基于“模型認(rèn)知”的氧化還原反應(yīng)教學(xué)研究

王澄 孟獻(xiàn)華

摘要：在化學(xué)基本概念教學(xué)中，以“模型認(rèn)知”為學(xué)科思維方法，關(guān)注學(xué)生對核心概念的認(rèn)知程度和思路，給出高一化學(xué)“氧化還原反應(yīng)”的教學(xué)案例，引領(lǐng)學(xué)生模型認(rèn)知，樹立學(xué)生模型意識，為指向化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的高中化學(xué)概念教學(xué)提供參考。

關(guān)鍵詞：模型認(rèn)知;學(xué)科核心素養(yǎng);氧化還原;概念教學(xué);證據(jù)推理

文章編號：1008-0546（2021）02-0034-05 中圖分類號：G632.41 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2021.02.009

2017年版的普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)基于經(jīng)驗和理論的有機融合，提煉了化學(xué)本質(zhì)特征，建構(gòu)了學(xué)科核心素養(yǎng)的內(nèi)容及發(fā)展水平體系?！澳Ｐ驼J(rèn)知”是學(xué)科核心素養(yǎng)的思維核心。課程標(biāo)準(zhǔn)提出了“模型認(rèn)知”的釋義，即“通過分析、推理等方法認(rèn)知本質(zhì)特征、構(gòu)成要素、相互關(guān)系，建立模型”。這說明了在化學(xué)概念教學(xué)中需要充分基于“模型認(rèn)知”展開教學(xué)，揭示概念的本質(zhì)和發(fā)展規(guī)律，解釋化學(xué)現(xiàn)象。相對于學(xué)科核心素養(yǎng)的其他維度而言，一線教師研究者對“模型認(rèn)知”的理論定義和內(nèi)涵解析并未形成統(tǒng)一的見解。本文結(jié)合課程標(biāo)準(zhǔn)（2017版）和已有相關(guān)文獻(xiàn)，在解析“模型認(rèn)知”涵義的基礎(chǔ)上，應(yīng)用模型認(rèn)知進(jìn)行教學(xué)實踐、開展實驗探究、建立知識體系，利用模型認(rèn)知突破概念教學(xué)的困難點、評價學(xué)生學(xué)習(xí)效果，探尋氧化還原教學(xué)中的認(rèn)知模型及建構(gòu)途徑，形成引領(lǐng)學(xué)生模型認(rèn)知的主要策略。

一、“模型認(rèn)知”的內(nèi)涵解析

《辭海》中認(rèn)為“模型”是具有原型相似特征的替代物，是系統(tǒng)或過程的簡化、抽象和類比?！霸汀笔侵缚陀^存在的客體，根據(jù)原型的不同方式，將模型分為物質(zhì)模型和思想模型兩大類?！罢J(rèn)知”作為科學(xué)術(shù)語釋義是指人認(rèn)識外界事物的過程，它包括感覺、知覺、記憶、思維、想象、言語。分析課程標(biāo)準(zhǔn)（2017版）對“模型認(rèn)知”的釋義和“中國知網(wǎng)”相關(guān)文獻(xiàn)語境，“模型認(rèn)知”的涵義是指基于“模型”的“認(rèn)知”，這里的“模型”并不僅僅是狹義的實物模型，還是一種重要的科學(xué)操作和科學(xué)思維。與之相對應(yīng)，課程標(biāo)準(zhǔn)將“模型”分為“物質(zhì)模型”和“理論模型”。

“物質(zhì)模型”可理解為實物模型，這類模型是以原型為基礎(chǔ)，利用按比例放大或者縮小的物化過程，對原型進(jìn)行模仿建構(gòu)，能以實物或者圖形的形式呈現(xiàn)，例如課堂中常用的球棍模型、比例模型、雜化軌道模型、工業(yè)制備的設(shè)備模型等，這類模型的優(yōu)點是直觀形象地反映了原型的本質(zhì)特征，有利于學(xué)生對原型的可視化理解。

“理論模型”可理解為與科學(xué)操作和科學(xué)思維的結(jié)構(gòu)化表達(dá)，常常包括語義模型、思維模型、數(shù)學(xué)模型等。語義模型是指用特定的化學(xué)語言描述的模型，如概念、原理、規(guī)律的表達(dá)模型，也包括元素符號、結(jié)構(gòu)示意圖等特定化學(xué)抽象模型;思維模型是指概念理解的思維過程，如概念體系模型、概念關(guān)系模型等;數(shù)學(xué)模型是指用數(shù)學(xué)語言描述的模型，如描述離子放電順序的數(shù)軸模型、描述不同物質(zhì)間化合價變化的坐標(biāo)模型、化學(xué)反應(yīng)方程式的等式模型等。其相互關(guān)系如圖1所示。

