基于實驗探究情境的高三化學(xué)單元復(fù)習(xí)教學(xué)實踐

摘 要：在高三化學(xué)復(fù)習(xí)教學(xué)中，以“氧化還原反應(yīng)”單元為例，選取“實驗室制氯氣”“銀鏡反應(yīng)”“從廢舊CPU中提取金屬”等實驗為情境素材，將化學(xué)實驗與化學(xué)反應(yīng)原理知識進行整合，設(shè)置“影響物質(zhì)氧化性與還原性的因素及變化規(guī)律是什么”“如何應(yīng)用變化規(guī)律實現(xiàn)物質(zhì)的轉(zhuǎn)化”“如何應(yīng)用轉(zhuǎn)化路徑解決真實問題”等問題開展單元復(fù)習(xí)，引導(dǎo)學(xué)生從電化學(xué)的角度研究影響物質(zhì)氧化性或還原性的因素與變化規(guī)律，并自覺將其運用于解決實驗情境下的真實問題，實現(xiàn)對氧化還原反應(yīng)的系統(tǒng)探究和結(jié)構(gòu)化認(rèn)識，促進學(xué)生提升解決相關(guān)實際問題的能力。

關(guān)鍵詞：實驗探究情境；氧化還原反應(yīng)；高三化學(xué)單元復(fù)習(xí)

中圖分類號：G434 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

一、單元主題的提出

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》[1]指出，“真實、具體的問題情境是學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)形成和發(fā)展的重要平臺，也為學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)提供了真實的表現(xiàn)機會”，要求教師“創(chuàng)設(shè)真實且富有價值的問題情境”“盡可能設(shè)計多樣化的實驗探究學(xué)習(xí)任務(wù)”，引導(dǎo)學(xué)生利用相關(guān)知識與信息資料開展研究、設(shè)計和實踐操作并最終解決實際問題。崔允漷認(rèn)為“提高能力的學(xué)習(xí)是有真實情境與任務(wù)介入的真實學(xué)習(xí)”[2]，曹貽利提出“化學(xué)實驗是創(chuàng)設(shè)真實情境的良好素材，情境越真實，學(xué)習(xí)主體建構(gòu)的知識就越可靠，越容易在真實的情境中運用”[3]?；趯嶒炋骄壳榫车恼n堂教學(xué)更能夠彰顯化學(xué)學(xué)科特色，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中綜合運用學(xué)科知識解決復(fù)雜而陌生的真實問題，增進學(xué)生對學(xué)科探究的理解，發(fā)展科學(xué)探究能力，提高學(xué)生分析和解決實際問題的能力，促進學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的發(fā)展。

氧化還原反應(yīng)在科學(xué)實驗、生產(chǎn)和生活中具有重要的價值，是高中化學(xué)的核心知識。北京近幾年的學(xué)業(yè)水平考試以不同的實驗情境為測試載體，以不同的實際問題為測試任務(wù)，均著重考查了氧化還原反應(yīng)進行的方向。此類問題綜合性強、陌生度高，教材提及較少，學(xué)生解決起來常常感覺十分困難。

查閱“大學(xué)無機化學(xué)”[4]可知，從電化學(xué)的角度研究氧化還原反應(yīng)更能準(zhǔn)確地詮釋物質(zhì)氧化性與還原性的影響因素與變化規(guī)律，調(diào)控氧化還原反應(yīng)進行的方向，使學(xué)生全面系統(tǒng)地認(rèn)識氧化還原反應(yīng)，其中能斯特方程為研究氧化還原反應(yīng)提供有力的理論證據(jù)，而原電池反應(yīng)則為研究氧化還原反應(yīng)提供最有力的實驗證據(jù)。它們均以電極反應(yīng)為切入點，將氧化劑與還原劑分開研究，從根本上解決了“外界因素到底是對氧化劑產(chǎn)生影響還是對還原劑產(chǎn)生影響以及如何影響的”這一難題。

