注重概念建構(gòu)融合科學(xué)史實(shí)的教學(xué)設(shè)計(jì)

顧曄

摘要：“氧化還原反應(yīng)”是高中化學(xué)階段具有重要學(xué)科價(jià)值的基本概念之一，其概念的進(jìn)階不僅是對(duì)學(xué)生原有知識(shí)的發(fā)展和完善，也體現(xiàn)了科學(xué)知識(shí)是變化的這一科學(xué)本質(zhì)觀。本設(shè)計(jì)選擇國(guó)內(nèi)外相關(guān)科學(xué)史實(shí)，引導(dǎo)學(xué)生從不同層次建構(gòu)氧化還原反應(yīng)概念，并在S7SE的情境下應(yīng)用氧化還原反應(yīng)的相關(guān)概念解決實(shí)際問題。

關(guān)鍵詞：氧化還原反應(yīng)，概念模型，科學(xué)史，科學(xué)本質(zhì)，STSE

文章編號(hào)：1008-0546（2020）05-0007-04 中圖分類號(hào)：G632.41 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2020.05.002

“氧化還原反應(yīng)”是高中化學(xué)重要的基本概念之一，從不同角度對(duì)化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行分類、進(jìn)一步理解物質(zhì)的轉(zhuǎn)化、應(yīng)用化學(xué)基本概念解決實(shí)際問題等具有重要的學(xué)科價(jià)值。目前“氧化還原反應(yīng)”的教學(xué)設(shè)計(jì)有以下模式：（1）將概念轉(zhuǎn)變成學(xué)習(xí)工具，運(yùn)用氧化還原反應(yīng)知識(shí)解決實(shí)際問題;（2）選擇合適的實(shí)驗(yàn)情境，基于實(shí)驗(yàn)探究的概念原理教學(xué);（3）基于學(xué)習(xí)任務(wù)分析和學(xué)情的教學(xué)設(shè)計(jì);（4）通過生活場(chǎng)景再現(xiàn)創(chuàng)設(shè)問題情境等。以上設(shè)計(jì)均考慮到情境設(shè)置的重要性，本設(shè)計(jì)嘗試選取科學(xué)史實(shí)和STSE素材進(jìn)行情境創(chuàng)設(shè)，幫助學(xué)生從不同角度建構(gòu)氧化還原反應(yīng)概念，在此基礎(chǔ)上加深對(duì)概念的理解并進(jìn)行合理的應(yīng)用。

一、課程標(biāo)準(zhǔn)摘錄和分析

1.內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)分析

在九年級(jí)《化學(xué)》從“得失氧”角度分析“氧化反應(yīng)”和“還原反應(yīng)”的基礎(chǔ)上，《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》在教學(xué)內(nèi)容上提出了三個(gè)新的要求：（1）認(rèn)識(shí)有化合價(jià)變化的反應(yīng)是氧化還原反應(yīng);（2）了解氧化還原反應(yīng)的本質(zhì)是電子的轉(zhuǎn)移;（3）知道常見的氧化劑和還原劑。這三個(gè)內(nèi)容符合氧化還原反應(yīng)概念發(fā)展的規(guī)律，體現(xiàn)了科學(xué)本質(zhì)中科學(xué)知識(shí)有其持久性的同時(shí)還具有暫時(shí)性，所以在高中階段氧化還原反應(yīng)的新授課中將新增概念與原有概念有機(jī)地融合是授課準(zhǔn)備的核心，也是大多科學(xué)概念建構(gòu)的常見模式。

2.教學(xué)提示分析

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》在“教學(xué)策略”部分強(qiáng)調(diào)了學(xué)生學(xué)完氧化還原反應(yīng)后能解決怎樣的問題，即利用氧化還原反應(yīng)指導(dǎo)元素化合物的學(xué)習(xí);從氧化還原反應(yīng)角度分析生產(chǎn)和生活實(shí)際中的真實(shí)問題。

