基于三重表征和模型認知的化學基本概念教學

［摘 要］基于發(fā)展學生化學學科核心素養(yǎng)的目標，開展“氧化還原反應”這一基本概念的教學。首先深入挖掘教材，從宏觀辨識、微觀探析、符號表征三個方面依次展開，然后建構氧化還原反應認知模型，再指導學生運用該模型去深入理解元素化合物知識，體會三重表征和模型認知對學習化學基本概念的指導作用。

［關鍵詞］三重表征；模型認知；基本概念教學；氧化還原反應

［中圖分類號］" " G633.8" " " " " " " " ［文獻標識碼］" " A" " " " " " " " ［文章編號］" " 1674-6058（2025）05-0057-05

一、問題的提出

《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》明確指出，高中化學教學以發(fā)展學生化學學科核心素養(yǎng)為主旨，教師應重視教學內容的結構化設計，結合具體的化學教學內容的特點和學生的實際，引導學生開展分類與概括、證據(jù)與推理、模型與解釋、符號與表征等具有學科特質的學習活動[1]。在高中化學課堂教學中，改變知識本位的教學觀，立足學科本質和課程標準來分析教材內容，探究知識之間的內在聯(lián)系，發(fā)掘化學知識的素養(yǎng)功能，幫助學生建構學科基本觀念，是貫徹新課標要求的有效途徑。

化學基本概念內容與元素化合物內容相輔相成，在現(xiàn)行幾個版本的高中化學必修教材中，這兩部分內容多交叉編排，尤其在蘇教版教材中，氧化還原反應、離子反應沒有單獨設章節(jié)，而是分別編排在“氯氣及氯的化合物”“金屬鈉及鈉的化合物”單元中。元素化合物內容的學習為理解化學基本概念做了必要鋪墊，而對基本概念的深入認識又能幫助學生更好地理解元素化合物的性質。

三重表征包括宏觀表征、微觀表征、符號表征。宏觀表征主要是指物質在物理和化學變化中表現(xiàn)出來的、可以直接觀察到的宏觀現(xiàn)象在學習者頭腦中的反映；微觀表征主要是指有關物質的微觀組成和結構、微觀粒子的運動及相互作用等微觀屬性在學習者頭腦中的反映；符號表征主要是指由拉丁文或英文字母組成的符號及圖形符號在學習者頭腦中的反映。這三種表征形式相互關聯(lián)，共同構成化學知識的完整表征體系，體系中各要素的具體關系如圖1所示。從宏觀、微觀、符號三種表征水平上認識和理解化學知識，是化學學習者特有的思維方式[2]。利用三重表征的思維方式學習和理解化學基本概念，再用化學基本概念指導和輔助元素化合物知識的學習，是一個知識關聯(lián)和結構化的過程，有助于學生建構系統(tǒng)性的化學知識框架。

二、教學背景分析

（一）課標要求

新課標對氧化還原反應的內容要求為：認識有化合價變化的反應是氧化還原反應，了解氧化還原反應的本質是電子的轉移，知道常見的氧化劑和還原劑。此外，新課標還給出了教學策略提示：創(chuàng)設豐富多樣的真實問題情境，發(fā)揮核心概念對元素化合物學習的指導作用[3]。

（二）教材分析

“氧化還原反應”是蘇教版高中化學必修第一冊專題3第一單元第3課時的內容。氧化還原反應是非常重要的化學基本概念，是分析物質化學性質、學習電化學等知識的必備工具，在整個高中化學中具有極其重要的地位。

橫向來看，“氧化還原反應”在不同版本教材中的出現(xiàn)順序有很大區(qū)別：在人教版教材中，氧化還原反應、離子反應等基本概念集中編排在必修第一冊第一章，在這些概念的基礎上再進行元素化合物知識的學習（第二章、第三章、第五章）[4-5]；而蘇教版教材將化學基本概念與元素化合物知識交叉編排，本課時“氧化還原反應”就編排在“氯氣的性質及應用”之后[6]。氯氣的性質及應用能夠為分析理解氧化還原反應提供貼近學生認知的教學情境，而氧化還原反應作為核心概念，將對后續(xù)元素化合物知識的學習起到重要的指導作用。因此，在本節(jié)課的教學中，在學生理解氧化還原反應的本質后，教師還要引導學生運用氧化還原反應理論來理解元素及其化合物的性質。

