基于發展“模型認知”的化學概念進階學習

錢珍妮

摘要： 以上科版“氧化還原反應”單元教學設計為例，依據對課程標準、教材和學情的分析，對學生圍繞氧化還原反應這一核心概念在不同學段學習中所呈現的“概念理解水平”、“前科學概念與迷思概念”和“進階目標”等狀況的描述來規劃學習進階框架，設計學習任務啟發學生進行思考與探究，并建構高中階段氧化還原反應的認知模型。

關鍵詞： 氧化還原反應； 學習進階； 單元教學； 模型認知

文章編號： 1005-6629（2023）04-0044-08

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

1? 核心概念“氧化還原反應”的學習進階研究

1.1? 基于課程標準的進階研究

高中化學課程標準對學生在不同階段學習“氧化還原反應”這一核心概念提出了最基本的要求，表1為《普通高中化學課程標準（2017年版）》［1］中與“氧化還原反應”主題相關的內容要求。該部分內容被安排在主題2即常見的無機物及其應用板塊，學習活動建議通過實驗來探究氧化還原反應的本質，或開展過氧化氫的氧化性、還原性的探究實驗來認識物質的氧化性和還原性等，并著重于發揮氧化還原反應這一核心概念對元素化合物學習的指導作用，能從物質類別、元素價態的角度，依據氧化還原反應原理，預測物質的化學性質和變化。

1.2? 基于化學教材的進階研究

“氧化還原反應”的相關概念在上科版必修1教材［2］內容編排上采取的是分散編排，將氧化還原反應的學習穿插在氯、溴、碘的化學性質學習中，是在學習物質化學性質的過程中逐步形成氧化還原反應的相關概念。以氯氣的化學性質作為氧化還原反應的學習材料，將氧化還原反應的內涵從得氧失氧擴展到化合價升降變化，幫助學生理解氧化還原反應的基本概念，逐步建立氧化還原反應分析模型，引導學生從微觀結構層面認識化學反應的本質和規律。再應用于溴、碘、硫、氮等元素及其化合物的性質學習，形成從元素化合價和物質類別的角度研究無機物性質的思路和方法，將化學概念的學習滲透到元素化合物的學習之中，豐富認識化學反應和物質化學性質的視角。

上科版選擇性必修教材“化學反應原理”則在二期課改教材基礎上仍保留有氧化性和還原性強弱的判斷、氧化還原反應方程式的配平等內容。這樣的編排既是避免學生死記硬背化學方程式而產生的困擾，也是對氧化還原反應“得失電子守恒”這一思想的理解及鞏固。教材中還引入了“半反應式”這一概念，作為之后的原電池、電解池及防止金屬腐蝕等內容學習的基礎。

1.3? 基于學生認知的進階研究

氧化還原反應的相關內容包含了反應原理的理解及原理的運用與實踐，是一個相對龐大的概念體系，這就意味著教師要從多種角度引導學生建立認知模型，在多種水平上進行分析、推理和建構，逐漸將表面無序的知識建立成有序的體系。

作為化學學科核心概念之一，在初中階段只是從得氧失氧的角度認識氧化反應和還原反應，這種認識方式是對化學反應由物質的組成進行分析，屬于表層分析，通過觀察是否與氧氣反應或失去氧元素從而判斷反應類型的方法是基于宏觀層面上的思維操作，意味著此階段學生對于反應的認識與判斷仍停留在宏觀，無法深入到微觀判斷。到了高中必修一階段，從化合價開始逐步深入到微觀的電子轉移層面來認識氧化還原反應的本質，體現了由表及里、由宏觀到微觀的認識發展。根據學生概念與技能學習過程的方向、路徑和每個階段的水平要求，列出分析學生對氧化還原反應概念認知發展的層次，如表2所示。

