基于三重表征設(shè)計“氧化還原反應”課堂學習活動

韓曉　王朝暉　張賢金

摘要：以氧化還原反應為例，在教學中設(shè)計了3個課堂學習活動，通過宏觀現(xiàn)象、微觀結(jié)構(gòu)與符號之間的相互轉(zhuǎn)換，幫助學生利用“宏觀-微觀-符號”相結(jié)合的三重表征方法構(gòu)建氧化還原反應的知識體系，形成化學學習的核心思維模式。

關(guān)鍵詞：氧化還原反應；三重表征；課堂學習活動；核心素養(yǎng)

文章編號：1008-0546（2017）07-0042-04 中圖分類號：G632.41 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2017.07.010

氧化還原反應是高中化學課程中的核心概念，在生產(chǎn)、生活等各方面有廣泛的應用，具有重要的學科價值、社會價值和化學學科核心素養(yǎng)發(fā)展價值。以“宏觀-微觀-符號”三重表征的理念進行氧化還原反應教學，可以讓學生從三個維度理解氧化還原反應，提煉出學習化學反應的一般思路和方法，并進行遷移和應用。

畢華林[1]、李玲[2]等人研究發(fā)現(xiàn)學生在利用三重表征學習化學反應時存在不少困難，如面對大量感官刺激的宏觀現(xiàn)象，無法將宏觀表征與化學符號相聯(lián)系，不理解化學方程式的符號含義；不能從微觀水平上理解化學反應；難以在不同表征水平間進行轉(zhuǎn)換。在氧化還原反應的學習中，引導學生進行“宏觀-微觀-符號”三者之間的轉(zhuǎn)換，滲透和深化三重表征的思維方式，可以形成不同于其他學科的化學特有的思維方法。

王云生提出落實學生化學學科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)，要把課堂學習活動的設(shè)計作為化學課堂教學的中心，通過學習活動學習化學的核心基礎(chǔ)知識和基本技能，提高學生的學科核心素養(yǎng)[3]。對于化學知識的學習，尤其是氧化還原反應這類抽象性概念的學習，要在教師的引導下，基于三重表征理論，把握物質(zhì)宏觀性質(zhì)和微觀結(jié)構(gòu)的雙重表征，獲得宏觀和微觀水平的概念知識，促進符號知識的生成，實現(xiàn)三者的轉(zhuǎn)換[4]。筆者以“氧化還原反應”為例，設(shè)計了3個課堂學習活動，引導學生將三重表征相融合，通過宏觀現(xiàn)象、微觀結(jié)構(gòu)與符號之間的相互轉(zhuǎn)換，形成化學學習的核心思維模式。

一、基于三重表征構(gòu)建“氧化還原反應”教學目標

1. 核心知識目標

學生能描述一些反應的宏觀現(xiàn)象，但沒有建立宏觀現(xiàn)象和化學符號（化學方程式）之間的聯(lián)系。知道原子結(jié)構(gòu)示意圖、電子排布式、分子模型等化學符號，無法從微觀結(jié)構(gòu)的角度解釋氧化還原反應發(fā)生的原因。單雙線橋法這一化學符號將氧化還原反應的宏觀表現(xiàn)化合價變化和微觀實質(zhì)電子轉(zhuǎn)移的方向和數(shù)目相融合，可以幫助學生在宏觀-微觀-符號三重表征之間提取和轉(zhuǎn)換。由此確定核心知識目標為：

（1）理解氧化還原方程式中化學符號的含義，建立宏觀現(xiàn)象和符號間的聯(lián)系。

（2）能夠利用物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)解釋氧化還原反應發(fā)生的原因。

（3）掌握用單雙線橋法表征氧化還原反應。

2. 核心能力目標

利用物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)解釋氧化還原反應發(fā)生的原因，培養(yǎng)學生宏微結(jié)合的學習能力；以小組為單位進行實驗探究和討論，培養(yǎng)學生自主與合作的學習能力以及化學實驗探究的實踐能力。通過提供的信息材料，讓學生對獲取的信息進行識別和加工，培養(yǎng)學生比較、推理、概括和應用的化學信息能力和遷移能力[5]。由此確定核心能力目標為：

