問題驅(qū)動(dòng)，促進(jìn)認(rèn)知模型建構(gòu)

胡先錦

摘要：高中化學(xué)教學(xué)要讓學(xué)生“知道可以通過分析、推理等方法認(rèn)識(shí)研究對(duì)象的本質(zhì)特征、構(gòu)成要素及其相互關(guān)系，建立認(rèn)知模型，并能運(yùn)用模型解釋化學(xué)現(xiàn)象，揭示現(xiàn)象的本質(zhì)和規(guī)律”，“能依據(jù)物質(zhì)及其變化的信息建構(gòu)模型，建立解決復(fù)雜化學(xué)問題的思維框架”。因此，教學(xué)蘇教版高中化學(xué)必修第一冊《氧化還原反應(yīng)》一課時(shí)，基于對(duì)教學(xué)內(nèi)容和學(xué)情的分析，創(chuàng)設(shè)真實(shí)情境，通過問題驅(qū)動(dòng)，引導(dǎo)學(xué)生持續(xù)探究，逐步建構(gòu)科學(xué)的氧化還原反應(yīng)認(rèn)知模型。

關(guān)鍵詞：認(rèn)知模型;高中化學(xué);氧化還原反應(yīng)

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱《課標(biāo)》）指出，要讓學(xué)生“知道可以通過分析、推理等方法認(rèn)識(shí)研究對(duì)象的本質(zhì)特征、構(gòu)成要素及其相互關(guān)系，建立認(rèn)知模型，并能運(yùn)用模型解釋化學(xué)現(xiàn)象，揭示現(xiàn)象的本質(zhì)和規(guī)律”，“能依據(jù)物質(zhì)及其變化的信息建構(gòu)模型，建立解決復(fù)雜化學(xué)問題的思維框架”③。

教學(xué)蘇教版高中化學(xué)必修第一冊《氧化還原反應(yīng)》一課時(shí)，筆者嘗試通過問題驅(qū)動(dòng)，促進(jìn)學(xué)生認(rèn)知模型的建構(gòu)。

一、教學(xué)內(nèi)容與學(xué)情分析

（一）教學(xué)內(nèi)容分析

氧化還原反應(yīng)是中學(xué)化學(xué)的重要內(nèi)容，是學(xué)習(xí)元素及其化合物的重要認(rèn)知載體和認(rèn)知工具。《課標(biāo)》對(duì)這部分內(nèi)容的要求是，“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?！?/p>

本課的主要內(nèi)容有：從元素化合價(jià)變化來判斷氧化還原反應(yīng)，理解其本質(zhì)是電子的轉(zhuǎn)移，能描述氧化還原反應(yīng)的有關(guān)概念，知道常見的氧化劑和還原劑，初步學(xué)會(huì)根據(jù)氧化還原反應(yīng)方程式比較物質(zhì)氧化性、還原性的相對(duì)強(qiáng)弱，了解氧化還原反應(yīng)在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用。其中，重點(diǎn)內(nèi)容是用化合價(jià)升降和電子轉(zhuǎn)移的角度理解氧化還原反應(yīng)，以及氧化劑、還原劑、氧化產(chǎn)物、還原產(chǎn)物的判斷;難點(diǎn)內(nèi)容是理解氧化還原反應(yīng)的本質(zhì)。

氧化還原反應(yīng)的理論模型如圖1所示。

（二）學(xué)情分析

高一學(xué)生原有對(duì)氧化還原反應(yīng)的認(rèn)知模型主要是九年級(jí)階段的“氧氣模型”（有氧氣參加的反應(yīng)）和“路徑模型”（氫氣與氧化銅加熱反應(yīng)中，氫得氧，發(fā)生氧化反應(yīng);氧化銅失氧，發(fā)生還原反應(yīng)）。對(duì)照氧化還原反應(yīng)的理論模型，學(xué)生的認(rèn)知中還沒有“價(jià)態(tài)模型”（反應(yīng)中有元素化合價(jià)變化的反應(yīng)為氧化還原反應(yīng)）和“電子模型”（氧化還原反應(yīng)的本質(zhì)是電子的轉(zhuǎn)移）。

二、學(xué)習(xí)目標(biāo)

1.通過實(shí)驗(yàn)探究，認(rèn)識(shí)氧化還原反應(yīng)中有元素化合價(jià)的變化，反應(yīng)過程中有電子的轉(zhuǎn)移，從而理解氧化還原反應(yīng)的本質(zhì)。

