基于“化學(xué)元素觀”建立的教學(xué)設(shè)計(jì)

張晉 魏垂社 張貝貝

摘要：“化學(xué)元素觀”是中學(xué)化學(xué)核心觀念之一。在“單質(zhì)碳的化學(xué)性質(zhì)”教學(xué)實(shí)踐中，圍繞氧元素在反應(yīng)中的得與失，展開(kāi)產(chǎn)物預(yù)測(cè)、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證、模型建立等教學(xué)環(huán)節(jié)，不僅展現(xiàn)化學(xué)是講“理”的學(xué)科，更能培養(yǎng)“化學(xué)觀念”“科學(xué)思維”和“科學(xué)探究與實(shí)踐”等學(xué)科核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：化學(xué)元素觀；氧化還原反應(yīng)；碳的還原性

文章編號(hào)：1008-0546（2023）12-0060-04 中圖分類(lèi)號(hào)：G632.41 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2023.12.013

元素的概念是化學(xué)學(xué)科最基本的概念之一，既是認(rèn)識(shí)宏觀物質(zhì)的基礎(chǔ)，又有聯(lián)系微觀粒子的功能。從元素的視角學(xué)習(xí)化學(xué)知識(shí)主要體現(xiàn)在三個(gè)方面的含義：一是對(duì)元素本身的認(rèn)識(shí)，包括什么是元素、元素的種類(lèi)、元素的性質(zhì)等；二是從元素角度看物質(zhì)，具體包括元素組成與物質(zhì)的分類(lèi)、性質(zhì)有何關(guān)系等；三是從元素角度看化學(xué)反應(yīng)，即元素與化學(xué)反應(yīng)有何關(guān)系，在化學(xué)反應(yīng)中元素種類(lèi)是否發(fā)生變化等。［1］因此，“化學(xué)元素觀”的建立是伴隨相關(guān)化學(xué)知識(shí)螺旋式遞進(jìn)的，是在化學(xué)知識(shí)認(rèn)知積累和化學(xué)元素觀發(fā)展的交互過(guò)程中形成的。筆者以“單質(zhì)碳的化學(xué)性質(zhì)”教學(xué)設(shè)計(jì)為例，探討如何在教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生從元素的角度認(rèn)識(shí)物質(zhì)性質(zhì)和化學(xué)反應(yīng)，探討認(rèn)識(shí)物質(zhì)性質(zhì)和化學(xué)反應(yīng)的科學(xué)思路與方法。

一、教學(xué)內(nèi)容及教學(xué)現(xiàn)狀分析

氧化還原反應(yīng)在我們周?chē)S處可見(jiàn)，從天然氣的燃燒到火箭的發(fā)射，從炭的燃燒到金屬的冶煉，氧化還原反應(yīng)對(duì)人類(lèi)社會(huì)的發(fā)展起到巨大的推動(dòng)作用，對(duì)氧化還原反應(yīng)認(rèn)識(shí)的過(guò)程就是化學(xué)科學(xué)的發(fā)展史。對(duì)此，人教版九年級(jí)化學(xué)教材先后在第二單元課題2“氧氣”教學(xué)內(nèi)容中設(shè)置了狹義的氧化反應(yīng)，在第六單元課題1“金剛石、石墨和C60”中設(shè)置了還原反應(yīng)。然而在部分初中教師的教學(xué)觀念中，氧化還原反應(yīng)的地位無(wú)足輕重，其教學(xué)內(nèi)容空洞，缺少能讓學(xué)生產(chǎn)生感性認(rèn)識(shí)的體驗(yàn)活動(dòng)，教學(xué)過(guò)程多以單一的講授為主。這與氧化還原反應(yīng)知識(shí)在整個(gè)化學(xué)課程中的重要地位是不相匹配的。