基于上述，利用實驗探究情境在高三復(fù)習(xí)課中開展氧化還原反應(yīng)教學(xué)，不僅能更好地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，而且有利于啟迪學(xué)生的科學(xué)思維，增進學(xué)生的學(xué)科理解，發(fā)展學(xué)生的探究能力，完成價值體認(rèn)和素養(yǎng)發(fā)展。筆者查閱資料，在知網(wǎng)上以“實驗探究情境”“氧化還原反應(yīng)”同時為主題詞進行檢索，檢索條目為零。鑒于此，本文嘗試以“實驗室制氯氣”“銀鏡反應(yīng)”“從廢舊CPU中提取金屬”等實驗探究為情境素材，就高三氧化還原反應(yīng)單元復(fù)習(xí)展開探索。

二、單元知識與情境素材的關(guān)聯(lián)分析

氧化還原反應(yīng)是高中化學(xué)概念原理類的知識。利用氧化還原反應(yīng)知識解決實際問題需研究三方面的問題：反應(yīng)方向、反應(yīng)速率與反應(yīng)限度，其中反應(yīng)速率與反應(yīng)限度在選擇性必修課程中已深入學(xué)習(xí)，本單元復(fù)習(xí)主要研究氧化還原反應(yīng)進行的方向（即氧化劑氧化性強弱與還原劑還原性強弱的問題），并調(diào)控氧化還原反應(yīng)（即物質(zhì)轉(zhuǎn)化的問題）。

氧化還原反應(yīng)是氧化劑與還原劑之間的反應(yīng)，只有正確理解物質(zhì)氧化性、還原性的影響因素以及變化規(guī)律才能調(diào)控氧化還原反應(yīng)實現(xiàn)物質(zhì)的轉(zhuǎn)化。從能斯特方程的角度分析，影響物質(zhì)氧化性或還原性的內(nèi)因是物質(zhì)本身的結(jié)構(gòu)與組成，而外因主要是濃度，此濃度不僅僅指的是反應(yīng)物的濃度，還包含生成物的濃度。在還原反應(yīng)中，增大（或相對增大）反應(yīng)物的濃度或降低生成物的濃度，可提高氧化劑的氧化性；反之在氧化反應(yīng)中，增大（或相對增大）反應(yīng)物的濃度或降低生成物的濃度，可提高還原劑的還原性，這一變化規(guī)律亦可通過原電池證明。原電池可排除氧化劑與還原劑相互接觸的干擾，比試管實驗更能揭示氧化還原反應(yīng)的本質(zhì)，更直觀的證明外界因素對物質(zhì)氧化性或還原性的影響，是研究氧化還原反應(yīng)最強有力的實驗手段。

本單元教學(xué)選取“實驗室制氯氣”“銀鏡反應(yīng)”“從廢舊CPU中提取金屬”等實驗為情境素材，將無機實驗與有機實驗進行整合，將化學(xué)實驗與化學(xué)反應(yīng)原理知識進行整合，按“性質(zhì)—轉(zhuǎn)化—應(yīng)用”的思路進行教學(xué)設(shè)計，在實驗探究的過程中幫助學(xué)生認(rèn)識“物質(zhì)氧化性與還原性的變化規(guī)律”、建立“物質(zhì)轉(zhuǎn)化的思維路徑”并應(yīng)用“轉(zhuǎn)化路徑”形成解決相關(guān)問題的思路與方法，加深學(xué)生對氧化還原反應(yīng)的理解，提升學(xué)生的化學(xué)知識結(jié)構(gòu)化水平，發(fā)展學(xué)生“綠色化學(xué)”和可持續(xù)發(fā)展思想，培養(yǎng)學(xué)生的社會責(zé)任感。

基于以上分析，按照“情境問題-化學(xué)問題-知識結(jié)構(gòu)與學(xué)科價值”的思路統(tǒng)領(lǐng)整個單元教學(xué)（見圖1）。即通過實驗探究分析提煉出相關(guān)的化學(xué)問題，通過具體化學(xué)問題的分析將知識結(jié)構(gòu)化，最終能應(yīng)用于分析和解決實際問題，落實立德樹人的根本任務(wù)。

三、單元學(xué)習(xí)目標(biāo)與教學(xué)整體思路

（一）單元學(xué)習(xí)目標(biāo)

①在“實驗室如何制氯氣”“如何制鏡”等問題的解決中，厘清影響物質(zhì)氧化性與還原性的主要因素以及變化規(guī)律，理解能斯特方程與原電池是研究物質(zhì)氧化性與還原性強弱的理論依據(jù)與實驗證據(jù)，從電化學(xué)的角度構(gòu)建研究物質(zhì)氧化性與還原性的變化規(guī)律及物質(zhì)轉(zhuǎn)化的思維路徑。

