基于“四重表征”的氧化還原反應教學設計

段玉林，劉曉倩，朱金苗

（1.安徽省廬江第二中學，安徽合肥231500；2.合肥師范學院，安徽合肥230601）

氧化還原反應不僅是中學化學課程中重要的核心概念之一，同時也是教學和高考的重點。氧化還原反應滲透于生活與生產的各個領域，氧化還原反應的學習不僅有助于學生在微觀層面上認識和理解化學反應，更有益于學生理解日常生活的案例，培養化學思維。普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）要求學生能夠識別存在化合價變化的化學反應是氧化還原反應，理解氧化還原反應的實質是發生了電子轉移，但是從微觀角度理解氧化還原反應對于學生來說還有一定難度，原因在于學生對于此反應的認識大多停留在教師講解之后機械記憶的層次，缺乏對反應的微觀本質的認識，教師也忽視了培養學生的思維方式及實現認知結構的均衡發展和化學學科核心素養。

“四重表征”指宏觀表征—微觀表征—符號表征—曲線表征。“四重表征”將化學教學與現代科學技術結合，便于對物質的微觀變化進行具象化觀察和分析。對于該節內容的“三重表征”方面的研究相對來講比較廣泛和深入，如畢華林教授對高中生氧化還原反應“三重表征”心智模型進行了測查研究。學者們各自從不同的角度對氧化還原反應展開了相關的研究，但從“四重表征”的角度方面展開的教學設計不多。因此我們設計鐵的吸氧腐蝕作為探究反應，引入手持技術，驗證中學所學的氧化反應，再結合水果電池幫助學生理解氧化還原反應發生過程中有電子的轉移，進而建立該反應的認識模型，提升學生的探究能力以及培養學生化學學科核心素養。

1 教學設計

1.1 教學內容分析

人教版教材（必修一）中涉及氧化還原反應的定義、本質和表現形式等內容。《普通高中化學課程標準（2017 年版2020 年修訂）》要求學生能夠識別氧化還原反應并了解反應的本質。新課標對于氧化還原反應情景素材的建議有建立史料、從生活中的氧化還原反應導入等。新考綱要求學生能夠充分理解氧化還原反應的相關概念及其反應的本質。通過對教材、課標、考綱的分析，確定教學內容與學習主題——“常見的氧化還原反應”“科學探究（借助手持技術以及‘四重表征’的對比分析方法）”“構建氧化還原反應的認識模型”“分析總結”。

1.2 教學目標與重難點

教學目標：學生應用手持技術數字化實驗探究鋼鐵腐蝕是否有氧氣參加了反應，通過對宏觀實驗現象的觀察和氧氣濃度與時間的變化曲線進行對比研究，發展學生的證據意識；可以通過水果電池實驗激發學生的學習興趣；通過反應過程中化合價的變化與電子的轉移構建氧化還原反應的認識模型；借助雙線橋表示氧化還原反應，加深學生對于氧化還原反應的本質認識。

教學重點：氧化還原反應的實質。

教學難點：借助手持技術實驗構建氧化還原反應的認識模型。

1.3 教學流程設計

當前關于氧化還原反應教學中存在的問題：其一，學生在初三學習了簡單的氧化反應，容易混淆概念，認為只有與氧氣發生的反應才是氧化反應；其二，學生在學習教材（必修1）中電子的轉移與氧化還原反應的關系時會存在難以從微觀上建立聯系的問題。因此教師首先應用手持技術證明鋼鐵腐蝕是有氧氣參加的反應；其次通過水果電池的實驗進而探究氧化還原反應發生的本質，最終證實有電子發生了轉移，讓學生能夠更加直觀地理解氧化還原反應的本質；最后通過宏觀與微觀雙重角度建立氧化還原反應的認識模型，進一步發展了學生的證據推理與模型認知素養，具體流程如圖1所示。

圖1 教學流程設計

2 教學過程

2.1 情景導入，發展宏觀辨識與本質探究能力

【教師】用ppt 向學生展示鋼鐵腐蝕的圖片，引導學生回憶初中所學有關鐵生銹的知識，鐵在空氣中氧氣和水存在的情況下會生成鐵銹，進而引出鐵在空氣中發生了氧化反應，繼續提問，如何直觀地證明氧氣參與了反應呢？

【學生】小組討論并回答將鐵粉放入兩個密閉容器中，其中，一個裝空氣，另一個裝除去氧氣的空氣，在相同環境下，過一段時間觀察有沒有鐵紅生成。發現反應較為緩慢，很難在現有條件下觀察到實驗現象。

設計意圖：通過創設與生活有關的情景，提出問題，引發思考；通過小組討論培養學生的合作意識；通過發現現有實驗中存在的問題與不足引導學生進行實驗探究。

2.2 科學探究，發展證據推理能力與創新意識

【教師】由于鋼鐵腐蝕過程相對緩慢，所以要用到飽和氯化鈉溶液，并且要用還原鐵粉增加還原性，而不是鐵釘。氧氣又無色無味，因此需利用溶氧傳感器，通過曲線更為直觀地證明反應的發生。

【學生】了解溶氧傳感器的原理（溶氧傳感器由陰極、陽極和電解液組成，透氧膜把電解液和過程液體分離開來。通過薄膜的氧與陰極產生化學反應，釋放電子，從而產生電流）。分析實驗的可行性，思考并預測實驗結果。