具體到“單質(zhì)碳的化學(xué)性質(zhì)”這一節(jié)教學(xué)內(nèi)容，教材重點(diǎn)呈現(xiàn)了單質(zhì)碳的化學(xué)性質(zhì)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證等內(nèi)容。筆者在閱讀教材和一些教師交流后發(fā)現(xiàn)，這部分內(nèi)容在教學(xué)時(shí)存在以下幾個(gè)問(wèn)題：（1）知識(shí)點(diǎn)碎片化，缺少恰當(dāng)?shù)睦碚摻y(tǒng)領(lǐng)。碳的化學(xué)性質(zhì)包括碳在常溫下性質(zhì)穩(wěn)定，加熱時(shí)可以與氧氣、某些氧化物反應(yīng)，涉及多個(gè)化學(xué)反應(yīng)。因此，沒(méi)有合適理論統(tǒng)領(lǐng)，只會(huì)加大學(xué)生的記憶負(fù)擔(dān)，使學(xué)生誤認(rèn)為化學(xué)的學(xué)習(xí)重在記憶。（2）缺乏合適的探究實(shí)驗(yàn)。炭燃燒時(shí)氧氣量難以控制，產(chǎn)物為無(wú)色氣體，使實(shí)驗(yàn)探究難以開(kāi)展。碳與氧化銅反應(yīng)溫度較高，開(kāi)展學(xué)生實(shí)驗(yàn)存在潛在的危險(xiǎn)，多以演示為主，這使得學(xué)生在學(xué)習(xí)碳的化學(xué)性質(zhì)時(shí)缺少體驗(yàn)感和互動(dòng)性，難以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，更無(wú)從談起創(chuàng)新思維的培養(yǎng)。（3）割裂系統(tǒng)概念。將氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)設(shè)置在不同的單元，是考慮學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展規(guī)律，但在初中階段沒(méi)有將二者統(tǒng)一，不利于學(xué)生多角度認(rèn)識(shí)物質(zhì)性質(zhì)和化學(xué)反應(yīng)，培養(yǎng)學(xué)生化學(xué)觀念。

二、教學(xué)設(shè)計(jì)的改進(jìn)要點(diǎn)

為解決上述問(wèn)題，采取了如下教學(xué)改進(jìn)：

（1）從元素氧的視角統(tǒng)一單質(zhì)碳的性質(zhì)。在中學(xué)階段氧化還原反應(yīng)經(jīng)歷三個(gè)認(rèn)識(shí)階段：基于得失氧的狹義氧化還原反應(yīng)、基于化合價(jià)變化特征的氧化還原反應(yīng)和基于電子得失（偏移）本質(zhì)的氧化還原反應(yīng)。以氧元素為統(tǒng)領(lǐng)，通過(guò)氧元素轉(zhuǎn)移的討論，歸納、總結(jié)、抽象繼而建立反應(yīng)模型，實(shí)現(xiàn)碳單質(zhì)化學(xué)性質(zhì)的統(tǒng)一，培養(yǎng)學(xué)生認(rèn)識(shí)物質(zhì)性質(zhì)和化學(xué)反應(yīng)的科學(xué)思維。

（2）從氧元素的視角開(kāi)展碳與氧化銅反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)探究。在碳與氧化銅的實(shí)驗(yàn)部分，從碳燃燒得氧的視角，遷移預(yù)測(cè)、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、證據(jù)推理等環(huán)節(jié)。在理論推導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的探究活動(dòng)中，提升學(xué)生的思維深度和創(chuàng)新意識(shí)，體驗(yàn)化學(xué)實(shí)驗(yàn)探究的思路與方法，落實(shí)“科學(xué)探究與實(shí)踐”的核心素養(yǎng)。

（3）從得失氧元素的視角實(shí)現(xiàn)氧化還原反應(yīng)概念的統(tǒng)一。從得失氧的視角，實(shí)現(xiàn)氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)的辯證統(tǒng)一，建立氧化還原反應(yīng)模型并應(yīng)用反應(yīng)模型，從而體驗(yàn)學(xué)習(xí)化學(xué)反應(yīng)的思路與方法，落實(shí)“科學(xué)思維”的核心素養(yǎng)。

三、教學(xué)目標(biāo)

