認(rèn)識(shí)深化過程。
設(shè)計(jì)意圖:通過探究具體反應(yīng),利用圖片使微觀結(jié)構(gòu)的變化可視化,讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到,化合價(jià)變化是氧化還原反應(yīng)的表觀特征,發(fā)生電子轉(zhuǎn)移才是其本質(zhì),培養(yǎng)學(xué)生從微觀結(jié)構(gòu)角度解釋宏觀現(xiàn)象的意識(shí)。
環(huán)節(jié)三:符號(hào)表征,表示氧化還原反應(yīng)
歸納:氧化還原反應(yīng)中的一系列變化可概括為“升失氧,降得還”(升:所含元素化合價(jià)升高,失:失去電子,氧:發(fā)生氧化反應(yīng);降、得、還則與之相反)。
講解:如圖3所示,將這一系列變化結(jié)合化學(xué)方程式用符號(hào)(雙線橋)表示出來。
講解書寫原則:先標(biāo)化合價(jià),再看價(jià)變化;起止同元素,橋上標(biāo)變化;上標(biāo)升失氧,下標(biāo)降得還;電子轉(zhuǎn)移數(shù),原數(shù)乘變價(jià)。
進(jìn)階:也可在心中默念“升失氧,降得還”,線橋上只標(biāo)電子轉(zhuǎn)移情況,具體如圖4所示。
課堂練習(xí):用雙線橋表示下列反應(yīng)的電子轉(zhuǎn)移情況:①CO+CuO △Cu+CO2;②3Cu+8HNO3(稀)=3Cu(NO3)2+2NO↑+ 4H2O;③Cl2+2NaOH=NaCl+NaClO+H2O;④2H2S+SO2=3S+2H2O。
學(xué)生活動(dòng):思考并在紙上作答,然后派代表到黑板上進(jìn)行板演。
問題:觀察每一個(gè)氧化還原反應(yīng),它們的得、失電子數(shù)有何關(guān)系?反應(yīng)③的元素化合價(jià)變化有什么特點(diǎn)?反應(yīng)④的元素化合價(jià)變化有什么特點(diǎn)?(根據(jù)學(xué)生的回答初步滲透得失電子守恒規(guī)律、歧化反應(yīng)和歸中反應(yīng)的概念。)
設(shè)計(jì)意圖:在微觀結(jié)構(gòu)變化的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步將其抽象為符號(hào)表征,實(shí)現(xiàn)宏觀、微觀、符號(hào)三重表征的融合,深化學(xué)生對(duì)氧化還原反應(yīng)的認(rèn)識(shí),并在練習(xí)中初步滲透得失電子守恒的思想;通過口訣,幫助學(xué)生理解記憶,降低學(xué)生初學(xué)雙線橋法的難度。
環(huán)節(jié)四:模型建構(gòu),認(rèn)識(shí)氧化劑與還原劑
問題:以氫氣還原氧化銅的反應(yīng)為例,在該反應(yīng)中,氫氣發(fā)生了哪些變化?誰使得它發(fā)生了這些變化?氧化銅發(fā)生了哪些變化?又是誰使得它發(fā)生了這些變化?
生:氫氣中氫元素化合價(jià)升高,氫原子失去電子,氫氣發(fā)生了氧化反應(yīng),是氧化銅使它發(fā)生了這些變化。氧化銅中銅元素化合價(jià)降低,銅原子得到電子,氧化銅發(fā)生了還原反應(yīng),是氫氣使它發(fā)生了這些變化。
師:因此我們說,氧化銅具有氧化其他物質(zhì)的能力,即具有氧化性,在該反應(yīng)中作氧化劑;氫氣具有還原其他物質(zhì)的能力,具有還原性,在該反應(yīng)中作還原劑。
追問:仍以該反應(yīng)為例,思考一下,在氧化還原反應(yīng)中氧化劑會(huì)發(fā)生哪些變化?還原劑呢?
生:在氧化還原反應(yīng)中,氧化劑得到電子,所含元素化合價(jià)降低,發(fā)生還原反應(yīng);還原劑失去電子,所含元素化合價(jià)升高,發(fā)生氧化反應(yīng)。
總結(jié):我們可以概括為“升失氧,還原劑;降得還,氧化劑”,并且可以用雙線橋的模式來表示這一關(guān)系,具體如圖5所示。
設(shè)計(jì)意圖:通過氧化劑、還原劑在氧化還原反應(yīng)中的一系列變化,引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)出普適性的結(jié)論,建構(gòu)氧化還原反應(yīng)認(rèn)知模型,幫助學(xué)生深入認(rèn)識(shí)和理解氧化還原反應(yīng)的概念本質(zhì),使學(xué)生在以后分析氧化還原反應(yīng)時(shí)能夠更快速、更準(zhǔn)確。
環(huán)節(jié)五:解決問題,應(yīng)用氧化還原反應(yīng)
應(yīng)用1:從氧化還原角度來看,氯氣具有哪些性質(zhì)?