二、基于“模型認(rèn)知”的氧化還原反應(yīng)教學(xué)分析

1.氧化還原反應(yīng)的教學(xué)模型分析

氧化還原反應(yīng)是化學(xué)基礎(chǔ)理論的重要組成部分，是由化學(xué)現(xiàn)象、事實抽象出來的化學(xué)核心概念。氧化還原反應(yīng)涉及的概念包括氧化還原反應(yīng)（上位概念），被氧化和被還原、氧化劑和還原劑、氧化性和還原性、氧化產(chǎn)物和還原產(chǎn)物（下位概念）。基于模型認(rèn)知的氧化還原反應(yīng)的設(shè)計核心，是將模型認(rèn)知融入概念教學(xué)的每個環(huán)節(jié)，分析氧化還原概念形成中的邏輯關(guān)系，對比概念的不同定義，領(lǐng)會論證推理的學(xué)科思維，形成科學(xué)觀念。設(shè)計的理論基礎(chǔ)在于，學(xué)生對概念的理解過程很大程度上和氧化還原概念的形成過程具有一致性，經(jīng)歷了宏觀到微觀到本質(zhì)的認(rèn)知過程。課堂教學(xué)按照學(xué)生概念形成的過程設(shè)計，能更有效地實現(xiàn)樸素概念到科學(xué)概念的轉(zhuǎn)換（圖2）。

基于物質(zhì)的氧化還原：歷史上第一次使用“還原”是描述將金屬從礦石分離出來的過程，在這個過程中礦石材料的質(zhì)量在減少（單詞“reduction”兼有“減輕”“減少”“還原”的意思），所以化學(xué)家將這個過程稱為reduction（還原過程）。早期的“氧化”是描述物質(zhì)和氧氣結(jié)合生成氧化物（oxide）的過程，所以這個過程稱為oxidation（氧化過程）。

基于元素的氧化還原：化學(xué)家意識到有其他非金屬單質(zhì)也有與氧氣類似的反應(yīng)，認(rèn)為原子的氧化數(shù)為0，離子的氧化數(shù)為該離子所帶電荷數(shù)，元素的氧化數(shù)增加的過程為氧化過程，氧化數(shù)減少的過程為還原的過程，在反應(yīng)過程中氧化數(shù)有升高必然有降低。

基于微粒的氧化還原：現(xiàn)代化學(xué)中氧化反應(yīng)是指物質(zhì)失去電子的反應(yīng)，還原反應(yīng)是指得到電子的反應(yīng)。由于電子是從一個微粒轉(zhuǎn)移到另一個微粒，因此反應(yīng)過程中氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)同時發(fā)生。

對高一學(xué)生“氧化還原反應(yīng)”學(xué)習(xí)前的已有認(rèn)知調(diào)查表明，滬教版上冊125頁定義金屬和氧氣反應(yīng)生成金屬氧化物的過程叫氧化，金屬氧化物和一氧化碳等物質(zhì)反應(yīng)生成金屬的過程叫還原。學(xué)生認(rèn)為和O2發(fā)生的反應(yīng)為氧化反應(yīng)，H2、CO等是還原劑，能還原金屬氧化物，這和最早期的氧化還原的定義的一致的。高中化學(xué)1第5頁定義有化合價的變化的反應(yīng)為氧化還原反應(yīng)，高一學(xué)生能通過化合價變化判斷氧化還原反應(yīng)，但不能跟初三已有的氧化和還原之間建立聯(lián)系。由此可見，學(xué)生在學(xué)習(xí)這個概念之前已經(jīng)形成了原有孤立的思維模型。如何幫助學(xué)生建立涵義拓展、對立統(tǒng)一的氧化還原觀是本節(jié)課需要解決的重點問題。

課程標(biāo)準(zhǔn)也對《氧化還原反應(yīng)》提出相應(yīng)建議：以氧化還原理論建立史料為情境素材，認(rèn)識化合價變化的反應(yīng)是氧化氧化還原反應(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。基于三種模型的一致性分析，結(jié)合課程標(biāo)準(zhǔn)，形成了解決重點問題的教學(xué)模型：以氧化還原概念變化為線索進(jìn)行教學(xué)設(shè)計，用微型實驗再現(xiàn)樸素孤立的氧化還原觀，對比分析化合價變化形成對立統(tǒng)一的氧化還原觀，實驗探究電子轉(zhuǎn)移強化內(nèi)涵本質(zhì)的氧化還原觀（圖3）。

