基于模型建構的高三化學復習教學實踐
——以“工藝流程題中情境型氧化還原反應方程式的書寫”為例

張杰華 孫應倫

(1.云南省云南師范大學附屬中學;2.云南省昆明市教育科學研究院)

一、理論依據

《中國高考評價體系》指出,高考以“核心價值、學科素養、關鍵能力、必備知識”為考查內容,以“基礎性、綜合性、應用性、創新性”為考查要求,這為基礎教育課程指明了培養目標及要求。高中化學課程承載著培養學生學科素養的重要功能,是發展學生化學學科素養的載體,學科素養的發展離不開學科必備知識的儲備和關鍵能力的形成。因此,如何在高三復習階段進一步幫助學生鞏固學科必備知識、發展學科關鍵能力、提升學科核心素養尤為重要。

《普通高中化學課程標準》(2017年版2020年修訂)(以下簡稱“課程標準”)指出:“證據推理與模型認知”是化學學科核心素養的組成要素之一,并在其內涵中描述到“知道可以通過分析、推理等方法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”;“模型認知”素養不僅僅包括化學學科中已有的科學模型,還包括學生在化學學習過程中的分析、解決問題的思維模型。課程標準對學生學業質量提出了如下的相關要求:“能在物質及其變化的情境中,依據需要選擇不同方法,從不同角度對物質及其變化進行分析和判斷”“能選擇簡明、合理的表征方式描述和說明化學變化的本質和規律,能根據化學反應原理預測物質轉化的產物,確定檢驗所做預測的依據”。

本文以“工藝流程題中情境型氧化還原反應方程式的書寫”為教學主題,通過不同情境下陌生氧化還原反應方程式的書寫,引導學生自主反思解決問題的思路,建立思維模型并在實踐中進一步完善,最終達到運用該思維模型來解決問題的目的。

二、主題的確立

化學方程式是最具化學學科特征的化學用語,是學生“宏—微—符”三重表征能力的重要組成部分,是高中化學學業水平等級性考試中的必考點。氧化還原反應是高中化學的核心知識和重要原理,旨在培養學生的微粒觀及變化觀,形成認識、預測物質性質及其變化的角度和思路。

隨著高考改革的不斷推進,以化工生產工藝流程、物質制備及性質探究實驗為背景的陌生氧化還原反應方程式的書寫成為考查學生分析與推測、歸納與論證等學科關鍵能力的重要形式。化工生產工藝流程題多以實際生產中物質的制備、提純等為考查背景,以陌生元素及其化合物的相關知識為考查載體,題干信息新穎、陌生度高、綜合性強,要求學生必備氧化還原反應的相關概念與知識,掌握常見元素及其化合物的性質和轉化的一般原理和規律;具備復雜情境中有效信息的接收、提取和處理能力,以及依據氧化還原反應原理預測物質性質及轉化的能力,考查學生依據新情境并結合已有知識分析、解決問題的知識遷移能力,是對學生“變化觀念與平衡思想”“證據推理與模型認知”學科核心素養發展水平的重要測評。此類題目對學生化學學科關鍵能力的發展水平要求較高,是眾多考生失分較多的題型之一。因此,在高三復習備考的過程中,教師應當幫助學生結合特定的情境,建立分析、解決此類問題的思維模型,將知識轉化為能力,實現學科核心素養的進一步發展。

三、教學目標與評價目標

(一)教學目標

(1)通過對工藝流程題中情境型氧化還原反應方程式書寫方法的分析,幫助學生鞏固氧化還原反應的相關概念和知識。

(2)通過對工藝流程的題干進行分析和流程解讀,提升學生在真實情境下有效信息的獲取、分析、應用能力,強化學生的符號表征能力。

(3)通過分析、推理等方法認識氧化還原反應的特征和本質,建立情境型氧化還原反應書寫的思維模型,提升學生歸納與論證能力,進一步發展學生“證據推理與模型認知”“宏觀辨識與微觀探析”等化學學科核心素養。

(二)評價目標

(1)通過對例1和例2的問題拆解分析,診斷學生對氧化還原反應相關概念的認識水平(概念清晰、概念混亂)、在陌生情境中有效信息提取(正確提取、錯誤提取)以及利用化學反應原理進行產物預測(經驗視角、原理視角)的能力。

