“氧化還原反應”原創(chuàng)課時作業(yè)的設計

趙婷

摘要： 以氧化還原反應概念理解的認知過程和進階發(fā)展為主線，問題情景力求真實，主要介紹填空題、思考題、討論題、實踐題和開放題的課時作業(yè)設計。設計的作業(yè)中注重問題的育人價值，使學生在完成作業(yè)時能經(jīng)歷邏輯推理、自主合作、實踐探究、設計表達的學習過程，逐級加深對氧化還原概念的理解，培養(yǎng)解決問題的能力及素養(yǎng)。

關鍵詞： 概念理解; 氧化還原; 作業(yè)設計; 教學研討

文章編號： 10056629（2022）09007806

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

科學概念是科學知識的重要組成部分，科學概念學習是發(fā)展學生關鍵能力和素養(yǎng)的重要載體。因此，科學概念作為科學教育的重要內(nèi)容應得到充分重視[1]?；瘜W教育作為科學教育的分支，在教學中仍存在學生對概念性知識理解不深入，應用概念解決問題能力不強的問題。作業(yè)是促進學生概念理解的教學環(huán)節(jié)之一，通過作業(yè)促進學生對氧化還原反應概念的理解，能使學生認識到物質(zhì)的變化是有規(guī)律的，氧化還原是分析化學反應的重要視角，利用氧化還原理論可以解決生活中的實際問題，從而有效落實“變化觀念與平衡思想”的化學學科核心素養(yǎng)。本文旨在以2021年版滬科版高中化學教材必修第一冊“氧化還原反應”課時作業(yè)為例，探索促進學生概念理解的作業(yè)設計。

1 概念理解的認知過程和發(fā)展進階

1.1 概念理解的認知過程

布魯姆教育目標分類學中，“理解”是促進學習遷移的認知類別之一。理解是新獲得的知識與現(xiàn)有的心理圖示和認知框架的整合。因為概念是組成這些圖示和框架的基本模塊，所以概念性知識是理解的基礎。概念理解包括解釋、舉例、分類、總結(jié)、推斷、比較和說明等七個認知過程，其具體含義見表1[2]。

七個認知過程圍繞概念理解，按認知方法的不同進行分別描述。其中，既包含了概念的低階認知，如“解釋”，指學生能夠運用自己的語言（可能是文字、圖片或數(shù)字）將概念轉(zhuǎn)述出來，能澄清概念的邊界;也包含了對概念的高階認知，如“說明”或稱“建?！?，即面對具體問題，能協(xié)調(diào)構(gòu)成概念的各個因素間的因果關系，利用概念系統(tǒng)解釋或解決問題。

1.2 概念理解的發(fā)展進階

郭玉英等[3]基于學習進階理論，建構(gòu)了契合我國學生實際的科學概念理解的發(fā)展層級模型，將學生對概念的理解過程劃分為5個發(fā)展層級，并對應于相應的層級描述，具體內(nèi)容如表2所示。

從低階到高階的5個進階層級，使學生的思維進階過程清晰可見。其中“映射”“關聯(lián)”“系統(tǒng)”屬于某一概念本體的認知發(fā)展，“經(jīng)驗”是學習該概念前的知識回憶，“系統(tǒng)”則是學生將這一概念與其他概念建立聯(lián)接，重構(gòu)知識體系的過程。

2. 促進概念理解的“氧化還原反應”課時作業(yè)設計

2.1 基于兩種概念理解的作業(yè)設計思路

布魯姆目標分類學中的概念理解側(cè)重于認知過程

及方法視角，基于學習進階的概念理解側(cè)重于思維進階視角，兩者雖有不同，卻相互交織。在概念理解每一個發(fā)展層級中均包含了若干種認知方法，只有通過具體的認知方法訓練才能達到思維進階的目的?；趯煞N概念理解的認識和關系梳理，依據(jù)本課時教學目標和學生學情，確定作業(yè)設計的思路，如圖1所示。

