基于“變化觀(guān)”培養(yǎng)的教學(xué)設(shè)計(jì)

李晶晶 徐玲

摘要：以傅興春編寫(xiě)，福建教育出版社出版的《化學(xué)學(xué)科思想》作為“變化觀(guān)”的理論依據(jù)，梳理了“變化觀(guān)”的內(nèi)涵并探討了其教育價(jià)值，整理了 2019 年人教版高中化學(xué)教材中涉及“變化觀(guān)”的核心概念，以“氧化還原反應(yīng)”概念教學(xué)為例，設(shè)計(jì)促進(jìn)“變化觀(guān)”培養(yǎng)的教學(xué)活動(dòng)，將“變化觀(guān)”與化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)貫穿于整個(gè)課堂教學(xué)。

關(guān)鍵詞：氧化還原反應(yīng)；變化觀(guān)；化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)；教學(xué)設(shè)計(jì)

文章編號(hào)：1008-0546（2023）07-0050-05 中圖分類(lèi)號(hào)：G632.41 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2023.07.009

化學(xué)學(xué)科思想會(huì)影響學(xué)生分析和解決實(shí)際問(wèn)題的價(jià)值取向和行為方式。[1]“變化觀(guān)”作為化學(xué)學(xué)科思想的重要組成部分，對(duì)知識(shí)的理解及化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)發(fā)展起著舉足輕重的作用。

一、 “變化觀(guān)”的內(nèi)涵及價(jià)值

1. “變化觀(guān)”的內(nèi)涵

“變化觀(guān)”包含三個(gè)層次內(nèi)容：化學(xué)變化是守恒的、有規(guī)律的、可利用的，[1] 具體內(nèi)容結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2. “變化觀(guān)”的教育價(jià)值

知識(shí)是基礎(chǔ)，化學(xué)思想是靈魂。[2] 化學(xué)學(xué)科思想是促進(jìn)學(xué)生學(xué)會(huì)分析和解決化學(xué)問(wèn)題應(yīng)具備的思維能力。 “變化觀(guān)”作為化學(xué)觀(guān)念體系中的重要組成部分，可以讓學(xué)生實(shí)質(zhì)性地理解化學(xué)變化，運(yùn)用變化觀(guān)念理解、分析、解決問(wèn)題。促進(jìn)“變化觀(guān)”培養(yǎng)的化學(xué)教學(xué)有利于學(xué)生“變化觀(guān)念與平衡思想”素養(yǎng)的發(fā)展。教師在教學(xué)中通過(guò)以知識(shí)為載體進(jìn)行化學(xué)學(xué)科思想的培養(yǎng)，促進(jìn)學(xué)生具備能適應(yīng)終身發(fā)展和社會(huì)發(fā)展需要的必備品格。

二、教材中有關(guān)“變化觀(guān)”涉及的核心概念

“變化觀(guān)”涉及的內(nèi)容貫穿整個(gè)高中階段。以2019 年人教版教材為例，將“變化觀(guān)”有關(guān)的核心概念進(jìn)行整理，具體內(nèi)容如表1所示。

教材中“變化觀(guān)”主要從物質(zhì)變化和能量變化兩個(gè)一級(jí)維度來(lái)安排，其中每個(gè)一級(jí)維度又從定性和定量?jī)蓚€(gè)角度安排，具體內(nèi)容的編排具有進(jìn)階性。[3] 高中化學(xué)必修階段，是在初中認(rèn)識(shí)化學(xué)反應(yīng)基礎(chǔ)上，對(duì)化學(xué)反應(yīng)的認(rèn)識(shí)編排從宏觀(guān)現(xiàn)象階段進(jìn)入到微觀(guān)認(rèn)識(shí)階段。例如：氧化還原反應(yīng)的實(shí)質(zhì)是電子轉(zhuǎn)移、離子反應(yīng)實(shí)質(zhì)是有離子的參與等。此外，解釋了化學(xué)反應(yīng)不僅有物質(zhì)變化還有能量變化，從而引入吸熱反應(yīng)、放熱反應(yīng)和原電池等概念。高中選擇性必修階段，從熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)兩個(gè)角度具體從化學(xué)反應(yīng)速率、限度的角度定性認(rèn)識(shí)化學(xué)變化，引入化學(xué)平衡、電離平衡、化學(xué)平衡常數(shù)、焓變等核心概念并運(yùn)用勒夏特列原理解釋化學(xué)平衡移動(dòng)。這樣呈進(jìn)階式的編排，有利于學(xué)生逐步形成高中階段的化學(xué)“變化觀(guān)”。