1.4? 基于學習進階理論建構氧化還原反應認知模型

在學習氧化還原反應單元之前，絕大多數學生對氧化還原反應的認識停留在水平1，即從得氧失氧的角度分析物質與氧氣的反應或還原氧化銅的反應，但還不能從其他角度認識化學反應類型。學生在必修1的學習歷程中累積了一定的氯元素化合物知識及科學探究活動經驗，如能根據復分解反應發生原理理解漂粉精的工作原理等，能從物質類別出發認識氯元素化合物的化學性質，但還未能建構起以“元素價態和物質類別”二維視角研究物質性質的認知圖示。

根據最近發展區理論，水平2及水平3是學生對氧化還原反應認知的近側發展區，水平1向水平2的跨越中涉及新舊知識的銜接和學生的認知沖突，需要幫助學生建立新舊知識的聯系，建構新舊知識融合的進階知識體系。氧化還原反應在水平2和水平3中進入到定性定量結合、宏觀-微觀-符號三重表征結合的認知層次。逐步進階至水平4，建構氧化還原反應的認知模型，逐漸深化氧化還原反應的概念，建立氧化劑、還原劑與元素化合價的升降及相關概念之間的具體聯系。最后進階至水平5，運用氧化還原反應認知模型建立研究元素化合物的一般思路及方法，便于引導學生學會從化學的角度尋找解決實際問題的途徑。

氧化還原反應知識在整個高中階段呈螺旋上升趨勢，符合學生一般的認知和思維發展。圍繞這一核心概念在不同學段學習中所呈現的概念理解水平、前科學概念與迷思概念、進階目標［3］等如表3所示。

2? 基于發展“模型認知”的“氧化還原反應”單元設計構想

2.1? 單元教學整體思路

基于模型認知的氧化還原反應的設計核心，是將模型認知融入概念教學的每個環節，分析氧化還原反應概念形成中的邏輯關系，對比概念的不同定義，領會論證推理的學科思維，形成科學觀念。學生對概念的理解過程很大程度上和氧化還原反應概念的形成過程具有一致性，也經歷了從宏觀到微觀到本質的認知過程。通過本單元的學習幫助學生在模型認知的基礎上建立物質分類、化學反應分類以及物質性質研究的新視角。由此引導學生運用氧化還原反應作為認識反應的新角度來分析物質的性質，逐步建立從兩個維度（即物質類別和化合價）認識物質性質和轉化的思維模型，并能應用模型預測在真實情境下陌生物質的轉化與性質，在此過程中培養實驗探究和證據推理的學科核心素養。

故確定本單元共四課時，課時1為氧化還原反應的概念形成，重在讓學生從電子轉移角度建立氧化還原反應的概念，將教學的重心從傳授事實性知識轉移到“使用”事實；課時2為氧化還原反應認知模型的建立，重在從方法分析的角度認識氧化劑和還原劑，認識氧化還原反應的一般規律；課時3為物質氧化性還原性研究模型的建立，從具體物質的性質（如過氧化氫的氧化性和還原性）的研究入手再深入理解氧化還原反應的概念及規律；課時4為基于氧化還原反應模型研究物質性質，明確氧化還原反應在元素化合物性質中的分析思路，讓學生結合基本概念理解思維方法，才能體會方法的生動性和具體價值。單元教學的整體思路如圖1所示。

2.2? 單元教學目標

根據課程標準和教材分析，結合學生認知情況，本單元各課時的教學目標如下：

［課時1教學目標］（1）通過“暖寶寶”的相關知識了解和模擬實驗，體會到氧化還原反應的普遍存在，感受化學學科的應用和社會價值。（2）能從化合價變化的角度認知氧化還原反應的概念，過渡到從得失電子的角度解釋氧化還原反應的本質，并建立化學反應的分類標準。（3）通過“得與失”“升與降”“氧化與還原”等矛盾的統一性關系，感悟唯物辯證法“對立統一”的認識規律，提升辯證思維能力。

［課時2教學目標］（1）能根據氧化還原反應中物質所含元素化合價的升降判斷該物質是氧化劑還是還原劑。（2）以氯元素化合物的化學反應為素材，進一步強化和豐富氧化還原反應分析模型，建立“元素化合價變化—得失電子—發生氧化反應或還原反應”系列推斷關系模型，并應用于其他氧化還原反應。（3）能用化學語言表征氧化還原反應的電子轉移。

