化學學科核心素養下的教學研究
——以“氧化還原反應”為例

尹明月，王衛東

(湖北師范大學 化學化工學院，湖北 黃石 435002)

氧化還原反應是中學化學中重要學科核心概念性知識，其教學內容具有“宏觀聯系實際”和“理論聯系實際”的指導作用，是發展學生學科核心素養的良好載體[1]。核心素養的目的是讓學生通過化學知識的學習掌握，來挖掘學生適應社會發展和終身發展的關鍵能力和必備品質。但核心概念本身就持有一定的抽象性，理解較為困難，如何降低其教學難度一直是中學化學教學的重點研究內容[2]。筆者就“氧化還原反應”第一課時為例，探索如何在有限的時間內降低教學難度、發揮學科價值，如何培養發展學生的化學學科核心素養。

1 設計理念依據

2018年1月16日，國家教育部正式頒布了《普通高中化學課程標準》(2017年版)，明確提出“全面發展學生化學核心素養的宗旨” 的課程體系目標，并首次提出了“學業質量”標準[3]。核心素養的建立，展現了學生在教學中應該形成的重要能力及品格，為學校的人才培養樹立新的目標，全面體現了社會主義核心價值觀導向下國家教育課程育人的根本需求[4]。

2 教學背景分析

2.1 新課程標準分析

2017年版的新課標對該部分知識做出了三點要求：1)認識氧化還原反應的特征是化合價變化；2)掌握電子轉移是氧化還原反應的本質；3)知道常見的氧化劑和還原劑[5]。同時該部分知識在必修二的“原電池”章節和選修四的“電解池”章節都做出了相應的課程標準要求。筆者選取了氧化還原反應第一課時，對其概念知識進行教學設計，將化學學科核心素養融入到教學設計中。

2.2 教材分析

“氧化還原反應”第一課時，選自于人教版高中化學必修1第二章第三節，是中學化學中基本概念和基本理論的重要部分。研究氧化還原反應是對初中所學氧化和還原反應的拓展與深化，是對后面所學元素以及化合物、金屬冶煉和腐蝕及電化學知識等都離不開氧化還原反應。此外還可以幫助學生建立氧化還原反應的三重表征，學習者可以利用所學知識深刻理解生活中的氧化還原反應。

2.3 學情分析

已有知識能力：學生在初中從得失氧的角度對氧化反應和還原反應有初步的認識，認識到化學價態與原子最外層電子存在一定的關系，但并沒有深刻理解化合價態的變化與電子轉移間的聯系。

發展知識能力：在教學設計過程中，教師都應當充分考慮學生已有的知識水平，通過利用包括制造認知沖突在內的一系列手段激發學生學習興趣，促使其主動尋求知識[2]。需要根據化學學科的三重表征來幫助學生建立知識結構，使學生深刻理解對氧化還原反應本質。

3 教學目標

基于核心素養的教學目標如圖1所示。

圖1 基于核心素養的教學目標

4 教學流程

教學流程總設計思路如圖2所示。

圖2 教學過程總設計思路

在設計理念指導下，通過進行教學背景分析，本節內容將采用探究線、知識線、應用線相結合的方式，以逐步構建學生對氧還原反應的本質的理解為主線，選取探究式的教學方法體會氧化還原反應與日常生活的緊密聯系，發展學生的核心素養。

5 教學過程

5.1 復習回顧，導入新課

根據學生初中化學中已學習過四大基本反應類型對常見的化學反應方程式進行分類，在教學過程中學生會認識到有些化學反應并不能用已有的知識分類，這就引起了學生的認知沖突，激發了學生的學習本節內容的興趣，具體教學過程如下。

教師活動學生活動設計意圖【溫故知新】學生根據初中學習過的四大基本反應類型對圖3所示的化學反應方程式進行分類?！军c撥】僅根據四大基本反應類型對化學反應方程式進行分類是有局限性的,需要換個進行分析?！緦W生思考回答】學生正確回答出(1)至(3)的反應類型,但發現(4)并不屬于任何一種基本反應類型。通過進行舊知回顧,喚起學生已有的知識和經驗,產生認知沖突,激發學生的求知欲,引出新的問題,自然導入本節所學內容。

