概念轉(zhuǎn)變視角下的思維框架法教學(xué)設(shè)計(jì)

高韋華 魏建業(yè)

摘要：概念是學(xué)生認(rèn)識(shí)事物的“基元”，也是學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)知識(shí)的媒介。學(xué)生在開始構(gòu)建科學(xué)概念之前受諸多已有因素影響，這些因素可能會(huì)導(dǎo)致他們在理解和應(yīng)用新概念時(shí)存在不同程度的偏差，進(jìn)而發(fā)展成迷思概念。因此，采用恰當(dāng)?shù)慕虒W(xué)策略及方法轉(zhuǎn)變學(xué)生已有迷思概念，進(jìn)而提高學(xué)生對于概念的應(yīng)用水平具有重要意義。

關(guān)鍵詞：概念轉(zhuǎn)變；氧化還原反應(yīng)；思維框架法

文章編號(hào)：1008-0546（2022）12-0046-05

中圖分類號(hào)：G632.41

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi： 10.3969/j .issn.1008-0546.2022.12.012

化學(xué)概念是化學(xué)的核心部分，與課程標(biāo)準(zhǔn)提出的五大核心素養(yǎng)之間有著密不可分的聯(lián)系。而氧化還原反應(yīng)相關(guān)概念的理解和應(yīng)用是貫穿中學(xué)化學(xué)知識(shí)體系中的一條重要的知識(shí)線，是中學(xué)化學(xué)教學(xué)中的重點(diǎn)，也是學(xué)生迷思概念較為集中的地方。本文擬介紹一種經(jīng)證實(shí)對轉(zhuǎn)變學(xué)生迷思概念有積極作用的教學(xué)方法——思維框架法[Teaching Frames Approach（TFA）]。[1]以“氧化還原反應(yīng)”這一中學(xué)化學(xué)中重要的基礎(chǔ)概念為突破口，嘗試應(yīng)用思維框架法進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)和實(shí)踐，對學(xué)生存在的迷思概念進(jìn)行轉(zhuǎn)變，旨在幫助學(xué)生形成對氧化還原反應(yīng)相關(guān)概念的科學(xué)理解，同時(shí)為廣大一線教師提供概念教學(xué)方面的一個(gè)參考模式。

一、思維框架法簡介

思維框架法是一種利用認(rèn)知沖突策略使學(xué)生的迷思概念外顯并轉(zhuǎn)變的系統(tǒng)方法。它的整個(gè)過程立足于師生對話和生生對話等啟發(fā)性社會(huì)活動(dòng)，通過這種社會(huì)構(gòu)建的方式將學(xué)生的思維外顯，從而為教師的教學(xué)重點(diǎn)提供可靠的參考，有利于針對性地轉(zhuǎn)變異質(zhì)小團(tuán)體（學(xué)生層級(jí)存在差異的小組）中存在的迷思概念。

思維框架法的教學(xué)模式如下：課程開始之前，教師事先根據(jù)教學(xué)內(nèi)容精心設(shè)計(jì)思維框架法學(xué)習(xí)單和演示實(shí)驗(yàn)，見圖1。

在演示實(shí)驗(yàn)開始之前，學(xué)生根據(jù)學(xué)習(xí)單的指引，分組討論并預(yù)測演示實(shí)驗(yàn)結(jié)果，按照教師指引完成學(xué)習(xí)單的相應(yīng)內(nèi)容，然后向全班闡述自己這樣預(yù)測的原因。在觀察演示實(shí)驗(yàn)后，學(xué)生與小組成員討論、解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，他們會(huì)將經(jīng)小組討論后認(rèn)可的解釋，口頭闡述給整個(gè)班級(jí)的學(xué)生，老師使用蘇格拉底式的提問來引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建科學(xué)的模型并完善自己的解釋。整個(gè)流程大致符合預(yù)測—討論一解釋一觀察一討論—解釋（ Predict- Discuss- Explain- Observe- Discuss- Explain）（PDEODE）策略。教師的提問鼓勵(lì)學(xué)生將科學(xué)的本體論模型應(yīng)用到觀察到的現(xiàn)象中，學(xué)生通過口頭、圖片和書面的解釋，共同構(gòu)建科學(xué)認(rèn)知模型，理解科學(xué)概念。最后，學(xué)生使用一個(gè)叫做“水平山”的測量工具來評(píng)價(jià)自己的課堂表現(xiàn)和收獲，[2]見圖2。