②在“MnO2氧化性的探究”“Cl-還原性的探究”“銀鏡反應(yīng)的探究”等具體的實驗探究活動中，學(xué)會獨立設(shè)計實驗完成酸度、濃度等外界條件對物質(zhì)氧化性與還原性的影響，體會原電池在研究氧化還原反應(yīng)中的重要作用，在“真”探究過程中學(xué)會真觀察、真思考、真總結(jié)，促進嚴(yán)謹(jǐn)、求實、創(chuàng)新等品質(zhì)的養(yǎng)成。

③在“從廢舊CPU中提取金屬”的具體實踐中，理解沉淀反應(yīng)或配合反應(yīng)是改變氧化還原反應(yīng)方向的主要方法，突破物質(zhì)的轉(zhuǎn)化，形成在復(fù)雜體系中運用氧化還原反應(yīng)原理解決真實問題的一般思路與方法，認(rèn)識化學(xué)對社會發(fā)展的重大貢獻(xiàn)，樹立“綠色化學(xué)”觀念和可持續(xù)發(fā)展意識，強化社會責(zé)任意識。

（二）單元整體教學(xué)思路

本單元教學(xué)分為3個課時，單元教學(xué)整體規(guī)劃如圖2所示。第1課時以“實驗室制氯氣”為情境，引入能斯特方程與原電池進行探究物質(zhì)氧化性與還原性的變化規(guī)律，打開研究氧化還原反應(yīng)的新視角。第2課時通過對“銀鏡反應(yīng)”本質(zhì)的探討，確定利用氧化還原反應(yīng)的變化規(guī)律研究物質(zhì)轉(zhuǎn)化的新思路，強化實驗探究的實驗價值與氧化還原反應(yīng)的社會價值。第3課時則聚焦于應(yīng)用轉(zhuǎn)化路徑解決具體實際問題，讓所學(xué)知識學(xué)以致用，使學(xué)生形成在新的情境中分析、解決實際問題的能力，落實立德樹人的根本任務(wù)。

四、單元主要教學(xué)活動

（一）通過實驗探究感悟氧化還原反應(yīng)的變化規(guī)律，理解氧化還原反應(yīng)的本質(zhì)

探索物質(zhì)氧化性與還原性變化規(guī)律是解決氧化還原反應(yīng)進行方向的首要任務(wù)。為突破這一任務(wù)，第1課時的主要教學(xué)環(huán)節(jié)是選取“實驗室制氯氣”為情境素材，以問題引領(lǐng)探究（見表1），在探究中幫助學(xué)生逐步建構(gòu)物質(zhì)氧化性與還原性的變化規(guī)律模型。

【設(shè)計與實施分析】本環(huán)節(jié)的任務(wù)是以問題驅(qū)動實驗探究，運用能斯特方程與原電池等多種手段感悟氧化還原反應(yīng)的變化規(guī)律，深刻理解氧化還原反應(yīng)的本質(zhì)。引入能斯特方程與雙液原電池研究氧化還原反應(yīng)是本環(huán)節(jié)的一大亮點。能斯特方程是重要的電化學(xué)方程，是判斷物質(zhì)氧化性與還原性強弱的定量依據(jù)。由于中學(xué)階段對能斯特方程不作要求，所以本環(huán)節(jié)以信息的形式呈現(xiàn)給學(xué)生。在對能斯特方程解讀的過程中既打開了研究氧化還原反應(yīng)的新視角，又培養(yǎng)學(xué)生接受、理解、應(yīng)用信息的能力，使學(xué)生從本質(zhì)上理解影響物質(zhì)氧化性與還原性的外因主要是濃度，增大反應(yīng)物的濃度或減少生成物的濃度，對應(yīng)氧化劑的氧化性或還原劑的還原性增強。原電池是研究氧化還原反應(yīng)最強有力的實驗手段，在實驗方案的設(shè)計中學(xué)生深刻體會這一點，試管實驗雖然操作簡單，但無法證明H+到底是對MnO2的氧化性產(chǎn)生影響，還是對Cl-的還原性產(chǎn)生影響，原電池卻直截了當(dāng)?shù)慕鉀Q這一難題。總體而言，本環(huán)節(jié)聚焦“問題”，將探究過程融入問題中，在問題的解決中體會科學(xué)探究的重要性；本環(huán)節(jié)重在“證據(jù)推理”，抓住氧化還原反應(yīng)的本質(zhì)，以電極反應(yīng)式為切入點，以能斯特方程和原電池為證據(jù)，建構(gòu)物質(zhì)氧化性與還原性的變化規(guī)律模型，體現(xiàn)物質(zhì)的性質(zhì)不僅與物質(zhì)本身的組成與結(jié)構(gòu)有關(guān)，同樣受外界條件的影響。

