氧化還原反應復習項目式教學設計與實踐
——以“池塘的消毒殺菌”為例

劉佳奇

（杭州師范大學附屬未來科技城學校 浙江 杭州 310000）

項目式學習是一種緊密聯(lián)系生產(chǎn)、生活真實情境的學習方式，其顯著特點為：真實地驅動問題，情境中對問題展開探究，以小組合作形式開展學習，運用各種工具及資源促進問題解決，產(chǎn)生可以公開交流的成果或產(chǎn)品等。［1］項目式教學強調(diào)高階思維帶動低階思維的培養(yǎng)，是喚起學生對未知探索欲、落實學生核心素養(yǎng)、提升關鍵能力和必備品格的一種有效且可行的教學方式。［2］

經(jīng)過探索實踐，項目式教學的核心要素包括項目及學習目標、真實情境、活動設計與探究、成果報告等內(nèi)容。

本文以“池塘的消毒殺菌”微項目為例，嘗試項目式教學案例的開發(fā)與實踐。

一、項目的主題分析

課程標準中，關于氧化還原反應的內(nèi)容要求是：認識有化合價變化的反應是氧化還原反應，了解其本質是電子的轉移，知道常見的氧化劑和還原劑。學業(yè)要求是：能從物質的類別、元素價態(tài)，依據(jù)氧化還原反應的原理，預測物質的化學性質和變化，設計實驗進行初步驗證，并能分析、解釋有關實驗現(xiàn)象。［3］

本項目要求學生設計實驗除去硫化氫污染，分析解釋相關現(xiàn)象，能夠根據(jù)反應物寫出氧化還原反應方程式，比較不同氧化劑的氧化性，鍛煉學生的系統(tǒng)分析問題能力，培養(yǎng)應用化學解決實際問題的能力，重點培養(yǎng)學生的“宏觀辨識與微觀探析”“證據(jù)推理與模型認知”“科學態(tài)度與社會責任”等學科核心素養(yǎng)，實現(xiàn)素養(yǎng)養(yǎng)成和知識學習的有機結合。

二、項目的教學目標

（1）掌握氧化還原反應的概念，能區(qū)分氧化劑、還原劑、氧化產(chǎn)物、還原產(chǎn)物。

（2）能依據(jù)元素的化合價推斷物質的氧化性還原性，運用氧化還原原理選擇合適試劑，設計和優(yōu)化實驗，建立綠色化學意識，養(yǎng)成實驗探究與創(chuàng)新意識。

（3）應用氧化還原原理，通過對宏觀現(xiàn)象分析，判斷微觀電子轉移，書寫陌生方程式。

三、項目的任務及教學流程

依據(jù)課程標準和項目式教學特點，本項目以“池塘的消毒殺菌”為載體，以如何幫助養(yǎng)殖戶排除H2S污染為切入點，引導學生運用氧化還原反應解決生活中亟須解決的問題，培養(yǎng)學生用科學態(tài)度使用化學品的能力。

在本項目中，學生需要幫助養(yǎng)殖戶去除H2S污染，需要掌握常見的氧化劑及其適用范圍，知道不同的氧化劑具有不同的氧化性，結合實際情況，為池塘的消毒殺菌提供方案。本項目中各項任務、問題與學生的知識、活動、能力發(fā)展的關系如表1所示。

表1 項目式教學設計思路

四、項目的實施過程及學生的學習成效

1.初探除去H2S的方法

【課前調(diào)查】學生調(diào)查附近養(yǎng)殖池塘中養(yǎng)殖戶常見的問題，發(fā)現(xiàn)存在H2S污染，嚴重損害養(yǎng)殖戶效益。池塘水體中存在0.5 mg/L的H2S時，可導致健康魚類急性中毒死亡，0.3 mg/L的H2S可導致蝦蟹幼苗死亡。［4］

【教師提出項目驅動型任務】如何去除池塘中的H2S污染？我們該由什么角度考慮?