2.基于已有認(rèn)知模型，通過對(duì)氧化還原反應(yīng)的特征和本質(zhì)的分析，學(xué)習(xí)由表及里的科學(xué)思維和邏輯推理等科學(xué)方法，進(jìn)行認(rèn)知模型的修正和完善，逐步建構(gòu)科學(xué)的氧化還原反應(yīng)認(rèn)知模型。

3.通過對(duì)氧化劑、還原劑、氧化產(chǎn)物、還原產(chǎn)物的判斷和對(duì)物質(zhì)氧化性、還原性相對(duì)強(qiáng)弱的比較，認(rèn)識(shí)“氧化”和“還原”，體會(huì)對(duì)立統(tǒng)一的辯證思想。

4.通過氧化還原反應(yīng)認(rèn)知模型的實(shí)踐應(yīng)用，體驗(yàn)化學(xué)概念從生活經(jīng)驗(yàn)到科學(xué)理性的過程，認(rèn)同化學(xué)學(xué)科的社會(huì)價(jià)值和生活意義。

三、教學(xué)過程

本課的教學(xué)流程如下頁圖2所示：通過創(chuàng)設(shè)情境，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和問題探究意識(shí);基于認(rèn)知水平的層進(jìn)，推動(dòng)學(xué)生對(duì)氧化還原反應(yīng)內(nèi)容進(jìn)行持續(xù)探究和學(xué)習(xí);引導(dǎo)學(xué)生不斷修正和完善已有的氧化還原反應(yīng)認(rèn)知模型，逐步建構(gòu)科學(xué)的氧化還原反應(yīng)認(rèn)知模型。

（一）創(chuàng)設(shè)情境，從“氧氣模型”出發(fā)

用破壁機(jī)現(xiàn)場榨取果汁，先榨取一杯蘋果汁，用玻璃杯盛裝后，拿著在教室內(nèi)走動(dòng)，供學(xué)生觀察，發(fā)現(xiàn)蘋果汁很快變色;再榨取一杯檸檬蘋果混合汁，同樣操作，發(fā)現(xiàn)混合汁不會(huì)很快變色。

提出問題：為什么蘋果汁會(huì)很快變色，而檸檬蘋果混合汁不會(huì)呢？

預(yù)設(shè)：蘋果汁被氧化了;檸檬汁可以保護(hù)蘋果汁不被氧化。

百度搜索“蘋果汁為什么變色”，得到：酚類化合物易被氧化成醌類化合物，即發(fā)生變色反應(yīng)變成黃色，隨著反應(yīng)的量的增加，顏色逐漸加深，最后變成深褐色。

用生活中的真實(shí)現(xiàn)象，讓學(xué)生感同身受的同時(shí)激起好奇心和求知欲，為課堂的推進(jìn)創(chuàng)設(shè)積極氛圍，為認(rèn)知模型的修正創(chuàng)設(shè)必要的認(rèn)知情境。讓學(xué)生直接了解蘋果變色是由于酚類化合物被氧化成醌類化合物，將學(xué)生初中階段最先持有“氧氣模型”作為課堂的認(rèn)知起點(diǎn)。

（二）回顧舊知，向“路徑模型”轉(zhuǎn)化

提出問題：回顧初中階段學(xué)習(xí)過的H2還原CuO的知識(shí)，如何用雙線橋法分析標(biāo)注？

學(xué)生回顧氧化還原反應(yīng)的初始認(rèn)知——得氧為氧化反應(yīng)，失氧為還原反應(yīng)。由此，得到圖3所示的氧化還原反應(yīng)“路徑模型”。

H2+CuO△H得氧，發(fā)生氧化反應(yīng)2O+Cu失氧，發(fā)生還原反應(yīng)

通過分析H2還原CuO的反應(yīng)，帶領(lǐng)學(xué)生從“氧氣模型”上升到“得氧失氧”的“路徑模型”，并引出分析氧化還原反應(yīng)的基本方法之一——雙線橋法。

（三）初步延伸，往“價(jià)態(tài)模型”修正

提出問題：觀察H2還原CuO的反應(yīng)中元素化合價(jià)的變化，結(jié)合前一階段學(xué)習(xí)過的氧化還原反應(yīng)基本概念，如何判斷一個(gè)化學(xué)反應(yīng)是不是氧化還原反應(yīng)？