（1）培養(yǎng)學生從微觀視角分析氧化還原反應的宏微結(jié)合的學習能力。

（2）強化從相關(guān)資料中獲取和加工信息，進行—般推理和論證的化學信息能力。

（3）采用探究和討論的小組合作形式進行實驗探究，培養(yǎng)學生化學實踐能力。

3. 核心品格目標

在探究KI溶液和氯水反應的實驗時，學生發(fā)現(xiàn)氯水用量不同，產(chǎn)物不同，鼓勵學生敢于質(zhì)疑，實事求是，體會量變到質(zhì)變的辯證唯物主義思想，養(yǎng)成學生崇尚科學真理，不迷信書本和權(quán)威的科學探究的精神和必備品格。

二、基于三重表征的課堂學習活動設(shè)計

在對“氧化還原反應”的教學目標進行闡述和構(gòu)建后，為了落實這些目標，筆者設(shè)計了三個課堂學習活動，并重點闡述課堂學習活動設(shè)計的意圖。

學習活動1：宏觀現(xiàn)象與符號間的聯(lián)系

活動內(nèi)容：

（1）展示氫氣還原氧化銅反應的裝置，預測反應的現(xiàn)象，寫出相關(guān)的化學反應方程式，分析實驗現(xiàn)象和化學符號（化學式及化學方程式）間的聯(lián)系。

（2）分組實驗：向盛有KI溶液的試管中，加入少許CCl4后，逐滴滴加氯水，觀察反應的現(xiàn)象，寫出相應的化學方程式。

活動設(shè)計意圖分析：

化學方程式里蘊含著大量的信息，可以表征宏觀水平的物質(zhì)變化，也可以表征微觀水平上的粒子行為。專家可以很方便地利用化學方程式這種符號表征在宏觀表征和微觀表征間轉(zhuǎn)換，對學生而言，它更像是一些無意義的音節(jié)[6]?；瘜W實驗給學生提供了豐富的感官刺激，而學生常常止于觀察顯著的宏觀現(xiàn)象，在課堂活動中，讓學生通過氫氣還原氧化銅的實驗裝置預測反應現(xiàn)象，引導學生將觀察到的宏觀現(xiàn)象與化學符號建立聯(lián)系。如圖1所示，學生知道反應的宏觀現(xiàn)象是黑色固體變?yōu)榧t色，明白CuO和Cu這些化學符號表達的含義，當學生看到黑色固體，用CuO這一化學符號加以表示，并用化學方程式描述物質(zhì)及其變化的過程，就將宏觀現(xiàn)象和化學式及化學反應之間建立了聯(lián)系，進行了宏觀表征和符號表征之間的轉(zhuǎn)換。

學生通過KI溶液和氯水的實驗，觀察到溶液分層，下層CCl4層變?yōu)樽仙暮暧^現(xiàn)象，當學生將變?yōu)樽仙暮暧^現(xiàn)象用I2這一化學符號表示反應的生成物時，就理解了符號所表達的含義。通過相關(guān)信息和實驗的宏觀現(xiàn)象，讓學生書寫相應化學方程式，培養(yǎng)學生根據(jù)實驗現(xiàn)象辨識物質(zhì)及其相關(guān)反應，再運用化學符號描述常見簡單物質(zhì)及其變化的能力。

有的實驗小組，在逐滴滴加氯水的過程中，發(fā)現(xiàn)CCl4層逐漸變淺，對氯水將KI氧化成I2的反應提出了疑問，鼓勵學生敢于質(zhì)疑，實事求是，共同分析CCl4層變?yōu)闊o色的原因，體會量變到質(zhì)變的唯物主義思想，養(yǎng)成學生崇尚科學真理，不迷信書本和權(quán)威的科學探究的精神和必備品格。

化學是從微觀層面上解釋宏觀性質(zhì)的學科，宏觀與微觀的聯(lián)系是化學學科不同于其他學科的特有的思維方式。在氧化還原反應的教學中，相較于建立宏觀現(xiàn)象和符號間的聯(lián)系，由于微觀世界的抽象化，學生很難從微觀角度理解氧化還原反應?；瘜W式等化學符號包含的信息較為抽象，學生很難解讀，利用原子結(jié)構(gòu)示意圖、電子排布式、分子模型等化學符號，實現(xiàn)符號從化學式到分子結(jié)構(gòu)，視角從平面到立體的轉(zhuǎn)變，依托學生的知識經(jīng)驗，引導學生從微觀角度理解氧化還原反應，實現(xiàn)宏觀現(xiàn)象、微觀結(jié)構(gòu)、符號之間的轉(zhuǎn)換。

