基于“化學元素觀”建立的教學設計

張晉 魏垂社 張貝貝

摘要：“化學元素觀”是中學化學核心觀念之一。在“單質碳的化學性質”教學實踐中，圍繞氧元素在反應中的得與失，展開產物預測、實驗驗證、模型建立等教學環節，不僅展現化學是講“理”的學科，更能培養“化學觀念”“科學思維”和“科學探究與實踐”等學科核心素養。

關鍵詞：化學元素觀；氧化還原反應；碳的還原性

文章編號：1008-0546（2023）12-0060-04 中圖分類號：G632.41 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2023.12.013

元素的概念是化學學科最基本的概念之一，既是認識宏觀物質的基礎，又有聯系微觀粒子的功能。從元素的視角學習化學知識主要體現在三個方面的含義：一是對元素本身的認識，包括什么是元素、元素的種類、元素的性質等；二是從元素角度看物質，具體包括元素組成與物質的分類、性質有何關系等；三是從元素角度看化學反應，即元素與化學反應有何關系，在化學反應中元素種類是否發生變化等。［1］因此，“化學元素觀”的建立是伴隨相關化學知識螺旋式遞進的，是在化學知識認知積累和化學元素觀發展的交互過程中形成的。筆者以“單質碳的化學性質”教學設計為例，探討如何在教學中培養學生從元素的角度認識物質性質和化學反應，探討認識物質性質和化學反應的科學思路與方法。

一、教學內容及教學現狀分析

氧化還原反應在我們周圍隨處可見，從天然氣的燃燒到火箭的發射，從炭的燃燒到金屬的冶煉，氧化還原反應對人類社會的發展起到巨大的推動作用，對氧化還原反應認識的過程就是化學科學的發展史。對此，人教版九年級化學教材先后在第二單元課題2“氧氣”教學內容中設置了狹義的氧化反應，在第六單元課題1“金剛石、石墨和C60”中設置了還原反應。然而在部分初中教師的教學觀念中，氧化還原反應的地位無足輕重，其教學內容空洞，缺少能讓學生產生感性認識的體驗活動，教學過程多以單一的講授為主。這與氧化還原反應知識在整個化學課程中的重要地位是不相匹配的。

具體到“單質碳的化學性質”這一節教學內容，教材重點呈現了單質碳的化學性質和實驗驗證等內容。筆者在閱讀教材和一些教師交流后發現，這部分內容在教學時存在以下幾個問題：（1）知識點碎片化，缺少恰當的理論統領。碳的化學性質包括碳在常溫下性質穩定，加熱時可以與氧氣、某些氧化物反應，涉及多個化學反應。因此，沒有合適理論統領，只會加大學生的記憶負擔，使學生誤認為化學的學習重在記憶。（2）缺乏合適的探究實驗。炭燃燒時氧氣量難以控制，產物為無色氣體，使實驗探究難以開展。碳與氧化銅反應溫度較高，開展學生實驗存在潛在的危險，多以演示為主，這使得學生在學習碳的化學性質時缺少體驗感和互動性，難以激發學生的學習興趣，更無從談起創新思維的培養。（3）割裂系統概念。將氧化反應和還原反應設置在不同的單元，是考慮學生的認知發展規律，但在初中階段沒有將二者統一，不利于學生多角度認識物質性質和化學反應，培養學生化學觀念。

二、教學設計的改進要點

為解決上述問題，采取了如下教學改進：

（1）從元素氧的視角統一單質碳的性質。在中學階段氧化還原反應經歷三個認識階段：基于得失氧的狹義氧化還原反應、基于化合價變化特征的氧化還原反應和基于電子得失（偏移）本質的氧化還原反應。以氧元素為統領，通過氧元素轉移的討論，歸納、總結、抽象繼而建立反應模型，實現碳單質化學性質的統一，培養學生認識物質性質和化學反應的科學思維。

