指向科學(xué)心智模型的“氧化還原反應(yīng)”教學(xué)

胡先錦

摘要：在調(diào)查高一學(xué)生氧化還原反應(yīng)知識掌握和已有心智模型的基礎(chǔ)上，以兩種不同的教學(xué)設(shè)計(jì)和課堂樣態(tài)開展比較研究，根據(jù)課堂觀察和課后檢測來探析有助于氧化還原反應(yīng)科學(xué)心智模型建構(gòu)的合適路徑和教學(xué)范式。

關(guān)鍵詞：氧化還原反應(yīng)；心智模型；化學(xué)教學(xué)

文章編號：1005-6629（2018）1-0039-05 中圖分類號：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

1問題提出

氧化還原反應(yīng)內(nèi)容是高中化學(xué)的基本原理知識之一，更是高一化學(xué)的重要內(nèi)容，是學(xué)生在九年級化學(xué)的認(rèn)知基礎(chǔ)上，進(jìn)一步加深對氧化還原反應(yīng)的認(rèn)識和理解，是學(xué)習(xí)元素及其化合物的重要認(rèn)知載體，也為今后學(xué)習(xí)電化學(xué)等知識打下基礎(chǔ)。在《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（實(shí)驗(yàn)）》中，要求學(xué)生要能“根據(jù)實(shí)驗(yàn)事實(shí)了解氧化還原反應(yīng)的本質(zhì)是電子的轉(zhuǎn)移，舉例說明生產(chǎn)、生活中常見的氧化還原反應(yīng)”。

筆者結(jié)合自身已有的理論研究和教學(xué)實(shí)踐，發(fā)現(xiàn)高一學(xué)生的氧化還原反應(yīng)心智模型存在階段差異和多樣類型。入學(xué)初，少部分學(xué)生持有“氧氣模型”，即有氧氣參加的反應(yīng)（基于九年級的氧化反應(yīng)認(rèn)知）；大多數(shù)學(xué)生持有“路徑模型”，即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)。經(jīng)過氧化還原反應(yīng)的概念教學(xué)后，所有學(xué)生均能持有“價(jià)態(tài)模型”，即反應(yīng)中有元素化合價(jià)變化的反應(yīng)為氧化還原反應(yīng)，很少一部分學(xué)生仍兼持“路徑模型”。同時，筆者對高二學(xué)生（非物化類選科）進(jìn)行調(diào)查，發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)學(xué)生亦持有“價(jià)態(tài)模型”。但是，對照氧化還原反應(yīng)的科學(xué)心智模型（圖1），絕大多數(shù)學(xué)生對“氧化還原反應(yīng)的本質(zhì)是電子的轉(zhuǎn)移”的“電子模型”難以形成直觀認(rèn)知，對氧化劑、還原劑、氧化產(chǎn)物、還原產(chǎn)物、電子轉(zhuǎn)移的數(shù)目和方向等相關(guān)知識的理解存在較多的迷思概念和認(rèn)知偏差甚至錯誤。

2指向科學(xué)心智模型的氧化還原反應(yīng)的課堂教學(xué)探究

本課的教學(xué)內(nèi)容是高一化學(xué)1（蘇教版）專題2第一單元“氧化還原反應(yīng)”，通過兩種不同教學(xué)設(shè)計(jì)對高一學(xué)生氧化還原反應(yīng)心智模型的形成和轉(zhuǎn)變進(jìn)行探析，以期能獲得利于學(xué)生建立科學(xué)心智模型的課堂實(shí)踐成果。

2.1研究設(shè)計(jì)

為了探析不同課堂教學(xué)樣態(tài)對學(xué)生氧化還原反應(yīng)心智模型的建立和達(dá)成狀況，選擇高一年級兩個平行班進(jìn)行對照研究，兩個班級學(xué)生數(shù)均為50人。已有數(shù)據(jù)表明，兩個班級的中考化學(xué)平均得分沒有顯著差異（均分差為0.11分，總分值100分）。選擇部分涉及氧化還原反應(yīng)的中考試題編制了前測試題，結(jié)果顯示兩個班級學(xué)生的氧化還原反應(yīng)知識的掌握情況沒有明顯差異（均分差0.06分，總分值50分）。

根據(jù)前期調(diào)查結(jié)果和《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（實(shí)驗(yàn)）》教學(xué)要求，在兩個班（A班和B班）分別采用兩種不同的教學(xué)樣態(tài)展開（時間均為45分鐘），并進(jìn)行隨堂練習(xí)和課后檢測（后測）。隨堂練習(xí)在課堂上穿插進(jìn)行，通過口頭表達(dá)（出聲思維）、板演或作業(yè)后投影（可視化思維）的形式，以及時觀察學(xué)生氧化還原反應(yīng)心智模型的形成過程和達(dá)成情況，了解學(xué)生已有心智模型與科學(xué)心智模型的差異，以期利于實(shí)現(xiàn)其轉(zhuǎn)變和完善；課后檢測主要用于了解學(xué)生氧化還原反應(yīng)知識的掌握牢固程度和心智模型的固化效果，在一周后進(jìn)行，試題主要來自主流教輔用書。通過兩個班級的隨堂練習(xí)反饋情況和課后檢測得分情況，比較兩種不同教學(xué)樣態(tài)對高一學(xué)生氧化還原反應(yīng)心智模型的建立和固化的影響。