（二）通過實驗共同探究，共同建構(gòu)基于變化規(guī)律進行物質(zhì)轉(zhuǎn)化的思維路徑

對于任何新鮮事物，學(xué)生都要經(jīng)歷接受、理解與應(yīng)用的過程，第1課時學(xué)生已接受物質(zhì)氧化性與還原性的變化規(guī)律，為了使學(xué)生深刻理解這一變化規(guī)律，第2課時選取“銀鏡反應(yīng)”為實驗素材，通過問題驅(qū)動搭建支架幫助學(xué)生確定應(yīng)用變化規(guī)律解決物質(zhì)轉(zhuǎn)化的思維路徑，主要教學(xué)環(huán)節(jié)如表2所示。

【設(shè)計與實施分析】探究銀鏡反應(yīng)的反應(yīng)原理，確定物質(zhì)轉(zhuǎn)化的思維路徑，理解物質(zhì)轉(zhuǎn)化是有條件的，是可控的。通過活動“多角度探究實驗1不產(chǎn)生銀鏡反應(yīng)的原因”引導(dǎo)學(xué)生尋找銀鏡反應(yīng)中真正的氧化劑是Ag+而非[ Ag（NH3）2]+，堿性環(huán)境是發(fā)生銀鏡反應(yīng)的重要條件，初步確定“運用變化規(guī)律解釋物質(zhì)轉(zhuǎn)化問題”的思維路徑“書寫電極反應(yīng)式

→

分析濃度的變化→

確定反應(yīng)進行的方向”。通過實驗探究活動“Na2SO3、V C、丙三醇等還原劑與銀氨溶液的反應(yīng)”，進一步得出銀鏡反應(yīng)發(fā)生的關(guān)鍵是堿性環(huán)境，只要有合適的還原劑與合適的條件都能將Ag+轉(zhuǎn)化為Ag。本環(huán)節(jié)學(xué)生的收獲是學(xué)會利用變化規(guī)律解釋氧化還原反應(yīng)的反應(yīng)機理，學(xué)會控制哪些條件實現(xiàn)物質(zhì)的轉(zhuǎn)化，最終構(gòu)建物質(zhì)轉(zhuǎn)化的思維路徑。除此之外，讓學(xué)生形成一種優(yōu)良的科學(xué)探究的思維品質(zhì)也是本環(huán)節(jié)的教學(xué)重點。

（三）化學(xué)與可持續(xù)發(fā)展

研究“氧化還原反應(yīng)的變化規(guī)律與物質(zhì)轉(zhuǎn)化的思維路徑”的目的是使學(xué)生從本質(zhì)上理解氧化還原反應(yīng)的意義，能自覺的運用氧化還原反應(yīng)解決實際生產(chǎn)生活中的問題。第3課時以“從廢舊CPU中提取Cu”為例，在實踐中進一步完善轉(zhuǎn)化路徑，提高在新情境中分析、解決實際問題的能力，落實立德樹人的根本任務(wù)。主要教學(xué)環(huán)節(jié)如表3所示。