［課時3教學目標］（1）從關注化學反應中具體元素化合價的變化到含有變價元素的物質，能從氧化性、還原性的角度對物質進行分類，拓展物質分類的視角。（2）建立推測物質具有氧化性或還原性的思路方法，形成思維模型。（3）能列舉常見的氧化劑和還原劑，以便預測和設計氧化還原反應。（4）通過“過氧化氫具有氧化性或還原性”的驗證實驗設計，形成預測物質氧化性或還原性并進行實驗驗證的思路方法，為探究陌生物質的氧化性或還原性構建思維模型。

［課時4教學目標］（1）通過“84消毒液不能與潔廁靈混合”的任務解決，梳理并復習氧化劑、還原劑等相關概念。（2）通過“84消毒液能否與其他消毒劑混合”的任務解決，設計氧化還原反應，并嘗試預測反應產物。（3）通過“次氯酸鈉的制備和使用”任務，回顧氯元素化合物的相關轉化過程，建立基于核心元素化合價和物質類別認識物質性質的二維角度。

2.3? 單元主要教學活動及策略

本單元各課時將教學活動分解成多個學習任務，選取生產生活中的真實情境如“暖寶寶的工作原理”“如何選擇合適的凈水劑”“常見的消毒劑”等融入學習任務中，依據知識之間的邏輯關系進行串聯，突出知識的生成性與整體性，使學生在解決學習任務的過程中逐步提升核心素養。相應的課時教學設計如圖2～圖5所示。

2.3.1? 課時1氧化還原反應概念形成

氧化還原反應是對學生進行唯物辯證法教育的好題材，教學中既要重視基礎知識和基本技能的教學，也要重視學生思維能力、思維品質的培養和辯證唯物主義觀點教育，滲透科學方法、科學態度和科學思想的教育。不僅要讓學生領悟、掌握概念，更重要的是讓他們掌握學習方法和體驗知識獲取的過程。教學設計中以得失氧、元素化合價升降、電子轉移的學科發展性邏輯序為主線，來培養學生的思維能力。因此，本節課的教學環節主要分為四個：概念引入、概念轉變、概念理解和概念應用，分別闡述如下。

從熟悉的生活情境“暖寶寶為什么發熱”的引入來回顧氧化反應概念，再聯系高爐煉鐵的原理來回顧還原反應概念，從得失氧角度初步建立氧化還原反應的概念。

然而氧元素只是118種元素中的一種，并不是所有的化學反應都有氧元素的參與，根據得氧失氧來進行分類判斷，有很大的局限性（被稱為狹義的氧化還原反應）。為此，教學中用學生初中熟悉的兩個反應（木炭和氧化銅、氫氣和氧化銅）和高一新學的兩個反應（鈉與氯氣、氫氣與氯氣）為例，讓學生判斷它們是否為氧化還原反應。通過引發認知沖突，引導學生標出已知的氧化還原反應中各元素的化合價，尋找規律，自主歸納，發生氧化反應的物質中所含的元素化合價升高了，發生還原反應的物質中所含的元素化合價降低了，由此得到了從元素化合價的升降來判斷氧化還原反應的一種新標準（被稱為廣義的氧化還原反應）。再應用獲得的新標準來解決之前兩個反應的判斷。

學生通過從“有氧參與”過渡到“無氧參與”這一過程體驗了如何尋找及應用新標準，并對化學概念的建立過程有了初步認知，即發現與舊概念的沖突—提供例證—完善概念—應用概念—促進理解—養成方法，建立得失氧、化合價升降兩個標準間的聯系，完成概念的轉變。

