基于手持技術的“氧化還原反應”教學設計

蔡 陽

（揚州市新華中學 江蘇 揚州 225009）

一、指導思想和理論依據

手持技術，又稱傳感技術，是由數據采集器、傳感器和配套的軟件組成的定量采集各種常見數據并能與計算機連接的實驗技術系統。到目前為止，在化學領域的研究較多側重于手持技術在化學研究性學習中的應用，而對于將手持技術整合于化學常規教學課堂（ 尤其在新課程背景下） 的實踐卻相對罕見，這還沒有完全發揮手持技術的優越性。［1］

本文將手持技術的應用融入到氧化還原反應這節課的教學中，將鋼鐵腐蝕過程中，氧氣的參與過程形象具體地呈現在學生面前，探測出氧化還原反應發生過程中電子轉移形成的微電流，給師生一個現代化的共同探討問題的平臺。

二、教材分析

氧化還原反應是高中化學的核心概念，貫穿于整個高中化學教學的始終。蘇教版高中《化學1（必修）》教材中氧化還原反應這個概念在專題一第一單元 “物質的分類與轉化” 這一節和專題二第一單元“氧化還原反應”這一節均有出現。這樣的分散設置降低了學生的學習難度。本節課是講解專題二第一單元“氧化還原反應”這一節的內容。學生已經初步接觸了氧化還原反應的概念，但對于氧化還原反應的微觀實質還不清楚。本節課要讓學生系統性地把握這一概念，并引導學生深入理解氧化還原反應的實質。

三、教學目標

［知識與技能］

（1）知道氧化還原反應的特征和本質。

（2）能夠判斷氧化劑、還原劑、氧化產物、還原產物。

［過程與方法］

（1）通過設置問題情境、分析現象等活動，提高學生分析、聯想、類比、遷移及概括的能力；

（2）通過實驗進行思考和交流，提高實驗探究的能力。

［情感態度與價值觀］

（1）通過小組探究活動，體驗科學探究的過程，感受科學探究的樂趣；

（2）認識氧化還原反應對生產、生活及科學研究的意義。

四、教學重、難點

［重點］

氧化還原反應的判斷方法及實質。

［難點］

判斷氧化劑、還原劑的規律及應用。

五、教學用具

溶氧傳感器、微電流傳感器、毫安電流傳感器、數據采集器及配套軟件、計算機、燒杯、玻璃棒、植物、鋅片、鐵粉、氯化鈉溶液、硫酸銅溶液。

六、教學過程

［情境引入］

展示鋼鐵腐蝕的圖片并提問：誰是腐蝕鋼鐵的罪魁禍首？

（由于鋼鐵腐蝕是緩慢平和的過程，氧氣又無色無味，教師在這種情況下引入手持技術，檢測鐵生銹過程中氧氣的變化，可以讓學生真實地感受到氧氣參與了反應。）

［實驗］將兩藥匙鐵粉倒入飽和食鹽水中，攪拌，蓋緊瓶塞，插入溶氧傳感器，檢測食鹽水中氧氣含量的變化。

圖1 檢測鐵腐蝕過程中氧氣含量變化的裝置圖

圖2 鐵腐蝕過程中氧氣含量的變化曲線

圖3 檢測鋅與硫酸銅溶液反應產生的電流的裝置圖

圖4 鋅與硫酸銅溶液反應產生的電流的變化曲線

學生通過觀察曲線的變化，看到了氧氣含量不斷下降，這樣得出的結論真實可靠。

［教師］ 在這個過程中鐵元素和氧元素的化合價分別發生了怎樣的變化？ 鐵粉和氧氣分別發生了什么反應？

［學生］鐵元素的化合價升高，氧元素的化合價降低。

［教師總結］鐵粉發生了氧化反應，氧氣發生了還原反應。引出氧化反應和還原反應的概念。

［過渡］ 化合價升高或者降低的根本原因是什么呢？ 請同學們根據前面所學的原子核外電子排布的知識解答。

［學生］ 是因為核外電子的得失導致化合價的變化，在剛才鐵粉生銹的實驗中是鐵的電子轉移給了氧。

［學生提問］既然電子發生了轉移，是不是會有電流產生呢？

［教師解答］確實能產生電流，接下來就以同學們熟悉的鋅與硫酸銅的反應為例，檢測反應過程中的電流。（學生還沒有學習原電池的知識，如果不將鋅片和銅片組成原電池，產生的電流較小，電流表無法檢測，所以本節課使用了電流傳感器。）