（1）通過(guò)對(duì)碳與氧化銅反應(yīng)的探究，學(xué)會(huì)從物質(zhì)變化和元素視角認(rèn)識(shí)化學(xué)反應(yīng)，初步感受認(rèn)識(shí)化學(xué)反應(yīng)的思路與方法。

（2）通過(guò)對(duì)碳與氧化銅反應(yīng)實(shí)驗(yàn)的探究，知道從問(wèn)題和假設(shè)出發(fā)確定探究目標(biāo)，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案、獲取證據(jù)、形成結(jié)論等科學(xué)探究的方法與思路。

（3）通過(guò)狹義的氧化還原反應(yīng)模型的建立和應(yīng)用，體驗(yàn)?zāi)Ｐ驮趯W(xué)習(xí)中的重要作用。

（4）通過(guò)氧化反應(yīng)概念的建立過(guò)程，體會(huì)比較、分類(lèi)、綜合、歸納等方法在認(rèn)識(shí)物質(zhì)性質(zhì)與化學(xué)反應(yīng)中的作用。

四、教學(xué)過(guò)程

1.鑒賞古畫(huà)，創(chuàng)設(shè)情境

【情境創(chuàng)設(shè)】《溪山雪意圖》由“南宋四大家”之一的劉松年所作，全卷縱41厘米，橫241.3厘米，畫(huà)卷描繪雪后溪水兩岸的平坡低崗、橋屋村舍、喬松巖壑、泉流舟楫等景物，其局部圖中還描繪了眾人在庭院內(nèi)烤火的場(chǎng)景，如圖1所示。古代書(shū)法家繪畫(huà)用的墨和冬天取暖燃燒的木炭，主要成分都是碳。千年字畫(huà)得以完整保存，說(shuō)明碳穩(wěn)定，木炭易燃燒卻又說(shuō)明碳不穩(wěn)定。為什么碳的性質(zhì)表現(xiàn)如此大的差異？

【學(xué)生活動(dòng)】碳的化學(xué)性質(zhì)在常溫下穩(wěn)定，在加熱時(shí)容易燃燒，這說(shuō)明了碳的化學(xué)性質(zhì)與反應(yīng)條件有關(guān)。

【提出問(wèn)題】碳燃燒有兩個(gè)反應(yīng)，從元素的角度如何理解碳的燃燒反應(yīng)？

設(shè)計(jì)意圖：此環(huán)節(jié)基于學(xué)生已有生活經(jīng)驗(yàn)和木炭燃燒的化學(xué)事實(shí)，從碳在常溫下性質(zhì)穩(wěn)定和高溫下容易反應(yīng)的認(rèn)知沖突，繼而認(rèn)識(shí)到化學(xué)反應(yīng)是在一定條件下發(fā)生的。從元素碳得氧角度分析碳燃燒的化學(xué)反應(yīng)，旨在為過(guò)渡到碳與氧化銅反應(yīng)的探究活動(dòng)作鋪墊。

2.實(shí)驗(yàn)探究，拓展認(rèn)識(shí)

【教師提問(wèn)】碳可以?shī)Z取氧氣中的氧元素，那么碳能否奪取氧化物中的氧元素，以碳與氧化銅反應(yīng)為例，猜想該反應(yīng)的生成物，依據(jù)是什么，如何驗(yàn)證產(chǎn)物（提示：氯化鈀試紙可用來(lái)檢驗(yàn)CO）。

【學(xué)生活動(dòng)】從碳可以得氧的角度猜想 C 與CuO反應(yīng)可能的產(chǎn)物有三種，整理于表1，并猜測(cè) C 與CuO反應(yīng)的產(chǎn)物應(yīng)與二者的質(zhì)量有關(guān)，提出用澄清石灰水檢測(cè) CO2，用教師所提示的氯化鈀試紙檢測(cè)CO。

【實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證】為了節(jié)約加熱時(shí)間和現(xiàn)象明顯，采用如圖2所示的裝置，完成演示實(shí)驗(yàn)。圖2用于演示實(shí)驗(yàn)的裝置圖

