基于模型建構(gòu)的高三化學(xué)復(fù)習(xí)教學(xué)實踐
——以“工藝流程題中情境型氧化還原反應(yīng)方程式的書寫”為例

張杰華 孫應(yīng)倫

(1.云南省云南師范大學(xué)附屬中學(xué);2.云南省昆明市教育科學(xué)研究院)

一、理論依據(jù)

《中國高考評價體系》指出,高考以“核心價值、學(xué)科素養(yǎng)、關(guān)鍵能力、必備知識”為考查內(nèi)容,以“基礎(chǔ)性、綜合性、應(yīng)用性、創(chuàng)新性”為考查要求,這為基礎(chǔ)教育課程指明了培養(yǎng)目標(biāo)及要求。高中化學(xué)課程承載著培養(yǎng)學(xué)生學(xué)科素養(yǎng)的重要功能,是發(fā)展學(xué)生化學(xué)學(xué)科素養(yǎng)的載體,學(xué)科素養(yǎng)的發(fā)展離不開學(xué)科必備知識的儲備和關(guān)鍵能力的形成。因此,如何在高三復(fù)習(xí)階段進(jìn)一步幫助學(xué)生鞏固學(xué)科必備知識、發(fā)展學(xué)科關(guān)鍵能力、提升學(xué)科核心素養(yǎng)尤為重要。

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》(2017年版2020年修訂)(以下簡稱“課程標(biāo)準(zhǔn)”)指出:“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”是化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的組成要素之一,并在其內(nèi)涵中描述到“知道可以通過分析、推理等方法認(rèn)識研究對象的本質(zhì)特征、構(gòu)成要素及其相互關(guān)系,建立認(rèn)知模型”;“模型認(rèn)知”素養(yǎng)不僅僅包括化學(xué)學(xué)科中已有的科學(xué)模型,還包括學(xué)生在化學(xué)學(xué)習(xí)過程中的分析、解決問題的思維模型。課程標(biāo)準(zhǔn)對學(xué)生學(xué)業(yè)質(zhì)量提出了如下的相關(guān)要求:“能在物質(zhì)及其變化的情境中,依據(jù)需要選擇不同方法,從不同角度對物質(zhì)及其變化進(jìn)行分析和判斷”“能選擇簡明、合理的表征方式描述和說明化學(xué)變化的本質(zhì)和規(guī)律,能根據(jù)化學(xué)反應(yīng)原理預(yù)測物質(zhì)轉(zhuǎn)化的產(chǎn)物,確定檢驗所做預(yù)測的依據(jù)”。

本文以“工藝流程題中情境型氧化還原反應(yīng)方程式的書寫”為教學(xué)主題,通過不同情境下陌生氧化還原反應(yīng)方程式的書寫,引導(dǎo)學(xué)生自主反思解決問題的思路,建立思維模型并在實踐中進(jìn)一步完善,最終達(dá)到運用該思維模型來解決問題的目的。

二、主題的確立

化學(xué)方程式是最具化學(xué)學(xué)科特征的化學(xué)用語,是學(xué)生“宏—微—符”三重表征能力的重要組成部分,是高中化學(xué)學(xué)業(yè)水平等級性考試中的必考點。氧化還原反應(yīng)是高中化學(xué)的核心知識和重要原理,旨在培養(yǎng)學(xué)生的微粒觀及變化觀,形成認(rèn)識、預(yù)測物質(zhì)性質(zhì)及其變化的角度和思路。

隨著高考改革的不斷推進(jìn),以化工生產(chǎn)工藝流程、物質(zhì)制備及性質(zhì)探究實驗為背景的陌生氧化還原反應(yīng)方程式的書寫成為考查學(xué)生分析與推測、歸納與論證等學(xué)科關(guān)鍵能力的重要形式?；どa(chǎn)工藝流程題多以實際生產(chǎn)中物質(zhì)的制備、提純等為考查背景,以陌生元素及其化合物的相關(guān)知識為考查載體,題干信息新穎、陌生度高、綜合性強,要求學(xué)生必備氧化還原反應(yīng)的相關(guān)概念與知識,掌握常見元素及其化合物的性質(zhì)和轉(zhuǎn)化的一般原理和規(guī)律;具備復(fù)雜情境中有效信息的接收、提取和處理能力,以及依據(jù)氧化還原反應(yīng)原理預(yù)測物質(zhì)性質(zhì)及轉(zhuǎn)化的能力,考查學(xué)生依據(jù)新情境并結(jié)合已有知識分析、解決問題的知識遷移能力,是對學(xué)生“變化觀念與平衡思想”“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”學(xué)科核心素養(yǎng)發(fā)展水平的重要測評。此類題目對學(xué)生化學(xué)學(xué)科關(guān)鍵能力的發(fā)展水平要求較高,是眾多考生失分較多的題型之一。因此,在高三復(fù)習(xí)備考的過程中,教師應(yīng)當(dāng)幫助學(xué)生結(jié)合特定的情境,建立分析、解決此類問題的思維模型,將知識轉(zhuǎn)化為能力,實現(xiàn)學(xué)科核心素養(yǎng)的進(jìn)一步發(fā)展。