縱向來看，根據(jù)學生的認識規(guī)律，蘇教版教材將“氧化還原反應”這一基本概念在必修第一冊分三個層面滲透。首先是宏觀辨識，即“氧化還原反應是有元素化合價變化的反應”（專題1第一單元）；其次是微觀探析，即“氧化還原反應是有電子轉移的化學反應”（專題3第一單元）；最后是守恒角度，即“氧化還原反應中得失電子總數(shù)一定相等”（專題4第二單元）[7]。本課時屬于第二個層面，著重從微觀角度理解氧化還原反應的本質，并用化學語言（雙線橋）進行表示，實現(xiàn)宏觀、微觀、符號三重表征，為后續(xù)理解得失電子守恒打好基礎。

（三）學情分析

學生在初中已接觸過一些化學反應，在本節(jié)課之前還系統(tǒng)學習了氯及其化合物的性質，具備一定的元素化合物知識基礎，知道氧化還原反應中元素化合價會發(fā)生變化，能夠判斷哪些反應是氧化還原反應，但不清楚氧化還原反應中元素化合價變化的根本原因。學習方式上，學生能在小組合作學習中積極思考、討論探究，從而發(fā)現(xiàn)問題，分析并解決部分問題，但缺少從微觀角度解釋宏觀現(xiàn)象的意識，不能主動運用氧化還原概念去系統(tǒng)理解元素化合物的性質，這些都需要教師進行及時適當?shù)囊龑А?/p>

三、教學目標及重難點

（一）教學目標

1.通過從原子結構角度討論化合價變化的原因，理解氧化還原反應的本質，培養(yǎng)從微觀角度解釋宏觀現(xiàn)象的意識，發(fā)展“宏觀辨識與微觀探析”核心素養(yǎng)。

2.通過了解氧化還原反應理論發(fā)展的化學史，發(fā)展“科學態(tài)度與社會責任”核心素養(yǎng)。

3.通過討論氧化劑、還原劑在氧化還原反應中的變化，建構氧化還原反應認知模型，發(fā)展“變化觀念與平衡思想”“證據(jù)推理與模型認知”等核心素養(yǎng)。

4.掌握用雙線橋表示氧化還原反應的方法，培養(yǎng)宏觀、微觀、符號三重表征的意識和能力。

5.通過從氧化還原角度理解氯氣的性質，培養(yǎng)運用氧化還原反應理論學習元素化合物知識的意識。

（二）教學重難點

教學重點：理解氧化還原反應的本質，建構氧化還原反應認知模型。

教學難點：氧化還原反應的符號表征。

四、教學設計思路

本單元前兩課時“氯氣的發(fā)現(xiàn)與制備”及“氯氣的性質及應用”為“氧化還原反應”的教學提供了豐富的情境素材。首先，通過氯氣與金屬鈉的反應，可以引導學生從原子結構角度理解氧化還原反應的本質，即有電子的轉移，進而分析電子轉移與化合價升降、氧化還原反應之間的關系，并用化學用語（雙線橋）進行表征。其次，介紹氧化劑、還原劑概念，并組織學生分組討論氧化劑、還原劑在氧化還原反應中的一系列變化，建構氧化還原反應的認知模型。最后，引導學生從氧化還原角度總結歸納氯氣的性質，分析氯元素的價-類二維圖，掌握用氧化還原反應理論指導元素化合物學習的一般思路。

五、教學過程

環(huán)節(jié)一：復習導入，提供情境素材

導入：在這一單元的前兩課時，我們學習了氯氣的制備和性質。現(xiàn)在，讓我們來回顧一下這些知識。請同學們盡可能多地書寫出有關氯氣的化學方程式。

學生活動：書寫前兩課時所學的與氯氣相關的化學方程式，并派代表到黑板上進行板演。

過渡：氯氣是一種活潑的非金屬單質，可以發(fā)生很多反應。那么，我們該如何梳理出這些反應的結構化認知呢？通過今天的學習，我們將對氯氣的性質有一個全新的認識。

設計意圖：通過復習氯氣的制備及性質，為接下來分析氧化還原反應提供情境素材。同時，通過設置懸念，激發(fā)學生的學習興趣和探究欲望，讓他們帶著目的開啟本節(jié)課的學習。

環(huán)節(jié)二：微觀探析，認識氧化還原反應

問題：如何判斷一個化學反應是不是氧化還原反應？

生：看有無元素化合價變化。

師：有元素化合價變化是氧化還原反應的特征。那么，元素化合價變化的本質是什么呢？我們以鈉在氯氣中燃燒為例，從原子結構角度進行討論。在反應中，鈉原子失去電子變成鈉離子，氯原子得到電子變成氯離子，鈉離子與氯離子結合形成氯化鈉（如圖2）。