（2）從氧元素的視角開展碳與氧化銅反應的實驗探究。在碳與氧化銅的實驗部分，從碳燃燒得氧的視角，遷移預測、實驗設計、證據推理等環節。在理論推導和實驗驗證的探究活動中，提升學生的思維深度和創新意識，體驗化學實驗探究的思路與方法，落實“科學探究與實踐”的核心素養。

（3）從得失氧元素的視角實現氧化還原反應概念的統一。從得失氧的視角，實現氧化反應和還原反應的辯證統一，建立氧化還原反應模型并應用反應模型，從而體驗學習化學反應的思路與方法，落實“科學思維”的核心素養。

三、教學目標

（1）通過對碳與氧化銅反應的探究，學會從物質變化和元素視角認識化學反應，初步感受認識化學反應的思路與方法。

（2）通過對碳與氧化銅反應實驗的探究，知道從問題和假設出發確定探究目標，設計實驗方案、獲取證據、形成結論等科學探究的方法與思路。

（3）通過狹義的氧化還原反應模型的建立和應用，體驗模型在學習中的重要作用。

（4）通過氧化反應概念的建立過程，體會比較、分類、綜合、歸納等方法在認識物質性質與化學反應中的作用。

四、教學過程

1.鑒賞古畫，創設情境

【情境創設】《溪山雪意圖》由“南宋四大家”之一的劉松年所作，全卷縱41厘米，橫241.3厘米，畫卷描繪雪后溪水兩岸的平坡低崗、橋屋村舍、喬松巖壑、泉流舟楫等景物，其局部圖中還描繪了眾人在庭院內烤火的場景，如圖1所示。古代書法家繪畫用的墨和冬天取暖燃燒的木炭，主要成分都是碳。千年字畫得以完整保存，說明碳穩定，木炭易燃燒卻又說明碳不穩定。為什么碳的性質表現如此大的差異？

【學生活動】碳的化學性質在常溫下穩定，在加熱時容易燃燒，這說明了碳的化學性質與反應條件有關。

【提出問題】碳燃燒有兩個反應，從元素的角度如何理解碳的燃燒反應？

設計意圖：此環節基于學生已有生活經驗和木炭燃燒的化學事實，從碳在常溫下性質穩定和高溫下容易反應的認知沖突，繼而認識到化學反應是在一定條件下發生的。從元素碳得氧角度分析碳燃燒的化學反應，旨在為過渡到碳與氧化銅反應的探究活動作鋪墊。

2.實驗探究，拓展認識

【教師提問】碳可以奪取氧氣中的氧元素，那么碳能否奪取氧化物中的氧元素，以碳與氧化銅反應為例，猜想該反應的生成物，依據是什么，如何驗證產物（提示：氯化鈀試紙可用來檢驗CO）。

【學生活動】從碳可以得氧的角度猜想 C 與CuO反應可能的產物有三種，整理于表1，并猜測 C 與CuO反應的產物應與二者的質量有關，提出用澄清石灰水檢測 CO2，用教師所提示的氯化鈀試紙檢測CO。

【實驗驗證】為了節約加熱時間和現象明顯，采用如圖2所示的裝置，完成演示實驗。圖2用于演示實驗的裝置圖

【實驗結論】碳與氧化銅反應可以生成銅單質和二氧化碳，也可能生成銅和一氧化碳。

設計意圖：此環節主要是鍛煉學生利用已有知識，主動建構狹義的還原反應。通過對碳與氧化銅反應的猜想、實驗驗證、證據推理、得出結論，感受研究物質性質和化學反應的科學方法；同時利用碳與氧氣反應有一氧化碳和二氧化碳的事實，提出碳與氧化銅反應也有一氧化碳生成的猜想，培養學生的創新精神。缺憾是受學生知識水平和實驗條件的限制，不能對紅色產物繼續探究。因此在課后讓學生利用網絡查詢相關知識，完成設計實驗方案，證明可能的反應產物。