2.2教學(xué)設(shè)計(jì)

在A班以講授和習(xí)題訓(xùn)練的方式開展教學(xué)（見圖2），主要依據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)的教學(xué)要求對氧化還原反應(yīng)知識點(diǎn)進(jìn)行講解，再通過習(xí)題訓(xùn)練的方式進(jìn)行鞏固和強(qiáng)化，側(cè)重知識點(diǎn)的掌握。A班教學(xué)設(shè)計(jì)的時間分配側(cè)重于“示例分析”（約15分鐘）和“訓(xùn)練鞏固”（約15分鐘）環(huán)節(jié)，主要運(yùn)用雙線橋或單線橋法對某些氧化還原反應(yīng)方程式進(jìn)行例題分析和強(qiáng)化鞏固，訓(xùn)練學(xué)生能正確找出一個氧化還原反應(yīng)中的氧化劑、還原劑、氧化產(chǎn)物、還原產(chǎn)物，分析出氧化反應(yīng)、還原反應(yīng)，能通過化合價(jià)的升降標(biāo)出電子轉(zhuǎn)移的方向和數(shù)目。

從中學(xué)化學(xué)教學(xué)而言，建立科學(xué)的化學(xué)心智模型，往往需要通過真實(shí)情境、化學(xué)模型、生活經(jīng)驗(yàn)和科學(xué)探究等作用于個體的視覺、聽覺和觸覺，經(jīng)學(xué)習(xí)者個體相應(yīng)的刪減選擇（與認(rèn)知風(fēng)格有關(guān)）和想象建構(gòu)（符號、表象），從而形成初始心智模型。初始模型通過語言、文字和動作等去解決問題，并在其間不斷地進(jìn)行修正，進(jìn)而生成科學(xué)（綜合）心智模型。已有研究也表明，心智模型的影響因素既包括個體的內(nèi)在認(rèn)知，也包括外部條件。雖然學(xué)習(xí)者個體的內(nèi)在特征因素對心智模型的建構(gòu)和發(fā)展有著至關(guān)重要的關(guān)鍵作用，如性格潛在的自我效能感、年齡增長的心理變化、特定經(jīng)歷的認(rèn)知突變等。但是，外部條件往往會影響著和作用于個體的內(nèi)在認(rèn)知，并改變內(nèi)在認(rèn)知。學(xué)生在學(xué)校的學(xué)習(xí)經(jīng)歷是影響心智模型的非常重要的外在因素，如教育資源、教學(xué)范式、學(xué)習(xí)方式、人際交往、學(xué)校文化等。

因此，筆者在B班教學(xué)中，以情境創(chuàng)設(shè)、實(shí)驗(yàn)探究、小組協(xié)作等多種形式組織課堂教學(xué)（見圖3），通過創(chuàng)設(shè)情境，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣和問題探究意識，從不同層面和角度對氧化還原反應(yīng)知識進(jìn)行探究和學(xué)習(xí)。相對于A班，B班將較多的“示例分析”和“訓(xùn)練鞏固”的時間用于對氧化還原反應(yīng)本質(zhì)和“電子模型”的探究性學(xué)習(xí)，即“實(shí)驗(yàn)探究”（約5分鐘）、“全面認(rèn)知”（約20分鐘）和“實(shí)踐應(yīng)用”（約7分鐘）環(huán)節(jié)，側(cè)重關(guān)注學(xué)生的主動學(xué)習(xí)，促成認(rèn)知進(jìn)階的達(dá)成，引導(dǎo)學(xué)生完成心智模型的轉(zhuǎn)變和科學(xué)模型的建立。