【學生拆解任務】H2S具有什么化學性質？含硫物質如何轉化？選取何種氧化劑？

【問題1】H2S具有什么化學性質？

【學生觀點】從化合價視角來看，H2S中S為-2價，是S元素的最低價，所以H2S具有還原性。

【問題2】由于它具有還原性，所以我們應如何處理處理？

【學生回答】使用氧化劑。

【教師追問】那么我們常見的氧化劑有哪些？

【學生討論】Cl2、O2、KMnO4、HNO3、濃H2SO4等。

【教師追問】同學們是如何記憶這么多氧化劑的？

【學生回答】通過分類的方法，常見的氧化劑主要分為活潑的非金屬單質，例如鹵素單質如Cl2；某元素處于高化合價時的化合物或離子，例如KMnO4、MnO2、HNO3、H2O2。

【教師追問】我們選取何種氧化劑最合適？

【學生討論，展開分析】Cl2用于殺菌消毒時，Cl2易揮發(fā)，利用率低。KMnO4等含有重金屬的氧化劑會導致水產(chǎn)品重金屬中毒，HNO3等酸性過強，有污染；綜合考慮，選擇H2O2最為合適，其反應后產(chǎn)物為H2O和O2，安全，無污染，能夠增加池塘中的溶解氧量。

【教師展示】同學們討論得非常詳盡，結合綠色核心理念，我們選取H2O2作為氧化劑。實際上，在水產(chǎn)養(yǎng)殖中，人們的確使用的是H2O2。

【教師引導】今天我們來模擬這個實驗，老師為大家?guī)砹撕琒2-的廢水和3%濃度的H2O2，請同學們用針管合作完成實驗，記錄實驗現(xiàn)象和分析產(chǎn)物。

【教師補充】使用針管將實驗微型化，減少污染，符合綠色化學理念。同時可以將實驗定量，便于控制加入H2O2的量。

【學生實驗并匯報實驗結果】

表2 實驗方案及現(xiàn)象

圖1 過氧化氫溶液

圖2 實驗現(xiàn)象

【反思評價】學生實驗積極性高，在實驗中體驗到H2O2除污的方便快捷，認識氧化劑量的不同，氧化產(chǎn)物會不同。同時，學生還鞏固了硫酸根離子的檢驗。

【教師追問】繼續(xù)吸入過量的H2O2溶液，溶液變?yōu)闊o色，此時產(chǎn)物是SO還是SO？

【問題3】依據(jù)實驗現(xiàn)象，寫出化學反應方程式。

【學生活動】思考，練習。選取學生在黑板上進行書寫。

【教師指導】根據(jù)已知產(chǎn)物，用雙線橋表示電子轉移，進而配平方程式。

【學生展示】

圖3 學生書寫的方程式

【設計意圖】氧化還原方程式的書寫，對于學生要求較高，需要掌握其得失電子轉移的規(guī)律，思維過程中實現(xiàn)“宏觀-微觀-符號”三重表征的有機結合，建立思維模型。

2.里約奧運會游泳池變綠之謎

在剛才的實例中，H2O2去除H2S效果非常好，主要因為其具有氧化性。請看下面一則報告：2016年的里約奧運會中，他們的游泳池變綠了。官方稱曾在不知情的情況下，先后使用了84消毒液和H2O2消毒液。

【問題4】游泳池為什么變綠了？

【設計意圖】創(chuàng)造認知沖突，同樣的都是氧化劑卻發(fā)生了反應。

【學生觀點】也許兩種消毒劑發(fā)生了反應。

【教師引導】那么綠色的物質是什么呢？同學們展開討論，并進行實驗。

【學生實驗·匯報結果】在H2O2溶液中加入少量的NaClO，迅速產(chǎn)生大量的氣體，使用帶火星的木條檢驗，發(fā)現(xiàn)木條復燃，說明產(chǎn)生了O2。大量的O2促進綠藻大量繁殖，從而使游泳池變綠。

圖4 84消毒液

圖5 NaClO與H2O2反應產(chǎn)生大量的氣泡

【問題5】請寫出反應的化學方程式。

【學生結果】NaClO+H2O2==NaCl+O2+H2O

【設計意圖】進一步鞏固氧化還原反應方程式書寫的思維模型。

【教師追問】在這方程式中，H2O2做什么劑？

【學生觀點】由化合價角度看，過氧根中的負一價氧升高至零價，被氧化，說明H2O2做還原劑。

【教師追問】為什么H2O2既可以做氧化劑又可以做還原劑？

【設計意圖】創(chuàng)造認知沖突，由價態(tài)角度再次認識氧化劑。

【學生觀點】H2O2中氧為-1價，處于氧元素的中間價態(tài)，中間價態(tài)具有氧化性和還原性。

3.高鐵酸鹽——新型的池塘污染處理劑

目前，一種高效多功能的新型非氯綠色消毒劑高鐵酸鈉Na2FeO4被廣泛使用。

【問題6】為什么其具有強氧化性？

【學生】高鐵酸鈉中鐵元素為+6價，是鐵的最高價，具有強氧化性。

【教師追問】請從氧化還原視角，預測其與H2O2反應的實驗現(xiàn)象。

【學生討論】Na2FeO4和H2O2都具有氧化性，結合剛才NaClO與H2O2的反應，猜測Na2FeO4被還原，其化合價降低，H2O2被氧化，化合價升高，產(chǎn)生氧氣。

