基于學習進階理論的氧化還原反應教學設計

許志勤+張榮

摘要：通過高中化學必修1第二章第三節“氧化還原反應”的課堂教學設計和教學反思，說明在概念教學中如何根據學習進階理論，分析學生在初高中各階段對氧化還原反應概念達到的理解程度及學習過程中的思維路徑，有針對性地制定相應教學策略，為學生對化學概念的學習創造一個有效的學習進階框架。

關鍵詞：氧化還原反應；銜接；進階；課堂教學；教學反思

文章編號：1008—0546（2017）11—0075—03 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008—0546.2017.11.025

氧化還原反應在工農業生產、科學技術和日常生活中廣泛存在并普遍應用。通過氧化還原反應可以實現物質的轉化和能量的儲存或釋放，引導學生學習和逐步掌握氧化還原反應對于他們今后的生活和工作都是有意義的。

高中化學學習中將大量涉及氧化還原反應，其學習要求呈螺旋式上升。本文討論了高中化學必修1第二章第三節“氧化還原反應”的教學設計。

一、設計意圖及教學流程

1.設計意圖

在九年級《化學》學習過程中，學生已經形成相關認識：1.氧化反應分為劇烈氧化和緩慢氧化。2.物質的燃燒屬于劇烈氧化。3.葡萄糖在動物體內經緩慢氧化轉化為二氧化碳和水，釋放能量。4.金屬跟氧結合生成氧化物的過程稱為金屬的氧化。5.金屬氧化物跟焦炭、氫氣、一氧化碳等反應失去氧轉化為金屬的過程稱為金屬的還原。通過學情分析，學生的前概念是物質會與氧氣發生氧化反應，金屬氧化物會和一氧化碳等發生還原反應。而高中《化學》必修1第二章第三節要求學生從電子轉移的角度更本質的認識氧化還原反應。因而，本節課著重要幫助學生理解兩點：1.為什么從化合價變化的角度定義氧化還原反應；2.氧化還原的相互依存和對立統一的辯證關系。

在討論“氧化還原反應”的特征和本質時，引導學生運用分析比較、基于證據推理的思維方法開展學習，讓學生在建構知識的同時，形成學科基本觀念和學科思維方式。

2.教學流程

根據認知沖突理論，學生已有的知識和經驗與新知識之間存在某種差異而導致心理失衡時，容易激起強烈的求知欲望。本節課通過設問原有的四種基本反應類型能否包含所有化學反應造成學生的認知沖突，讓學生主動參與知識獲取的過程。

課堂教學從知識和能力兩條主線同時展開。其知識主線為討論相關反應的特征和類型，引導學生從得失氧的角度對化學反應進行分類，過渡到從化合價變化的角度定義氧化還原反應，討論氧化反應和還原反應與化學價升降的關系。其能力主線為利用已經具備的氧化反應和還原反應的基礎知識，通過“對比、分類、歸納”的方法，讓學生在“自主活動”與“實驗探究”中構建氧化還原反應概念體系，同時培養分析問題、認識規律和運用規律的能力及科學的思維方法。

2.教學實錄

[師]同學們，本節課我們研究的主題是氧化還原反應，氧化和還原這兩個詞大家并不陌生，通過初中化學的學習，同學們如何理解氧化反應和還原反應？

[生]金屬跟氧結合生成氧化物的過程稱為金屬的氧化；而金屬氧化物跟焦炭、氫氣、一氧化碳等反應失去氧轉化為金屬的過程稱為金屬的還原。

[生]屬于置換反應。

[生]從失氧的角度，這個反應也可以歸為還原反應。

[師]研讀資料卡片中的四個反應，思考并討論，四個反應有什么特點？這些反應屬于什么類型？

資料卡片

【交流討論】

[生]1屬于還原反應，2屬于化合反應，3屬于氧化反應，4不能判斷屬于什么類型。

[師]這位同學在回答問題時用了兩種分類方式思考問題，從反應物、生成物的種類來考慮，2屬于化合反應。從得失氧的角度思考問題，1屬于還原反應，3屬于氧化反應。不能判斷4的反應類型，說明我們已掌握的化學反應的分類方法有局限。本節課我們學習用“更化學”的方法研究化學反應。