【教師】[演示實驗] 將大約2 藥匙的還原鐵粉顆粒放入到飽和食鹽水中并置于試管中，用玻璃棒充分攪拌，插上溶氧傳感器，收集實驗數據。然后將實驗數據導入到表格，制得氧氣濃度與時間的曲線圖。引導學生觀察并記錄實驗現象，并對氧氣濃度曲線變化情況進行記錄與分析，氧氣濃度曲線變化見圖2。

圖2 氧氣濃度變化曲線

【學生】認真觀察實驗，通過對氧氣濃度隨時間的變化曲線進行分析，得出實驗結論：氧氣含量不斷下降，直觀地證明了氧氣參與反應。鐵被氧氣氧化發生了氧化反應。

圖3 “四重表征”思維模型

通過將宏觀現象、曲線特點與微觀本質以及符號表征聯系起來，幫助學生建立“四重表征”的思維方式，見圖3，增強學生對曲線圖像的直觀感受，進一步強化學生的證據意識，打破了傳統的宏觀變化的視覺觀察。不僅如此，通過接觸數字化實驗，有利于學生以后學習化學實驗大膽地假設和思考，培養學生的化學核心素養。

2.3 建構模型，發展微觀探析與模型認知素養

【教師】從化學史的角度來看，電池的出現讓氧化還原反應的電子轉移為特征的定義有了實物載體。通過觀察水果電池反應過程中電流計的指針發生了偏轉進而理解氧化還原反應中發生了電子的轉移（見圖4），引導學生從微粒視角觀察電子的變化，并解釋二者之間是原因與表現的關系，進而幫助學生構建氧化還原反應的認識模型。對于原電池的深入講解將會在必修2 第二章第二節“化學能與電能”進行。

圖4 水果電池

【學生】認真觀察水果電池反應中指針發生偏轉得到結論，反應過程中發生了電子的轉移從而產生電流，證明氧化還原反應的本質是電子發生了轉移。

【教師】電子的轉移有兩種情況：一種是有電子的得失，另一種是共用電子對偏移。比如，從原子結構來看，鈉原子的最外層有1個電子，氯原子最外層有7個電子，當鈉與氯氣反應時鈉原子失去一個電子，達到穩定結構，成為鈉離子（Na），帶一個單位正電荷，化合價從0價升高到+1 價，鈉被氧化，發生了氧化反應；氯原子得到一個電子，達到穩定結構，成為氯離子（Cl），帶一個單位負電荷，化合價從0價降低到-1價，氯氣被還原，發生了還原反應。

【學生】觀察氯化鈉的形成示意圖（見圖5），理解與思考鈉與氯氣的反應原理，進一步理解氧化還原反應的本質。

圖5 氯化鈉的形成示意圖

【學生】用雙線橋表示鈉與氯氣的反應方程式

【教師】氫氣和氯氣的反應與鈉與氯氣的反應不同。由于它們都不能把對方的電子奪取過來，所以雙方各以最外層的一個電子組成共用電子對，使雙方的最外電子層都達到穩定結構。由于氯原子的吸引力更強，所以共用電子對偏向氯原子。H發生了氧化反應，Cl發生了還原反應。

【學生】總結并畫出氧化還原反應認識模型，如圖6所示。

圖6 氧化還原反應的認識模型

設計意圖：根據學生初中所學物理知識“有電子通過電流計指針會發生偏轉”,通過觀察水果電池的實驗現象發現指針偏轉，幫助學生直觀地感受到氧化還原反應的本質就是電子發生了轉移，有的是電子得失，有的是共用電子對偏移。通過簡單的化學史講解讓學生體會到科學不是一蹴而就的，而是一個不斷修正的過程。通過講解氯化鈉與氯化氫的形成過程并練習書寫化學方程式，可以幫助學生由宏觀認識過渡到微觀以及符號，由對現象的理解過渡到對反應本質的理解。

2.4 分析總結，發展科學態度與社會責任

【教師】運用真實情境素材，引發探究問題，通過展示月餅盒中的脫氧劑引導學生探究脫氧劑的原理及作用。

【學生】主動思考，積極查閱資料并交流討論。

設計意圖：運用月餅盒中的脫氧劑等真實的問題，培養學生的探究興趣，指導學生查閱文獻、討論交流和設計實驗驗證方案，使學生在實驗過程中體會化學學科對社會的重要價值，養成用化學解決生活中問題的思維，堅定學好化學為人類造福的信念。

3 教學反思與建議

本實驗根據鐵在空氣中腐蝕的現象，創新地選取溶氧傳感器測量氧氣濃度數據，利用配套軟件自動生成氧氣濃度隨時間的變化曲線，利用電腦屏幕呈現可視化曲線，實現從宏觀觀察到圖像認知的轉化并從微觀角度認識反應；通過水果電池實驗構建氧化還原反應的認識模型，培養學生對于氧化還原反應認知思維的結構性層次；通過氧化還原反應原理，引導學生自主研究月餅盒中脫氧劑的作用，提升學生對化學價值的認識水平。

存在不足：由于教學時長與教學重點的限制，在使用手持技術過程中，未能深入地探究鋼鐵腐蝕的反應產物的性質。

亮點：創設與生活有關的現實情境，激發學生的探究興趣，通過實驗進行探究，讓學生從生活世界走向化學世界；實驗證明氧氣參與反應，提高了學生的證據推理能力；從宏觀、微觀、符號、曲線四個方面構建了從“物質”到“元素”再到“電子”的氧化還原反應的認知模型，培養學生宏觀辨識與微觀探析的核心素養；以生活問題為導向，運用所學知識進行深入探究，并體會化學的社會價值，增強學生的社會責任感。