2.2 原創(chuàng)課時作業(yè)內(nèi)容與設計說明

2.2.1 知識回味

氧化還原理論是無機化學基本理論之一，它的形成與發(fā)展經(jīng)歷了一段歷史演變過程。按照氧化還原理論的發(fā)展順序，請完成下面相關的填空：

答案： 化合價，電子，Mg，CO2，0價Mg，+4價C，Mg，CO2，4e-

設計說明： 本題引導學生站在化學史立場，以人類對氧化還原理論完善為時空線索，與初中學習的氧化還原概念相連接，分別從表象、特征和本質(zhì)三個維度，結(jié)合具體案例解釋氧化還原反應概念的核心內(nèi)容，同時了解和體驗科學家不斷實踐、追求真理的探索精神。

2.2.2 辨析推理

氯是重要的“海洋元素”，氯單質(zhì)及其化合物具有豐富多樣的化學性質(zhì)。請從氧化還原反應的視角，對氯單質(zhì)的相關化學反應再認識。

（1） 標出①和⑤中電子轉(zhuǎn)移的方向和數(shù)目，并針對Cl2發(fā)生反應的情況進行連線：

① 2Fe+3Cl2點燃2FeCl3

② Cu+Cl2點燃CuCl2

③ H2+Cl2點燃2HCl

④ H2O+Cl2HCl+HClO

⑤ 2NaOH+Cl2NaCl+NaClO

+H2O

Cl2發(fā)生氧化反應

Cl2發(fā)生還原反應

（2） 通過對反應①～⑤的分析觀察，我們發(fā)現(xiàn)：

①②中，Cl2均發(fā)生?? _______? （選填“得到”或“失去”）電子的? _______?? （選填“氧化”或“還原”）反應，反應后氯元素的化合價均為?? _______? ，Cl2通常將變價金屬轉(zhuǎn)化為??? 價態(tài)。

• ③屬于四種基本反應類型中的??? 反應，該類型反應一定是氧化還原反應嗎？請全面考慮并結(jié)合具體反應加以判斷_______???? 。

④⑤?? _______? （選填“能”或“不能”）能歸類于四種基本反應類型嗎？“四種基本反應”和“（非）氧化還原反應”都是化學反應的分類方法，它們的分類依據(jù)分別是什么？

答案：

（1）

① 點燃2FeCl3

② Cu+Cl2點燃CuCl2

③ H2+Cl2點燃2HCl

④ H2O+Cl2HCl+HClO

⑤ 2NaOH+NaCl+NaClO+H2O

Cl2發(fā)生氧化反應

Cl2發(fā)生還原反應

（2） 得到，還原，-1價，較高。

化合?；戏磻灰欢ㄊ茄趸€原反應，反應①②③中元素化合價有變化則屬于氧化還原反應，但如在CaO+H2OCa（OH）2的反應中，元素化合價無變化的化合反應則不屬于氧化還原反應。

不能?！八姆N基本反應”的分類依據(jù)是反應物和生成物的類別以及反應前后物質(zhì)種類的多少;“（非）氧化還原反應”的分類依據(jù)是反應中有無電子轉(zhuǎn)移或化合價升降。

設計說明： 在學生對氯氣的化學性質(zhì)有了感性認識的基礎上，本題引導學生用氧化還原理論分析氯氣的性質(zhì)，歸納氯氣在氧化還原反應中的主要特征。能運用“化合價變化”的特征表現(xiàn)，基于證據(jù)進行推理總結(jié)，將氧化還原反應與四種基本反應類型間的關系梳理清楚，培養(yǎng)學生化學反應的變化觀和分類觀。

2.2.3 遷移運用

上海朱家角古鎮(zhèn)的黛瓦白墻是小鎮(zhèn)典型的建筑特色，建筑材料青磚、青瓦為什么顯青色？閱讀資料，了解它們的燒制過程。

資料： 磚瓦燒制是以黏土、頁巖為原料，磚瓦焙燒分為氧化焙燒和還原焙燒兩種。氧化焙燒： 通入足量空氣，在900～940℃的燒結(jié)溫度下，將Fe元素全部氧化為Fe2O3（呈紅棕色），即得常用的紅磚。還原焙燒： 在氧化焙燒后，密封窯體，隔絕空氣，加煤炭，通過燃燒耗盡氧氣并形成還原氛圍，該過程中Fe2O3與CO反應得到FeO（呈黑色），這就由紅磚變成了青磚[4]。