學習活動2：物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)和氧化還原反應

活動內(nèi)容：

（1）討論：觀看鈉和氯氣反應的實驗視頻，根據(jù)圖2所示的微觀結(jié)構(gòu)示意圖及相關(guān)過程，分析鈉和氯氣反應劇烈的原因。

（2）分組實驗：取適量酸性高錳酸鉀于試管中，滴加FeCl2溶液，觀察實驗現(xiàn)象，寫出相應的化學方程式。根據(jù)洪特規(guī)則，當價電子排布處于全充滿（p6，d10）或半充滿（p3，d5）和全空（p0，d0）時，為穩(wěn)定狀態(tài)，已知Fe2+價電子排布式為3d6，請分析該反應發(fā)生的原因。

（3）白磷化學性質(zhì)十分活潑，和空氣或潮氣接觸時發(fā)生緩慢的氧化作用，當氧氣充足時，生成P4O10，部分的反應能量以光能的形式放出，這是白磷可以在暗處發(fā)光的原因，叫做磷光現(xiàn)象。已知，白磷和P4O10的結(jié)構(gòu)如圖3所示，討論分析白磷容易發(fā)生反應的原因。

活動設(shè)計意圖分析：

微觀表征是聯(lián)系宏觀表征與符號表征的橋梁與紐帶，是建構(gòu)化學三重表征的關(guān)鍵，微觀表征有助于分析與理解宏觀現(xiàn)象，更有利于符號表征的提煉與符號含義的理解[7]。學生通過微粒結(jié)構(gòu)圖示這種化學特有的符號分析了反應的微觀實質(zhì)，理解鈉原子和氯原子兩者傾向于形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的原因，決定了金屬鈉和氯氣活潑的性質(zhì)，使得兩者相遇時，表現(xiàn)為劇烈燃燒，產(chǎn)生黃色火焰并有大量白煙生成的宏觀現(xiàn)象。

利用化學符號核外電子排式，從微觀層面分析Fe2+和酸性高錳酸鉀溶液的反應的實質(zhì)，F(xiàn)e2+價電子排布式為3d6，容易失去一個電子形成3d5半充滿的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，當把FeCl2溶液加入酸性高錳酸鉀溶液時，酸性高錳酸鉀溶液將Fe2+氧化成Fe3+，自身變?yōu)镸n2+，在宏觀上表現(xiàn)為溶液紫紅色褪去。

當學生構(gòu)建起從微觀結(jié)構(gòu)分析氧化還原反應的思維模型時，以白磷的分子結(jié)構(gòu)為例，分析氧化還原反應的原因。白磷是由P4組成的分子晶體，P原子采用sp3雜化，而鍵角∠PPP僅為60°，使得P4分子中的P-P鍵具有較大的張力，形成彎鍵而易于斷裂，當接觸到空氣中的氧氣時，P4分子中具有張力的P-P鍵因氧氣分子的進攻而斷開[8]，逐步被氧化形成P4O10，如圖4所示，P4O10中的P原子也采用sp3雜化，但鍵角近似為102°，極大地釋放了P4分子的張力，因此白磷化學性質(zhì)十分活潑，易于和氧氣反應而自燃。

原子結(jié)構(gòu)示意圖、電子排布式、分子模型等化學符號為學生提供探查微觀世界的眼睛，降低了學生的微觀認知困難。學生對微觀世界充滿好奇，僅展現(xiàn)微觀物質(zhì)的靜態(tài)特質(zhì)是不夠的，可以借助化學實驗，為學生提供實驗上的感知和驗證，讓其通過實驗探究的宏觀現(xiàn)象體會電子轉(zhuǎn)移的微觀實質(zhì)，再用單雙線橋這種化學符號表示這一微觀的過程，實現(xiàn)宏觀現(xiàn)象，微觀實質(zhì)，化學符號間的轉(zhuǎn)換。

學習活動3：探究氧化還原反應的實質(zhì)，用單雙線橋法表征氧化還原反應

活動內(nèi)容：

（1）分組實驗：將鋅片、銅片、稀硫酸按照如圖5所示的裝置組建實驗裝置，觀察電流計的偏轉(zhuǎn)以及實驗現(xiàn)象。

討論：

①電流計偏轉(zhuǎn)的原因。

②通過鋅和稀硫酸反應的離子方程式，分析化合價的變化和得失電子的關(guān)系，以及電子定向移動的原因。

（2）觀察表示氧化還原反應電子轉(zhuǎn)移和元素化合價升降的兩種方法，如圖6所示。

討論：

①單線橋法和雙線橋法有何異同？哪種能更好的表示電子地轉(zhuǎn)移？

②單線橋法和雙線橋法如何將宏觀-微觀-符號結(jié)合在一起？

（3）閱讀表1中的信息，分別用單雙線橋法表示鈉和水的反應，分析電子轉(zhuǎn)移的方向和數(shù)目，并從微觀結(jié)構(gòu)角度，如圖7所示，解釋鈉和水反應劇烈的原因。