學(xué)生活動(dòng):結(jié)合課始板演的方程式,小組討論、總結(jié),并派代表回答。
生:從氧化還原角度來看,氯氣的性質(zhì)可分為兩類。在與鐵、銅等金屬單質(zhì)和非金屬單質(zhì)氫氣的反應(yīng)中,氯氣作氧化劑,表現(xiàn)出強(qiáng)氧化性;在與水和堿的反應(yīng)中,氯氣既作氧化劑又作還原劑,發(fā)生歧化反應(yīng)。
應(yīng)用2:在氯元素的價(jià)-類二維圖(如圖6)中,哪些轉(zhuǎn)化屬于氧化還原反應(yīng)?
生:反應(yīng)①、②、⑤、⑥、⑦、⑧、11屬于氧化還原反應(yīng),即圖中凡是化合價(jià)發(fā)生變化的反應(yīng)都是氧化還原反應(yīng);反之,化合價(jià)不變的反應(yīng),即圖中左右水平相互轉(zhuǎn)化的反應(yīng)為非氧化還原反應(yīng)。
應(yīng)用3:列舉生產(chǎn)、生活中的氧化還原反應(yīng)。
介紹:工業(yè)上,如冶煉金屬、化工生產(chǎn)、火箭發(fā)射等;生活中,如燒火做飯、放煙花等,這些過程中都有氧化還原反應(yīng)發(fā)生??諝庵醒鯕獾拇嬖谑刮覀兩钤谘趸缘沫h(huán)境中,鋼鐵的腐蝕、食物的腐敗都是被氧化的結(jié)果。因此,有時(shí)需要進(jìn)行抗氧化處理,如在食品包裝袋中使用抗氧化劑。
設(shè)計(jì)意圖:應(yīng)用1、2引導(dǎo)學(xué)生從氧化還原角度分析物質(zhì)的性質(zhì),培養(yǎng)他們運(yùn)用基本概念和理論來指導(dǎo)元素化合物學(xué)習(xí)的意識(shí),并在討論和應(yīng)用中進(jìn)一步深化對(duì)氯氣性質(zhì)的理解;應(yīng)用3使學(xué)生拓寬視野,體會(huì)學(xué)科價(jià)值。
環(huán)節(jié)六:課堂小結(jié),促進(jìn)建模意識(shí)提升
師:這節(jié)課,我們從認(rèn)識(shí)氧化還原反應(yīng)的概念開始,學(xué)習(xí)了用雙線橋表示氧化還原反應(yīng)的方法;在理解了氧化劑、還原劑的概念后,提煉、總結(jié)出氧化還原反應(yīng)的認(rèn)知模型,并且運(yùn)用該模型深入理解了氯氣的性質(zhì)。希望同學(xué)們?cè)诤罄m(xù)的學(xué)習(xí)中能夠繼續(xù)運(yùn)用該模型解決問題,并在以后的學(xué)習(xí)中也能有意識(shí)地提煉和建構(gòu)認(rèn)知模型。(本節(jié)課學(xué)生的思維發(fā)展過程如圖7所示)
六、教學(xué)反思
(一)遵循認(rèn)知規(guī)律,融合三重表征
在這節(jié)課的教學(xué)中,對(duì)氧化還原反應(yīng)概念的認(rèn)知層層遞進(jìn),從宏觀辨識(shí)到微觀探析,再到符號(hào)表征,逐步深入,符合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律。該教學(xué)思路同樣適用于其他化學(xué)基本概念的教學(xué)。
(二)建構(gòu)認(rèn)知模型,助力理解概念
在教授氧化還原反應(yīng)的表示方法時(shí),由個(gè)別到一般,總結(jié)出普適性規(guī)律,逐步引導(dǎo)學(xué)生建構(gòu)認(rèn)知模型。該模型既能幫助學(xué)生快速厘清氧化還原反應(yīng)中的電子轉(zhuǎn)移情況,又能幫助學(xué)生理解氧化還原反應(yīng)的本質(zhì)。
(三)立足單元視角,注重理論指導(dǎo)
這節(jié)課并沒有局限于這一課時(shí)的氧化還原反應(yīng)基本概念,而是著眼于整個(gè)單元,注重用氧化還原反應(yīng)理論去理解、總結(jié)氯氣的性質(zhì),將氧化還原反應(yīng)概念的學(xué)習(xí)與氯氣性質(zhì)的深入理解有機(jī)融合,充分體現(xiàn)了化學(xué)基本概念對(duì)元素化合物知識(shí)學(xué)習(xí)的指導(dǎo)作用。
[" "參" "考" "文" "獻(xiàn)" "]
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