［實驗］將鋅片打磨光亮，用電流傳感器的夾子夾住，插入硫酸銅溶液中，觀察圖線的變化。

在實驗中檢測到約6mA 左右的電流，證實了學生的猜測。

［概念講解］氧化還原反應的定義：有電子發生轉移的化學反應。

用示意圖表示鋅與硫酸銅溶液反應的過程：

圖5 鋅與硫酸銅溶液反應的示意圖

［教師］怎樣用化學語言表示這個過程呢？ （講解雙線橋的畫法）

［概念講解］

氧化劑：得到電子的物質。還原劑：失去電子的物質。

氧化產物：還原劑失去電子后的產物。還原產物：氧化劑得到電子后的產物。

［師生共同總結］分析五步法：

1．標出化合價，判斷是否是氧化還原反應；

2．找到得電子的物質（氧化劑）和失去電子的物質（還原劑）；

3．找到對應的還原產物和氧化產物；

4．畫出雙線橋，標出電子得失；

5．檢查電子得失是否相等。

情境 化學反應方程式CaCO3=高溫CaO+CO2（非氧化還原反應）化學與工業：中國豎爐煉鐵的化學史。CO2+C=高溫2CO Fe2O3+3CO=高溫2Fe+3CO2化學與生活：很多食品脫氧劑的主要成分是鐵粉。2Fe + O2+ 2H2O=2Fe(OH)24Fe(OH)2+ O2+ 2H2O=4Fe(OH)3化學與技術：法醫學中用魯米諾試劑檢測血跡，需用過氧化氫處理。化學與物理：神州九號發射升空的動力來源。2H2O2=催化劑O2+ 2H2O（氧化劑、還原劑是同一種物質）2H2+O2=2H2O （氧化產物、還原產物是同一種物質）形成過程。2H2S + SO2=3S +2H2O（氧化產物、還原產物是同一種物質）化學與地理：近期香港發現古代“超級火山”，火山噴發時硫磺的化學與生物：植物發電的原理。（光合作用是氧化還原反應，植物在光合作用的過程中有電子轉移，經處理后可以發電。）[實驗] 用傳感器檢測植物光合作用過程中產生的微電流。images/BZ_119_383_1297_960_1616.png圖6 檢測植物光合作用時產生的電流的裝置圖6CO2+ 6H2O= C6H12O6+ 6O2 0）（μA流電微－2－4－6－8－10images/BZ_119_397_1696_1006_1996.png0 10 20 30 40 50 60時間（s）圖7 植物光合作用時產生的電流的變化曲線實驗結果：檢測到約7μA 的電流，學生進一步感受到氧化還原反應過程中有電子轉移的事實。

［多角度鏈接］

（用不斷變化的情境抓住注意力，拓展學生的視野，在情境中鞏固新知。）

判斷下列反應是否是氧化還原反應，若是氧化還原反應，請判斷氧化劑、還原劑、氧化產物、還原產物。

［小組活動］

1．每組說出三種氧化還原反應，并且說明其存在或一種用途。

2．試著找出其中的氧化劑、還原劑、氧化產物、還原產物。

3．選擇一個氧化還原反應，畫出雙線橋。

4．總結常見的氧化劑、還原劑有哪些。

［課后調查］

伊利諾斯大學細胞與發育生物學教授Martha Gillette 發表在Science 雜志上的最新研究成果：人體內的生物鐘是受氧化還原反應控制的。請你課后借閱雜志或上網查閱，了解這項研究成果，并撰寫一篇小論文。

七、教學反思

本節課取得了較好的教學效果，手持技術給教學帶來了如下便利：1．將模糊問題清晰化。鋼鐵腐蝕的過程中氧氣是否真的參與，本來是難以證明的，往往是教師直接將答案告訴學生。利用溶氧傳感器，可以讓學生看到鐵粉生銹的過程中，水中的含氧量不斷減小的過程，清晰直觀，更加可信。2．將微觀問題可視化。如果不將鋅片與銅片組成鋅銅原電池，鋅片與硫酸銅溶液反應時產生的電流是很小的，用普通電流表難以測出。但是使用鋅銅原電池，學生以現有的知識又難以理解其中的原理。使用電流傳感器直接測出電流，就無需使用鋅銅原電池了。植物光合作用時產生的電流更小，如不使用電流傳感器，根本無法測出電流。3．將傳統問題現代化。原來做鋼鐵腐蝕的實驗時，由于反應緩慢，需等待較長的時間，然后加入試劑檢驗產物，并且只能定性地說明問題。檢驗鋅與硫酸銅反應的實驗，必須將其組成鋅銅原電池，形成較大的電流才能檢測。使用傳感器省去了這些麻煩，并且可導出數據或觀察圖線，將定性實驗變成了定量實驗，更加客觀真實。

［1］ 鄧峰，錢揚義，鐘映雪，譚顯華，劉麗明，羅少娟．基于手持技術環境的化學課堂教學例析——冰醋酸電離過程實質的探究［J］．化學教育，2009，（1）：35