通過動畫演示氯化鈉和氯化氫的形成，引導學生一起分析原子之間是如何達到穩定結構形成新物質的，結合過程中元素化合價的變化，最終發現氧化還原反應的本質是電子的轉移，能從宏觀與微觀結合的視角對氧化還原反應進行分類和表征，完成概念的理解。那么，如何才能“看到”電子的轉移呢？結合物理學知識，電子的定向移動能產生電流，將“電子轉移”變成“聽得到的聲音”。模擬“暖寶寶”中發生的反應，串聯一個發聲芯片組成回路，讓學生聽一聽“電子轉移”的聲音。通過這樣的實驗將抽象的知識轉化為直觀的現象，把氧化還原反應設計成原電池，用證據證明有電子轉移，增強“證據推理”意識，便于學生更好地理解氧化還原反應的本質。

最后一個環節概念應用，通過“高鐵酸鉀凈水”問題的討論，運用氧化還原反應原理來解決實際問題，引導學生在這一過程中體會化學科學的社會價值，增強學好化學造福人類的信念。將生活中的實例融入教學情境，把深奧的氧化還原反應理論融合在簡單的生活實際中，激發學生的學習熱情。

具體教學流程如圖2所示。

2.3.2? 課時2氧化還原反應認知模型的建立

本節課沿用上一節課的情境“高鐵酸鉀凈水”作為問題展開討論，復習回顧從元素化合價升降角度判斷氧化反應和還原反應的方法，也是對第1課時的延續和深化。進一步分析得出，高鐵酸鉀中的鐵元素化合價降低，得到電子，發生還原反應，充當氧化劑；水中的氧元素化合價升高，失去電子，發生氧化反應，充當還原劑，由此從化合價升降和電子轉移的角度分別定義氧化劑和還原劑，并構建“還原劑——升、失、氧，氧化劑——降、得、還”這一認知模型，再將這一認知模型應用于其他氧化還原反應，如氯元素化合物的相關化學反應，認識氯氣通常在化學反應中充當氧化劑的角色，以及一個化學反應中同一物質既可作氧化劑又可作還原劑的規律。

上一節課通過實驗“看到了”暖寶寶工作過程中的電子轉移，那么如何用化學語言表征氧化還原反應中的電子轉移呢？根據“得到電子的總數等于失去電子的總數”這一守恒原理，設計用雙線橋和單線橋表示電子轉移及氧化還原反應的關系，引導學生從宏觀現象、微觀本質以及化學符號等三重表征逐步建構氧化還原反應的理論模型。

具體教學流程如圖3所示。

2.3.3? 課時3物質氧化性還原性研究模型的建立

本節課從氧化還原反應認知模型引入，直接給出物質氧化性還原性的預測方法，即從物質中所含元素的化合價升高或降低的趨勢來判斷。通過“氯元素的單質及化合物和對應的氯元素的常見化合價”任務解決，引導學生從分析物質中的每一種元素化合價升降趨勢到聚焦變價元素。并將這一判斷方法應用于認識常見含錳元素和含碘元素的物質，通過分析這些物質中變價元素“錳元素”和“碘元素”的化合價變化，判斷其氧化性和還原性，歸納常見的氧化劑和還原劑，促進學生記憶，便于后續的學習活動調用。

隨后設計實驗情境“如何驗證過氧化氫具有氧化性或還原性”，設置多個思考問題——如何選擇實驗試劑？實驗試劑有何限制條件？預測反應后的產物及相應實驗證據會是什么等，引導學生逐步形成驗證物質具有氧化性或還原性的實驗設計思路，為探究陌生物質的氧化性或還原性構建原型。

通過“濕法煉銅”的原理認識物質氧化性或還原性有強弱之分，也引出氧化還原反應在金屬冶煉上的實際應用，梳理利用氧化還原反應在各個領域的廣泛應用，可實現金屬的冶煉與防護、能量的轉化等，也是與第1課時的“暖寶寶工作”情境相呼應。