圖3 化學方程式分類

5.2 建立概念認知，認識氧化還原反應

以初中常見化學反應一氧化碳還原氧化鐵為例，讓學生初步認識到氧化還原反應是物質得失氧元素的反應，建立概念認知，再結合生活中常見的暖寶寶使用前后產生的質量差，讓學生親身體會氧元素在氧化還原反應過程中的變化。在該部分內容中可以適當穿插一些化學史料，化學史有利于發展學生化學學科核心素養，幫助學生認識氧化還原反應，具體教學過程如下。

教師活動學生活動設計意圖【教師提問】觀察(4)Fe2O3+3CO=Fe+3CO2是何種反應,請同學們從物質得氧失氧的角度來考慮。【教師講解】既是氧化反應又是還原反應的這種類型的反應,我們就稱它為氧化還原反應?！救蝿瞻才拧咳蝿找?在教師的指導下,讓學生拆開暖寶寶,用吸鐵磁來驗證暖寶寶使用前后的主要成分是否均為鐵粉。任務二:用準備好的托盤天平分別進行稱量,觀察記錄兩者的質量讀數?！窘處熖釂枴颗瘜殞毷褂们昂鬄楹萎a生質量差?【教師講解】對暖貼的發熱原理做了必要的補充。【化學史資料】1773年,氧氣(O2)被化學家拉瓦錫所發現,他認為燃燒是物質與氧氣發生的氧化反應;1777年,拉瓦錫推翻了他的燃素學說,證明物質與氧化合的反應叫做氧化反應。同時,拉瓦錫也是從質量入手來研究的氧化還原反應?！緦W生回答】氧化反應和還原反應?！緦W生活動】課前已讓每組學生準備好兩個暖寶寶一個是全新的,另一個是使用過一段時間的。學生通過閱讀說明書了解到,暖寶寶里面的主要成分為鐵粉、活性炭、水、鹽等材料?！緦W生討論回答】(1)新的暖寶寶,磁鐵表面吸有大量鐵粉;使用過的暖寶寶,磁鐵表面的鐵粉很少,驗證了暖寶寶的主要成分為鐵粉。(2)通過天平稱量發現,暖寶寶使用過的的質量比未用過的質量大一些。【學生思考討論】使用過的暖寶寶,里面的鐵粉接觸到空氣,在較高溫度下發生化學反應生成了鐵的氧化物。學生認真閱讀教師補充的化學史料,切身體會氧元素在反應過程中的轉化。從宏觀角度進行辨識,以得失氧的角度來得出氧化還原反應的基本概念,復習回顧初中知識的同時也為進一步探究氧化還原反應的本質打下基礎。從日常生活中存在的化學現象著手,借用暖寶寶使用前后產生的質量差來讓學生親身體會氧的得失。教學過程中適當補充化學史知識,讓學生了解到拉瓦錫也是從質量入手來研究的氧化還原反應。此階段的教學設計,利于發展學生分析問題和解決問題的能力,利于發展學生“宏觀辨識”的核心素養。

5.3 建構模型，辨識氧化還原反應

為了進一步探究氧化還原反應的特征，開展了以氧原子為“球”的“傳球游戲”(如圖4所示)，建立簡單的模型示意圖。通過氧原子的移動觀察到其他元素化合價發生改變，引導學生對氧化還原反應的得失氧的認識過渡到元素化合價態的改變，得出氧化還原反應的特征和判斷標準，具體教學過程如下。