三、 “氧化還原反應(yīng)”概念教學(xué)中蘊(yùn)含的“變化觀(guān)”

“氧化還原反應(yīng)”是中學(xué)化學(xué)的核心概念，在教學(xué)中不僅要幫助學(xué)生順利理解核心概念，還要挖掘出該概念教學(xué)中蘊(yùn)含的“變化觀(guān)”， “氧化還原反應(yīng)”中蘊(yùn)含的變化觀(guān)內(nèi)容及其對(duì)應(yīng)培養(yǎng)的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)如圖2所示。

該節(jié)課蘊(yùn)含著“元素守恒”和“電子守恒”兩個(gè)守恒觀(guān)念，從中可以挖掘出氧化-還原的規(guī)律，從應(yīng)用層面挖掘能量的可利用性，這些核心知識(shí)的教學(xué)中可以逐步培養(yǎng)學(xué)生的“變化觀(guān)”。

四、基于“變化觀(guān)”培養(yǎng)的“氧化還原反應(yīng)”教學(xué)設(shè)計(jì)

化學(xué)科學(xué)思維是伴隨著化學(xué)科學(xué)實(shí)踐活動(dòng)和問(wèn)題解決而產(chǎn)生和發(fā)展的，[4] 教學(xué)中以知識(shí)和活動(dòng)為載體，讓學(xué)生通過(guò)學(xué)習(xí)活動(dòng)理解概念的同時(shí)形成“變化觀(guān)”，讓“變化觀(guān)”建構(gòu)貫穿于整個(gè)教學(xué)過(guò)程。

1. 教學(xué)整體思路設(shè)計(jì)

本節(jié)課依據(jù)化學(xué)反應(yīng)具有可利用性，將氧化還原反應(yīng)產(chǎn)生的熱能、電能作為出發(fā)點(diǎn)，選擇“自發(fā)熱鞋墊” “電動(dòng)車(chē)電池”兩個(gè)真實(shí)情境，設(shè)置若干個(gè)問(wèn)題鏈，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行活動(dòng)探究，探究后進(jìn)行匯報(bào)、展示思維過(guò)程，再?gòu)膶W(xué)生匯報(bào)內(nèi)容中選擇恰當(dāng)?shù)姆磻?yīng)作為探究案例，繼續(xù)追問(wèn)，層層遞進(jìn)，學(xué)生在一次次的問(wèn)題解決中逐步培養(yǎng)變化觀(guān)念，具體教學(xué)思路如圖3所示。

2. 教學(xué)目標(biāo)與評(píng)價(jià)目標(biāo)定位

（1）教學(xué)目標(biāo)

①通過(guò)對(duì)氧化還原反應(yīng)現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)，了解氧化還原反應(yīng)的概念，初步形成基于元素守恒的“變化觀(guān)”。

②通過(guò)對(duì)元素化合價(jià)分析以及其與核外電子的關(guān)系，理解氧化還原的特征、實(shí)質(zhì)，鞏固形成基于電子守恒的“變化觀(guān)”，促進(jìn)學(xué)生“變化觀(guān)念與平衡思想”“證據(jù)推理與模型認(rèn)知” “宏觀(guān)辨識(shí)和微觀(guān)探析”素養(yǎng)發(fā)展。