（1） 在還原焙燒中涉及兩個主要的氧化還原反應，請書寫化學方程式：________ 、________ 。

（2） 在還原焙燒時，還可能有副反應發(fā)生，請寫出相應的化學方程式：________? 。

（3） 由（1）和（2）可得，發(fā)生氧化還原反應時，反應物相同，但得到的產(chǎn)物未必相同。試分析哪些因素可能會影響產(chǎn)物種類？

答案：

（1） 2C+O2點燃2CO

Fe2O3+CO△2FeO+CO2

（2） C+O2點燃CO2

Fe2O3+3CO△2Fe+3CO2

3Fe2O3+CO△2Fe3O4+CO2

（3） 氧化劑或還原劑的用量、反應溫度等

設計說明： 本題以上海古鎮(zhèn)的建筑特色為背景，學生有效解讀信息，結(jié)合氧化還原概念，能識別、判定磚瓦燒制過程中的氧化還原反應，并嘗試分析反應條件對氧化還原反應的影響。通過理論聯(lián)系實際，讓學生感悟同一個氧化還原反應并不是一成不變的，在工業(yè)生產(chǎn)中反應條件的控制非常重要。

2.2.4 實踐探究

氧化還原反應的本質(zhì)是電子轉(zhuǎn)移，我們能“看”到反應中的電子轉(zhuǎn)移嗎？讓我們一起嘗試在實驗室動手實踐并完成體驗吧！按下圖搭建好裝置。

（1） 分析原理

寫出鐵與硫酸銅溶液反應的化學方程式，并標出電子轉(zhuǎn)移的方向和數(shù)目 。

（2） 觀察記錄

（3） 解釋現(xiàn)象

該裝置名為“原電池”，F(xiàn)e片、Cu片是原電池的兩個電極。電子可在導線、Fe片、Cu片中定向移動，電子的定向移動形成電流。反應開始后，溶液中的Cu2+向Cu片移動，并在銅片上發(fā)生反應。

建議： 可參考以下模型分析實驗現(xiàn)象，也可采用其他方式，能表述清楚即可。

（4） 思考交流

結(jié)合你在實踐活動中“看”到的電子轉(zhuǎn)移，請與同伴交流，說一說你對“氧化反應和還原反應的對立統(tǒng)一關系”的看法。

答案：

（1） Cu+FeSO4

（2）

（4）

氧化還原反應的本質(zhì)是電子轉(zhuǎn)移，電子的“得”與“失”同時發(fā)生，氧化反應和還原反應必然也同時發(fā)生。氧化反應的本質(zhì)是失去電子，還原反應的本質(zhì)是得到電子，兩者本質(zhì)不同。因此，兩者是既對立又統(tǒng)一的關系。

設計說明： 本題鼓勵學生走進實驗室，借助原電池裝置完成電子轉(zhuǎn)移的觀察。通過過程引導，支撐學生完成各項任務，解釋現(xiàn)象時提供了分析模型幫助學生理出頭緒;學生將宏觀現(xiàn)象與微觀變化進行互動分析，理解特征和本質(zhì)的“表”與“里”的關系。同時，學生通過對電子“得”“失”的觀察，使“氧化反應”和“還原反應”既相互對立又不可分割的關系變得更有說服力，培養(yǎng)學生宏觀辨識與微觀探析的核心素養(yǎng)。

2.2.5 設計表達

脫氧劑能有效保持食品的色、香、味，對于油炸食品、奶油食品、月餅、奶酪之類富含高油脂的食品，具有防止油脂、維生素等營養(yǎng)物質(zhì)被氧化破壞，使食物在近似無氧的狀態(tài)下較長期地保鮮。目前使用最為廣泛的無機脫氧劑主要有亞硫酸鹽系脫氧劑和鐵系脫氧劑。其中鐵系脫氧劑的成分是鐵粉或亞鐵鹽。以鐵粉為主劑的脫氧劑，主要反應如下（已知反應②是可能發(fā)生的副反應之一）[5]：