(2)通過例3和例4的分析,發展并診斷學生運用已有模型書寫新情境下氧化還原反應方程式的能力(簡單遷移、系統優化)以及結合新情境進行模型完善、優化的能力(孤立照搬、系統優化)。

四、教學實踐過程

(一)課前回顧,鞏固相關概念

學習任務1:課前自主回顧氧化還原反應的相關概念,完成下列內容。

1.氧化還原反應的相關概念

(1)氧化還原反應的特征:有元素________的變化。

(2)在氧化還原反應中,氧化劑所含元素的化合價________,發生________反應,生成________產物;還原劑所含元素的化合價________,發生________反應,生成________產物。

2.高中階段常見氧化劑、還原劑及其可能的產物

表1 高中階段常見的氧化劑、還原劑及其可能產物預測

設計意圖:鞏固氧化還原反應的相關概念,利用氧化還原反應原理對高中階段常見的氧化劑、還原劑進行可能產物的預測,提升學生在高三復習階段的自主學習能力。

(二)典例分析,初構思維模型

學習任務2:以小組為單位,提煉化工生產工藝流程中陌生氧化還原反應方程式的書寫方法,初步建立問題的思維分析模型。

【例1】(2022全國甲卷,26題改編)硫酸鋅(ZnSO4)是制備各種含鋅材料的原料,在防腐、電鍍、醫學上有諸多應用。硫酸鋅可由菱鋅礦制備。菱鋅礦的主要成分為ZnCO3,雜質為SiO2以及Ca、Mg、Fe、Cu等的化合物。其制備流程如下:

相關離子(初始濃度為1 mol/L)形成氫氧化物沉淀的pH范圍如下:

金屬離子Fe2+Fe3+Zn2+Cu2+開始沉淀的pH6.31.56.25.2沉淀完全的pH8.32.88.26.7

問題:向80～90℃的濾液①中分批加入適量KMnO4溶液充分反應后過濾,濾渣中有MnO2,該步反應的離子方程式為___________________________________。

【問題拆解】問題1:判斷該反應的類型,并說明判斷依據。

問題2:確定該反應中的氧化劑、還原劑以及氧化產物和還原產物,并說明判斷依據。

氧化劑:________→還原產物:________

還原劑:________→氧化產物:________

問題3:完成該反應方程式的完整書寫,并交流在書寫過程中需要考慮哪些因素。

【教師】以4人小組為單位,結合例1中“問題拆解”部分的3個子問題,書寫例1中的氧化還原反應方程式,并在小組內進行交流、討論。

學生閱讀題干及流程,提取有用信息,自主思考,并在引導單中記錄自己的分析過程,進行組內的交流、討論。

教師展示學生的分析結果,引導其對問題進行拆解分析。

【教師】如何確定該反應的類型?你的判斷依據是什么?

【學生】錳元素的化合價由KMnO4中的+7價降低到MnO2中的+4價,存在元素化合價的變化,為氧化還原反應。

【教師】如何確定該氧化還原反應的氧化劑、還原劑及其對應的還原產物、氧化產物?

【學生2】加入KMnO4之前溶液的pH=5,結合表格信息可知Fe3+在pH=2.8時已沉淀完全,故反應結束后+3價的鐵元素應以Fe(OH)3的形式存在。

【教師】確定陌生氧化還原反應中的氧化產物和還原產物的存在形式時,要依據氧化還原反應原理來分析元素價態,并結合微粒所在體系來進行分析。接下來該如何將方程式書寫完整呢?

【教師】該同學分析得相當好!他歸納出書寫陌生氧化還原反應方程式的分析思路,接下來請各小組參照該思路完成例2中方程式的書寫。

學生經過小組分析、討論,完成例2中的陌生氧化還原反應方程式的書寫。

【例2】工業上常用銅陽極泥(主要成分為Cu2Te,還含有少量的Ag、Au)為原料制備單質碲,其工藝流程如下:

問題:已知浸出渣中含有TeO2。寫出“酸浸”和“還原”步驟中生成單質碲的總反應離子方程式:________________________。

教師展示學生的分析結果,引導其對問題進行拆解分析。

【教師】如何書寫例2中離子方程式?闡述你的分析過程。

【教師】正確書寫陌生氧化還原反應方程式,需要以氧化還原反應的原理為基礎,根據反應原理預測某些物質的可能產物。請分享課前總結的高中階段常見的氧化劑、還原劑及其可能的還原產物和氧化產物。

