指向科學心智模型的“氧化還原反應”教學

胡先錦

摘要：在調查高一學生氧化還原反應知識掌握和已有心智模型的基礎上，以兩種不同的教學設計和課堂樣態開展比較研究，根據課堂觀察和課后檢測來探析有助于氧化還原反應科學心智模型建構的合適路徑和教學范式。

關鍵詞：氧化還原反應；心智模型；化學教學

文章編號：1005-6629（2018）1-0039-05 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

1問題提出

氧化還原反應內容是高中化學的基本原理知識之一，更是高一化學的重要內容，是學生在九年級化學的認知基礎上，進一步加深對氧化還原反應的認識和理解，是學習元素及其化合物的重要認知載體，也為今后學習電化學等知識打下基礎。在《普通高中化學課程標準（實驗）》中，要求學生要能“根據實驗事實了解氧化還原反應的本質是電子的轉移，舉例說明生產、生活中常見的氧化還原反應”。

筆者結合自身已有的理論研究和教學實踐，發現高一學生的氧化還原反應心智模型存在階段差異和多樣類型。入學初，少部分學生持有“氧氣模型”，即有氧氣參加的反應（基于九年級的氧化反應認知）；大多數學生持有“路徑模型”，即氫氣與氧化銅加熱反應中，氫得氧，發生氧化反應，氧化銅失氧，發生還原反應。經過氧化還原反應的概念教學后，所有學生均能持有“價態模型”，即反應中有元素化合價變化的反應為氧化還原反應，很少一部分學生仍兼持“路徑模型”。同時，筆者對高二學生（非物化類選科）進行調查，發現絕大多數學生亦持有“價態模型”。但是，對照氧化還原反應的科學心智模型（圖1），絕大多數學生對“氧化還原反應的本質是電子的轉移”的“電子模型”難以形成直觀認知，對氧化劑、還原劑、氧化產物、還原產物、電子轉移的數目和方向等相關知識的理解存在較多的迷思概念和認知偏差甚至錯誤。

2指向科學心智模型的氧化還原反應的課堂教學探究

本課的教學內容是高一化學1（蘇教版）專題2第一單元“氧化還原反應”，通過兩種不同教學設計對高一學生氧化還原反應心智模型的形成和轉變進行探析，以期能獲得利于學生建立科學心智模型的課堂實踐成果。

2.1研究設計

為了探析不同課堂教學樣態對學生氧化還原反應心智模型的建立和達成狀況，選擇高一年級兩個平行班進行對照研究，兩個班級學生數均為50人。已有數據表明，兩個班級的中考化學平均得分沒有顯著差異（均分差為0.11分，總分值100分）。選擇部分涉及氧化還原反應的中考試題編制了前測試題，結果顯示兩個班級學生的氧化還原反應知識的掌握情況沒有明顯差異（均分差0.06分，總分值50分）。

根據前期調查結果和《普通高中化學課程標準（實驗）》教學要求，在兩個班（A班和B班）分別采用兩種不同的教學樣態展開（時間均為45分鐘），并進行隨堂練習和課后檢測（后測）。隨堂練習在課堂上穿插進行，通過口頭表達（出聲思維）、板演或作業后投影（可視化思維）的形式，以及時觀察學生氧化還原反應心智模型的形成過程和達成情況，了解學生已有心智模型與科學心智模型的差異，以期利于實現其轉變和完善；課后檢測主要用于了解學生氧化還原反應知識的掌握牢固程度和心智模型的固化效果，在一周后進行，試題主要來自主流教輔用書。通過兩個班級的隨堂練習反饋情況和課后檢測得分情況，比較兩種不同教學樣態對高一學生氧化還原反應心智模型的建立和固化的影響。

2.2教學設計

在A班以講授和習題訓練的方式開展教學（見圖2），主要依據課程標準的教學要求對氧化還原反應知識點進行講解，再通過習題訓練的方式進行鞏固和強化，側重知識點的掌握。A班教學設計的時間分配側重于“示例分析”（約15分鐘）和“訓練鞏固”（約15分鐘）環節，主要運用雙線橋或單線橋法對某些氧化還原反應方程式進行例題分析和強化鞏固，訓練學生能正確找出一個氧化還原反應中的氧化劑、還原劑、氧化產物、還原產物，分析出氧化反應、還原反應，能通過化合價的升降標出電子轉移的方向和數目。

