基于實(shí)驗(yàn)探究的概念原理教學(xué)——以“從氧化還原反應(yīng)認(rèn)識(shí)物質(zhì)性質(zhì)”為例

蔣 濤

基于實(shí)驗(yàn)探究的概念原理教學(xué)——以“從氧化還原反應(yīng)認(rèn)識(shí)物質(zhì)性質(zhì)”為例

蔣 濤

中學(xué)化學(xué)概念原理教學(xué)的目的是讓學(xué)生能夠真正理解概念，形成并發(fā)展科學(xué)認(rèn)識(shí)。而實(shí)驗(yàn)探究教學(xué)的深入開(kāi)展要求更加關(guān)注學(xué)生在探究過(guò)程中的自主性、創(chuàng)造性以及問(wèn)題解決能力。針對(duì)如何開(kāi)展基于實(shí)驗(yàn)探究的概念原理教學(xué)，以“從氧化還原反應(yīng)認(rèn)識(shí)物質(zhì)性質(zhì)”的教學(xué)為例，進(jìn)行初步研究，并提出相關(guān)教學(xué)策略。

氧化還原反應(yīng)；實(shí)驗(yàn)探究；概念原理教學(xué)

一、研究背景

一方面，化學(xué)概念原理是化學(xué)現(xiàn)象本質(zhì)的反映，但概念原理的教學(xué)并不意味著局限在對(duì)相關(guān)知識(shí)的落實(shí)上，發(fā)展概念原理知識(shí)對(duì)化學(xué)反應(yīng)的認(rèn)識(shí)視角，體會(huì)其功能與價(jià)值才是概念原理教學(xué)的真正意義。概念和方法的學(xué)習(xí)過(guò)程需要通過(guò)應(yīng)用環(huán)節(jié)促進(jìn)發(fā)展，如果缺少實(shí)際應(yīng)用便不能實(shí)現(xiàn)概念和方法的內(nèi)化，不能納入學(xué)生的長(zhǎng)時(shí)記憶系統(tǒng)。另一方面，實(shí)驗(yàn)探究是當(dāng)今國(guó)際科學(xué)教育領(lǐng)域研究的重要內(nèi)容之一，許多國(guó)家和地區(qū)的科學(xué)教育改革都圍繞著實(shí)驗(yàn)探究教學(xué)展開(kāi)。實(shí)驗(yàn)探究教學(xué)的深入展開(kāi)要求更加關(guān)注學(xué)生在探究過(guò)程中的自主性、創(chuàng)造性以及問(wèn)題解決能力的培養(yǎng) 。探究教學(xué)作為一種在培養(yǎng)學(xué)生化學(xué)素養(yǎng)方面具有顯著優(yōu)勢(shì)的教學(xué)方式應(yīng)用于元素化合物的教學(xué)內(nèi)容比較容易可行。那么如何將探究教學(xué)應(yīng)用于化學(xué)概念的教學(xué)呢？本研究以氧化還原反應(yīng)的教學(xué)為例，并對(duì)基于實(shí)驗(yàn)探究的概念原理知識(shí)的教學(xué)提供一些教學(xué)策略。

氧化還原反應(yīng)在高中化學(xué)學(xué)習(xí)中將大量涉及，學(xué)生在學(xué)習(xí)物質(zhì)性質(zhì)、實(shí)現(xiàn)物質(zhì)轉(zhuǎn)化、分析電極反應(yīng)等問(wèn)題時(shí)均需要相關(guān)知識(shí)。可以說(shuō)氧化還原反應(yīng)的知識(shí)一方面豐富了學(xué)生研究物質(zhì)性質(zhì)的視角和實(shí)現(xiàn)物質(zhì)轉(zhuǎn)化的途徑；另一方面豐富了學(xué)生對(duì)化學(xué)反應(yīng)能量利用的途徑，在物質(zhì)轉(zhuǎn)化中將“不可能”轉(zhuǎn)變?yōu)椤翱赡堋薄Ｋ詫?duì)氧化還原反應(yīng)的教學(xué)絕不能僅僅停留在對(duì)核心知識(shí)的講解和落實(shí)上。那么如何改變以往枯燥的教學(xué)形式，使學(xué)生建立起研究物質(zhì)性質(zhì)的思路和方法呢？本節(jié)課作為氧化還原反應(yīng)的第二課時(shí)，設(shè)計(jì)了3個(gè)核心活動(dòng)：活動(dòng)1是預(yù)測(cè)物質(zhì)的氧化性、還原性，活動(dòng)2是設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證高錳酸鉀的氧化性，活動(dòng)3是探究亞硫酸鈉的氧化性和還原性。