【設(shè)計與實施分析】基于“轉(zhuǎn)化路徑”引導(dǎo)學(xué)生從化學(xué)的視角看待和解決實際問題，將“轉(zhuǎn)化路徑”思維外顯，形成在復(fù)雜體系中運用氧化還原反應(yīng)解決真實問題的一般思路與方法。為達(dá)成這一目標(biāo)，本環(huán)節(jié)設(shè)計了“從廢舊CPU中提取銅”這一真實情境，無論是氧化劑的尋找還是還原劑的選擇都由學(xué)生自主完成，其中銅與H2O2、Fe2+與Cu2+反應(yīng)條件的探究是本環(huán)節(jié)的重點。“銅與H2O2反應(yīng)條件”的探究中，學(xué)生發(fā)現(xiàn)H2O2在酸性或堿性環(huán)境下均可溶解銅，但酸性環(huán)境下銅的浸出率更高，雙氧水的損失量更??；“Fe2+與Cu2+反應(yīng)條件”的探究中，學(xué)生確定堿性環(huán)境下能實現(xiàn) Cu2+到Cu的轉(zhuǎn)化，并給出合理的解釋，雖然加入氨水同時降低Fe2+與Fe3+的濃度，但由于氫氧化鐵的Ksp更小，F(xiàn)e3+的濃度降低程度更大，從而提高Fe2+的還原性，最終得出“相對改變反應(yīng)物或生成物的濃度，可提高反應(yīng)物的還原性（氧化性）”這一結(jié)論，既豐富了對“變化規(guī)律”的認(rèn)識，又突破物質(zhì)轉(zhuǎn)化的難點。此外，在本課時的最后學(xué)生利用已確定的氧化劑與還原劑從廢舊CPU中提取銅（見圖3），實實在在的感受到學(xué)化學(xué)的重要價值，這是用任何語言都無法表達(dá)的教學(xué)效果。

五、教學(xué)效果反思

（一）創(chuàng)設(shè)真實的實驗探究情境，提升學(xué)生的化學(xué)學(xué)科素養(yǎng)

本單元教學(xué)充分發(fā)揮化學(xué)實驗的教學(xué)功能：一是對課本實驗（實驗室制氯氣、銀鏡反應(yīng)）與聯(lián)系實際問題的實驗素材（從廢舊CPU中提取金屬）進行深入探究，既可以保障學(xué)生學(xué)習(xí)的流暢性，促進學(xué)生全身心地投入到課堂中，又可以通過情境的不斷遞進變化，問題難度的不斷加強，促進學(xué)生深度理解化學(xué)知識，培養(yǎng)學(xué)生的高階思維能力；二是通過對實際問題的探究，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)的過程中真切感受到學(xué)習(xí)化學(xué)學(xué)科的價值和意義。

（二）打開研究氧化還原反應(yīng)的新視角，全面系統(tǒng)的認(rèn)識氧化還原反應(yīng)

本單元教學(xué)以研究氧化劑與還原劑為切入點，以能斯特方程與原電池為證據(jù)，按“性質(zhì)—轉(zhuǎn)化—應(yīng)用”的思路設(shè)計一系列的實驗探究，構(gòu)建“規(guī)律模型—轉(zhuǎn)化模型—應(yīng)用模型”。

從課后訪談和檢測看，學(xué)生對“實驗室制氯氣的原理”“銀鏡反應(yīng)的本質(zhì)”“工業(yè)上如何從廢舊CPU提取銅”等知識印象深刻，100%的學(xué)生能夠準(zhǔn)確回答物質(zhì)氧化性與還原性變化規(guī)律的相關(guān)內(nèi)容，95%的學(xué)生已理解物質(zhì)轉(zhuǎn)化路徑的涵義，85%的學(xué)生已初步學(xué)會應(yīng)用模型去解決實際問題，達(dá)成了本單元的教學(xué)目標(biāo)。

總之，實驗探究是重要的教學(xué)手段，是提升學(xué)生化學(xué)學(xué)科素養(yǎng)的重要途徑。在真實情境中經(jīng)歷解決問題的過程，才能有效發(fā)展學(xué)生思維和能力[5]。

參考文獻(xiàn)：

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[2]崔允漷.學(xué)科核心素養(yǎng)呼喚大單元教學(xué)設(shè)計[J].上海教育科研，2019（4）：1.

[3]曹貽利.基于真實問題情境培養(yǎng)高中生“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”素養(yǎng)的教學(xué)研究[D].南昌：江西師范大學(xué)，2020.

[4]北京師范大學(xué)無機化學(xué)教研室等編.無機化學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2000：101-123.

[5]單旭峰，宋修明.真實情境的高考化學(xué)命題理論與實踐[J].中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考，2019（9）：1-5.

（責(zé)任編輯：加順花）