這兩點(diǎn)對(duì)問題情境的選擇和設(shè)計(jì)提出了較高要求，一方面離學(xué)生現(xiàn)有知識(shí)水平不能太遠(yuǎn)，另一方面要注意問題的真實(shí)性;“學(xué)習(xí)活動(dòng)建議”中提到的“氧化還原反應(yīng)本質(zhì)的探究”本設(shè)計(jì)擬以鋅銅原電池的演示實(shí)驗(yàn)為探究素材;“情境素材建議”提到的“氧化還原理論建立的史料”一方面要符合氧化還原反應(yīng)的發(fā)展歷程，同時(shí)也要注意中西方科學(xué)發(fā)展史的結(jié)合（畢竟我國(guó)古代的冶金工藝在一定時(shí)間內(nèi)也是處于領(lǐng)先地位的，而冶金工藝是離不開氧化還原反應(yīng)的）;“日常生活中的氧化還原反應(yīng)”則可以借助合適的STSE素材，進(jìn)行真實(shí)情境下問題解決的設(shè)計(jì)，本設(shè)計(jì)選取了“汽車發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣經(jīng)過三元催化器前后的變化”和“含六價(jià)鉻廢水的處理”兩個(gè)素材。

3.學(xué)業(yè)要求分析

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》在本內(nèi)容的“學(xué)業(yè)要求”部分首先要求“學(xué)生學(xué)完氧化還原反應(yīng)后能從新的角度對(duì)常見的反應(yīng)進(jìn)行分類和分析說明”，從“得失氧”到“化合價(jià)升降”的概念進(jìn)階可以順利解決類似問題;“能從元素價(jià)態(tài)的角度，依據(jù)氧化還原反應(yīng)原理預(yù)測(cè)物質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)和變化”是應(yīng)用層面的要求，本設(shè)計(jì)中“如何將發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣中的氮氧化物（NO_x）轉(zhuǎn)化為無污染的氮?dú)狻迸c此要求是一致的;最后從電影《永不妥協(xié)》中提取的STSE素材則對(duì)應(yīng)了“能有意識(shí)運(yùn)用所學(xué)的知識(shí)或?qū)で笙嚓P(guān)證據(jù)參與社會(huì)性議題的討論（如酸雨和霧霾防治、水體保護(hù)、食品安全等）”的學(xué)業(yè)要求。

當(dāng)然，以上學(xué)業(yè)要求的達(dá)成不是一蹴而就的，雖然本節(jié)課均有涉及，但從認(rèn)知層次上還是要有所區(qū)分的，例如同樣是含鉻廢水的處理，第2問定量分析的要求可以視學(xué)生的基礎(chǔ)考慮是否采用，但從離子反應(yīng)進(jìn)行分析對(duì)大部分高一學(xué)生而言就顯得要求過高了。

二、學(xué)習(xí)者分析

“氧化還原反應(yīng)”位于高一化學(xué)必修1模塊第二章第三節(jié)，在此之前學(xué)生完成了化學(xué)實(shí)驗(yàn)、物質(zhì)分類及離子反應(yīng)等相關(guān)知識(shí)的學(xué)習(xí)（對(duì)于目前使用新課標(biāo)舊教材的學(xué)生群體），另外學(xué)生在初中的已有基礎(chǔ)上已經(jīng)能從得失氧角度對(duì)“氧化反應(yīng)”和“還原反應(yīng)”分別進(jìn)行分析，較熟悉的反應(yīng)有可燃物的燃燒、氧化銅在一定條件下被還原、水煤氣的產(chǎn)生等?？紤]到學(xué)生已有認(rèn)知水平和科學(xué)概念發(fā)展的規(guī)律，本節(jié)課學(xué)生概念的建構(gòu)任務(wù)有以下3個(gè)：

（1）得氧和失氧是同時(shí)發(fā)生的，即氧化反應(yīng)發(fā)生的同時(shí)還原反應(yīng)也發(fā)生了;

（2）得失氧判斷氧化還原反應(yīng)的方法在沒有氧元素參與時(shí)受到限制，即進(jìn)階到從化合價(jià)角度分析氧化還原反應(yīng)：

（3）化合價(jià)變化的內(nèi)因何在呢？從得失電子角度分析氧化還原反應(yīng)。

三、教學(xué)目標(biāo)

1.通過化學(xué)史實(shí)的呈現(xiàn)和分析，了解氧化還原反應(yīng)的宏觀特征和微觀本質(zhì);