二、核心探究活動(dòng)的實(shí)施過(guò)程

1.活動(dòng)1：預(yù)測(cè)CO2和CO的氧化性、還原性

根據(jù)C元素的常見(jiàn)化合價(jià)預(yù)測(cè)CO2和CO的氧化性與還原性。

學(xué)生活動(dòng)：先獨(dú)立思考，后4人一組相互討論，然后回答問(wèn)題。

學(xué)生回答1：CO2具有氧化性，CO具有還原性。

學(xué)生回答2：CO應(yīng)該還具有氧化性。因?yàn)镃O中的C元素顯+2價(jià)，還可以繼續(xù)降低。

【追問(wèn)】雖然根據(jù)價(jià)態(tài)判斷CO具有氧化性，但CO通常只表現(xiàn)出還原性。能否總結(jié)出判斷物質(zhì)氧化性還原性的一般方法？

學(xué)生回答3：觀察元素的化合價(jià)，最高價(jià)(該物質(zhì))只具有氧化性，最低價(jià)只具有還原性，中間價(jià)態(tài)既具有氧化性又具有還原性。

【追問(wèn)】面對(duì)C，O兩種元素，你是如何選擇的呢？

學(xué)生回答4：關(guān)注變價(jià)元素的化合價(jià)。

探究活動(dòng)1的功能價(jià)值：通過(guò)本活動(dòng)讓學(xué)生關(guān)注到從氧化還原反應(yīng)(化合價(jià))認(rèn)識(shí)物質(zhì)性質(zhì)這一新的認(rèn)識(shí)角度，落實(shí)預(yù)測(cè)物質(zhì)氧化性、還原性的方法，為后續(xù)探究元素化合物的性質(zhì)奠定理論基礎(chǔ)。

2.活動(dòng)2：設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證高錳酸鉀的氧化性

【問(wèn)題1】預(yù)測(cè)KMnO4和KI的氧化性與還原性并說(shuō)明理由。

學(xué)生活動(dòng)：4人一組相互說(shuō)明，然后1名學(xué)生回答。

學(xué)生回答：KMnO4中的Mn元素為最高價(jià)具有氧化性，KI中的I元素為最低價(jià)具有還原性。

【問(wèn)題2】驗(yàn)證KMnO4是否具有氧化性？

學(xué)生活動(dòng)：4人一組，先經(jīng)過(guò)獨(dú)立思考和小組討論后，確定實(shí)驗(yàn)方案，再動(dòng)手驗(yàn)證并記錄相關(guān)的現(xiàn)象得出結(jié)論。

教師活動(dòng)：巡視學(xué)生的實(shí)驗(yàn)情況，適時(shí)的詢問(wèn)試劑選擇的原因、預(yù)期現(xiàn)象與觀察到的現(xiàn)象之間有何不同。然后請(qǐng)同學(xué)們分組匯報(bào)自己的實(shí)驗(yàn)情況，說(shuō)明需要注意的問(wèn)題。

【教師點(diǎn)撥】能否歸納出驗(yàn)證物質(zhì)氧化性與還原性的一般思路方法？

學(xué)生活動(dòng)：回憶剛剛的過(guò)程，并進(jìn)行總結(jié)提煉。

學(xué)生回答：先根據(jù)化合價(jià)預(yù)測(cè)性質(zhì)，再選擇試劑，通過(guò)觀察到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與預(yù)期現(xiàn)象進(jìn)行比較從而得出最終結(jié)論。

探究活動(dòng)2的功能價(jià)值：學(xué)生在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案時(shí)，對(duì)于試劑的選擇沒(méi)有出現(xiàn)任何問(wèn)題，都選擇了KI證明KMnO4的氧化性。但在預(yù)期現(xiàn)象的時(shí)候，面對(duì)Mn元素的多種價(jià)態(tài)，學(xué)生試圖通過(guò)寫(xiě)出方程式確定其還原產(chǎn)物，卻因?yàn)樗鶎W(xué)知識(shí)有限遇到了障礙。教師適時(shí)點(diǎn)撥，可先動(dòng)手實(shí)驗(yàn)，根據(jù)現(xiàn)象再來(lái)推測(cè)；另外當(dāng)還原產(chǎn)物不好確定時(shí)，可以換一個(gè)角度，來(lái)關(guān)注氧化產(chǎn)物，同樣可以得到相應(yīng)的結(jié)論。最后再由學(xué)生回憶整個(gè)探究過(guò)程，歸納出研究物質(zhì)氧化性和還原性的一般思路和方法，通過(guò)本活動(dòng)落實(shí)驗(yàn)證物質(zhì)氧化性、還原性的方法，為后續(xù)元素化合物學(xué)習(xí)奠定方法基礎(chǔ)。同時(shí)培養(yǎng)了學(xué)生理性分析、設(shè)計(jì)在前，動(dòng)手實(shí)驗(yàn)在后的良好習(xí)慣。