【問題解決1：氧化還原反應的特征】

[師]請標出以上四個反應中各元素的化合價，并關注反應前后化合價的變化。

[生]四個反應中都有元素化合價的變化。

[師]對，我們觀察到在一個反應中，當有某些元素化合價升高時，一定有某些元素化合價降低。凡是有元素化合價變化的反應都是氧化還原反應。有元素化合價降低的反應物叫氧化劑，有元素化合價升高的反應物叫還原劑。

[師]請結合金屬的氧化和金屬氧化物的還原思考，當把氧化反應和還原反應合并成一個詞組（氧化還原反應）時，它們三者之間有什么關系呢？

【交流討論】請判斷下列哪些反應是氧化還原反應，并嘗試畫出化合反應、分解反應、置換反應、復分解反應與氧化還原反應的交叉分類示意圖。

[生]①③③是氧化還原反應，②是非氧化還原反應。

[生]化合反應、分解反應、置換反應、復分解反應與氧化還原反應的交叉分類示意圖：

【問題解決2：氧化還原反應的本質】

[師]同學們知道化學反應的實質是原子之間的重新組合。從原子結構來看，原子核外的電子是分層排布的，特別是最外層的電子數目與化學反應有密切關系，元素化合價的變化和電子轉移有密切關系。設想能否通過一定的檢測手段證明氧化還原反應中真的有電子轉移？請同學們分組完成實驗。請注意觀察實驗現象，并根據實驗現象分析結論。

【探究實驗】氧化還原反應中的電子轉移——鋅銅原電池

[生]實驗現象：銅片上有銅生成，檢流計指針發生偏轉，偏向銅片。

[師]從實驗現象①鋅與硫酸銅發生反應；②反應中有電流產生得出結論：本反應中發生了電子轉移。通過實驗，我們真切感受到化學反應中電子的轉移，接著我們從原子結構的角度再來討論。

【演示實驗】鈉在氯氣中燃燒

[師]

【問題解決3：氧化還原反應的應用】

[師]資料卡上的四個反應都是氧化還原反應在生活生產中的重要應用。其中合成氨和金屬的冶煉主要實現的是物質的轉化，甲烷燃燒和光合作用主要實現的是能量的轉化。請思考，我們還了解哪些氧化還原反應能實現物質的轉化或能量的轉化呢？

[生]濕法煉銅等實現的是物質的轉化。

呼吸作用等實現的是能量的轉化。

[師]后續學習中我們還將遇到很多通過氧化還原反應實現的物質轉化和能量轉化（如化學電源），在生活和生產中感受應用化學原理幫助我們趨利避害。

三、教學反思

為改變科學課程學習內容零散且缺乏銜接的現狀，學習進階成為了國際科學教育研究的熱點議題。對于“什么是學習進階”，許多學者根據其自身研究背景提出了不盡相同的表述。例如：史密斯等認為“學習進階是學生在學習時對一系列概念連續的、逐漸復雜的思維方式”；2007年NRC將學習進階定義為“對學生在一個時間跨度內學習和探究某一主題時，依次進階、逐級深化的思維方式的描述”等。“學習進階”和“教學最佳時機”、“最近發展區”有一定的聯系，它們都是遵循學生的認知發展規律，在適當的時間和教學情境下引導學生學習，在最佳的時機教授適當的知識。基于核心概念學習進階進行組織教學具有重要意義。教師首先要分析學生在學習過程中各階段對知識的掌握情況和理解水平；其次要了解學生對于化學核心概念學習過程中的思維路徑，從而有針對性地制定相應的教學策略，為學生對化學概念的學習創造一個有效的學習進階框架。

本節內容的設計基于學習進階理論，厘清學生在初高中各階段對氧化還原反應概念達到的理解程度，通過教學促進學生在原有的認知網絡中理解新概念，同時為理解下一階段氧化還原反應的具體應用提供新的生長點，在教學中以引導學生向較為深入的理解和較高層級的思考進行發展為目的，取得了較好的效果。endprint