2.基于“模型認(rèn)知”的氧化還原教學(xué)過程教學(xué)過程如表1所示。

三、基于“模型認(rèn)知”的氧化還原教學(xué)反思

1.學(xué)科知識模型的深入理解

學(xué)科知識模型的建構(gòu)強調(diào)對知識的理解而非記憶。氧化還原反應(yīng)是蘇教版高一化學(xué)1第44頁內(nèi)容，本節(jié)課是氧還原反應(yīng)教學(xué)的第一課時，教學(xué)內(nèi)容的基本成分是：（1）氧化還原的概念、特征、本質(zhì);（2）氧化還原反應(yīng)、氧化劑還原劑、氧化性還原性、氧化產(chǎn)物還原產(chǎn)物之間的相互關(guān)系;（3）用雙線橋法表示電子轉(zhuǎn)移。教學(xué)基礎(chǔ)是初三化學(xué)對于氧化還原的會意樸素的定義。第2課時的氧化還原方程式配平、化學(xué)2中的《原電池》《電解池》及高二《化學(xué)反應(yīng)原理》中的電化學(xué)都需要本節(jié)內(nèi)容的學(xué)科知識和思維方式。從科學(xué)史料出發(fā)，基于宏觀實驗現(xiàn)象推理初三原始模型，用微觀化合價推理對立統(tǒng)一的氧化還原觀，基于探究實驗推理微觀本質(zhì)模型。本節(jié)課也為后續(xù)的學(xué)習(xí)提供了參考，實物模型和理論模型在后續(xù)的學(xué)習(xí)中不斷彰顯應(yīng)用價值。

2.學(xué)生認(rèn)知模型的建構(gòu)策略

基于認(rèn)知模型的概念教學(xué)首先要幫助學(xué)習(xí)者樹立模型意識，很多時候?qū)W生在學(xué)習(xí)中已經(jīng)運用了模型而不自知。學(xué)生認(rèn)知模型的建構(gòu)要求教師對認(rèn)知模型的特點、類別、作用有一定的了解，能根據(jù)課標(biāo)要求、教學(xué)內(nèi)容、實際學(xué)情將學(xué)科知識和思維方法模型化，引導(dǎo)學(xué)生用恰當(dāng)?shù)哪Ｐ蛠斫鉀Q問題，用各種形式顯化相應(yīng)模型，指導(dǎo)學(xué)生根據(jù)自己的理解表達(dá)模型。本節(jié)課需要學(xué)生形成涵義拓展的氧化還原反應(yīng)觀，能表達(dá)模型中的“有得必有失，得失相等;有升必有降，升降等量”的認(rèn)知模型。在教師指導(dǎo)下，學(xué)生根據(jù)自我認(rèn)知形成不同的氧化還原建構(gòu)模型，不同個體對同一概念的模型建構(gòu)的關(guān)注點不同，對氧化還原反應(yīng)的認(rèn)知模型也有差異，形成不同的模型表達(dá)。對于不同的學(xué)習(xí)個體，教師應(yīng)該肯定學(xué)生用適合自己的方式進(jìn)行表達(dá)，從而讓學(xué)生樂于建模，勤于建模。

3.教學(xué)設(shè)計模型的有效實施

在教學(xué)過程中建立氧化還原認(rèn)知模型，需要理解化學(xué)學(xué)科思想和核心觀念，表現(xiàn)概念建立的邏輯認(rèn)知，建立相互關(guān)聯(lián)的概念群，培養(yǎng)學(xué)生邏輯推理的思維過程。教學(xué)設(shè)計模型的有效實施是對課標(biāo)提出的模型認(rèn)知進(jìn)階的教學(xué)呈現(xiàn)：教學(xué)設(shè)計實施過程中將氧化還原的科學(xué)史實和理論模型之間進(jìn)行關(guān)聯(lián)和合理匹配（水平1）;從基于物質(zhì)的氧化還原到基于元素的氧化還原，到基于微粒的氧化還原，從不同的視角分析問題，形成合理模型，并論述其個性化模型表示的具體含義（水平2）;利用雙線橋完成對氧化還原定性認(rèn)識到定量分析的轉(zhuǎn)化，學(xué)生個體能對片面理解進(jìn)行評價和改進(jìn)（水平3）;基于理論進(jìn)行猜想，尋找充分證據(jù)，理解實驗現(xiàn)象和結(jié)論之間的關(guān)系;針對生活情境中的化學(xué)問題進(jìn)行分析以建構(gòu)相應(yīng)模型（水平4）。在教學(xué)中利用板書（如圖4）恰當(dāng)呈現(xiàn)教學(xué)設(shè)計模型的結(jié)構(gòu)化生成。