基于宏觀辨識與微觀探析的化學學科教學設計*
——以高中氧化還原反應為例

陳朝才，張延婷，楊艷華**，董春燕，李艷妮

(1.昆明學院 化學化工學院，云南 昆明 650214；2.云南省楚雄第一中學，云南 楚雄 675000)

《普通高中化學課程標準(2017年版)》中指出，基于宏觀辨識與微觀探析的核心素養要求學生能夠從不同層次認識物質的多樣性，對物質進行分類；能夠從元素、原子、分子水平上認識物質的組成、結構、性質、變化，形成“結構決定性質”的概念；能夠從宏觀和微觀的角度來分析和解決實際問題[1]。宏觀辨識與微觀探析是學習化學的必備科學素養，學生對外界的認識從宏觀視角向微觀視角過渡，是一個循序漸進的過程，這就要求教育者在教育教學過程中，要善于將抽象的微觀視角可視化，注重學生宏微結合能力的培養。

因此，高中化學教學中，以化合價為媒介，使學生的認知從宏觀層面向微觀層面進行過渡，通過宏觀視角物質得失氧判斷化合價變化，推出氧化還原反應的概念，引導學生判斷化學反應類型。通過微觀視角對化合價變化原因的講述，使學生認識到引起化合價升降的原因是電子的轉移，然后結合宏觀視角和微觀視角，得出氧化還原反應的實質是電子的轉移。學生通過對氧化還原反應的學習，能夠提升宏觀辨識與微觀探析核心素養能力。

1 教學設計背景

學生在初中階段已經學過，可通過有無氧氣參與判斷一些簡單的氧化還原反應，但高中階段要求學生能通過參與化學反應的物質化合價變化判斷氧化還原反應，并且理解氧化還原反應的本質，以達到利用氧化還原反應的基本概念和規律解決相關問題的能力。兩個階段學習的知識內容為由簡單到復雜的螺旋上升結構，且學習內容從氧氣參與反應逐漸上升至化學價變化和電子得失(轉移)的高階學習內容。因此，在教學過程中，要注重學生宏微結合的思維的培養，將抽象的知識具體化。

2 教學設計思路

在導入環節，通過觀察被切開的蘋果切面，讓學生切身感受氧化還原反應發生的過程。并通過生活中常見的鐵生銹現象，解釋被切開的蘋果顏色變紅是因為蘋果中含有鐵元素，暴露在空氣中造成鐵被氧化。然后，寫出相關的化學反應方程式，讓學生回顧初中氧化還原反應內容，并且判斷反應為氧化反應還是還原反應。在此基礎上，引導學生分析碳還原氧化銅和一氧化碳還原氧化鐵的化學反應中元素化合價的升降情況，使學生對氧化還原反應的認識從元素過渡到化合價變化。通過引導學生理解雙線橋表示得失氧及化合價變化的過程、發生的反應類型，掌握氧化還原反應的特征及概念。

讓學生判斷沒有氧元素參與的化學反應，并分析其反應類型，營造學生認知沖突。通過多媒體展示NaCl的形成過程，使學生明白化合價變化的根本原因。通過對氧化還原反應概念的講述，讓學生明白氧化劑、還原劑、氧化產物、還原產物的性質，并比較其性質強弱。結合電子轉移導致元素化合價改變，用雙線橋的模型直觀的將電子轉移過程表示出來，為學生后續學習雙線橋法配平氧化還原反應方程式奠定基礎。

3 基于宏觀辨識與微觀探析核心素養的教學內容的確立

在教師對氧化還原反應基本概念、特征、本質的授課過程中，利用原電池需要有自發的氧化還原反應來設計實驗引導學生探究，直觀理解氧化還原反應的本質，提升學生的科學探究精神。與此同時，引導學生將準備好的實驗儀器及實驗藥品，按照實驗裝置圖進行組裝，培養學生的實踐操作能力。通過宏觀視角觀察到靈敏電流計指針偏轉、鋅片溶解以及銅片上生成新的銅單質附著于銅片，引導學生結合微觀的電子定向移動、元素得失電子，分析實驗現象產生的原因，培養學生宏微結合的能力。

4 基于宏觀辨識與微觀探析核心素養的教學設計

4.1 核心素養目標

1)宏觀辨識與微觀探析

引導學生將得失氧與化合價聯系起來，讓學生能夠通過元素化合價升降來判斷氧化還原反應，培養學生宏觀辨識的能力。然后，通過多媒體展示化合價變化的原因，使學生明白電子的轉移會引起元素化合價升降，推導出化學反應的實質是電子的得失(轉移)，最后，以Cu-Zn雙液原電池的探究實驗為例，使學生通過宏觀實驗現象直觀感受電子轉移過程，提升學生微觀探析能力。