學生分享課前總結情況,教師引導學生進一步完善對高中階段常見的氧化劑、還原劑及其可能的還原產物和氧化產物的認識(表2)。

表2 高中階段常見的氧化劑、還原劑及其可能產物

【教師】結合例1、2中離子方程式的書寫過程,總結書寫化學工藝流程題中陌生氧化還原反應方程式的思考步驟,建立解決此類問題的思維模型。

學生以小組為單位進行討論,總結書寫陌生氧化還原反應方程式的問題解決思路(圖1)。

圖1 初構思維模型

設計意圖:結合工藝流程題中情境型氧化還原反應方程式書寫的逐步問題拆解,讓學生提升真實情境下有效信息的獲取、分析、應用能力,強化符號表征能力,建構解決復雜化學問題的思維框架。

(三)應用鞏固,完善思維模型

學習任務3:以小組為單位,利用上述思維模型對以下例題進行分析,并對該思維模型進行完善。

【例3】四鉬酸銨是鉬深加工的重要中間產品,具有廣泛的用途。一種以鉬精礦(主要含MoS2,還有Cu、Fe的化合物及SiO2等)為原料制備四鉬酸銨的工藝流程如下:

將少量氣體X通入NaClO溶液中的離子方程式為___________________________________。

【例4】碘(紫黑色固體,微溶于水)及其化合物廣泛用于醫藥、染料等方面。碘的一種制備方法如下:

通入Cl2的過程中,若氧化產物只有一種,反應的化學方程式為___________________________________。

學生利用已有思維模型,自主思考,小組分析、討論。

【教師】請小組代表分享例3中離子方程式的書寫思路。

【教師】兩位代表的分析思路都十分清晰,可見上述思維模型對于我們解決問題具有重要的指導意義。請小組代表分享例4中離子方程式的書寫思路。

【教師】結合例3和例4的分析,說明在書寫陌生氧化還原反應方程式時還需要注意哪些問題?

【學生1】關注反應物的量,考慮體系中可能發生反應的先后順序。

【學生2】還要考慮生成物微粒是否會存在后續反應,確定生成物最終存在形式。

【教師】通過上述分析,對書寫陌生氧化還原反應方程式的思維模型進行進一步的完善(圖2)。

圖2 完善思維模型

設計意圖:通過真實問題中氧化還原反應方程式的書寫分析,幫助學生進一步完善、優化思維模型,提升解決復雜問題的分析能力,評價學生的“證據推理與模型認知”素養發展水平。

課堂小結:本節課通過具體實例的分析,建構書寫工藝流程題中情境型陌生氧化還原反應方程式的思維模型(圖2)。思維模型的建構能提升問題解決的效率和質量,但問題分析過程中思維模型的建構不能只停留在模型本身的探索上,而應在實踐中不斷優化、得到合理的思維模型。

五、教學反思

本節課通過引導學生對典型例題的拆解分析,幫助學生體會書寫工藝流程題中陌生氧化還原反應方程式的思路,讓學生真實經歷了問題的解決過程,自主建構并完善分析問題的思維模型,在應用中促進能力的進一步提升、素養的進一步發展。

隨著新高考改革的不斷深入,高中化學學業水平考試越來越突出對學生關鍵能力和核心素養的考查。以促進核心素養發展為目標的高三化學課堂教學,需要突出學生的主體地位,才能有效促進學生能力提升和素養發展。這就要求教師在進行高三復習時,要摒棄傳統的講、練模式,應該注重課堂引導,以學生為主體,充分考慮學生的知識掌握情況和能力發展水平,精心挑選出具有針對性、代表性的例題,創設問題情境,搭建學生解決問題的“腳手架”,從而減少學生的機械、重復練習,減輕學生學習負擔,提升學生學習的效率,提高課堂教學的質量。同時引導學生用化學知識解決實際問題、建構問題分析的思維模型,提升學生面對陌生情境時調動化學知識、解決化學問題的能力,進而發展學生的化學學科核心素養。