基于手持技術的“氧化還原反應”教學設計

蔡 陽

（揚州市新華中學 江蘇 揚州 225009）

一、指導思想和理論依據(jù)

手持技術，又稱傳感技術，是由數(shù)據(jù)采集器、傳感器和配套的軟件組成的定量采集各種常見數(shù)據(jù)并能與計算機連接的實驗技術系統(tǒng)。到目前為止，在化學領域的研究較多側重于手持技術在化學研究性學習中的應用，而對于將手持技術整合于化學常規(guī)教學課堂（ 尤其在新課程背景下） 的實踐卻相對罕見，這還沒有完全發(fā)揮手持技術的優(yōu)越性。［1］

本文將手持技術的應用融入到氧化還原反應這節(jié)課的教學中，將鋼鐵腐蝕過程中，氧氣的參與過程形象具體地呈現(xiàn)在學生面前，探測出氧化還原反應發(fā)生過程中電子轉移形成的微電流，給師生一個現(xiàn)代化的共同探討問題的平臺。

二、教材分析

氧化還原反應是高中化學的核心概念，貫穿于整個高中化學教學的始終。蘇教版高中《化學1（必修）》教材中氧化還原反應這個概念在專題一第一單元 “物質的分類與轉化” 這一節(jié)和專題二第一單元“氧化還原反應”這一節(jié)均有出現(xiàn)。這樣的分散設置降低了學生的學習難度。本節(jié)課是講解專題二第一單元“氧化還原反應”這一節(jié)的內容。學生已經(jīng)初步接觸了氧化還原反應的概念，但對于氧化還原反應的微觀實質還不清楚。本節(jié)課要讓學生系統(tǒng)性地把握這一概念，并引導學生深入理解氧化還原反應的實質。

三、教學目標

［知識與技能］

（1）知道氧化還原反應的特征和本質。

（2）能夠判斷氧化劑、還原劑、氧化產(chǎn)物、還原產(chǎn)物。

［過程與方法］

（1）通過設置問題情境、分析現(xiàn)象等活動，提高學生分析、聯(lián)想、類比、遷移及概括的能力；

（2）通過實驗進行思考和交流，提高實驗探究的能力。

［情感態(tài)度與價值觀］

（1）通過小組探究活動，體驗科學探究的過程，感受科學探究的樂趣；

（2）認識氧化還原反應對生產(chǎn)、生活及科學研究的意義。

四、教學重、難點

［重點］

氧化還原反應的判斷方法及實質。

［難點］

判斷氧化劑、還原劑的規(guī)律及應用。

五、教學用具

溶氧傳感器、微電流傳感器、毫安電流傳感器、數(shù)據(jù)采集器及配套軟件、計算機、燒杯、玻璃棒、植物、鋅片、鐵粉、氯化鈉溶液、硫酸銅溶液。

六、教學過程

［情境引入］

展示鋼鐵腐蝕的圖片并提問：誰是腐蝕鋼鐵的罪魁禍首？

（由于鋼鐵腐蝕是緩慢平和的過程，氧氣又無色無味，教師在這種情況下引入手持技術，檢測鐵生銹過程中氧氣的變化，可以讓學生真實地感受到氧氣參與了反應。）

［實驗］將兩藥匙鐵粉倒入飽和食鹽水中，攪拌，蓋緊瓶塞，插入溶氧傳感器，檢測食鹽水中氧氣含量的變化。

圖1 檢測鐵腐蝕過程中氧氣含量變化的裝置圖

圖2 鐵腐蝕過程中氧氣含量的變化曲線

圖3 檢測鋅與硫酸銅溶液反應產(chǎn)生的電流的裝置圖

圖4 鋅與硫酸銅溶液反應產(chǎn)生的電流的變化曲線

學生通過觀察曲線的變化，看到了氧氣含量不斷下降，這樣得出的結論真實可靠。

［教師］ 在這個過程中鐵元素和氧元素的化合價分別發(fā)生了怎樣的變化？ 鐵粉和氧氣分別發(fā)生了什么反應？

［學生］鐵元素的化合價升高，氧元素的化合價降低。

［教師總結］鐵粉發(fā)生了氧化反應，氧氣發(fā)生了還原反應。引出氧化反應和還原反應的概念。

［過渡］ 化合價升高或者降低的根本原因是什么呢？ 請同學們根據(jù)前面所學的原子核外電子排布的知識解答。

［學生］ 是因為核外電子的得失導致化合價的變化，在剛才鐵粉生銹的實驗中是鐵的電子轉移給了氧。

［學生提問］既然電子發(fā)生了轉移，是不是會有電流產(chǎn)生呢？

［教師解答］確實能產(chǎn)生電流，接下來就以同學們熟悉的鋅與硫酸銅的反應為例，檢測反應過程中的電流。（學生還沒有學習原電池的知識，如果不將鋅片和銅片組成原電池，產(chǎn)生的電流較小，電流表無法檢測，所以本節(jié)課使用了電流傳感器。）