Fe+2H2O（g）Fe（OH）2+H2①

3Fe+4H2O（g）Fe3O4+4H2②

4Fe（OH）2+2H2O+O24Fe（OH）3

2Fe2O3+6H2O③

結(jié)合以上信息并查閱相關資料，設計一份《鐵粉脫氧劑產(chǎn)品說明書》（應包括產(chǎn)品名稱、成分、性狀、適用范圍等內(nèi)容）。

參考答案：

鐵粉脫氧劑產(chǎn)品說明書

[產(chǎn)品名稱]通用名稱： 鐵粉脫氧劑;漢語拼音： Tiefen Tuoyangji

[成分]鐵粉

[性狀]黑色粉末

[適用范圍]可應用產(chǎn)品包括糖果、糕點、干酪、堅果炒貨、水產(chǎn)干貨、熟肉制品、干制蔬菜等

[用法用量]1克鐵粉脫除約500mL空氣中的氧氣，可根據(jù)包裝后殘存的氧氣量和包裝膜的透氧性選擇合適的用量。

[使用方法]

（1） 將被保鮮食品同脫氧劑一起放入透氧率低的復合包裝袋中，熱封封口;

（2） 選擇透氧率低的包材，如復合膜包裝袋、塑料罐、玻璃罐、鐵罐等;

（3） 要注意封口強度和封口質(zhì)量，勿使其漏氣。

[注意事項]

（1） 不可微波、不可食用;

（2） 適用于含脂肪多和油性食品的保鮮，不宜用于含水量大的產(chǎn)品保鮮;

（3） 脫氧保鮮的適宜溫度一般在5～40℃，低于-5℃，脫氧保鮮效果下降;

（4） 打開包裝后，最好在1～2小時內(nèi)用完并封好被保鮮物，尚未用完的，應及時排出原包裝袋內(nèi)空氣后重新密封，以免失效。

設計說明： 本題引導學生走進生活，通過解讀信息，了解脫氧劑的基本化學原理。鼓勵學生課外查閱資料，更全面地了解鐵粉的物理、化學性質(zhì)，將鐵粉性質(zhì)與作為“脫氧劑”的用途之間建立關聯(lián)，將多重信息整合歸納，設計完成一份鐵粉脫氧劑的產(chǎn)品說明書，發(fā)展學生的閱讀、概括、設計、寫作等科學素養(yǎng)。

3 課時作業(yè)設計反思

本次作業(yè)設計以化學學科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)為導向，在充分研讀課程標準和教學目標的基礎上，進行課時作業(yè)的原創(chuàng)。作業(yè)目標主要圍繞“變化觀念與平衡思想”的素養(yǎng)落實[6]，使學生通過氧化還原反應概念的理解深化對物質(zhì)變化的認識。與傳統(tǒng)作業(yè)相比，作業(yè)設計中以促進概念理解為主線，問題情景力求真實，重點研究了填空題、思考題、討論題、實踐題、開放題的設計，以期促使學生在完成作業(yè)時能經(jīng)歷邏輯推理、自主合作、探索實踐、創(chuàng)新表達等更豐富的學習過程，逐步加深對概念的理解，并實現(xiàn)能力提升和素養(yǎng)落實。筆者對本次原創(chuàng)課時作業(yè)設計有以下幾點反思。

3.1 分級促進概念理解，實現(xiàn)思維進階

作業(yè)設計時借助“科學概念理解的發(fā)展層級模型”，根據(jù)學生對氧化還原反應的認知規(guī)律，從學生初中學過的氧化還原反應概念起步，將作業(yè)目標參照模型劃分為經(jīng)驗、映射、關聯(lián)、系統(tǒng)、整合5個發(fā)展層級，在每一級中通過設置不同類型的題目，學生依次運用回憶解釋、歸納總結(jié)、推斷判定、分析說明、綜合應用等認知方法，由易到難、由簡單到系統(tǒng)、從具體到抽象循序漸進解決問題。五道大題以及每題內(nèi)小題間的邏輯關系體現(xiàn)了層次性和選擇性，可以滿足不同學生的需要，也可以實現(xiàn)思維水平的逐級進階和對能力的漸序培養(yǎng)。