三、教學(xué)目標(biāo)與評價目標(biāo)

(一)教學(xué)目標(biāo)

(1)通過對工藝流程題中情境型氧化還原反應(yīng)方程式書寫方法的分析,幫助學(xué)生鞏固氧化還原反應(yīng)的相關(guān)概念和知識。

(2)通過對工藝流程的題干進(jìn)行分析和流程解讀,提升學(xué)生在真實情境下有效信息的獲取、分析、應(yīng)用能力,強化學(xué)生的符號表征能力。

(3)通過分析、推理等方法認(rèn)識氧化還原反應(yīng)的特征和本質(zhì),建立情境型氧化還原反應(yīng)書寫的思維模型,提升學(xué)生歸納與論證能力,進(jìn)一步發(fā)展學(xué)生“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”“宏觀辨識與微觀探析”等化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

(二)評價目標(biāo)

(1)通過對例1和例2的問題拆解分析,診斷學(xué)生對氧化還原反應(yīng)相關(guān)概念的認(rèn)識水平(概念清晰、概念混亂)、在陌生情境中有效信息提取(正確提取、錯誤提取)以及利用化學(xué)反應(yīng)原理進(jìn)行產(chǎn)物預(yù)測(經(jīng)驗視角、原理視角)的能力。

(2)通過例3和例4的分析,發(fā)展并診斷學(xué)生運用已有模型書寫新情境下氧化還原反應(yīng)方程式的能力(簡單遷移、系統(tǒng)優(yōu)化)以及結(jié)合新情境進(jìn)行模型完善、優(yōu)化的能力(孤立照搬、系統(tǒng)優(yōu)化)。

四、教學(xué)實踐過程

(一)課前回顧,鞏固相關(guān)概念

學(xué)習(xí)任務(wù)1:課前自主回顧氧化還原反應(yīng)的相關(guān)概念,完成下列內(nèi)容。

1.氧化還原反應(yīng)的相關(guān)概念

(1)氧化還原反應(yīng)的特征:有元素________的變化。

(2)在氧化還原反應(yīng)中,氧化劑所含元素的化合價________,發(fā)生________反應(yīng),生成________產(chǎn)物;還原劑所含元素的化合價________,發(fā)生________反應(yīng),生成________產(chǎn)物。

2.高中階段常見氧化劑、還原劑及其可能的產(chǎn)物

表1 高中階段常見的氧化劑、還原劑及其可能產(chǎn)物預(yù)測

設(shè)計意圖:鞏固氧化還原反應(yīng)的相關(guān)概念,利用氧化還原反應(yīng)原理對高中階段常見的氧化劑、還原劑進(jìn)行可能產(chǎn)物的預(yù)測,提升學(xué)生在高三復(fù)習(xí)階段的自主學(xué)習(xí)能力。

(二)典例分析,初構(gòu)思維模型

學(xué)習(xí)任務(wù)2:以小組為單位,提煉化工生產(chǎn)工藝流程中陌生氧化還原反應(yīng)方程式的書寫方法,初步建立問題的思維分析模型。

【例1】(2022全國甲卷,26題改編)硫酸鋅(ZnSO4)是制備各種含鋅材料的原料,在防腐、電鍍、醫(yī)學(xué)上有諸多應(yīng)用。硫酸鋅可由菱鋅礦制備。菱鋅礦的主要成分為ZnCO3,雜質(zhì)為SiO2以及Ca、Mg、Fe、Cu等的化合物。其制備流程如下:

相關(guān)離子(初始濃度為1 mol/L)形成氫氧化物沉淀的pH范圍如下:

金屬離子Fe2+Fe3+Zn2+Cu2+開始沉淀的pH6.31.56.25.2沉淀完全的pH8.32.88.26.7

問題:向80～90℃的濾液①中分批加入適量KMnO4溶液充分反應(yīng)后過濾,濾渣中有MnO2,該步反應(yīng)的離子方程式為___________________________________。

【問題拆解】問題1:判斷該反應(yīng)的類型,并說明判斷依據(jù)。

問題2:確定該反應(yīng)中的氧化劑、還原劑以及氧化產(chǎn)物和還原產(chǎn)物,并說明判斷依據(jù)。

氧化劑:________→還原產(chǎn)物:________

還原劑:________→氧化產(chǎn)物:________

問題3:完成該反應(yīng)方程式的完整書寫,并交流在書寫過程中需要考慮哪些因素。

【教師】以4人小組為單位,結(jié)合例1中“問題拆解”部分的3個子問題,書寫例1中的氧化還原反應(yīng)方程式,并在小組內(nèi)進(jìn)行交流、討論。

學(xué)生閱讀題干及流程,提取有用信息,自主思考,并在引導(dǎo)單中記錄自己的分析過程,進(jìn)行組內(nèi)的交流、討論。

教師展示學(xué)生的分析結(jié)果,引導(dǎo)其對問題進(jìn)行拆解分析。

【教師】如何確定該反應(yīng)的類型?你的判斷依據(jù)是什么?

【學(xué)生】錳元素的化合價由KMnO4中的+7價降低到MnO2中的+4價,存在元素化合價的變化,為氧化還原反應(yīng)。

【教師】如何確定該氧化還原反應(yīng)的氧化劑、還原劑及其對應(yīng)的還原產(chǎn)物、氧化產(chǎn)物?

【學(xué)生2】加入KMnO4之前溶液的pH=5,結(jié)合表格信息可知Fe3+在pH=2.8時已沉淀完全,故反應(yīng)結(jié)束后+3價的鐵元素應(yīng)以Fe(OH)3的形式存在。

【教師】確定陌生氧化還原反應(yīng)中的氧化產(chǎn)物和還原產(chǎn)物的存在形式時,要依據(jù)氧化還原反應(yīng)原理來分析元素價態(tài),并結(jié)合微粒所在體系來進(jìn)行分析。接下來該如何將方程式書寫完整呢?

【教師】該同學(xué)分析得相當(dāng)好!他歸納出書寫陌生氧化還原反應(yīng)方程式的分析思路,接下來請各小組參照該思路完成例2中方程式的書寫。

學(xué)生經(jīng)過小組分析、討論,完成例2中的陌生氧化還原反應(yīng)方程式的書寫。

【例2】工業(yè)上常用銅陽極泥(主要成分為Cu2Te,還含有少量的Ag、Au)為原料制備單質(zhì)碲,其工藝流程如下:

問題:已知浸出渣中含有TeO2。寫出“酸浸”和“還原”步驟中生成單質(zhì)碲的總反應(yīng)離子方程式:________________________。

教師展示學(xué)生的分析結(jié)果,引導(dǎo)其對問題進(jìn)行拆解分析。

【教師】如何書寫例2中離子方程式?闡述你的分析過程。

【教師】正確書寫陌生氧化還原反應(yīng)方程式,需要以氧化還原反應(yīng)的原理為基礎(chǔ),根據(jù)反應(yīng)原理預(yù)測某些物質(zhì)的可能產(chǎn)物。請分享課前總結(jié)的高中階段常見的氧化劑、還原劑及其可能的還原產(chǎn)物和氧化產(chǎn)物。

學(xué)生分享課前總結(jié)情況,教師引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步完善對高中階段常見的氧化劑、還原劑及其可能的還原產(chǎn)物和氧化產(chǎn)物的認(rèn)識(表2)。

表2 高中階段常見的氧化劑、還原劑及其可能產(chǎn)物

【教師】結(jié)合例1、2中離子方程式的書寫過程,總結(jié)書寫化學(xué)工藝流程題中陌生氧化還原反應(yīng)方程式的思考步驟,建立解決此類問題的思維模型。

學(xué)生以小組為單位進(jìn)行討論,總結(jié)書寫陌生氧化還原反應(yīng)方程式的問題解決思路(圖1)。

圖1 初構(gòu)思維模型

設(shè)計意圖:結(jié)合工藝流程題中情境型氧化還原反應(yīng)方程式書寫的逐步問題拆解,讓學(xué)生提升真實情境下有效信息的獲取、分析、應(yīng)用能力,強化符號表征能力,建構(gòu)解決復(fù)雜化學(xué)問題的思維框架。