筆者在兩個班級所進(jìn)行的差異性教學(xué)主要體現(xiàn)在以下方面：第一，在A班僅采用“回顧舊知”的方式，以氫氣還原氧化銅的反應(yīng)進(jìn)入教學(xué)，隨即給出氧化還原反應(yīng)的概念，而在B班的課堂引人以榨果汁（喝果汁）為情境，再進(jìn)入舊知回顧環(huán)節(jié)，旨在給學(xué)生一個真實(shí)的生活情境，也是學(xué)生日常生活中所熟悉的問題，直接作用于學(xué)生感官。第二，在理解“電子轉(zhuǎn)移”的教學(xué)環(huán)節(jié)中，A班僅通過雙線橋法的示例來告知學(xué)生氧化還原反應(yīng)的本質(zhì)是電子的轉(zhuǎn)移。在B班則是讓學(xué)生結(jié)合九年級所學(xué)物理知識借助電流表自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，驗(yàn)證金屬鋅與稀硫酸反應(yīng)中的電子轉(zhuǎn)移（見圖4），從而將反應(yīng)中微觀的電子轉(zhuǎn)移實(shí)現(xiàn)宏觀化。第三，在建構(gòu)氧化還原反應(yīng)科學(xué)模型的過程中，A班主要通過雙線橋法對多個氧化還原反應(yīng)進(jìn)行分析以達(dá)到對基本概念的掌握和電子模型的強(qiáng)化，B班則分別通過原子結(jié)構(gòu)微觀分析、雙線橋法或單線橋法（見圖5）、實(shí)驗(yàn)探究電子轉(zhuǎn)移等多種形式，不斷延伸和強(qiáng)化對氧化還原反應(yīng)相關(guān)基本概念的認(rèn)識，實(shí)現(xiàn)氧化還原反應(yīng)心智模型的持續(xù)轉(zhuǎn)變和科學(xué)形成，同時也能培養(yǎng)和提升學(xué)生的三重表征能力。第四，關(guān)于物質(zhì)氧化性、還原性相對強(qiáng)弱的比較，A班在本節(jié)課中沒有涉及，而在B班則是引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)九年級所學(xué)的“強(qiáng)酸制取弱酸”的知識進(jìn)行類比遷移。第五，課堂結(jié)尾時A班僅通過較多習(xí)題訓(xùn)練的方式進(jìn)行知識的鞏固和強(qiáng)化，而在B班則再次回到諸如補(bǔ)鐵劑、苯酚軟膏等藥品使用說明書中的關(guān)于抗氧化的信息，食品包裝袋內(nèi)的抗氧化劑等生活實(shí)際問題，隨后再進(jìn)行endprint

2.3教學(xué)結(jié)果及分析

2.3.1課堂學(xué)習(xí)動機(jī)和教學(xué)氛圍出現(xiàn)顯著差異

筆者的后續(xù)訪談表明，B班學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)動機(jī)明顯強(qiáng)于A班。B班的所有學(xué)生均表示想“一探究竟”，而A班有80%的學(xué)生愿意學(xué)習(xí)，且普遍認(rèn)為是“因?yàn)闀嫌?，需要學(xué)呀”。聽課教師的課堂觀察也顯示，在B班將鮮榨果汁用小杯分送給學(xué)生，學(xué)生的課堂情緒和學(xué)習(xí)興趣都得到了充分的正向影響，所有學(xué)生都表示想深入學(xué)習(xí)氧化還原反應(yīng)，課堂互動和積極程度都很高，而A班課堂相對沉悶，學(xué)習(xí)較為被動。B班學(xué)生在學(xué)習(xí)氧化性、還原性等基本概念后，有部分學(xué)生就很快提出“是不是所有能得到電子的物質(zhì)都能作氧化劑”、“前面幾個例子中的氧化劑的氧化性一樣強(qiáng)嗎”等問題，隨后學(xué)生經(jīng)過短暫討論后很快根據(jù)九年級的“強(qiáng)酸制弱酸”知識找到了氧化性、還原性相對強(qiáng)弱的比較方法。最后的“實(shí)踐應(yīng)用”環(huán)節(jié)，學(xué)生對維生素c的“說明書”分析討論更加熱烈，將氧化還原反應(yīng)與生產(chǎn)生活實(shí)際能很好地進(jìn)行聯(lián)系，并能用以解決某些實(shí)際問題。

學(xué)習(xí)動機(jī)是指引發(fā)與維持學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)行為，并使之指向一定學(xué)業(yè)目標(biāo)的一種心理動力傾向，是直接推動學(xué)習(xí)者進(jìn)行學(xué)習(xí)的一種內(nèi)部動力，以激勵和指引學(xué)習(xí)者進(jìn)行主動學(xué)習(xí)。盡管動機(jī)并不是直接地介入認(rèn)知過程，也不會通過同化機(jī)制發(fā)生作用，而是通過引發(fā)興趣、集中注意力等去影響認(rèn)知過程。課堂中的“鮮榨果汁”和“抗壞血酸”等與學(xué)生自身生活實(shí)際密切相關(guān)的真實(shí)情境，能很好地激發(fā)學(xué)生的“認(rèn)識與理解的需要”，為學(xué)生心智模型的轉(zhuǎn)變奠定了積極的心理認(rèn)知基礎(chǔ)。