3.活動(dòng)3：探究Na2SO3的氧化性和還原性

運(yùn)用研究物質(zhì)性質(zhì)的一般思路方法，研究Na2SO3的氧化性和還原性。

學(xué)生活動(dòng)：先分析設(shè)計(jì)，再動(dòng)手實(shí)驗(yàn)。

學(xué)生回答1：選擇KMnO4，可以證明Na2SO3具有還原性。但是KI卻不能跟Na2SO3反應(yīng)，證明Na2SO3沒(méi)有氧化性。

學(xué)生回答2：有可能是Na2SO3在反應(yīng)中主要表現(xiàn)還原性。

學(xué)生回答3：用碘水和Na2SO3反應(yīng)，然后滴入淀粉液，發(fā)現(xiàn)溶液不變藍(lán)，說(shuō)明兩者反應(yīng)，同樣證明了Na2SO3的還原性。

【追問(wèn)】(給出Na2SO3與I2反應(yīng)的方程式)試分析Na2SO3與碘水反應(yīng)而不與KI反應(yīng)的原因是什么？是因?yàn)镹a2SO3沒(méi)有氧化性嗎？

學(xué)生活動(dòng)：先獨(dú)立思考，后小組討論。

學(xué)生回答1：Na2SO3的還原性較強(qiáng)，碘單質(zhì)的氧化性較強(qiáng)，而KI的還原性沒(méi)有Na2SO3強(qiáng)。所以KI不能跟Na2SO3反應(yīng)。

學(xué)生回答2：通過(guò)觀察Na2SO3與I2反應(yīng)的方程式，SO3

2-是還原劑，I-是還原產(chǎn)物，而還原劑的還原性比還原產(chǎn)物要強(qiáng)。所以，要找到一個(gè)還原性比SO32-更強(qiáng)的還原劑才能證明其氧化性。

【教師點(diǎn)撥】選擇什么試劑才能證明Na2SO3的氧化性呢，在學(xué)完了硫及其化合物的性質(zhì)以后我們就會(huì)知道，感興趣的學(xué)生可以課后查閱相關(guān)資料。

探究活動(dòng)3的功能價(jià)值：在該探究活動(dòng)中，學(xué)生在教師所安排的認(rèn)知沖突下，發(fā)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)事實(shí)與經(jīng)驗(yàn)預(yù)期的矛盾所在，從而促使其經(jīng)過(guò)思考和討論發(fā)現(xiàn)氧化還原反應(yīng)發(fā)生的制約條件——氧還性的相對(duì)強(qiáng)弱關(guān)系，解決了“可能性”與“現(xiàn)實(shí)性”的矛盾。至此學(xué)生對(duì)研究物質(zhì)氧化還原性的方法有了更全面的認(rèn)識(shí)，提高了其創(chuàng)造性思維。對(duì)于“證明Na2SO3的氧化性”的操作方法在這節(jié)課中實(shí)際上是不重要的，原因是該探究活動(dòng)意在通過(guò)讓學(xué)生體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)事實(shí)與預(yù)期之間的矛盾，發(fā)現(xiàn)制約氧化還原反應(yīng)發(fā)生的條件，而現(xiàn)階段的學(xué)生也不具備硫及其化合物的相關(guān)知識(shí)，如果在課堂上展開(kāi)討論，增加了無(wú)關(guān)性難度且延長(zhǎng)了時(shí)間。所以我們把這個(gè)問(wèn)題交給了學(xué)生，讓他們課后思考，既進(jìn)行思維拓展，讓這節(jié)課有延伸感，又節(jié)約課時(shí)，使教學(xué)目標(biāo)更為突出。

4.鞏固思維訓(xùn)練實(shí)例

【課后任務(wù)1】列舉一些常見(jiàn)的氧化劑和還原劑，并用樹(shù)狀法對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)單分類。

【課后任務(wù)2】預(yù)測(cè)SO2的化學(xué)性質(zhì)，并與CO2進(jìn)行比較。

通過(guò)以上兩個(gè)任務(wù)，一方面讓學(xué)生進(jìn)一步熟練預(yù)測(cè)物質(zhì)氧化性與還原性的方法；另一方面進(jìn)一步體會(huì)認(rèn)識(shí)物質(zhì)性質(zhì)的兩個(gè)角度——物質(zhì)的類別與氧化還原反應(yīng)(價(jià)態(tài))，從而感受到學(xué)習(xí)氧化還原反應(yīng)的價(jià)值和作用。