預(yù)設(shè)：有元素化合價(jià)變化的反應(yīng)就是氧化還原反應(yīng)。

引導(dǎo)：鈉在氯氣中的燃燒反應(yīng)，也存在著元素化合價(jià)的變化，也就屬于氧化還原反應(yīng)。用雙線橋法參照H2還原CuO的反應(yīng)進(jìn)行分析（如圖4所示）。

Cl2+2Na點(diǎn)燃2Na化合價(jià)升高，發(fā)生氧化反應(yīng)Cl化合價(jià)降低，發(fā)生還原反應(yīng)

學(xué)生獲得氧化還原反應(yīng)的進(jìn)階認(rèn)知——元素化合價(jià)發(fā)生變化，同時(shí)改變原有的對(duì)燃燒的認(rèn)識(shí)（燃燒不一定需要氧氣參加）。

引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合兩個(gè)化學(xué)反應(yīng)，進(jìn)一步認(rèn)知氧化還原反應(yīng)的外顯特征是有元素化合價(jià)變化，從而將學(xué)生的認(rèn)知模型轉(zhuǎn)變到“價(jià)態(tài)模型”。

（四）微觀分析，促“電子模型”建構(gòu)

提出問題：為什么在氧化還原反應(yīng)中會(huì)出現(xiàn)元素化合價(jià)的變化？其本質(zhì)原因是什么？

引導(dǎo)學(xué)生從原子結(jié)構(gòu)視角，分析金屬鈉在氯氣中燃燒的微觀歷程（如圖5所示）。

提出問題：是不是所有氧化還原反應(yīng)都一定發(fā)生電子的得失？

引導(dǎo)學(xué)生嘗試從原子結(jié)構(gòu)視角，分析H2在Cl2中燃燒反應(yīng)的微觀歷程，獲得“共用電子對(duì)”的認(rèn)知，理解氧化還原反應(yīng)中電子轉(zhuǎn)移是電子的得失或共用電子對(duì)的偏移。

學(xué)生形成氧化還原反應(yīng)的本質(zhì)認(rèn)知——電子的轉(zhuǎn)移（電子的得失或偏移）。

提出問題：從電子轉(zhuǎn)移視角，如何用雙線橋分析鋅和稀硫酸反應(yīng)生成硫酸鋅和氫氣？

學(xué)生嘗試，得到圖6。

Zn+H2SO4Zn化合價(jià)升高，失去2e-，發(fā)生氧化反應(yīng)SO4+H2化合價(jià)降低，得到2e-，發(fā)生還原反應(yīng)↑

引導(dǎo)：當(dāng)然，電子轉(zhuǎn)移的方向和數(shù)目也可以簡化表示，（出示圖7）即單線橋法。

Zn+H22e-SO4ZnSO4+H2↑

借助原子結(jié)構(gòu)的變化分析，認(rèn)識(shí)元素化合價(jià)變化的內(nèi)在原因，將認(rèn)知模型進(jìn)一步提升到“電子模型”，增進(jìn)對(duì)氧化還原反應(yīng)的本質(zhì)理解。接著，進(jìn)一步完善分析氧化還原反應(yīng)的認(rèn)知模型，引導(dǎo)學(xué)生在鞏固雙線橋法的同時(shí)，領(lǐng)會(huì)單線橋法能更加直觀地體現(xiàn)電子的轉(zhuǎn)移，并為后續(xù)的實(shí)驗(yàn)探究做鋪墊。

（五）實(shí)驗(yàn)探究，讓“電子模型”可視

提出問題：我們從理論的視角分析了氧化還原反應(yīng)的本質(zhì)是電子的轉(zhuǎn)移，那么，在反應(yīng)過程中，到底是否有電子的轉(zhuǎn)移呢？能夠通過實(shí)驗(yàn)證明嗎？在初中的學(xué)習(xí)中，我們已經(jīng)知道電子的定向移動(dòng)能夠產(chǎn)生電流，怎樣驗(yàn)證有電流的產(chǎn)生呢？

預(yù)設(shè)：借助電流計(jì)。

提示：可以參照測量干電池中產(chǎn)生的電流的方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究。