2.3.2心智模型轉(zhuǎn)變程度和科學(xué)模型固化比例存在顯著差異

研究表明，B班學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)探究認(rèn)知氧化還原反應(yīng)中的電子轉(zhuǎn)移來建立“電子模型”，A班則采用模仿訓(xùn)練的方式進(jìn)行認(rèn)知強(qiáng)化。B班的學(xué)生充分認(rèn)可并真正理解了“電子模型”，而A班學(xué)生則僅初步學(xué)會采用雙線橋法對反應(yīng)進(jìn)行表征，對“電子模型”沒有充分理解和認(rèn)可，訪談中有不少學(xué)生回答“我不知道到底有沒有電子的轉(zhuǎn)移”。后測結(jié)果顯示，92%的B班學(xué)生能正確分析一個氧化還原反應(yīng)，而A班只有42%的學(xué)生能正確完成；有90%的B班學(xué)生建立了科學(xué)的氧化還原反應(yīng)心智模型，A班僅有46%的學(xué)生能建立科學(xué)模型；B班的隨堂測試平均得分顯著高于A班（p<0.05）；在學(xué)期末的跟蹤調(diào)查中，B班仍有84%的學(xué)生能正確借助線橋法分析氧化還原反應(yīng)，A班僅有30%的學(xué)生能較好完成；對期末測試卷中涉及氧化還原反應(yīng)的試題得分統(tǒng)計(jì)顯示，B班得分顯著高于A班（p<0.01）。

從心智模型的形成機(jī)制來看，不僅是讓學(xué)生聽到、看到，要讓學(xué)生主動地動腦、動手，還要讓同伴之間進(jìn)行討論、分享，才能更好促進(jìn)學(xué)生的學(xué)科思維，引領(lǐng)學(xué)生進(jìn)行心智模型的自主修正和完善，并固化所形成的科學(xué)心智模型。本課教學(xué)中，從新鮮果汁、電流表，到小組討論、生活實(shí)際，到實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、類比遷移，不斷引導(dǎo)學(xué)生主動修正和完善了氧化還原反應(yīng)的心智模型。同時，就培養(yǎng)高中化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)而言，通過使用電流表來觀察金屬鋅與稀硫酸反應(yīng)中的電子轉(zhuǎn)移，讓學(xué)生經(jīng)歷實(shí)驗(yàn)?zāi)康拇_定、實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)和優(yōu)化、證據(jù)收集和推理、協(xié)作進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作、結(jié)果表達(dá)和交流等，能很好地培育學(xué)生宏觀辨識與微觀探析、證據(jù)推理與模型認(rèn)知、科學(xué)探究與創(chuàng)新意識等核心素養(yǎng)。

3結(jié)語

實(shí)踐證明，根據(jù)學(xué)生的氧化還原反應(yīng)認(rèn)知基礎(chǔ)和科學(xué)模型，采用真實(shí)情境、實(shí)驗(yàn)探究等教學(xué)方式對高一學(xué)生氧化還原反應(yīng)心智模型的修正和完善、建構(gòu)科學(xué)心智模型并長期固化是富有成效的?；诖?，筆者認(rèn)為，在高一氧化還原反應(yīng)教學(xué)中，首先，緊密結(jié)合社會生產(chǎn)或?qū)W生的日常生活實(shí)際中涉及氧化還原反應(yīng)的真實(shí)情境，豐富學(xué)生認(rèn)知情境經(jīng)驗(yàn)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)動機(jī)，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會在真實(shí)情境中分析解決真實(shí)的問題。其次，借助電池原理來實(shí)驗(yàn)探究，促進(jìn)學(xué)生真正認(rèn)識和理解氧化還原反應(yīng)中的電子轉(zhuǎn)移，幫助學(xué)生建立“電子模型”，引領(lǐng)學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案和小組協(xié)作探究，培養(yǎng)知識遷移應(yīng)用意識和能力；對于物質(zhì)氧化性、還原性相對強(qiáng)弱的比較，也要引導(dǎo)學(xué)生遷移“強(qiáng)制弱”的化學(xué)認(rèn)知，指導(dǎo)學(xué)生辯證地分析問題。再次，要立足原子結(jié)構(gòu)的微觀分析，聯(lián)系宏觀現(xiàn)象，通過雙線橋或單線橋法來完成對氧化還原反應(yīng)的全面分析，幫助學(xué)生全面認(rèn)知氧化還原反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)“宏-微-符”的聯(lián)結(jié)，提升學(xué)生的三重表征能力。這樣的教學(xué)，既有助于幫助學(xué)生轉(zhuǎn)變和建立科學(xué)的化學(xué)心智模型，也契合了當(dāng)前基礎(chǔ)教育改革所指向的核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。這種“基于真實(shí)情境的問題解決”的教學(xué)樣態(tài)，也就不僅只適用于氧化還原反應(yīng)的教學(xué)，在化學(xué)學(xué)科的其他內(nèi)容或者是其他學(xué)科的教學(xué)中，都是具有較為普遍適用的意義的。endprint