二、教學(xué)背景分析

1．教學(xué)內(nèi)容和學(xué)情分析

本節(jié)是蘇教版必修一專題三“從海水中獲得化學(xué)物質(zhì)”第一單元氯氣及氯的化合物第三節(jié)的內(nèi)容。氧化還原反應(yīng)是中學(xué)化學(xué)概念中的一個(gè)核心概念，它貫穿于整個(gè)中學(xué)化學(xué)教材，對于發(fā)展學(xué)生的核心素養(yǎng)，引導(dǎo)學(xué)生有效進(jìn)行整個(gè)高中階段的化學(xué)學(xué)習(xí)，具有不可替代的作用。

通過初中化學(xué)的學(xué)習(xí)，學(xué)生已經(jīng)掌握四大基本反應(yīng)類型，他們在高一也已經(jīng)學(xué)習(xí)過一些重要元素及其化合物的知識(shí)，對化合價(jià)并不陌生，能夠從得失氧以及化合價(jià)變化的角度認(rèn)識(shí)氧化還原反應(yīng)。但是，由于缺乏相應(yīng)的原子結(jié)構(gòu)和化學(xué)鍵的知識(shí)，往往很難建立起氧化還原反應(yīng)的本質(zhì)是電子轉(zhuǎn)移的觀念。此外，學(xué)生對于化學(xué)反應(yīng)微觀層面的認(rèn)識(shí)較少，而且存在著模糊或不科學(xué)的認(rèn)識(shí)。

本設(shè)計(jì)采用思維框架法教學(xué)模式，以學(xué)生為主體，嘗試外顯他們頭腦中的迷思概念，在教學(xué)過程中予以適當(dāng)?shù)膯l(fā)問題和引導(dǎo)，幫助他們實(shí)現(xiàn)對迷思概念的自我發(fā)現(xiàn)和轉(zhuǎn)變。

2．教學(xué)目標(biāo)

（1）認(rèn)知化學(xué)實(shí)驗(yàn)中和生活中常見的氧化劑和還原劑，能找出化學(xué)反應(yīng)中的氧化劑、還原劑、氧化產(chǎn)物和還原產(chǎn)物，對于確定的方程式能定量知道它們的比值。

（2）通過實(shí)驗(yàn)初步學(xué)會(huì)設(shè)計(jì)驗(yàn)證物質(zhì)的氧化性和還原性的思路，提升證據(jù)推理和模型認(rèn)知的核心素養(yǎng)。

（3）通過對氧化劑和還原劑的研究過程，體會(huì)研究物質(zhì)性質(zhì)的一般方法，通過滲透化學(xué)中的哲學(xué)思想，培養(yǎng)學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣，增強(qiáng)科學(xué)探究和創(chuàng)新能力。

三、教學(xué)流程和教學(xué)思路

基于學(xué)生對物質(zhì)的氧化性和還原性和物質(zhì)元素化合價(jià)的關(guān)系還存在一定迷思概念，本設(shè)計(jì)把化合價(jià)作為切人點(diǎn)，結(jié)合兩個(gè)典型的實(shí)驗(yàn)制造學(xué)生的認(rèn)知沖突，啟發(fā)思維，引導(dǎo)學(xué)生從化合價(jià)的角度去認(rèn)識(shí)和判斷物質(zhì)的氧化性和還原性，教學(xué)流程見圖3。設(shè)計(jì)采用實(shí)驗(yàn)法、對比法和化學(xué)建模等多種教學(xué)方法，傳授科學(xué)方法的同時(shí)，滲透化學(xué)中的哲學(xué)思想。

四、教學(xué)過程

考慮到中國學(xué)生的學(xué)情，整堂課全部采用思維框架法的模式可能導(dǎo)致不能完成全部教學(xué)任務(wù)，因此本設(shè)計(jì)只將“環(huán)節(jié)三”部分設(shè)計(jì)為思維框架法教學(xué)模式，并將其融合到完整課堂中。下文將重點(diǎn)介紹思維框架法環(huán)節(jié)的教學(xué)片段。

環(huán)節(jié)三、價(jià)態(tài)律（TFA教學(xué)環(huán)節(jié)）

【啟發(fā)性提問】請同學(xué)們再思考，實(shí)驗(yàn)室制氯氣的反應(yīng)中濃鹽酸中氯的化合價(jià)是多少？它是否還容易降低？為什么？

【學(xué)生交流回答】氯離子最外層電子數(shù)是8，達(dá)到相對穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，很難再得電子使化合價(jià)降低。