得出結論：氧化還原反應是有電子轉移的化學反應。

問題：初中階段我們認識的氧化反應、還原反應是怎樣的？專題1第一單元是如何定義氧化還原反應的？現(xiàn)在，你又是如何理解氧化還原反應的？

生1：初中階段我知道了“物質得氧的反應是氧化反應，物質失氧的反應是還原反應”。

點評1：這是從元素的角度來分辨的。

生2：專題1第一單元中將氧化還原反應定義為“有元素化合價變化的反應”。

點評2：這是從宏觀現(xiàn)象來定義的。

生3：現(xiàn)在我知道“氧化還原反應是有電子轉移的化學反應”。

點評3：這是從微觀結構的角度來理解的。

化學史介紹：歷史上氧化還原反應理論的發(fā)展經(jīng)歷了一個漫長的過程。化學家對氧化還原反應的認識也是由最開始的元素視角，到后來的化合價視角，再到現(xiàn)代化學原子結構理論支持下的電子轉移視角，這是一個從宏觀到微觀、從表觀到本質的認識深化過程。

設計意圖：通過探究具體反應，利用圖片使微觀結構的變化可視化，讓學生認識到，化合價變化是氧化還原反應的表觀特征，發(fā)生電子轉移才是其本質，培養(yǎng)學生從微觀結構角度解釋宏觀現(xiàn)象的意識。

環(huán)節(jié)三：符號表征，表示氧化還原反應

歸納：氧化還原反應中的一系列變化可概括為“升失氧，降得還”（升：所含元素化合價升高，失：失去電子，氧：發(fā)生氧化反應；降、得、還則與之相反）。

講解：如圖3所示，將這一系列變化結合化學方程式用符號（雙線橋）表示出來。

講解書寫原則：先標化合價，再看價變化；起止同元素，橋上標變化；上標升失氧，下標降得還；電子轉移數(shù)，原數(shù)乘變價。

進階：也可在心中默念“升失氧，降得還”，線橋上只標電子轉移情況，具體如圖4所示。

課堂練習：用雙線橋表示下列反應的電子轉移情況：①CO+CuO △Cu+CO2；②3Cu+8HNO3（稀）＝3Cu（NO3）2+2NO↑+ 4H2O；③Cl2+2NaOH＝NaCl+NaClO+H2O；④2H2S+SO2＝3S+2H2O。

學生活動：思考并在紙上作答，然后派代表到黑板上進行板演。

問題：觀察每一個氧化還原反應，它們的得、失電子數(shù)有何關系？反應③的元素化合價變化有什么特點？反應④的元素化合價變化有什么特點？（根據(jù)學生的回答初步滲透得失電子守恒規(guī)律、歧化反應和歸中反應的概念。）

設計意圖：在微觀結構變化的基礎上，進一步將其抽象為符號表征，實現(xiàn)宏觀、微觀、符號三重表征的融合，深化學生對氧化還原反應的認識，并在練習中初步滲透得失電子守恒的思想；通過口訣，幫助學生理解記憶，降低學生初學雙線橋法的難度。

環(huán)節(jié)四：模型建構，認識氧化劑與還原劑

問題：以氫氣還原氧化銅的反應為例，在該反應中，氫氣發(fā)生了哪些變化？誰使得它發(fā)生了這些變化？氧化銅發(fā)生了哪些變化？又是誰使得它發(fā)生了這些變化？

生：氫氣中氫元素化合價升高，氫原子失去電子，氫氣發(fā)生了氧化反應，是氧化銅使它發(fā)生了這些變化。氧化銅中銅元素化合價降低，銅原子得到電子，氧化銅發(fā)生了還原反應，是氫氣使它發(fā)生了這些變化。

師：因此我們說，氧化銅具有氧化其他物質的能力，即具有氧化性，在該反應中作氧化劑；氫氣具有還原其他物質的能力，具有還原性，在該反應中作還原劑。

追問：仍以該反應為例，思考一下，在氧化還原反應中氧化劑會發(fā)生哪些變化？還原劑呢？

生：在氧化還原反應中，氧化劑得到電子，所含元素化合價降低，發(fā)生還原反應；還原劑失去電子，所含元素化合價升高，發(fā)生氧化反應。

總結：我們可以概括為“升失氧，還原劑；降得還，氧化劑”，并且可以用雙線橋的模式來表示這一關系，具體如圖5所示。

設計意圖：通過氧化劑、還原劑在氧化還原反應中的一系列變化，引導學生總結出普適性的結論，建構氧化還原反應認知模型，幫助學生深入認識和理解氧化還原反應的概念本質，使學生在以后分析氧化還原反應時能夠更快速、更準確。