從中學化學教學而言，建立科學的化學心智模型，往往需要通過真實情境、化學模型、生活經驗和科學探究等作用于個體的視覺、聽覺和觸覺，經學習者個體相應的刪減選擇（與認知風格有關）和想象建構（符號、表象），從而形成初始心智模型。初始模型通過語言、文字和動作等去解決問題，并在其間不斷地進行修正，進而生成科學（綜合）心智模型。已有研究也表明，心智模型的影響因素既包括個體的內在認知，也包括外部條件。雖然學習者個體的內在特征因素對心智模型的建構和發展有著至關重要的關鍵作用，如性格潛在的自我效能感、年齡增長的心理變化、特定經歷的認知突變等。但是，外部條件往往會影響著和作用于個體的內在認知，并改變內在認知。學生在學校的學習經歷是影響心智模型的非常重要的外在因素，如教育資源、教學范式、學習方式、人際交往、學校文化等。

因此，筆者在B班教學中，以情境創設、實驗探究、小組協作等多種形式組織課堂教學（見圖3），通過創設情境，激發學習興趣和問題探究意識，從不同層面和角度對氧化還原反應知識進行探究和學習。相對于A班，B班將較多的“示例分析”和“訓練鞏固”的時間用于對氧化還原反應本質和“電子模型”的探究性學習，即“實驗探究”（約5分鐘）、“全面認知”（約20分鐘）和“實踐應用”（約7分鐘）環節，側重關注學生的主動學習，促成認知進階的達成，引導學生完成心智模型的轉變和科學模型的建立。

筆者在兩個班級所進行的差異性教學主要體現在以下方面：第一，在A班僅采用“回顧舊知”的方式，以氫氣還原氧化銅的反應進入教學，隨即給出氧化還原反應的概念，而在B班的課堂引人以榨果汁（喝果汁）為情境，再進入舊知回顧環節，旨在給學生一個真實的生活情境，也是學生日常生活中所熟悉的問題，直接作用于學生感官。第二，在理解“電子轉移”的教學環節中，A班僅通過雙線橋法的示例來告知學生氧化還原反應的本質是電子的轉移。在B班則是讓學生結合九年級所學物理知識借助電流表自主設計實驗方案，驗證金屬鋅與稀硫酸反應中的電子轉移（見圖4），從而將反應中微觀的電子轉移實現宏觀化。第三，在建構氧化還原反應科學模型的過程中，A班主要通過雙線橋法對多個氧化還原反應進行分析以達到對基本概念的掌握和電子模型的強化，B班則分別通過原子結構微觀分析、雙線橋法或單線橋法（見圖5）、實驗探究電子轉移等多種形式，不斷延伸和強化對氧化還原反應相關基本概念的認識，實現氧化還原反應心智模型的持續轉變和科學形成，同時也能培養和提升學生的三重表征能力。第四，關于物質氧化性、還原性相對強弱的比較，A班在本節課中沒有涉及，而在B班則是引導學生根據九年級所學的“強酸制取弱酸”的知識進行類比遷移。第五，課堂結尾時A班僅通過較多習題訓練的方式進行知識的鞏固和強化，而在B班則再次回到諸如補鐵劑、苯酚軟膏等藥品使用說明書中的關于抗氧化的信息，食品包裝袋內的抗氧化劑等生活實際問題，隨后再進行endprint

2.3教學結果及分析

2.3.1課堂學習動機和教學氛圍出現顯著差異

筆者的后續訪談表明，B班學生的學習興趣和學習動機明顯強于A班。B班的所有學生均表示想“一探究竟”，而A班有80%的學生愿意學習，且普遍認為是“因為書上有，需要學呀”。聽課教師的課堂觀察也顯示，在B班將鮮榨果汁用小杯分送給學生，學生的課堂情緒和學習興趣都得到了充分的正向影響，所有學生都表示想深入學習氧化還原反應，課堂互動和積極程度都很高，而A班課堂相對沉悶，學習較為被動。B班學生在學習氧化性、還原性等基本概念后，有部分學生就很快提出“是不是所有能得到電子的物質都能作氧化劑”、“前面幾個例子中的氧化劑的氧化性一樣強嗎”等問題，隨后學生經過短暫討論后很快根據九年級的“強酸制弱酸”知識找到了氧化性、還原性相對強弱的比較方法。最后的“實踐應用”環節，學生對維生素c的“說明書”分析討論更加熱烈，將氧化還原反應與生產生活實際能很好地進行聯系，并能用以解決某些實際問題。