具體教學流程如圖4所示。

2.3.4? 課時4基于氧化還原反應模型研究物質性質

氯元素價態的豐富性使其成為氧化還原反應學習的常用情境載體。本節課選用“含氯消毒劑84消毒液的使用方法”作為情境引入，設置三個問題：（1）84消毒液如何起到殺菌消毒作用的？（2）84消毒液為什么不能與酸性清潔產品混用？（3）將84消毒液和過氧化氫這兩種常見消毒劑混合能否加強消毒效果？對于這三個問題的解決都需預測核心物質——次氯酸鈉的性質和可能發生的反應，并進行假設、設計實驗并根據現象證據獲得結論。

問題（1）的任務解決目的是運用漂粉精次氯酸鈣的性質作類比探究，引導學生學會從物質類別的角度認識物質的化學性質，且認識物質的使用方法和貯存要求與其化學性質有關。

問題（2）的任務解決目的是基于次氯酸鈉和濃鹽

酸的反應原理復習氧化還原反應的相關概念及符號表征，并在標注電子轉移的過程中歸納同種元素不同價態原子之間發生氧化還原反應的規律，并引導學生關注到次氯酸鈉中的常見變價元素氯元素正好處于中間價態，可以發生自身氧化還原反應，提供認識物質性質的另一角度（元素化合價）。

問題（3）的任務解決目的是結合“巴西奧運會游泳池事件”將真實問題轉化為可進行實驗探究的學科問題。依據次氯酸鈉和過氧化氫中變價元素的化合價升降趨勢來推斷兩者能否發生反應及反應后可能的產物，再通過實驗探究獲得關鍵證據并形成結論。由此建構基于氧化還原反應理論研究物質性質的模型。

作為本單元的最后一節課、最后一個環節引導學生結合次氯酸鈉的制備和使用，回顧氯元素化合物的相互轉化問題，也是在氧化還原反應學習后將其作為工具，對于前一單元“氯氣及含氯化合物”的學習內容進行知識網絡的整理，建構基于化合價-類別二維研究物質性質的模型。

具體教學流程如圖5所示。

3? 基于發展“模型認知”的單元教學思考

“模型認知”是化學學科核心素養的其中一個方面，課程標準中提出其釋義，即通過分析、推理等方式認識研究對象的本質特征、構成要素及其相互關系，建立認知模型，并能運用模型解釋化學現象，揭示現象的本質和規律。楊玉琴［4］參照布魯姆教育目標分類學對認知維度的劃分，將模型認知劃分為四個水平，即認識模型、理解模型、運用模型和建構模型。筆者根據“氧化還原反應”概念學習的進階研究，明確各水平和能力的具體含義，如表4所示。

本單元在教學設計實施過程中，課時1從基于物質到基于元素再到基于微粒分析氧化還原反應，從不同的視角分析問題，從特征和本質來構建氧化還原反應分析模型，以期達到水平1和水平2。課時2利用單線橋和雙線橋實現對氧化還原反應的表征，也是從定性認識到定量分析的轉化，形成“有得必有失，得失相等;有升必有降，升降等量”的認知模型，以期達到水平1和水平2。課時3中通過過氧化氫性質的實驗探究活動，獲得物質性質探究的活動經驗，形成探究物質氧化性或還原性的思路方法和實驗設計策略，建構物質性質探究活動的程序模型，以期達到水平2和水平3。課時4中以生活中的真實問題為學習情境，引導學生基于氧化還原反應理論進行猜想，尋找充分證據，理解實驗現象和結論之間的關系，建構模型，以期達到水平3。以氯元素化合物的物質間轉化關系知識網絡的建構，為后續硫、氮、鐵等元素化合物的學習奠定基礎，建構元素的價類二維模型，以期達到水平4。

參考文獻：

［1］中華人民共和國教育部制定. 普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）［S］. 北京： 人民教育出版社， 2020.

［2］麻生明， 陳寅主編. 普通高中教科書·化學必修第一冊［M］. 上海： 上?？茖W技術出版社， 2021.

［3］胡娜， 張文華. 基于學習進階的中學“化學平衡”主題教學研究［J］. 化學教學， 2017， （12）： 14～19.

［4］楊玉琴. 化學核心素養之“模型認知”能力的測評研究［J］. 化學教學， 2017， （7）： 9～14.