2.通過典型氧化還原反應(yīng)的類比分析，掌握氧化劑和還原劑在反應(yīng)中的行為;

3.通過電化學(xué)演示實(shí)驗(yàn)和對(duì)典型氧化還原反應(yīng)的化合價(jià)升降分析，發(fā)現(xiàn)氧化還原反應(yīng)中電子得失守恒關(guān)系。

四、教學(xué)過程

1.引入環(huán)節(jié)

我國(guó)古代有著先進(jìn)的金屬冶煉的技術(shù)，以“濕法煉銅”為例：

史料1：濕法煉銅

西漢劉安所著《淮南萬畢術(shù)》中記載有“曾青得到鐵則化為銅”。

明代宋應(yīng)星著《天工開物》記載了膽水浸銅法（圖1）：膽水浸銅是指直接將天然膽水引入人工建造的溝槽中，浸泡鐵片。

2.建構(gòu)概念模型：氧化還原反應(yīng)的概念

[學(xué)習(xí)任務(wù)1]從得失氧角度和化合價(jià)升降認(rèn)識(shí)氧化還原反應(yīng)

a.分析反應(yīng)（1）中反應(yīng)物的得氧和失氧情況，概括反應(yīng)前后相關(guān)物質(zhì)“得失氧”的情況。

b.分析反應(yīng)物（1）、（2）化合價(jià)變化，概括反應(yīng)前后相關(guān)元素“化合價(jià)升降”的情況。

[設(shè)計(jì)意圖]選取學(xué)生熟悉的兩個(gè)反應(yīng)，體會(huì)從“得失氧”角度和“化合價(jià)升降”角度認(rèn)識(shí)氧化還原反應(yīng)的兩種方法，比較二者的使用范圍。

史料2：電化學(xué)的發(fā)展和電子的發(fā)現(xiàn)

1836年，英國(guó)科學(xué)家丹尼爾對(duì)“伏打電池”進(jìn)行了改良，制造了一個(gè)能穩(wěn)定工作的銅鋅原電池，稱為丹尼爾電池。

1897年約瑟夫·約翰·湯姆遜根據(jù)放電管中的陰極射線在電磁場(chǎng)和磁場(chǎng)作用下的軌跡確定陰極射線中的粒子帶負(fù)電，并測(cè)出其荷質(zhì)比，這在一定意義上是歷史上第一次發(fā)現(xiàn)電子。

演示實(shí)驗(yàn)：演示鋅銅原電池（簡(jiǎn)化的丹尼爾電池）工作時(shí)電流表指針的轉(zhuǎn)動(dòng)。

[學(xué)習(xí)任務(wù)2]從電子轉(zhuǎn)移角度認(rèn)識(shí)氧化還原反應(yīng)

學(xué)生：觀察實(shí)驗(yàn)，分析反應(yīng)（1）和反應(yīng)（2）中的電子轉(zhuǎn)移情況。

（1）概括反應(yīng)前后相關(guān)物質(zhì)“電子得失”的情況并填人表3。

（2）你如何看待同一個(gè)氧化還原反應(yīng)中“得失氧”“化合價(jià)升降”和“電子的轉(zhuǎn)移”這三者直接的關(guān)系？如果撤去電流表，反應(yīng)中還存在電子的轉(zhuǎn)移嗎？

[設(shè)計(jì)意圖]利用“丹尼爾電池”“湯姆遜發(fā)現(xiàn)電子”兩則科學(xué)史材料和簡(jiǎn)單鋅銅原電池的演示實(shí)驗(yàn)，幫助學(xué)生從宏觀現(xiàn)象逐漸深入到反應(yīng)的微觀本質(zhì)，逐步認(rèn)識(shí)一個(gè)氧化還原反應(yīng)化合價(jià)升降背后的“實(shí)質(zhì)”——電子的轉(zhuǎn)移，這也與氧化還原反應(yīng)概念的發(fā)展史是一致的。