③通過(guò)對(duì)生活實(shí)例進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，提高學(xué)生分析能力、探究能力，促進(jìn)“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)” “科學(xué)態(tài)度與社會(huì)責(zé)任”素養(yǎng)發(fā)展。

（2）評(píng)價(jià)目標(biāo)

①通過(guò)對(duì)氧化還原反應(yīng)的特征的辨識(shí)與實(shí)質(zhì)的分析，診斷并發(fā)展學(xué)生“變化觀(guān)”以及“變化觀(guān)念與平衡思想” “證據(jù)推理與模型認(rèn)知” “宏觀(guān)辨識(shí)和微觀(guān)探析”素養(yǎng)。

②通過(guò)“自發(fā)熱鞋墊” “電動(dòng)車(chē)電池”案例的探究，診斷并發(fā)展學(xué)生“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)” “科學(xué)態(tài)度與社會(huì)責(zé)任”素養(yǎng)。

（3）教學(xué)活動(dòng)設(shè)計(jì)

板塊1：從得失氧角度了解氧化還原反應(yīng)概念。

該環(huán)節(jié)讓學(xué)生認(rèn)識(shí)氧化還原反應(yīng)概念并從質(zhì)量守恒和元素守恒兩個(gè)角度分析氧化還原反應(yīng)，形成基于守恒的“變化觀(guān)”。診斷并發(fā)展學(xué)生的實(shí)驗(yàn)探究能力，能從元素守恒角度分析化學(xué)變化。

教學(xué)流程：

【教師】冬天來(lái)了，我們經(jīng)常會(huì)用到“暖寶寶” “自發(fā)熱鞋墊”， “自發(fā)熱鞋墊”中的熱量是如何產(chǎn)生的？又發(fā)生的是什么反應(yīng)？

具體的原理是怎樣的？根據(jù)“自發(fā)熱鞋墊”中成分說(shuō)明，該反應(yīng)中產(chǎn)生的熱量來(lái)自于“碳粉”的反應(yīng)還是“鐵粉”反應(yīng)？

【學(xué)生】進(jìn)行猜想：猜想1：碳粉發(fā)生反應(yīng)了氧化反應(yīng)。猜想2：鐵粉發(fā)生反應(yīng)了氧化反應(yīng)。

【教師】如何證明你的猜想？請(qǐng)根據(jù)大家手中現(xiàn)有的資源進(jìn)行小組探究。

【學(xué)生】實(shí)驗(yàn)預(yù)測(cè)匯報(bào)：

預(yù)測(cè)1：將反應(yīng)后的粉末進(jìn)行稱(chēng)量，質(zhì)量若增加，則證明反應(yīng)的是鐵粉，如果質(zhì)量減少證明反應(yīng)的是碳粉。

預(yù)測(cè)2：將粉末放入稀鹽酸中后，如果粉末不溶解，不產(chǎn)生氣泡，過(guò)濾后濾液為黃色，說(shuō)明反應(yīng)的是鐵粉。涉及反應(yīng)為：Fe 2 O 3 +6HCl = 2FeCl 3 +3H 2 O。

預(yù)測(cè)3：將粉末放入稀鹽酸中后，如果粉末出現(xiàn)溶解現(xiàn)象，并產(chǎn)生氣泡，過(guò)濾后溶液為淺綠色，說(shuō)明反應(yīng)的是鐵粉。涉及反應(yīng)為：Fe+2HCl = FeCl 2 +H 2 ↑

【學(xué)生】分組實(shí)驗(yàn)：實(shí)驗(yàn)用品及藥品： “自發(fā)熱鞋墊”、稀鹽酸、燒杯、玻璃棒、漏斗、托盤(pán)天平、燒杯等。