2)證據推理與模型認知

利用雙線橋模型表述微觀電子轉移的過程，以Cu-Zn雙液原電池實驗中的靈敏電流計指針偏轉，驗證氧化還原反應的本質。

3)科學精神與社會責任

通過引導學生分析各元素化合價變化的實質是電子得失(轉移)的過程，培養學生探索未知、崇尚真理的意識。通過Cu-Zn雙液原電池探究實驗，引導學生對實驗現象進行解釋，讓學生養成嚴謹求實、透過現象看本質的科學態度。

4.2 教學重難點

1)教學重點：宏微結合理解氧化還原反應的實質。

2)教學難點：從宏觀向微觀轉變認識氧化還原反應。

4.3 教學方法

包括實驗探究法、講授法、演示法。

4.4 基于宏觀辨識與微觀探析的核心素養的教學過程

【導入】將一塊切開一段時間的蘋果和一塊剛切開的蘋果拿給學生觀察，讓學生觀察兩塊蘋果切面的顏色。思考為什么它們顏色存在差異。展示一個密封且只有一半的蘋果，告知學生拿出的蘋果和切面變黃的蘋果是同一個。兩塊蘋果是同時切開的，解釋為什么顏色不相同。

設計意圖：以生活情境導入，有利于使學生將化學與生活聯系起來。讓學生分析切面變黃的原因，能夠激發學生的好奇心，從而提升學生的求知欲。通過蘋果切開時間的不同，引導學生朝著食物變質的方向思考，得出食物變質的條件不僅和時間有關，還與暴露在空氣中有關，讓學生聯系初中氧化反應的內容。

【回顧舊知】寫出碳還原氧化銅和一氧化碳還原氧化鐵的化學反應方程式，判斷兩個反應分別屬于初中學過的四種反應類型中的哪幾類，并且判斷兩個化學中哪些物質得氧，哪些物質失氧，從而判斷兩個化學反應的反應類型。

(初中所學的置換反應)

(不屬于初中學過的四種反應類型)

設計意圖：判斷學生是否掌握了初中的氧化反應和還原反應內容，并制造認知沖突，為后續教學的展開打下基礎。

【過渡】讓學生在兩個化學反應中的反應物和生成物標上化合價，引導學生分析物質得氧和失氧后，元素化合價會發生怎樣的變化。

設計意圖：學生對化學式進行標價，并與物質得氧失氧聯系起來，引導學生從宏觀角度發現氧化反應和還原反應不僅和氧元素的得失有關，還和化合價有關，將學生對氧化反應和還原反應的認識從得失氧向化合價變化過渡。

【雙線橋法的特點及用途】雙線橋法是連接化學反應生成物和反應物中相同元素的兩條帶箭頭的線，可以用來表示氧化還原反應過程中得失氧導致元素化合價變化的過程，也可以用來表示氧化還原反應中電子轉移導致同一元素化合價變化的過程[2]。通過引導學生分析，可以用雙線橋法表示上述兩個化學反應得失氧過程為：

【小結】在化學反應過程中，物質失去氧后，組成該物質的另一元素化合價降低，發生還原反應；物質得到氧后，組成該物質的另一元素化合價升高，發生氧化反應。在同一個化學反應中，有物質得氧化合價升高，就有物質失氧化合價降低。因此，有化合價發生改變的化學反應叫做氧化還原反應。

設計意圖：雙線橋法能夠直觀地反映化學反應過程中得氧和失氧以及化合價變化的情況，學生在初中階段只知道氧化反應和還原反應，并不能將它們聯系起來。通過化合價這一紐帶，將氧化反應和還原反應聯系起來，讓學生知道氧化反應和還原反應是在同一時間同一地點發生的同一反應，氧化反應和還原反應只是通過反應過程中元素化合價升和降這兩種情況來定義的。

【小組討論】判斷下列化學反應是不是氧化還原反應，判斷依據是什么？

設計意圖：學生已經知道氧化還原反應和化合價有關，但是上面的反應都是有氧元素參與的反應，引導學生利用氧化還原反應的概念判斷沒有氧元素參與的化學反應，深化學生對氧化還原反應概念的理解。