史料3：氧化還原反應(yīng)概念發(fā)展（表4）。

[設(shè)計(jì)意圖]從得失氧、化合價(jià)升降和電子轉(zhuǎn)移角度認(rèn)識(shí)氧化還原反應(yīng)的歷程也是科學(xué)發(fā)展的歷程，通過表1的總結(jié)一方面呈現(xiàn)讓學(xué)生認(rèn)知與科學(xué)發(fā)展史的一致性，另一方面認(rèn)識(shí)到每一種認(rèn)知角度都是與當(dāng)時(shí)的理論發(fā)展是一致的，而不是簡(jiǎn)單的“對(duì)”或者“錯(cuò)”。

[學(xué)習(xí)任務(wù)3]認(rèn)識(shí)氧化劑和還原劑，體會(huì)它們?cè)谘趸€原反應(yīng)中的作用。

學(xué)生：分析H₂和單質(zhì)鐵在反應(yīng)（1）和反應(yīng)（2）這兩個(gè)反應(yīng)中的作用。

（1）歸納H₂和單質(zhì)鐵反應(yīng)前后化合價(jià)變化情況。

（2）概括氧化劑、還原劑在反應(yīng)中的變化特點(diǎn)，填入下表.

[設(shè)計(jì)意圖]氧化劑和還原劑的判斷本身不是目的，更不是為了迷惑學(xué)生而出現(xiàn)的概念，所以起始階段應(yīng)該單一些簡(jiǎn)單的、學(xué)生不易迷惑例子幫助學(xué)生歸納氧化劑和還原劑在反應(yīng)前后的變化特征，為后面的應(yīng)用打下基礎(chǔ)。

[學(xué)習(xí)任務(wù)4]電子得失守恒的驗(yàn)證

已知：反應(yīng)（3）、（4）可以用于鐵、鈦的制?。簩W(xué)生：判斷反應(yīng)的氧化劑和還原劑，并從化合價(jià)升降和電子得失角度分析反應(yīng)（3）、（4），歸納反應(yīng)前后氧化劑得到的電子數(shù)與還原劑失去的電子數(shù)有何關(guān)系。

[設(shè)計(jì)意圖]由化合價(jià)升降數(shù)目相等過渡到電子得失守恒，為在真實(shí)情境中運(yùn)用電子守恒解決實(shí)際問題做好準(zhǔn)備。

3.應(yīng)用概念：STSE情境下的問題解決

STSE素材1：三元催化器中的主要反應(yīng)。

汽車尾氣排放前需經(jīng)過“三元催化器”（圖2）。三元催化器是凈化汽車發(fā)動(dòng)機(jī)排放氣體的重要裝置，其內(nèi)部存在鉑、銠、鈀等貴金屬，它們可以促使發(fā)動(dòng)機(jī)室排出的碳?xì)浠衔铮–_xH_y）、CO及氮氧化物（NO_x）轉(zhuǎn)化為對(duì)環(huán)境幾乎不產(chǎn)生危害的氣體。

（1）氮氧化物（NO_x）是造成硝酸型酸雨的源頭之一，包括NO、NO_x等，結(jié)合素材1猜想氮氧化物經(jīng)過三元催化器后的產(chǎn)物。

（2）要想獲得這種產(chǎn)物，氮元素化合價(jià)如何變化，與具有____性的物質(zhì)反應(yīng)比較合適？

（3）反應(yīng)2CO+2NO向→N₂+2CO₂（反應(yīng)條件略去）中的還原劑是___。

（4）完成反應(yīng)方程式：CO+NO₂→……（反應(yīng)條件略去），和同伴交流你是如何分析反應(yīng)產(chǎn)物、如何配平的。

STSE素材2：電影《永不妥協(xié)》——與六價(jià)鉻的斗爭(zhēng)

女主角埃琳（茱莉亞羅伯茨飾）在一堆有關(guān)資產(chǎn)和債務(wù)的文件中很偶然地發(fā)現(xiàn)了當(dāng)?shù)厣鐓^(qū)隱藏著的重大環(huán)境污染事件，一處非法排放的有毒污水（含六價(jià)鉻）正在損害居民的健康，是造成一種致命疾病的根源。

廢水在反應(yīng)池中用硫酸調(diào)至酸性，投加FeSO₄溶液，使六價(jià)鉻還原為三價(jià)鉻，然后投加石灰乳，其基本工藝流程如圖3，試分析：

（1）FeSO₄使六價(jià)鉻還原為三價(jià)鉻的過程中做為還原劑，依據(jù)是____;