(三)應(yīng)用鞏固,完善思維模型

學(xué)習(xí)任務(wù)3:以小組為單位,利用上述思維模型對以下例題進(jìn)行分析,并對該思維模型進(jìn)行完善。

【例3】四鉬酸銨是鉬深加工的重要中間產(chǎn)品,具有廣泛的用途。一種以鉬精礦(主要含MoS2,還有Cu、Fe的化合物及SiO2等)為原料制備四鉬酸銨的工藝流程如下:

將少量氣體X通入NaClO溶液中的離子方程式為___________________________________。

【例4】碘(紫黑色固體,微溶于水)及其化合物廣泛用于醫(yī)藥、染料等方面。碘的一種制備方法如下:

通入Cl2的過程中,若氧化產(chǎn)物只有一種,反應(yīng)的化學(xué)方程式為___________________________________。

學(xué)生利用已有思維模型,自主思考,小組分析、討論。

【教師】請小組代表分享例3中離子方程式的書寫思路。

【教師】兩位代表的分析思路都十分清晰,可見上述思維模型對于我們解決問題具有重要的指導(dǎo)意義。請小組代表分享例4中離子方程式的書寫思路。

【教師】結(jié)合例3和例4的分析,說明在書寫陌生氧化還原反應(yīng)方程式時還需要注意哪些問題?

【學(xué)生1】關(guān)注反應(yīng)物的量,考慮體系中可能發(fā)生反應(yīng)的先后順序。

【學(xué)生2】還要考慮生成物微粒是否會存在后續(xù)反應(yīng),確定生成物最終存在形式。

【教師】通過上述分析,對書寫陌生氧化還原反應(yīng)方程式的思維模型進(jìn)行進(jìn)一步的完善(圖2)。

圖2 完善思維模型

設(shè)計意圖:通過真實問題中氧化還原反應(yīng)方程式的書寫分析,幫助學(xué)生進(jìn)一步完善、優(yōu)化思維模型,提升解決復(fù)雜問題的分析能力,評價學(xué)生的“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”素養(yǎng)發(fā)展水平。

課堂小結(jié):本節(jié)課通過具體實例的分析,建構(gòu)書寫工藝流程題中情境型陌生氧化還原反應(yīng)方程式的思維模型(圖2)。思維模型的建構(gòu)能提升問題解決的效率和質(zhì)量,但問題分析過程中思維模型的建構(gòu)不能只停留在模型本身的探索上,而應(yīng)在實踐中不斷優(yōu)化、得到合理的思維模型。

五、教學(xué)反思

本節(jié)課通過引導(dǎo)學(xué)生對典型例題的拆解分析,幫助學(xué)生體會書寫工藝流程題中陌生氧化還原反應(yīng)方程式的思路,讓學(xué)生真實經(jīng)歷了問題的解決過程,自主建構(gòu)并完善分析問題的思維模型,在應(yīng)用中促進(jìn)能力的進(jìn)一步提升、素養(yǎng)的進(jìn)一步發(fā)展。

隨著新高考改革的不斷深入,高中化學(xué)學(xué)業(yè)水平考試越來越突出對學(xué)生關(guān)鍵能力和核心素養(yǎng)的考查。以促進(jìn)核心素養(yǎng)發(fā)展為目標(biāo)的高三化學(xué)課堂教學(xué),需要突出學(xué)生的主體地位,才能有效促進(jìn)學(xué)生能力提升和素養(yǎng)發(fā)展。這就要求教師在進(jìn)行高三復(fù)習(xí)時,要摒棄傳統(tǒng)的講、練模式,應(yīng)該注重課堂引導(dǎo),以學(xué)生為主體,充分考慮學(xué)生的知識掌握情況和能力發(fā)展水平,精心挑選出具有針對性、代表性的例題,創(chuàng)設(shè)問題情境,搭建學(xué)生解決問題的“腳手架”,從而減少學(xué)生的機械、重復(fù)練習(xí),減輕學(xué)生學(xué)習(xí)負(fù)擔(dān),提升學(xué)生學(xué)習(xí)的效率,提高課堂教學(xué)的質(zhì)量。同時引導(dǎo)學(xué)生用化學(xué)知識解決實際問題、建構(gòu)問題分析的思維模型,提升學(xué)生面對陌生情境時調(diào)動化學(xué)知識、解決化學(xué)問題的能力,進(jìn)而發(fā)展學(xué)生的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。