【思考】氧化還原反應的判定是在反應過程中是否有元素化合價的變化，但是如何變化，變化了多少，符合怎樣的規律？

設計意圖：學生已經會利用化合價是否變化來判斷化學反應是否屬于氧化還原反應，但是對化合價變化的總數和規律還不是很清楚，引導學生思考并知道氧化還原反應過程中，有元素化合價升高，就一定有元素化合價降低，而且化合價升高和降低的總數是相等的，為后續學生理解氧化還原反應的本質是電子的得失(轉移)奠定基礎，理解“電子不能憑空產生，也不能憑空消失”的辯證唯物主義觀點。

【多媒體展示】NaCl形成過程，讓學生知道電子轉移會引起化合價的變化，視頻截圖如圖1所示[3]。

圖1 氯化鈉形成過程視頻截圖

設計意圖：NaCl的形成過程，將微觀的電子轉移以宏觀的手段展示出來，讓學生能夠直觀的理解元素間電子轉移(偏移、或電子對的共用)會引起元素化合價升降，而化合價升降是判斷氧化還原反應的依據，推出氧化還原反應的本質是電子的轉移。

【講述基本概念】氧化還原反應的本質是電子的轉移，電子轉出(轉入)會導致元素化合價升高(降低)，電子轉出(轉入)前的物質叫做還原劑(氧化劑)，在反應過程中該物質被氧化(被還原)，生成對應的氧化產物(還原產物)。并且氧化劑和氧化產物都有氧化性，還原劑和還原產物都有還原性，其中氧化劑的氧化性強于氧化產物，還原劑的還原性強于還原產物[4]。

【區分】雙線橋與單線橋

雙線橋法能夠直觀地反映電子轉移的過程。引導學生用雙線橋法將電子的轉移、化合價升降、氧化劑、還原劑、氧化產物、還原產物以及反應類型的關系表示出來。

【實踐應用】從判斷氧化還原反應開始，引導學生標出各元素的化合價，然后找出化合價變化的元素，將化合價變化的同種元素用帶箭頭的雙線連接起來，箭頭指向電子轉移的方向，算出電子得失總數。(步驟：標化合價、找變化、架雙線、求電子轉移總數)

設計意圖：引導學生完成整個過程，讓學生掌握雙線橋法的基本步驟，對后續學生應用其配平化學反應方程式有幫助，也能培養學生通過從宏觀的化合價變化推導出微觀的電子轉移，有利于學生宏觀辨識與微觀探析核心素養的發展。

單線橋是通過帶箭頭的單線將原劑化和氧化劑聯系起來的一種方法，單線橋的出發點是還原劑中失電子的元素，終點是氧化劑中得電子的元素，其與雙線橋法的區別是單線橋法只需要考慮氧化劑轉入電子的總數或者還原劑轉出電子的總數即可(步驟：標化合價、連單線、求電子轉移總數)。引導學生進行實踐將上述兩個反應的電子轉移情況用單線橋表示如下：

設計意圖：學生在遇到已經配平的氧化還原反應方程式，并且需要判斷該反應過程中電子轉移總數時，不用再將雙線橋法復述出來，只需要將還原劑失去的電子總數或者氧化劑得到的電子總數計算出來，用帶箭頭的單線連接氧化劑和還原劑的變價元素，將轉移電子表示在單線之上即可。

【設問】電子很小，我們無法直接觀察到，那怎樣才能證明氧化還原反應過程中有電子轉移呢？帶著這個問題，我們一起通過實驗探究，驗證氧化還原反應的實質是電子的轉移。

設計意圖：電子是很小的微粒，不能以宏觀視角直接觀察到，但是利用一些方法將其可視化。讓學生帶著問題進行探究，以驗證氧化還原反應的本質是電子的轉移，可以提升學生的科學探究和實踐的能力。

【探究實驗】

[知識補充]組成原電池需要有自發的氧化還原反應、活潑性不同的兩個電極、電解質溶液以及通過導線連接使裝置形成閉合回路等四個條件，本實驗應用組成原電池需要有自發的氧化還原反應這一條件設計實驗，主要目的是從宏觀和微觀角度解釋實驗現象以驗證氧化還原反應的實質是電子的轉移。

[實驗儀器及材料]兩只規格為 250 mL 的燒杯，KCl鹽橋，靈敏電流計一只，用砂紙打磨過的鋅板、銅板各一片，導線若干，200 mL 0.5 mol/L 的Cu2SO4溶液和 200 mL 0.5 mol/L 的ZnSO4(電解質溶液)。

[實驗原理]

[實驗裝置圖]見圖2[5]。

圖2 實驗裝置圖

設計意圖：補充知識的目的是讓學生明白該實驗應用的知識點后續才會學到，但在此利用的原理是已經學習過的，使實驗具有可操作性。實驗前讓學生知道實驗原理是氧化還原反應，驗證后的結論才能夠說明氧化還原反應的實質是電子的轉移，讓學生明白化學實驗的嚴謹性；實驗儀器和實驗藥品是實驗開展的基礎，實驗裝置可以用來指導學生組裝實驗并進行實驗。