【學(xué)生】實(shí)驗(yàn)匯報(bào)并解釋?zhuān)簠R報(bào)1組：當(dāng)鞋墊不再發(fā)熱時(shí)，拆開(kāi)包裝，進(jìn)行稱(chēng)量，質(zhì)量有所增加，說(shuō)明猜想2正確，是鐵粉參加反應(yīng)。匯報(bào)2組：當(dāng)鞋墊不再發(fā)熱時(shí)，拆開(kāi)包裝，發(fā)現(xiàn)粉末中出現(xiàn)有紅棕色，初步判斷為氧化鐵，為了證明進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，根據(jù)預(yù)測(cè)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證猜想2正確，是鐵粉發(fā)生了氧化反應(yīng)釋放了熱量。

【教師】追問(wèn)1：生成的Fe 2 O 3 如何還原呢？這個(gè)反應(yīng)又是什么反應(yīng)？

【學(xué)生】小組討論：根據(jù)初中學(xué)過(guò)的赤鐵礦煉鐵，來(lái)分析反應(yīng)中的得氧失氧情況，并進(jìn)行小組匯報(bào)。

【教師】追問(wèn)2：Fe 2 O 3 +3CO = 2Fe+3CO 2這個(gè)反應(yīng)中僅僅有還原反應(yīng)嗎？

【學(xué)生】回答如圖4。

【教師】追問(wèn)3：如何定義氧化還原反應(yīng)？

【學(xué)生】氧化還原反應(yīng)是氧化和還原同時(shí)發(fā)生的反應(yīng)。即既有得氧又有失氧的反應(yīng)。

設(shè)計(jì)意圖：通過(guò)“自發(fā)熱鞋墊”創(chuàng)設(shè)真實(shí)的情境，符合建構(gòu)主義理論。通過(guò)問(wèn)題解決的方式，巧妙設(shè)計(jì)問(wèn)題，調(diào)動(dòng)學(xué)生初中已有的知識(shí)，學(xué)生從原有認(rèn)知出發(fā)，根據(jù)初中學(xué)習(xí)過(guò)質(zhì)量守恒、元素守恒對(duì)實(shí)際產(chǎn)生的問(wèn)題進(jìn)行初步猜想、預(yù)測(cè)、驗(yàn)證，診斷并發(fā)展了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)探究能力。通過(guò)繼續(xù)追問(wèn)的方式讓學(xué)生獨(dú)立思考，聯(lián)想初中赤鐵礦煉鐵的知識(shí)，從學(xué)生原有知識(shí)出發(fā)，更能調(diào)動(dòng)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的熱情。通過(guò)讓學(xué)生進(jìn)行小組討論，感受氧化還原反應(yīng)的存在和認(rèn)識(shí)氧化還原反應(yīng)的概念。從化學(xué)反應(yīng)可利用角度，感知氧化還原反應(yīng)的應(yīng)用之一是提供熱量，通過(guò)真實(shí)情境創(chuàng)設(shè)、問(wèn)題解決方式，學(xué)生在解決問(wèn)題中形成“變化觀(guān)”。與此同時(shí)，通過(guò)學(xué)生匯報(bào)形式的教學(xué)，讓學(xué)生展示思維過(guò)程，該過(guò)程既可以鍛煉學(xué)生口語(yǔ)表達(dá)能力又可以在學(xué)生頭腦中形成解決問(wèn)題的模型，同時(shí)，發(fā)展學(xué)生“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)”素養(yǎng)。

板塊2：從化合價(jià)角度識(shí)別氧化還原反應(yīng)。

該環(huán)節(jié)讓學(xué)生理解化合價(jià)變化是氧化還原反應(yīng)的特征，并會(huì)依據(jù)化合價(jià)進(jìn)行氧化還原反應(yīng)的判斷，從元素化合價(jià)變化角度形成氧化-還原規(guī)律。診斷并發(fā)展學(xué)生對(duì)氧化還原反應(yīng)特征的認(rèn)識(shí)水平以及對(duì)化學(xué)變化規(guī)律的掌握程度。