（2）若一份水樣中含lmol K₂Cr₂O₇，理論上需要消耗____molFeSO₄。

[設(shè)計(jì)意圖]關(guān)注與化學(xué)有關(guān)的社會(huì)熱點(diǎn)問題，應(yīng)用氧化還原反應(yīng)基本概念解決實(shí)際問題，在此過程中認(rèn)識(shí)環(huán)境保護(hù)（大氣污染和水污染的綜合治理）的重要性，培養(yǎng)學(xué)生的“綠色化學(xué)”觀念和“可持續(xù)發(fā)展”意識(shí)。

五、教學(xué)反思

1.挑選怎樣的化學(xué)史實(shí)——為概念模型建構(gòu)服務(wù)

科學(xué)史與兒童心理發(fā)展的相似性與連續(xù)性可以從科學(xué)教育的實(shí)證研究中尋找證據(jù)，有學(xué)者指出學(xué)生有很多概念與科學(xué)史是相平行的，科學(xué)史不僅幫助我們了解科學(xué)概念產(chǎn)生的情境，也可提供我們對(duì)于科學(xué)概念學(xué)習(xí)順序的判斷。從科學(xué)的本質(zhì)理解氧化還原反應(yīng)，不應(yīng)該簡(jiǎn)單地將之定義為某一個(gè)確定的概念，而應(yīng)該結(jié)合科學(xué)史中的相關(guān)素材讓學(xué)生看到氧化還原反應(yīng)的概念也是逐步發(fā)展的。

本設(shè)計(jì)首先選擇學(xué)生熟悉的氫氣還原氧化銅和濕法煉銅兩個(gè)反應(yīng)為主要對(duì)象進(jìn)行氧化還原反應(yīng)概念的建構(gòu)，從得失氧的同時(shí)發(fā)生到化合價(jià)的有升有降，實(shí)現(xiàn)了概念的第一次跨越;再利用丹尼爾電池和湯姆生發(fā)現(xiàn)電子兩則科學(xué)史素材，讓學(xué)生了解化合價(jià)升降表象下面的實(shí)質(zhì)——電子的轉(zhuǎn)移，實(shí)現(xiàn)了概念的第二次跨越;至此利用“史料3”總結(jié)三種層次的定義與科學(xué)發(fā)展的一致性，從宏觀到微觀、從表象到本質(zhì)，符合科學(xué)知識(shí)是變化的（Tenativeness）這一科學(xué)本質(zhì)，可見氧化還原反應(yīng)的概念進(jìn)階本身就是“科學(xué)知識(shí)是變化的”真實(shí)體現(xiàn)。

2.挑選怎樣的STSE素材——為概念的遷移應(yīng)用服務(wù)

為什么要建構(gòu)氧化還原反應(yīng)的概念？這是老師講授氧化還原反應(yīng)前需要問自己的一個(gè)問題。工業(yè)生產(chǎn)、日常生活和社會(huì)發(fā)展中有太多的氧化還原反應(yīng)以及與氧化還原反應(yīng)息息相關(guān)的問題，本教學(xué)設(shè)計(jì)選擇了社會(huì)關(guān)注度較高的汽車尾氣排放和工業(yè)廢水污染兩則情境素材，包括汽車尾氣處理的三元催化的簡(jiǎn)單原理和含六價(jià)鉻廢水的處理。鑒于高一新生的知識(shí)掌握的現(xiàn)有水平，本設(shè)計(jì)借助這兩則STSE素材讓學(xué)生進(jìn)一步去理解氧化還原反應(yīng)及氧化劑和還原劑的作用，在定性掌握氧化還原反應(yīng)相關(guān)概念的基礎(chǔ)上，嘗試帶領(lǐng)學(xué)生根據(jù)得失電子守恒從定量視角分析素材1中第4問給定情境的氧化還原反應(yīng)的配平和素材2中FeSO₄用量的計(jì)算（該部分可以視學(xué)生基礎(chǔ)合理取舍），旨在引導(dǎo)學(xué)生建構(gòu)氧化還原反應(yīng)概念的基礎(chǔ)上應(yīng)用該基本概念解決真實(shí)情境下的問題。