[實驗過程][6]①將配置好的ZnSO4、CuSO4溶液分別加入兩只燒杯中，并且使兩燒杯內液面一樣高；

②將導線連接在鋅板和銅板上；

③將連接銅片的導線與靈敏電流計正極連接，將鋅片與靈敏電流負極相連；

④將銅片浸泡于CuSO4溶液中，將鋅片浸泡在ZnSO4溶液中；

⑤將鹽橋兩端分別插入裝有CuSO4溶液和ZnSO4溶液的燒杯中，使原電池形成閉合回路。

設計意圖：對知識點進行補充，讓學生理解該實驗主要利用的原理是學習過的內容，使實驗具有可操作性，引導學生動手操作，提升學生的實踐操作能力，為學生將來進行化學實驗做準備。

[觀察與分析]引導學生應用已掌握的理論知識解釋實驗現象的原因，并且進行總結。

實驗現象1：將鹽橋插入兩電解質溶液形成閉合回路，電流計指針發生偏轉；

現象解釋：將鹽橋插入兩電解質溶液后，電路形成閉合回路，導線中電子定向移動產生電流，導致電流計指針發生偏轉。

實驗現象2：鋅片部分溶解且銅片表面生成紅色物質。

現象解釋：鋅元素電子流向硫酸中的銅離子，使銅離子得電子后變成銅單質附著于銅片表面。

實驗現象3：鋅片表面有小氣泡產生。

現象解釋：鋅片不純，其內部雜質與鋅片形成微型原電池而生成氣體(教師解釋)。

[實驗結論]開關閉合后，鋅元素的電子向銅電極轉移，銅離子得電子變成銅單質附著在銅片上，導致電路中電子定向移動而產生電流，因此靈敏電流計指針發生偏轉。

[驗證結論]氧化還原反應的本質是電子的轉移。

設計意圖：引導學生從微觀角度對實驗現象進行分析，有利于培養學生宏微結合的能力，有利于學生宏觀辨識與微觀探析核心素養的培養。在分析過程中，指導學生對微觀的電子轉移情況進行分析，提升學生的求知欲，同時學生在分析過程中能夠感受實驗探究的樂趣，提升學生的學習興趣。

【實驗反思】在實驗過程中，靈敏電流計指針發生偏轉的現象是很明顯的，只要將鹽橋插入電解質溶液中，就能看到靈敏電流計指針發生偏轉。但是如果使用的鋅片不夠純，鋅片及其雜質形成微弱的原電池，會觀察到副反應的實驗現象，在此用很純的鋅片可以避免副反應的發生。

【思考分析】初中我們已經學習過四大基本反應，它們和氧化還原反應有何區別呢？結合表1，應用你們掌握的知識對其進行歸類。

表1 初中各化學反應類型與氧化還原反應關系

設計目的：根據學生的認知，設計表格，并且對化學反應進行分析，能夠讓學生將氧化還原反應與四大基本反應聯系起來，應用氧化還原反應的概念對它們進行分類如圖3所示。

圖3 各反應類型間的關系

4.5 課程小結

本節課以生活例子進行導入，激發學生學習興趣；通過多媒體展示，讓學生能直觀地理解元素化合價的改變和電子的轉移有關，并利用雙線橋法表示反應過程中的電子轉移和物質變化的情況，使學生對氧化還原反應的概念、特征、本質的認識由淺入深，循序漸進；最終利用實驗引導學生進行探究，達到培養學生宏微結合和科學探究的能力。有利于讓學生能將氧化還原反應的概念、特征、本質綜合起來應用于實際問題的解決。

5 總結

本文以氧化還原反應為例，培養學生宏觀辨識與微觀探析核心素養。首先，通過生活情境導入，利用舊知形成認知沖突，提升學生的學習興趣和求知欲，讓學生從宏觀視角認識氧化還原反應從元素層面向化合價層面進行轉變；再利用多媒體引導學生的認知從宏觀向微觀轉變；最后，利用雙線橋法引導學生將宏觀視角和微觀視角結合起來，以達到學生宏微結合的能力的培養。學生對理論理解再透徹，都只是停留在理論理解層面，因此，本文以銅-鋅(稀硫酸)原電池的原理設計實驗，引導學生利用理論聯系實際進行探究，有利于學生綜合應用能力的培養，對學生未來的發展打下堅實的基礎。