學習動機是指引發與維持學習者的學習行為，并使之指向一定學業目標的一種心理動力傾向，是直接推動學習者進行學習的一種內部動力，以激勵和指引學習者進行主動學習。盡管動機并不是直接地介入認知過程，也不會通過同化機制發生作用，而是通過引發興趣、集中注意力等去影響認知過程。課堂中的“鮮榨果汁”和“抗壞血酸”等與學生自身生活實際密切相關的真實情境，能很好地激發學生的“認識與理解的需要”，為學生心智模型的轉變奠定了積極的心理認知基礎。

2.3.2心智模型轉變程度和科學模型固化比例存在顯著差異

研究表明，B班學生通過實驗探究認知氧化還原反應中的電子轉移來建立“電子模型”，A班則采用模仿訓練的方式進行認知強化。B班的學生充分認可并真正理解了“電子模型”，而A班學生則僅初步學會采用雙線橋法對反應進行表征，對“電子模型”沒有充分理解和認可，訪談中有不少學生回答“我不知道到底有沒有電子的轉移”。后測結果顯示，92%的B班學生能正確分析一個氧化還原反應，而A班只有42%的學生能正確完成；有90%的B班學生建立了科學的氧化還原反應心智模型，A班僅有46%的學生能建立科學模型；B班的隨堂測試平均得分顯著高于A班（p<0.05）；在學期末的跟蹤調查中，B班仍有84%的學生能正確借助線橋法分析氧化還原反應，A班僅有30%的學生能較好完成；對期末測試卷中涉及氧化還原反應的試題得分統計顯示，B班得分顯著高于A班（p<0.01）。

從心智模型的形成機制來看，不僅是讓學生聽到、看到，要讓學生主動地動腦、動手，還要讓同伴之間進行討論、分享，才能更好促進學生的學科思維，引領學生進行心智模型的自主修正和完善，并固化所形成的科學心智模型。本課教學中，從新鮮果汁、電流表，到小組討論、生活實際，到實驗設計、類比遷移，不斷引導學生主動修正和完善了氧化還原反應的心智模型。同時，就培養高中化學學科核心素養而言，通過使用電流表來觀察金屬鋅與稀硫酸反應中的電子轉移，讓學生經歷實驗目的確定、實驗方案設計和優化、證據收集和推理、協作進行實驗操作、結果表達和交流等，能很好地培育學生宏觀辨識與微觀探析、證據推理與模型認知、科學探究與創新意識等核心素養。

3結語

實踐證明，根據學生的氧化還原反應認知基礎和科學模型，采用真實情境、實驗探究等教學方式對高一學生氧化還原反應心智模型的修正和完善、建構科學心智模型并長期固化是富有成效的。基于此，筆者認為，在高一氧化還原反應教學中，首先，緊密結合社會生產或學生的日常生活實際中涉及氧化還原反應的真實情境，豐富學生認知情境經驗，激發學生的學習興趣和學習動機，引導學生學會在真實情境中分析解決真實的問題。其次，借助電池原理來實驗探究，促進學生真正認識和理解氧化還原反應中的電子轉移，幫助學生建立“電子模型”，引領學生自主設計實驗方案和小組協作探究，培養知識遷移應用意識和能力；對于物質氧化性、還原性相對強弱的比較，也要引導學生遷移“強制弱”的化學認知，指導學生辯證地分析問題。再次，要立足原子結構的微觀分析，聯系宏觀現象，通過雙線橋或單線橋法來完成對氧化還原反應的全面分析，幫助學生全面認知氧化還原反應，實現“宏-微-符”的聯結，提升學生的三重表征能力。這樣的教學，既有助于幫助學生轉變和建立科學的化學心智模型，也契合了當前基礎教育改革所指向的核心素養的培養。這種“基于真實情境的問題解決”的教學樣態，也就不僅只適用于氧化還原反應的教學，在化學學科的其他內容或者是其他學科的教學中，都是具有較為普遍適用的意義的。endprint