活動設(shè)計意圖分析：

通過鋅銅和稀硫酸構(gòu)成的原電池裝置，引導學生根據(jù)電流計偏轉(zhuǎn)這一宏觀現(xiàn)象探究反應的微觀實質(zhì)，如圖5所示，Zn從0價升高到+2價，化合價升高，失去電子，生成Zn2+，Zn失去的電子被H+得到，使得電子定向移動形成了電流。學生觀察到銅片上有氣體生成，引導學生將觀察到的宏觀現(xiàn)象同微觀實質(zhì)和化學符號建立聯(lián)系，如由于溶液中H+的定向移動，在銅片所在的正極得到電子產(chǎn)生氫氣，人們用電極反應式2H++2e-→H2↑來表示這一過程。

單雙線橋法將氧化還原反應宏觀表現(xiàn)化合價變化和微觀實質(zhì)電子轉(zhuǎn)移的方向和數(shù)目用符號表示出來，可以有效地幫助學生理解氧化劑、還原劑等相關(guān)概念，并從定量的角度分析氧化還原反應。學生根據(jù)相關(guān)資料和信息，小組合作和討論，通過用單雙線橋法分析鈉和水反應，對獲取的信息進行識別和加工，培養(yǎng)學生比較、推理、概括和應用的化學信息能力和遷移能力；根據(jù)鈉和水反應的化學方程式，描述反應的現(xiàn)象，從微觀角度解釋反應劇烈的原因，再從定量角度思考“在標準狀況下，鈉同水反應生成2.24L H2，轉(zhuǎn)移電子物質(zhì)的量是多少”，使得學生分析問題的思路從定性轉(zhuǎn)向定量，同時形成宏觀-微觀-符號三者結(jié)合分析氧化還原反應的思維方法。

三、總結(jié)與反思

應用三重表征的理論，讓學生從本質(zhì)上認識氧化還原反應，開展目標明確的課堂學習活動，讓學生通過自主學習或者小組合作探究的模式，在分析和解決課堂學習活動設(shè)置的問題和活動的過程中，構(gòu)建核心知識目標，促進化學學習能力、化學信息能力和化學實踐能力等關(guān)鍵能力的形成，養(yǎng)成敢于質(zhì)疑的科學精神、實事求是的科學態(tài)度和核心品格。通過本節(jié)課的學習，使學生將認識的角度從宏觀轉(zhuǎn)向微觀，從現(xiàn)象轉(zhuǎn)向本質(zhì)，形成從宏觀辨識物質(zhì)的現(xiàn)象、性質(zhì)，從微觀探究物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和變化的化學研究方法，建立用化學符號表征物質(zhì)的組成結(jié)構(gòu)及性質(zhì)變化過程的思維模式，體會化學符號在溝通宏觀和微觀的橋梁作用。當學生能在不同表征水平之間進行信息轉(zhuǎn)換時，對化學概念的理解就會越來越深刻，構(gòu)建起以三重表征理論分析化學核心知識的思維模型，為后續(xù)元素化合物知識以及原電池和電解池原理等核心知識的學習奠定基礎(chǔ)。

參考文獻

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[3] 王云生.探索課堂學習活動設(shè)計落實核心素養(yǎng)培養(yǎng)要求[J].化學教學，2016（9）：3-6

[4] 胡欣，王喜貴. “宏觀-微觀-符號”三重表征在氧化還原反應概念中的滲透[J].化學教與學，2016（2）：28-30

[5] 吳俊明.關(guān)于核心素養(yǎng)及化學學科核心素養(yǎng)的思考與疑問[J].化學教學，2016（11）：3-8

[7] 吳慶生.化學微觀表征的方法與教學策略[J]. 化學教育，2015（19）：41-44

[8] 武漢大學，吉林大學等編.無機化學（下冊）（第3版）[M].北京：高等教育出版社，1994：674-680