3.2 提升問題智育價值，激發(fā)學習興趣和探索精神

作業(yè)中的問題設計不僅要關注知識的落實和鞏固功能，更要關注在培養(yǎng)學生思考力中所存在的智育價值。一個好問題，應有助于培養(yǎng)學生周全、透徹和仔細思考問題的習慣，形成對問題的高階認知，從而真正地激發(fā)學生的學習興趣和探索精神。例如辨析推理中的“（2）‘四種基本反應和‘（非）氧化還原反應都是化學反應的分類方法，它們的分類依據(jù)分別是什么”;遷移運用中的“（3）由（1）和（2）可得，發(fā)生氧化還原反應時，反應物相同，但得到的產(chǎn)物未必相同。試分析哪些因素可能會影響產(chǎn)物種類”;實踐探究中的“（4）結(jié)合你在實踐活動中‘看到的電子轉(zhuǎn)移，請與同伴交流，說一說你對‘氧化反應和還原反應的對立統(tǒng)一關系的看法”等三個問題均屬于開放性問題，思考空間大，答案也不唯一。三個問題依次引導學生從反應分類、反應條件、微觀本質(zhì)各維度審視氧化還原反應，有利于學生對氧化還原概念的深度理解，激勵學生對氧化還原問題進行思辨探究。

3.3 創(chuàng)設真實問題情景，在實踐活動中培養(yǎng)學科核心素養(yǎng)

科學概念的建構(gòu)離不開科學實踐活動，實踐性作業(yè)能凸顯化學學科特征，實踐性作業(yè)要在真實情景中進行設計，尤其要密切聯(lián)系生活。本課時作業(yè)中設計了實踐探究和設計表達兩項實踐活動，前者側(cè)重于學生動手實踐，基于實驗現(xiàn)象進行分析推理，運用宏微結(jié)合的化學思想，促進對氧化還原反應特征和本質(zhì)間關系的理解。后者側(cè)重于科學寫作，學生須利用氧化還原概念系統(tǒng)解決問題，包括閱讀理解鐵粉性質(zhì)資料、建立鐵粉性質(zhì)與用途的聯(lián)系、設計產(chǎn)品說明書的結(jié)構(gòu)以及綜合考慮環(huán)境保護、綠色化學等多重因素，才能完成好《鐵粉脫氧劑產(chǎn)品說明書》的撰寫。實踐性作業(yè)引導學生走進實驗室、走近生活開展實踐活動，在真實問題解決過程中，培養(yǎng)創(chuàng)新意識，提升化學學科核心素養(yǎng)。

參考文獻：

[1]張玉峰. 基于概念理解測試的科學概念教學策略[J]. 教育科學研究， 2018， （5）： 58～62.

[2]洛林·W. 安德森（Lorin W. Anderson）等編著. 蔣小平等譯. 布魯姆教育目標分類學修訂版（完整版）分類學視野下的學與教及其測評[M]. 北京： 外語教學與研究出版社， 2017： 54～58.

[3]郭玉英， 姚建欣. 基于核心素養(yǎng)學習進階的科學教學設計[J]. 課程·教材·教法， 2016， 36（11）： 64～70.

[4]張婷， 徐惠. 基于真實生活的化學主題式情境教學——以“高一氧化還原反應專題復習”為例[J]. 化學教學， 2021， （1）： 66～71.

[5]吳建文， 李冰， 李琳. 脫氧劑的研究和應用[J]. 食品科學， 2002， （5）： 148～149.

[6]中華人民共和國教育部制定. 普通高中化學課程標準（2017版）[S]. 北京： 人民教育出版社， 2018.