【追問】二氧化硫與硫化氫氣體的反應(yīng)中硫化氫中的硫元素的化合價(jià)是一2價(jià)，是否容易降低？二氧化硫中硫元素的化合價(jià)還容易再升嗎？還容易再降嗎？請同學(xué)們結(jié)合原子核外電子排布做出科學(xué)的解釋。

【教師小結(jié)】看來物質(zhì)的氧化性和還原性與元素化合價(jià)有一定的關(guān)聯(lián)。接下來用兩個(gè)實(shí)驗(yàn)來探究一下其中的聯(lián)系。

【實(shí)驗(yàn)1】過氧化氫和淀粉碘化鉀反應(yīng)。在盛有2-3 mL碘化鉀的試管中逐滴滴加濃度為5%過氧化氫溶液，振蕩后觀察現(xiàn)象。

【提出問題】實(shí)驗(yàn)演示之前我們先分析一下反應(yīng)物的化合價(jià)，預(yù)測一下可能會(huì)生成的產(chǎn)物，和可能會(huì)發(fā)生的現(xiàn)象，嘗試做出解釋完成思維框架表的相應(yīng)內(nèi)容。同學(xué)們可以小組內(nèi)討論5 min。

【學(xué)生】小組討論，頭腦風(fēng)暴，想出與現(xiàn)象有關(guān)的關(guān)鍵詞，發(fā)表預(yù)測的看法。

【教師引導(dǎo)過渡】我們看到過氧化氫中的氧是一1價(jià)，它既可以升高到0價(jià)生成氧氣，也可以降低生成一2價(jià)的水。

【教師引導(dǎo)提問】你們覺得在這個(gè)實(shí)驗(yàn)里面它應(yīng)該是升還是降？氧化還原反應(yīng)里有升必有降，如果過氧化氫中氫元素的化合價(jià)上升那么另一個(gè)物質(zhì)KI里有元素能降低嗎？

【學(xué)生】分析原子、離子結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)KI中元素化合價(jià)都不容易降低。

【教師追問】那么這里的過氧化氫中氧元素化合價(jià)應(yīng)該是降低的。也就是說KI中有元素要升高，什么元素呢？

【學(xué)生】思考、組內(nèi)討論、修改自己的預(yù)測，再發(fā)表看法。

【演示實(shí)驗(yàn)】接下來我們就用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證一下是不是有碘單質(zhì)生成。同學(xué)們觀察到什么現(xiàn)象？與你們預(yù)測的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象一致嗎？如果一致，請你做出科學(xué)的解釋并完成思維框架表，如果不一致，請思考原因與小組同學(xué)交流討論。

【學(xué)生】組內(nèi)討論，按照關(guān)鍵詞之間的關(guān)系和順序?qū)⑦@些詞組成句子和段落，最后完成思維框架表，發(fā)表自己的看法。

【教師引導(dǎo)】實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)無色溶液變成淺黃色。溶液變成淺黃色能說明有碘單質(zhì)生成嗎？檢驗(yàn)碘單質(zhì)的方法是什么？滴加淀粉溶液后溶液變藍(lán)了。說明實(shí)驗(yàn)確實(shí)有碘單質(zhì)生成。

【教師追問】請同學(xué)分析這個(gè)實(shí)驗(yàn)過程KI中元素化合價(jià)發(fā)生了什么變化？作什么劑？體現(xiàn)什么性質(zhì)？同樣反應(yīng)過程中過氧化氫中的元素發(fā)生什么變化？作什么劑？體現(xiàn)什么性質(zhì)？

【學(xué)生】學(xué)生討論、分析、交流。

【實(shí)驗(yàn)2】請同學(xué)們按照老師剛才的思路從化合價(jià)的角度分析第二個(gè)實(shí)驗(yàn)：酸性高錳酸鉀和過氧化氫反應(yīng)，完成思維框架表的相應(yīng)部分。

【學(xué)生】自主探究，應(yīng)用科學(xué)方法分析變價(jià)元素。小組討論，頭腦風(fēng)暴，發(fā)表預(yù)測結(jié)果的看法。

【教師引導(dǎo)】高錳酸鉀中錳元素已經(jīng)是+7價(jià)了，你們見過化合物中錳元素比+7價(jià)還要高的價(jià)態(tài)嗎？

【學(xué)生】交流、回答。

【教師引導(dǎo)追問】錳元素是不是沒有比+7價(jià)還要高的價(jià)態(tài)了呢？所以高錳酸鉀中錳元素的化合價(jià)可能會(huì)發(fā)生怎么樣的變化？過氧化氫中的氧元素的化合價(jià)又會(huì)發(fā)生什么變化？