教師活動學生活動設計意圖【動畫演示】“踢球”游戲,以CuO+H2=Cu+H2O為例,以氧原子為“球”制作flash動畫,來演示反應過程中“球”(氧原子)的移動變化,過程示意圖如4所示?！咎釂枴侩S著氧原子的移動,銅元素和氫元素是否發生變化?！窘處熜〗Y】氧化還原反應的判斷標準為:反應發生前后有無元素化合價態改變。【學生討論回答】在發生得氧失氧的同時,元素的化合價在反應前后發生的改變,銅元素的化合價降低,氫元素的化合價升高。通過播放氧原子轉移的flash動畫,建立簡單模型示意圖,來發展學生“模型認知”的核心素養。同時,使學生對氧化還原反應的得失氧的認識自然過渡到元素化合價態的改變。

圖4 氧原子轉移示意圖

5.4 探究本質，應用氧化還原反應

探究氧化還原反應的本質是本節內容的難點。首先向學生播放生動形象的氯化鈉生成過程的小視頻并用趣味性的語言進行講解，讓學生從電子得失的微觀角度理解化合價改變的原因；再結合氫氣與氯氣的反應，讓學生明白電子對偏移也會引起化合價態改變。最后通過原電池實驗中電流計指針的偏轉證明電子發生了轉移，促進學生理解氧化還原反應的實質。

為了幫助學生達到學以致用的效果，讓學生討論如何運用氧化還原反應來處理汽車尾氣。這一問題的提出可以有效強化學生認識到化學對社會的價值，能有效發展學生“科學態度與社會責任”的核心素養，具體教學過程如下。

教師活動學生活動設計意圖【教師提問】元素化合價態改變的原因。以金屬鈉與氯氣反應為例分析。向學生播放生動形象的氯化鈉生成過程的小視頻?！窘處熤v解】總結化合價態改變的原因是存在電子得失。【追問】氫氣與氯氣的反應也是因為發生了電子得失嗎?【點撥提示】是共用電子對,但由于氯原子得電子能力強,所以電子對是偏向氯原子偏離氫原子,導致元素化合價發生改變?！窘處熜〗Y】引起化合價態的改變包括電子得失和電子對偏移,簡稱為電子的轉移?！咀穯枴咳绾瓮ㄟ^實驗來證明氧化還原反應中存在電子轉移?！緦W生思考討論】鈉原子為了使自身達到穩定結構要失去一個電子,氯原子則需要得到一個電子;鈉原子正好將失去的電子給了氯原子,變成離子結合在一起,在這個過程中發生了電子的得失?！緦W生思考回答】可能氯原子和氫原子之間共用了一個電子對?！緦W生觀察】通過實驗現象觀察到電流計指針偏轉了。電路中有電流,說明存在電子,可證明反應過程中發生了電子轉移。通過生動形象的視頻動畫以及教師趣味性的語言講解,易于學生從微觀角度理解氧化還原反應的實質,有效發展學生“宏觀辨識與微觀探析”核心素養。從化合價到電子轉移,再通過實驗驗證電子轉移,來發展學生“證據推理和模型認知”與“科學探究與創新意識”核心素養。

續表

教師活動學生活動設計意圖【實驗演示】準備好實驗用品,連接好實驗裝置圖(原電池裝置Zn與稀H2SO4的反應),實驗過程中觀察實驗現象?！窘處熖釂枴繛槭裁措娏饔嬛羔槹l生偏轉?【小結】電子轉移是氧化還原反應發生的實質?！緦W以致用】如何運用氧化還原反應來處理汽車尾氣(簡單介紹汽車尾氣的主要成分)。【學生討論】根據氧化還原反應的反應特征和實質,NO2的氮元素化合價會降低,CO中碳元素化合價要升高。反應方程式為:2NO2+4CO催化劑 N2+4CO2通過對氧化還原反應生活實例的應用,從STSE角度強化學生認識化學對社會的價值,有效發展學生“科學態度與社會責任”的核心素養。

6 結語

該教學設計體現了學生知識建構的結構化，結構化水平決定著學生核心素養發展水平。根據氧化還原反應的概念，從宏觀(元素化合價)到微觀(電子轉移)，從質變(化合價升降、電子得失)與量變(電子轉移數目)，以不同的角度揭示學生對氧化還原反應的認知，為學生建構初步的氧化還原反應模型框架，為后面完善整體模型奠定基礎。