【學生觀點1】產(chǎn)物為Fe2+，實驗現(xiàn)象是溶液變?yōu)闇\綠色，產(chǎn)生大量氣泡。

【學生觀點2】產(chǎn)物為Fe3+，實驗現(xiàn)象是溶液變?yōu)樽攸S色，產(chǎn)生大量氣泡。

【教師提示】H2O2的氧化性強于Fe2+。

【學生觀點】產(chǎn)物中為Fe3+，因為H2O2的氧化性強于Fe2+，可以氧化Fe2+至Fe3+。

【教師展示實驗】經(jīng)過預測后，我們進行實驗，溶液迅速變?yōu)樽攸S色，放出大量氣泡。

【問題7】請寫出Na2FeO4和H2O2反應的離子方程式

【設計意圖】進一步強化氧化還原方程式的書寫。

【習題練習】

工業(yè)上制備高鐵酸鈉有多種方法，其中一種方法的化學原理可用化學方程式表示為：

（1）請用雙線橋表示該氧化還原反應中電子轉移的方向和數(shù)目；

（2）該反應中氧化劑是______________；氧化產(chǎn)物是________________。

4.選取最合適的H2S處理物

【問題8】我們今天共學習了三種常見的污水處理試劑，請同學們比較這三種氧化劑的氧化性？

【設計意圖】鞏固氧化性的比較。

【學生討論】根據(jù)同一反應中，氧化劑的氧化性最強這一規(guī)律，得到氧化性：NaClO＞H2O2，Na2FeO4＞H2O2。根據(jù)氧化劑的氧化性大于氧化產(chǎn)物的氧化性，所以NaClO＞Na2FeO4。

【教師追問】比較這三種氧化劑，哪一款更適合我們的池塘水質消毒殺菌。

【設計意圖】在討論中培養(yǎng)綠色化學理念，形成性質決定用途理念，養(yǎng)成科學精神與社會責任。

【成果匯報·學生討論】NaClO易水解形成HClO，HClO見光易分解，生成Cl2，造成污染，經(jīng)濟效益降低。H2O2分解后產(chǎn)生氧氣，增加溶解氧量，產(chǎn)物無污染。Na2FeO4反應后可以得到Fe3+，可以形成Fe（OH）3膠體，吸附雜質，同時Na2FeO4水解也可以產(chǎn)生O2，增加溶解氧量。結合實際價格，H2O2和Na2FeO4都是較好的池塘污水處理劑。

五、教學反思

1.項目要來源于真實情境

化學是一門與生活聯(lián)系緊密的自然學科，化學教學的問題需要來源于生活，并且指導生產(chǎn)、生活實踐，本項目式教學通過探討池塘中H2S污染的處理，分別呈現(xiàn)中毒的螃蟹和健康的螃蟹，激發(fā)學生的學習興趣。同時，84消毒液、H2O2等消毒劑緊密聯(lián)系生活，通過本項目的學習，訓練學生合理科學利用化學藥品的理念，體會到學科價值，消除化學恐慌，［5］在完成綜合性的項目中實現(xiàn)理解、實踐、探究、應用與創(chuàng)新的深度學習，形成解決實際問題所必備品格和關鍵能力。［6］

2.錨定教學目標，精加工組織知識

課堂教學需要圍繞明確的教學目標。氧化還原反應是中學化學的核心概念之一，知識點多，無法在一節(jié)課中做到面面俱到。故在項目化教學中，教師需精選學考所要求知識，形成本節(jié)課的知識邏輯，確定教學目標。在知識組織上做到循序漸進，從氧化劑、還原劑的區(qū)分到簡單方程式的書寫，為學生搭建腳手架，初步建立氧化還原方程式書寫的思維模型。之后進階至預測陌生氧化還原反應的現(xiàn)象和書寫方程式，滲透“宏觀-微觀-符號”三重表征的思想，鞏固氧化還原思維模型。最后以氧化劑的選擇與比較結尾，實現(xiàn)了項目式教學與復習課的有機結合，在真實的情境下應用所學知識，提升學生的能力。