教學(xué)流程：

【教師】追問(wèn)： “Fe 2 O 3 +6HCl = 2FeCl 3 +3H 2 O”是否為氧化還原反應(yīng)？

【學(xué)生】Fe 2 O 3 +6HCl = 2FeCl 3 +3H 2 O無(wú)化合價(jià)變化，所以不是氧化還原反應(yīng)。

【教師】反應(yīng)“Fe+2HCl = FeCl 2 +H 2 ↑ 是否為氧化還原反應(yīng)？你的依據(jù)是什么？

【學(xué)生】自主分析教材P 35 思考與交流的三個(gè)反應(yīng)中元素的化合價(jià)，觀(guān)察它們化合價(jià)在反應(yīng)前后有無(wú)變化，如何變化。歸納化合價(jià)變化與氧化、還原反應(yīng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

【學(xué)生】小組匯報(bào)：Fe+2HCl = FeCl 2 +H 2 ↑該反應(yīng)為氧化還原反應(yīng)。因?yàn)橛谢蟽r(jià)的變化。

【教師】追問(wèn)1：Fe發(fā)生了什么反應(yīng)？HCl發(fā)生了什么反應(yīng)？

【學(xué)生】Fe發(fā)生了氧化反應(yīng)，HCl 發(fā)生了還原反應(yīng)。因?yàn)镕e化合價(jià)升高，HCl中Cl化合價(jià)降低。得出結(jié)論：氧化反應(yīng)為元素化合價(jià)升高的反應(yīng);還原反應(yīng)為元素化合價(jià)降低的反應(yīng)。

設(shè)計(jì)意圖：選擇學(xué)生上一環(huán)節(jié)實(shí)驗(yàn)探究中涉及的反應(yīng)Fe+2HCl = FeCl 2 +H 2 ↑，巧妙設(shè)置問(wèn)題，環(huán)環(huán)緊扣，學(xué)生依據(jù)元素守恒規(guī)律，從化合價(jià)變化角度進(jìn)行分析，學(xué)生通過(guò)對(duì)課本內(nèi)容的分析、討論，揭示氧化還原反應(yīng)的特征并能以化合價(jià)作為判據(jù)判斷化學(xué)反應(yīng)是否為氧化還原反應(yīng)，形成化合價(jià)升降與氧化-還原對(duì)應(yīng)關(guān)系的規(guī)律，得出氧化—還原規(guī)律，促進(jìn)“變化觀(guān)”的形成。與此同時(shí)，通過(guò)讓學(xué)生匯報(bào)，展示分析過(guò)程，鍛煉學(xué)生根據(jù)已有條件進(jìn)行分析并將知識(shí)進(jìn)行遷移的能力，發(fā)展學(xué)生“證據(jù)推理與模型認(rèn)知” “變化觀(guān)念與平衡思想”素養(yǎng)。

板塊3：從電子得失角度分析氧化還原反應(yīng)。

該環(huán)節(jié)讓學(xué)生以 NaCl、HCl的形成過(guò)程為例，從電子守恒角度分析氧化還原反應(yīng)的實(shí)質(zhì)，形成基于守恒規(guī)律的“變化觀(guān)”。診斷并發(fā)展學(xué)生能從電子守恒角度分析化學(xué)變化。

教學(xué)流程：

【教師】家里用的電動(dòng)車(chē)，電池工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生電流，我們知道電流的產(chǎn)生是因?yàn)殡娮拥亩ㄏ蛞苿?dòng)，電動(dòng)車(chē)電池中發(fā)生的反應(yīng)為：

根據(jù)“電動(dòng)車(chē)電池”反應(yīng)原理，判斷電子的轉(zhuǎn)移和化合價(jià)變化的關(guān)系是怎樣的？該電池涉及的反應(yīng)是否為氧化還原反應(yīng)呢？