【實(shí)驗(yàn)結(jié)論】碳與氧化銅反應(yīng)可以生成銅單質(zhì)和二氧化碳，也可能生成銅和一氧化碳。

設(shè)計(jì)意圖：此環(huán)節(jié)主要是鍛煉學(xué)生利用已有知識(shí)，主動(dòng)建構(gòu)狹義的還原反應(yīng)。通過(guò)對(duì)碳與氧化銅反應(yīng)的猜想、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證、證據(jù)推理、得出結(jié)論，感受研究物質(zhì)性質(zhì)和化學(xué)反應(yīng)的科學(xué)方法；同時(shí)利用碳與氧氣反應(yīng)有一氧化碳和二氧化碳的事實(shí)，提出碳與氧化銅反應(yīng)也有一氧化碳生成的猜想，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神。缺憾是受學(xué)生知識(shí)水平和實(shí)驗(yàn)條件的限制，不能對(duì)紅色產(chǎn)物繼續(xù)探究。因此在課后讓學(xué)生利用網(wǎng)絡(luò)查詢(xún)相關(guān)知識(shí)，完成設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，證明可能的反應(yīng)產(chǎn)物。

3.建立模型，拓展應(yīng)用

【提出問(wèn)題】已知碳與氧化銅能生成二氧化碳和銅，請(qǐng)同學(xué)們嘗試完成碳與氧化鐵，碳與二氧化碳的產(chǎn)物，并說(shuō)明理由？能否找出所有反應(yīng)的共同點(diǎn)？

【學(xué)生活動(dòng)】依據(jù)碳在反應(yīng)中奪氧的這一特點(diǎn)，能完成碳與氧化鐵、二氧化碳產(chǎn)物預(yù)測(cè)與分析。

【師生活動(dòng)】在方程式中表示出這一得氧過(guò)程，概括出碳的還原性，氧氣和金屬氧化物有氧化性，建立狹義的氧化還原模型，過(guò)程如圖3所示。

【課堂練習(xí)】根據(jù)下列提供的物質(zhì)回答問(wèn)題：①S ②O2③H2④CO2⑤CO ⑥Fe2O3⑦Fe ⑧CuO⑨Mg ⑩C

（1）從得氧、失氧的角度在上述物質(zhì)中選出還原性物質(zhì)和氧化性物質(zhì)。

（2）依據(jù)氧化還原模型預(yù)測(cè)可能的化學(xué)反應(yīng)并完成方程式。

設(shè)計(jì)意圖：本環(huán)節(jié)的目的是讓學(xué)生在建立模型的過(guò)程中體會(huì)比較、分類(lèi)、綜合、歸納等科學(xué)方法；在練習(xí)中豐富認(rèn)識(shí)物質(zhì)性質(zhì)角度，實(shí)現(xiàn)對(duì)化學(xué)反應(yīng)認(rèn)識(shí)的進(jìn)階，為從類(lèi)別認(rèn)識(shí)酸、堿、鹽的性質(zhì)積累經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)為高中氧化還原反應(yīng)學(xué)習(xí)打好基礎(chǔ)。

五、教學(xué)評(píng)價(jià)

《義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》倡導(dǎo)實(shí)施促進(jìn)發(fā)展的評(píng)價(jià)，改進(jìn)終結(jié)性評(píng)價(jià)，探索核心素養(yǎng)立意的命題，科學(xué)設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)工具，重視評(píng)價(jià)學(xué)生的化學(xué)概念、科學(xué)思維、科學(xué)探究與實(shí)踐、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任等核心素養(yǎng)。［3］王磊等人經(jīng)過(guò)多年的研究，構(gòu)建了化學(xué)學(xué)科能力內(nèi)涵構(gòu)成及其活動(dòng)表現(xiàn)模型，確立了“學(xué)習(xí)理解、應(yīng)用實(shí)踐、遷移應(yīng)用”導(dǎo)向的化學(xué)學(xué)科能力要素及其表現(xiàn)指標(biāo)。［4］筆者研讀《義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》學(xué)業(yè)質(zhì)量?jī)?nèi)涵和描述，借鑒“化學(xué)學(xué)科能力內(nèi)涵構(gòu)成及其活動(dòng)表現(xiàn)模型”，編寫(xiě)本節(jié)教學(xué)內(nèi)容的課時(shí)練習(xí)。學(xué)業(yè)質(zhì)量、學(xué)習(xí)活動(dòng)表現(xiàn)指標(biāo)描述、學(xué)科能力、學(xué)科能力要求之間的關(guān)系表2所示。