環(huán)節(jié)五：解決問題，應用氧化還原反應

應用1：從氧化還原角度來看，氯氣具有哪些性質？

學生活動：結合課始板演的方程式，小組討論、總結，并派代表回答。

生：從氧化還原角度來看，氯氣的性質可分為兩類。在與鐵、銅等金屬單質和非金屬單質氫氣的反應中，氯氣作氧化劑，表現(xiàn)出強氧化性；在與水和堿的反應中，氯氣既作氧化劑又作還原劑，發(fā)生歧化反應。

應用2：在氯元素的價-類二維圖（如圖6）中，哪些轉化屬于氧化還原反應？

生：反應①、②、⑤、⑥、⑦、⑧、11屬于氧化還原反應，即圖中凡是化合價發(fā)生變化的反應都是氧化還原反應；反之，化合價不變的反應，即圖中左右水平相互轉化的反應為非氧化還原反應。

應用3：列舉生產(chǎn)、生活中的氧化還原反應。

介紹：工業(yè)上，如冶煉金屬、化工生產(chǎn)、火箭發(fā)射等；生活中，如燒火做飯、放煙花等，這些過程中都有氧化還原反應發(fā)生。空氣中氧氣的存在使我們生活在氧化性的環(huán)境中，鋼鐵的腐蝕、食物的腐敗都是被氧化的結果。因此，有時需要進行抗氧化處理，如在食品包裝袋中使用抗氧化劑。

設計意圖：應用1、2引導學生從氧化還原角度分析物質的性質，培養(yǎng)他們運用基本概念和理論來指導元素化合物學習的意識，并在討論和應用中進一步深化對氯氣性質的理解；應用3使學生拓寬視野，體會學科價值。

環(huán)節(jié)六：課堂小結，促進建模意識提升

師：這節(jié)課，我們從認識氧化還原反應的概念開始，學習了用雙線橋表示氧化還原反應的方法；在理解了氧化劑、還原劑的概念后，提煉、總結出氧化還原反應的認知模型，并且運用該模型深入理解了氯氣的性質。希望同學們在后續(xù)的學習中能夠繼續(xù)運用該模型解決問題，并在以后的學習中也能有意識地提煉和建構認知模型。（本節(jié)課學生的思維發(fā)展過程如圖7所示）

六、教學反思

（一）遵循認知規(guī)律，融合三重表征

在這節(jié)課的教學中，對氧化還原反應概念的認知層層遞進，從宏觀辨識到微觀探析，再到符號表征，逐步深入，符合學生的認知規(guī)律。該教學思路同樣適用于其他化學基本概念的教學。

（二）建構認知模型，助力理解概念

在教授氧化還原反應的表示方法時，由個別到一般，總結出普適性規(guī)律，逐步引導學生建構認知模型。該模型既能幫助學生快速厘清氧化還原反應中的電子轉移情況，又能幫助學生理解氧化還原反應的本質。

（三）立足單元視角，注重理論指導

這節(jié)課并沒有局限于這一課時的氧化還原反應基本概念，而是著眼于整個單元，注重用氧化還原反應理論去理解、總結氯氣的性質，將氧化還原反應概念的學習與氯氣性質的深入理解有機融合，充分體現(xiàn)了化學基本概念對元素化合物知識學習的指導作用。

［" "參" "考" "文" "獻" "］

[1][3]" 中華人民共和國教育部.普通高中化學課程標準：2017年版2020年修訂[M].北京：人民教育出版社，2020.

[2]" 畢華林，黃婕，亓英麗.化學學習中“宏觀—微觀—符號”三重表征的研究[J].化學教育，2005（5）：51-54.

[4]" 王晶，鄭長龍.普通高中教科書" " 化學" " 必修第一冊[M].北京：人民教育出版社，2019.

[5]" 王晶，鄭長龍.普通高中教科書" " 化學" " 必修第二冊[M].北京：人民教育出版社，2019.

[6][7]" 王祖浩.普通高中教科書" " 化學" " 必修第一冊[M].南京：江蘇鳳凰教育出版社，2020.

（責任編輯" " 羅" " 艷）