【學(xué)生】小組合作尋找模型：以教材中NaCl、HCl的形成過(guò)程分析化合價(jià)變化的原因。得出結(jié)論：失去電子，化合價(jià)升高。得到電子，化合價(jià)降低。小組匯報(bào)：電池放電過(guò)程中發(fā)生了氧化還原反應(yīng)，因?yàn)榛蟽r(jià)發(fā)生了變化。

【教師】追問(wèn)1：你從“自發(fā)熱鞋墊”和“電動(dòng)車(chē)電池”兩個(gè)反應(yīng)中可以得出氧化還原反應(yīng)具體應(yīng)用是什么？

【學(xué)生】舉例說(shuō)明：氧化還原反應(yīng)過(guò)程中可以產(chǎn)生熱能也可以產(chǎn)生電能。

【教師】發(fā)生氧化還原反應(yīng)過(guò)程中可以產(chǎn)生熱能同時(shí)也可以產(chǎn)生電能，我們可以利用氧化還原反應(yīng)的這個(gè)性質(zhì)來(lái)綜合利用氧化還原反應(yīng)。

設(shè)計(jì)意圖：以電子守恒為依據(jù)，以具體元素原子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)展開(kāi)分析，以具體物質(zhì)生成過(guò)程幫助理解，搭建臺(tái)階引導(dǎo)學(xué)生對(duì)氧化還原的認(rèn)識(shí)從宏觀(guān)過(guò)渡到微觀(guān)，理清電子的得失與化合價(jià)升降的對(duì)應(yīng)關(guān)系，促進(jìn)學(xué)生從宏微結(jié)合角度認(rèn)識(shí)化學(xué)變化，自然而然形成“變化觀(guān)”。與此同時(shí)，從電子轉(zhuǎn)移會(huì)產(chǎn)生電流的角度出發(fā)，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)化學(xué)變化的另一個(gè)應(yīng)用是產(chǎn)生電能。在整個(gè)探究過(guò)程中發(fā)展學(xué)生“宏觀(guān)辨識(shí)與微觀(guān)探析” “科學(xué)態(tài)度與社會(huì)責(zé)任”素養(yǎng)。

五、教學(xué)反思

本節(jié)課從元素守恒、電子守恒、能量守恒三個(gè)角度出發(fā)，分別設(shè)置了不同梯度的問(wèn)題，通過(guò)問(wèn)題引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究、積極思考、在小組討論中從本質(zhì)上了解概念的本質(zhì)。本節(jié)課的創(chuàng)新點(diǎn)是不僅向?qū)W生介紹了概念，還從應(yīng)用層面出發(fā)，讓學(xué)生感受到氧化還原反應(yīng)的應(yīng)用，這符合新課標(biāo)發(fā)展學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的要求。通過(guò)創(chuàng)設(shè)真實(shí)的問(wèn)題情境，讓學(xué)生通過(guò)解答具有挑戰(zhàn)性的學(xué)習(xí)任務(wù)，解決真實(shí)的問(wèn)題，在解決問(wèn)題中培養(yǎng)學(xué)生的質(zhì)疑精神、解決問(wèn)題的能力。

著名物理學(xué)家勞厄曾說(shuō)過(guò)，教育所給予人們的無(wú)非是當(dāng)一切已學(xué)過(guò)的東西都忘記后所剩下來(lái)的東西?；瘜W(xué)教學(xué)要引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的基本原理和方法，形成化學(xué)學(xué)科的核心觀(guān)念。[5]“變化觀(guān)”作為化學(xué)核心觀(guān)念，可以讓學(xué)生深入理解化學(xué)核心概念、洞悉化學(xué)變化的本質(zhì)，基于“變化觀(guān)”養(yǎng)成的化學(xué)教學(xué)設(shè)計(jì)，可以讓學(xué)生學(xué)會(huì)用“變化觀(guān)”來(lái)理解化學(xué)變化，從而更好地創(chuàng)造物質(zhì)。

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