依據(jù)以上分析，完成了本節(jié)教學(xué)內(nèi)容的課時(shí)練習(xí)。

六、教學(xué)反思

1.發(fā)揮化學(xué)實(shí)驗(yàn)在驗(yàn)證猜想中的功能

碳還原氧化銅實(shí)驗(yàn)是學(xué)生學(xué)習(xí)碳的化學(xué)性質(zhì)，理解“化學(xué)元素觀”的重要手段和方式。在活動(dòng)設(shè)計(jì)方面，一方面展開(kāi)反應(yīng)預(yù)測(cè)，小組討論，使得碳與氧化銅反應(yīng)學(xué)習(xí)過(guò)程成為一個(gè)有意義的建構(gòu)過(guò)程。另一方面以實(shí)驗(yàn)事實(shí)為依據(jù)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)的觀察，引發(fā)學(xué)生思考：碳在反應(yīng)中發(fā)生了什么變化？產(chǎn)物有什么可能性？如何驗(yàn)證產(chǎn)物？與碳的燃燒有何異同？由此引導(dǎo)學(xué)生基于實(shí)驗(yàn)事實(shí)進(jìn)行分析、推理，獲得相應(yīng)結(jié)論，使學(xué)生的認(rèn)識(shí)從感性走向理性。

2.重視新舊知識(shí)在提升思維進(jìn)階中的作用

在課堂練習(xí)設(shè)計(jì)中，采用學(xué)生已知與氧氣反應(yīng)的物質(zhì)，利用具有氧化性、還原性新的分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)識(shí)物質(zhì)，改變認(rèn)識(shí)物質(zhì)性質(zhì)的視角；在選項(xiàng)中加入金屬氧化物，拓展認(rèn)識(shí)碳單質(zhì)得氧的寬度，感受“化學(xué)元素觀”的價(jià)值，實(shí)現(xiàn)學(xué)生思維的進(jìn)階。

3.厘清教材及課標(biāo)對(duì)課堂教學(xué)的要求

氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)是現(xiàn)行九年級(jí)人教版教材的內(nèi)容，但無(wú)論是2011版還是2022版《義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》的要求都較低，對(duì)兩者的統(tǒng)一更是沒(méi)作要求。教材是我們依靠的知識(shí)源、素材源，課標(biāo)是教師教學(xué)的依據(jù)，我們要能依據(jù)學(xué)科教學(xué)知識(shí)，以具體學(xué)科知識(shí)為載體，實(shí)現(xiàn)學(xué)科知識(shí)、學(xué)科能力和學(xué)科素養(yǎng)的統(tǒng)一。

參考文獻(xiàn)

［1］何彩霞.圍繞“化學(xué)元素觀”展開(kāi)深入學(xué)習(xí)——以“水的組成”教學(xué)為例［J］.化學(xué)教育（中英文），2013，34（4）：36-39.

［2］潘宏宜，陳雪萍.碳還原氧化銅反應(yīng)裝置改進(jìn)及實(shí)驗(yàn)探究［J］.化學(xué)教學(xué)，2018（1）：71-75.

［3］中華人民共和國(guó)教育部.義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）［S］.北京：人民教育出社，2022.

［4］馬佳，梁凱，王瀾，謝佳君，張曉紅.基于化學(xué)學(xué)科能力的高三教學(xué)評(píng)一體化設(shè)計(jì)［J］.化學(xué)教育（中英文），2022，43（16）：65-75.