【學(xué)生】小組內(nèi)討論，發(fā)表看法。

【演示實(shí)驗(yàn)】取1-2 9高錳酸鉀于試管，加入15 mL左右蒸餾水，滴加幾滴稀硫酸，逐滴滴加濃度為5%的過氧化氫溶液。振蕩后觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

【提問】同學(xué)們觀察到什么現(xiàn)象？與你們預(yù)測的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象一致嗎？如果一致請科學(xué)地做出解釋并完成思維框架表，如果不一致請思考原因并與小組同學(xué)討論。

【學(xué)生】高錳酸鉀褪色，有氣泡產(chǎn)生，帶火星的木條伸到瓶口，木條復(fù)燃。

說明確實(shí)有氧氣生成。

【教師追問】請同學(xué)分析這個(gè)變化過程中高錳酸鉀中錳元素的化合價(jià)發(fā)生了怎么樣的變化？作什么劑？體現(xiàn)什么性質(zhì)？同樣這里的過氧化氫發(fā)生什么變化？作什么劑？體現(xiàn)什么性質(zhì)？

【學(xué)生】小組討論，修改自己預(yù)測的結(jié)果，完善思維框架表，發(fā)表自己的看法。

【教師小結(jié)】我們可以看到，過氧化氫中氧元素的化合價(jià)是一1價(jià)，而氧元素常見的價(jià)態(tài)有0和一2。也就是說一1是處在0和一2之間的中間價(jià)態(tài)。因此它的化合價(jià)可以升高也可以下降。所以在遇到不同的物質(zhì)或者在不同環(huán)境下可以表現(xiàn)出氧化性也可以表現(xiàn)出還原性。過氧化氫在第一個(gè)反應(yīng)充當(dāng)氧化劑，而到了第二個(gè)反應(yīng)就變成了還原劑。

【追問】所以說，一種物質(zhì)體現(xiàn)氧化性還是還原性是絕對的嗎？

【學(xué)生】思考，回答。

【教師總結(jié)】很好，氧化劑和還原劑并不是絕對的，不同的反應(yīng)同一種物質(zhì)可能是氧化劑也可能是還原劑，但是通過化合價(jià)我們可以初步判斷物質(zhì)可能具有氧化性還是還原性或者兩者都有。這也是哲學(xué)思想滲透在化學(xué)中的矛盾的對立統(tǒng)一。

常見的氧化劑有：活潑的非金屬單質(zhì)、含有較高化合價(jià)元素的化合物、含有較高化合價(jià)金屬陽離子的化合物。常見的還原劑有：活潑金屬、含有較低化合價(jià)元素的化合物、某些非金屬單質(zhì)[3]。具有中間化合價(jià)元素的化合物可能既是氧化劑又是還原劑。

【環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)意圖】把學(xué)生作為課堂的主體，讓學(xué)生自主發(fā)現(xiàn)自己的迷思概念，教師通過不斷地追問和引導(dǎo)，使學(xué)生轉(zhuǎn)變自己的迷思概念。氧化劑和還原劑本就是從得失電子的角度對常見物質(zhì)進(jìn)行的分類，對它們進(jìn)一步從價(jià)態(tài)的角度進(jìn)行分析有助于學(xué)生清晰、有序地認(rèn)識(shí)常見的氧化劑和還原劑，也便于后續(xù)對強(qiáng)弱規(guī)律的系統(tǒng)學(xué)習(xí)。同時(shí)，加深學(xué)生對氧化劑和還原劑的認(rèn)識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生用哲學(xué)的角度看待化學(xué)反應(yīng)，用變化、發(fā)展的眼光看問題。使學(xué)生認(rèn)識(shí)氧化還原反應(yīng)中，沒有“絕對的”氧化劑和還原劑，根據(jù)反應(yīng)事實(shí)所得出的結(jié)論一定有它的條件，條件改變，這些結(jié)論自然也要隨之發(fā)生變化。