三、基于實(shí)驗(yàn)探究的概念原理教學(xué)策略

如何開(kāi)展高水平、開(kāi)放式的探究課教學(xué)，如何通過(guò)探究實(shí)驗(yàn)將概念原理落到實(shí)處，筆者有如下反思。

第一，在進(jìn)行化學(xué)概念教學(xué)時(shí)，尤其在引入新的知識(shí)時(shí)，教師要給學(xué)生提供具有認(rèn)知沖突的情境素材，暴露出學(xué)生的個(gè)人認(rèn)識(shí)，要允許學(xué)生與學(xué)習(xí)情景中的其他人交流關(guān)于問(wèn)題情境的看法。教師要把教學(xué)的重點(diǎn)放在概念的形成和理解上，并讓學(xué)生參與概念觀點(diǎn)的建立。例如在本節(jié)課的第三個(gè)環(huán)節(jié)，大部分學(xué)生已經(jīng)掌握了研究物質(zhì)氧化性和還原性的方法的基礎(chǔ)上，學(xué)生在探究Na2SO3的性質(zhì)時(shí)，發(fā)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)事實(shí)與他們的預(yù)設(shè)之間并不吻合，激發(fā)了認(rèn)知沖突，從而促使他們關(guān)注Na2SO3與KI的還原性強(qiáng)弱關(guān)系，進(jìn)而通過(guò)Na2SO3與碘單質(zhì)的反應(yīng)，認(rèn)識(shí)到還原劑與還原產(chǎn)物間的還原性強(qiáng)弱關(guān)系，建立起比較物質(zhì)氧化性還原性的方法和對(duì)制約氧化還原反應(yīng)發(fā)生的條件的認(rèn)識(shí)。

第二，在設(shè)計(jì)探究活動(dòng)時(shí)，問(wèn)題的連續(xù)性和開(kāi)放性能直接影響學(xué)生的思維發(fā)展。這就要求教師選擇的核心問(wèn)題、探究任務(wù)容量要大，要值得探討，在必要的時(shí)候提供給學(xué)生所需的場(chǎng)外信息和資料，這樣既能滿足其探究欲望，又不會(huì)打壓積極性。例如，“運(yùn)用研究物質(zhì)性質(zhì)的一般方法探究Na2SO3的氧/還性”這一問(wèn)題就比從試劑選擇到現(xiàn)象判斷這樣領(lǐng)著學(xué)生一步一步走更能激發(fā)學(xué)生的思考。而在探究KMnO4和Na2SO3的性質(zhì)的時(shí)候，給學(xué)生提供Mn，S元素的常見(jiàn)價(jià)態(tài)及存在形式、I的原子結(jié)構(gòu)示意圖等信息，能幫助他們通過(guò)自己的思考來(lái)完成任務(wù)，最大可能的依靠學(xué)生自己的能力來(lái)解決問(wèn)題，這樣學(xué)生成功之后的成就感和滿足感也是不言而喻的。

第三，在實(shí)施探究教學(xué)過(guò)程中，要關(guān)注培養(yǎng)學(xué)生探究能力的自主性和科學(xué)性。這就要求教師要基于具體任務(wù)，從個(gè)別到一般，并在這一過(guò)程中體現(xiàn)思路，將思路“細(xì)化”，將“方向性”轉(zhuǎn)變?yōu)椤翱尚行浴?。基于對(duì)氧化還原反應(yīng)部分內(nèi)容教學(xué)價(jià)值的分析、基于概念原理知識(shí)與元素化合物知識(shí)的關(guān)聯(lián)進(jìn)行整體設(shè)計(jì)。在本節(jié)課中通過(guò)3個(gè)核心活動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)這一目的，每個(gè)活動(dòng)有明確的知識(shí)技能和過(guò)程方法目標(biāo)，3個(gè)活動(dòng)之間具有螺旋上升、逐級(jí)遞進(jìn)的關(guān)系。為了讓課堂的整體實(shí)效性更高，在提出假設(shè)環(huán)節(jié)，針對(duì)大多數(shù)學(xué)生只關(guān)注“局部”，進(jìn)行部分假設(shè)、預(yù)測(cè)的情況，教師可通過(guò)與學(xué)生的對(duì)話、對(duì)學(xué)生評(píng)價(jià)等策略的實(shí)施引導(dǎo)學(xué)生提升其“全面分析系統(tǒng)的各要素，基于各要素進(jìn)行全面假設(shè)”的系統(tǒng)思維能力。

蔣濤，碩士，中教一級(jí)。北京市十一學(xué)校，100039