3.建立模型，拓展應用

【提出問題】已知碳與氧化銅能生成二氧化碳和銅，請同學們嘗試完成碳與氧化鐵，碳與二氧化碳的產物，并說明理由？能否找出所有反應的共同點？

【學生活動】依據碳在反應中奪氧的這一特點，能完成碳與氧化鐵、二氧化碳產物預測與分析。

【師生活動】在方程式中表示出這一得氧過程，概括出碳的還原性，氧氣和金屬氧化物有氧化性，建立狹義的氧化還原模型，過程如圖3所示。

【課堂練習】根據下列提供的物質回答問題：①S ②O2③H2④CO2⑤CO ⑥Fe2O3⑦Fe ⑧CuO⑨Mg ⑩C

（1）從得氧、失氧的角度在上述物質中選出還原性物質和氧化性物質。

（2）依據氧化還原模型預測可能的化學反應并完成方程式。

設計意圖：本環節的目的是讓學生在建立模型的過程中體會比較、分類、綜合、歸納等科學方法；在練習中豐富認識物質性質角度，實現對化學反應認識的進階，為從類別認識酸、堿、鹽的性質積累經驗，同時為高中氧化還原反應學習打好基礎。

五、教學評價

《義務教育化學課程標準（2022年版）》倡導實施促進發展的評價，改進終結性評價，探索核心素養立意的命題，科學設計評價工具，重視評價學生的化學概念、科學思維、科學探究與實踐、科學態度與責任等核心素養。［3］王磊等人經過多年的研究，構建了化學學科能力內涵構成及其活動表現模型，確立了“學習理解、應用實踐、遷移應用”導向的化學學科能力要素及其表現指標。［4］筆者研讀《義務教育化學課程標準（2022年版）》學業質量內涵和描述，借鑒“化學學科能力內涵構成及其活動表現模型”，編寫本節教學內容的課時練習。學業質量、學習活動表現指標描述、學科能力、學科能力要求之間的關系表2所示。

依據以上分析，完成了本節教學內容的課時練習。

六、教學反思

1.發揮化學實驗在驗證猜想中的功能

碳還原氧化銅實驗是學生學習碳的化學性質，理解“化學元素觀”的重要手段和方式。在活動設計方面，一方面展開反應預測，小組討論，使得碳與氧化銅反應學習過程成為一個有意義的建構過程。另一方面以實驗事實為依據，根據實驗的觀察，引發學生思考：碳在反應中發生了什么變化？產物有什么可能性？如何驗證產物？與碳的燃燒有何異同？由此引導學生基于實驗事實進行分析、推理，獲得相應結論，使學生的認識從感性走向理性。

2.重視新舊知識在提升思維進階中的作用

在課堂練習設計中，采用學生已知與氧氣反應的物質，利用具有氧化性、還原性新的分類標準認識物質，改變認識物質性質的視角；在選項中加入金屬氧化物，拓展認識碳單質得氧的寬度，感受“化學元素觀”的價值，實現學生思維的進階。

3.厘清教材及課標對課堂教學的要求

氧化反應和還原反應是現行九年級人教版教材的內容，但無論是2011版還是2022版《義務教育化學課程標準》的要求都較低，對兩者的統一更是沒作要求。教材是我們依靠的知識源、素材源，課標是教師教學的依據，我們要能依據學科教學知識，以具體學科知識為載體，實現學科知識、學科能力和學科素養的統一。

參考文獻

［1］何彩霞.圍繞“化學元素觀”展開深入學習——以“水的組成”教學為例［J］.化學教育（中英文），2013，34（4）：36-39.

［2］潘宏宜，陳雪萍.碳還原氧化銅反應裝置改進及實驗探究［J］.化學教學，2018（1）：71-75.

［3］中華人民共和國教育部.義務教育化學課程標準（2022年版）［S］.北京：人民教育出社，2022.

［4］馬佳，梁凱，王瀾，謝佳君，張曉紅.基于化學學科能力的高三教學評一體化設計［J］.化學教育（中英文），2022，43（16）：65-75.