提供干電池、導(dǎo)線、電流計(jì)、鋅片、稀硫酸、石墨棒、燒杯等實(shí)驗(yàn)用品，引導(dǎo)學(xué)生實(shí)驗(yàn)探究：類比測量干電池中產(chǎn)生的電流實(shí)驗(yàn)（實(shí)驗(yàn)裝置圖如圖8所示），設(shè)計(jì)氧化還原反應(yīng)產(chǎn)生電流的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)（實(shí)驗(yàn)裝置圖如圖9所示），通過觀察電流計(jì)指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)來說明電子的轉(zhuǎn)移。

引領(lǐng)學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，培育學(xué)生理論分析與實(shí)驗(yàn)探究相結(jié)合的學(xué)科思維，強(qiáng)化氧化還原反應(yīng)認(rèn)知的“電子模型”。同時(shí)，滲透氧化還原反應(yīng)為電池制造提供了反應(yīng)原理的學(xué)科思維，為今后學(xué)習(xí)電化學(xué)知識(shí)做孕伏。

（六）全面深化，建構(gòu)科學(xué)認(rèn)知模型

借助雙線橋法，以鋅和稀硫酸反應(yīng)為例，分析氧化還原反應(yīng)中各種物質(zhì)所承擔(dān)的反應(yīng)角色，得到如圖10所示的氧化還原反應(yīng)科學(xué)心智模型。

從化合價(jià)變化、電子轉(zhuǎn)移的角度，共同分析并初步理解氧化劑、還原劑、氧化產(chǎn)物和還原產(chǎn)物。在此基礎(chǔ)上，引出氧化性、還原性的概念，建立“在氧化還原反應(yīng)中，氧化劑得到電子，表現(xiàn)出氧化性;還原劑失去電子，表現(xiàn)出還原性”的基本認(rèn)識(shí)。

提出問題：從化合價(jià)變化或者電子轉(zhuǎn)移的角度來看，氧化劑具有氧化性，氧化產(chǎn)物也具有氧化性，那么，一種具有氧化性的物質(zhì)（氧化劑）參加反應(yīng)，生成另一種具有氧化性的物質(zhì)（氧化產(chǎn)物），是不是存在矛盾呢？

提示：聯(lián)系初中階段學(xué)習(xí)的“強(qiáng)酸制弱酸”的知識(shí)思考。

持續(xù)推進(jìn)探究活動(dòng)，通過較簡單的反應(yīng)實(shí)例，幫助學(xué)生厘清氧化還原反應(yīng)中電子轉(zhuǎn)移的數(shù)目、方向和氧化劑、還原劑等基本概念，從而確立科學(xué)的氧化還原反應(yīng)認(rèn)知模型。同時(shí)，初步形成氧化性、還原性相對(duì)強(qiáng)弱比較的“強(qiáng)制弱”觀念。

（七）回歸實(shí)踐，應(yīng)用科學(xué)認(rèn)知模型

提出問題：（端起留下來的兩份果汁）分析鮮榨蘋果汁變色的原因（被空氣中的氧氣氧化），分析檸檬蘋果混合汁顏色幾乎沒有變化的原因。

預(yù)設(shè)：（1）蘋果汁被氧氣氧化后，又被檸檬汁還原回來（實(shí)際上沒有先后）;（2）檸檬汁代替蘋果汁被氧氣氧化，從而保護(hù)蘋果汁，起到抗氧化作用;（3）蘋果汁和檸檬汁都會(huì)被氧氣氧化，但是檸檬汁會(huì)先被氧化。

鏈接信息：檸檬中富含具有強(qiáng)還原性的維生素C，比蘋果中含有的酚類化合物的還原性更強(qiáng)。

布置任務(wù)：從氧化還原反應(yīng)的視角，選擇合適的試劑探究維生素C的還原性。

鏈接信息：圖片展示補(bǔ)鐵劑、苯酚軟膏等藥品使用說明書中關(guān)于抗氧化的信息，以及食品包裝袋內(nèi)的抗氧化劑等。

課尾，在呼應(yīng)課堂開頭設(shè)置的情境的同時(shí)，引導(dǎo)學(xué)生將化學(xué)知識(shí)與日常生活實(shí)際緊密聯(lián)系，畢竟“紙上得來終覺淺”，使學(xué)生真切感受到“化學(xué)就在身邊”。通過理論分析和實(shí)驗(yàn)探究，強(qiáng)化氧化還原反應(yīng)的科學(xué)認(rèn)知模型，并在實(shí)踐中運(yùn)用模型開展探究。