［實驗］將鋅片打磨光亮，用電流傳感器的夾子夾住，插入硫酸銅溶液中，觀察圖線的變化。

在實驗中檢測到約6mA 左右的電流，證實了學生的猜測。

［概念講解］氧化還原反應的定義：有電子發(fā)生轉移的化學反應。

用示意圖表示鋅與硫酸銅溶液反應的過程：

圖5 鋅與硫酸銅溶液反應的示意圖

［教師］怎樣用化學語言表示這個過程呢？ （講解雙線橋的畫法）

［概念講解］

氧化劑：得到電子的物質。還原劑：失去電子的物質。

氧化產(chǎn)物：還原劑失去電子后的產(chǎn)物。還原產(chǎn)物：氧化劑得到電子后的產(chǎn)物。

［師生共同總結］分析五步法：

1．標出化合價，判斷是否是氧化還原反應；

2．找到得電子的物質（氧化劑）和失去電子的物質（還原劑）；

3．找到對應的還原產(chǎn)物和氧化產(chǎn)物；

4．畫出雙線橋，標出電子得失；

5．檢查電子得失是否相等。

情境 化學反應方程式CaCO3=高溫CaO+CO2（非氧化還原反應）化學與工業(yè)：中國豎爐煉鐵的化學史。CO2+C=高溫2CO Fe2O3+3CO=高溫2Fe+3CO2化學與生活：很多食品脫氧劑的主要成分是鐵粉。2Fe + O2+ 2H2O=2Fe(OH)24Fe(OH)2+ O2+ 2H2O=4Fe(OH)3化學與技術：法醫(yī)學中用魯米諾試劑檢測血跡，需用過氧化氫處理?；瘜W與物理：神州九號發(fā)射升空的動力來源。2H2O2=催化劑O2+ 2H2O（氧化劑、還原劑是同一種物質）2H2+O2=2H2O （氧化產(chǎn)物、還原產(chǎn)物是同一種物質）形成過程。2H2S + SO2=3S +2H2O（氧化產(chǎn)物、還原產(chǎn)物是同一種物質）化學與地理：近期香港發(fā)現(xiàn)古代“超級火山”，火山噴發(fā)時硫磺的化學與生物：植物發(fā)電的原理。（光合作用是氧化還原反應，植物在光合作用的過程中有電子轉移，經(jīng)處理后可以發(fā)電。）[實驗] 用傳感器檢測植物光合作用過程中產(chǎn)生的微電流。images/BZ_119_383_1297_960_1616.png圖6 檢測植物光合作用時產(chǎn)生的電流的裝置圖6CO2+ 6H2O= C6H12O6+ 6O2 0）（μA流電微－2－4－6－8－10images/BZ_119_397_1696_1006_1996.png0 10 20 30 40 50 60時間（s）圖7 植物光合作用時產(chǎn)生的電流的變化曲線實驗結果：檢測到約7μA 的電流，學生進一步感受到氧化還原反應過程中有電子轉移的事實。

［多角度鏈接］

（用不斷變化的情境抓住注意力，拓展學生的視野，在情境中鞏固新知。）

判斷下列反應是否是氧化還原反應，若是氧化還原反應，請判斷氧化劑、還原劑、氧化產(chǎn)物、還原產(chǎn)物。

［小組活動］

1．每組說出三種氧化還原反應，并且說明其存在或一種用途。

2．試著找出其中的氧化劑、還原劑、氧化產(chǎn)物、還原產(chǎn)物。

3．選擇一個氧化還原反應，畫出雙線橋。

4．總結常見的氧化劑、還原劑有哪些。

［課后調查］

伊利諾斯大學細胞與發(fā)育生物學教授Martha Gillette 發(fā)表在Science 雜志上的最新研究成果：人體內的生物鐘是受氧化還原反應控制的。請你課后借閱雜志或上網(wǎng)查閱，了解這項研究成果，并撰寫一篇小論文。

七、教學反思

本節(jié)課取得了較好的教學效果，手持技術給教學帶來了如下便利：1．將模糊問題清晰化。鋼鐵腐蝕的過程中氧氣是否真的參與，本來是難以證明的，往往是教師直接將答案告訴學生。利用溶氧傳感器，可以讓學生看到鐵粉生銹的過程中，水中的含氧量不斷減小的過程，清晰直觀，更加可信。2．將微觀問題可視化。如果不將鋅片與銅片組成鋅銅原電池，鋅片與硫酸銅溶液反應時產(chǎn)生的電流是很小的，用普通電流表難以測出。但是使用鋅銅原電池，學生以現(xiàn)有的知識又難以理解其中的原理。使用電流傳感器直接測出電流，就無需使用鋅銅原電池了。植物光合作用時產(chǎn)生的電流更小，如不使用電流傳感器，根本無法測出電流。3．將傳統(tǒng)問題現(xiàn)代化。原來做鋼鐵腐蝕的實驗時，由于反應緩慢，需等待較長的時間，然后加入試劑檢驗產(chǎn)物，并且只能定性地說明問題。檢驗鋅與硫酸銅反應的實驗，必須將其組成鋅銅原電池，形成較大的電流才能檢測。使用傳感器省去了這些麻煩，并且可導出數(shù)據(jù)或觀察圖線，將定性實驗變成了定量實驗，更加客觀真實。

［1］ 鄧峰，錢揚義，鐘映雪，譚顯華，劉麗明，羅少娟．基于手持技術環(huán)境的化學課堂教學例析——冰醋酸電離過程實質的探究［J］．化學教育，2009，（1）：35