五、教學(xué)反思與建議

1．針對性選題，強(qiáng)化迷思概念轉(zhuǎn)變效果

在教學(xué)過程中需要針對學(xué)生易產(chǎn)生迷思概念的部分采用思維框架模式。氧化還原反應(yīng)作為基礎(chǔ)性知識(shí)應(yīng)用范圍廣，能夠幫助學(xué)生從化合價(jià)的角度預(yù)測物質(zhì)的性質(zhì)，發(fā)展學(xué)生的微觀認(rèn)識(shí)，培養(yǎng)宏觀辨識(shí)和微觀探析的核心素養(yǎng)，有利于建構(gòu)化學(xué)新思維。從氧化還原反應(yīng)角度認(rèn)識(shí)物質(zhì)的性質(zhì)有其獨(dú)特的化學(xué)視角和一般規(guī)律。該階段高一學(xué)生對氧化還原反應(yīng)物質(zhì)的判斷掌握較好，但是沒有形成對氧化還原反應(yīng)的動(dòng)態(tài)認(rèn)識(shí)，知識(shí)遷移能力較差。例如：如果他們確定某物質(zhì)在某一反應(yīng)中為氧化劑，那么就會(huì)認(rèn)為在其他的化學(xué)反應(yīng)中也是作氧化劑。這個(gè)想法會(huì)進(jìn)一步對學(xué)生之后的學(xué)習(xí)，尤其在判斷有陌生物質(zhì)參加的氧化還原反應(yīng)中的氧化劑、還原劑時(shí)，產(chǎn)生很大干擾，造成迷思概念。因此本課時(shí)的思維框架教學(xué)環(huán)節(jié)把重點(diǎn)放在解決氧化還原反應(yīng)中的價(jià)態(tài)律，基于學(xué)生的問題開展教學(xué)。這種模式力求從知識(shí)本質(zhì)出發(fā)，使學(xué)生思維過程外顯，并使學(xué)生在反思過程中修正自己的迷思概念，有利于擺脫純粹知識(shí)的教學(xué)。

2．以學(xué)生為中心，培養(yǎng)自主學(xué)習(xí)化學(xué)的能力

在實(shí)驗(yàn)前后通過一系列問題串來引導(dǎo)學(xué)生的思維活動(dòng)，全程把課堂交還給學(xué)生，只是在學(xué)生的討論過程中給予適當(dāng)?shù)淖穯柵c引導(dǎo)，并在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候做些許補(bǔ)充和小結(jié)。整個(gè)過程重點(diǎn)放在對學(xué)生思維的引導(dǎo)與啟發(fā)，充分發(fā)揮了學(xué)生的自主性和課堂參與度，學(xué)生在教師的引導(dǎo)下，主動(dòng)反思并建構(gòu)科學(xué)的認(rèn)知模型，培養(yǎng)自身證據(jù)推理和模型構(gòu)建的核心素養(yǎng)。整個(gè)課堂氛圍較好并取得良好的教學(xué)效果。

3．手口并用，發(fā)展多面能力

思維框架教學(xué)法需要學(xué)生自己想出與課程相關(guān)的關(guān)鍵詞，并通過他們適當(dāng)?shù)靥幚?，形成自己的科學(xué)解釋。期間，完成思維框架表的過程極大鍛煉了學(xué)生的想象力和書面表達(dá)能力。在學(xué)生需要向全班進(jìn)行解釋的時(shí)候又鍛煉了自身的口頭表達(dá)能力和在演講時(shí)的信心。因此思維框架法不僅僅立足于知識(shí)本身，更鍛煉了學(xué)生的多方面的能力。

4．結(jié)合國情，發(fā)揮思維框架法的作用

思維框架教學(xué)法在國外科學(xué)教育中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，且已取得了良好的反饋。但目前國內(nèi)的相關(guān)研究尚缺乏。在國外，科學(xué)教育的對象大多是兒童，他們有大量的課時(shí)進(jìn)行探究，思維框架教學(xué)法往往應(yīng)用于一個(gè)相對抽象龐大的主題，往往需要消耗大半學(xué)期甚至一學(xué)期的課時(shí)。然而，國內(nèi)化學(xué)教學(xué)面對的最小年齡的群體都已經(jīng)是初三的學(xué)生，他們面臨較大的升學(xué)壓力，同時(shí)教師也面臨嚴(yán)峻教學(xué)任務(wù)，高中的課時(shí)更是寶貴?？紤]到中國化學(xué)教學(xué)的形勢，筆者建議將思維框架教學(xué)法融合到一個(gè)課時(shí)的某個(gè)環(huán)節(jié)中去，這樣既能在一定程度上發(fā)揮思維框架法的作用，又不影響正常的教學(xué)任務(wù)。

綜上所述，思維框架教學(xué)法有其獨(dú)特的優(yōu)勢，同時(shí)又面臨不小的挑戰(zhàn)，比如課時(shí)環(huán)節(jié)應(yīng)如何合理安排以及適合設(shè)計(jì)成思維框架教學(xué)法的主題有哪些等，這需要廣大教師繼續(xù)深入研究、完善與應(yīng)用，并在實(shí)踐中進(jìn)行摸索和改進(jìn)。

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