基于三重表征设计“氧化还原反应”课堂学习活动

韩晓　王朝晖　张贤金

摘要：以氧化还原反应为例，在教学中设计了3个课堂学习活动，通过宏观现象、微观结构与符号之间的相互转换，帮助学生利用“宏观-微观-符号”相结合的三重表征方法构建氧化还原反应的知识体系，形成化学学习的核心思维模式。

关键词：氧化还原反应；三重表征；课堂学习活动；核心素养

文章编号：1008-0546（2017）07-0042-04 中图分类号：G632.41 文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2017.07.010

氧化还原反应是高中化学课程中的核心概念，在生产、生活等各方面有广泛的应用，具有重要的学科价值、社会价值和化学学科核心素养发展价值。以“宏观-微观-符号”三重表征的理念进行氧化还原反应教学，可以让学生从三个维度理解氧化还原反应，提炼出学习化学反应的一般思路和方法，并进行迁移和应用。

毕华林[1]、李玲[2]等人研究发现学生在利用三重表征学习化学反应时存在不少困难，如面对大量感官刺激的宏观现象，无法将宏观表征与化学符号相联系，不理解化学方程式的符号含义；不能从微观水平上理解化学反应；难以在不同表征水平间进行转换。在氧化还原反应的学习中，引导学生进行“宏观-微观-符号”三者之间的转换，渗透和深化三重表征的思维方式，可以形成不同于其他学科的化学特有的思维方法。

王云生提出落实学生化学学科核心素养的培养，要把课堂学习活动的设计作为化学课堂教学的中心，通过学习活动学习化学的核心基础知识和基本技能，提高学生的学科核心素养[3]。对于化学知识的学习，尤其是氧化还原反应这类抽象性概念的学习，要在教师的引导下，基于三重表征理论，把握物质宏观性质和微观结构的双重表征，获得宏观和微观水平的概念知识，促进符号知识的生成，实现三者的转换[4]。笔者以“氧化还原反应”为例，设计了3个课堂学习活动，引导学生将三重表征相融合，通过宏观现象、微观结构与符号之间的相互转换，形成化学学习的核心思维模式。

一、基于三重表征构建“氧化还原反应”教学目标

1. 核心知识目标

学生能描述一些反应的宏观现象，但没有建立宏观现象和化学符号（化学方程式）之间的联系。知道原子结构示意图、电子排布式、分子模型等化学符号，无法从微观结构的角度解释氧化还原反应发生的原因。单双线桥法这一化学符号将氧化还原反应的宏观表现化合价变化和微观实质电子转移的方向和数目相融合，可以帮助学生在宏观-微观-符号三重表征之间提取和转换。由此确定核心知识目标为：

（1）理解氧化还原方程式中化学符号的含义，建立宏观现象和符号间的联系。

（2）能够利用物质的微观结构解释氧化还原反应发生的原因。

（3）掌握用单双线桥法表征氧化还原反应。

2. 核心能力目标

利用物质的微观结构解释氧化还原反应发生的原因，培养学生宏微结合的学习能力；以小组为单位进行实验探究和讨论，培养学生自主与合作的学习能力以及化学实验探究的实践能力。通过提供的信息材料，让学生对获取的信息进行识别和加工，培养学生比较、推理、概括和应用的化学信息能力和迁移能力[5]。由此确定核心能力目标为：

（1）培养学生从微观视角分析氧化还原反应的宏微结合的学习能力。

（2）强化从相关资料中获取和加工信息，进行—般推理和论证的化学信息能力。

（3）采用探究和讨论的小组合作形式进行实验探究，培养学生化学实践能力。

3. 核心品格目标

在探究KI溶液和氯水反应的实验时，学生发现氯水用量不同，产物不同，鼓励学生敢于质疑，实事求是，体会量变到质变的辩证唯物主义思想，养成学生崇尚科学真理，不迷信书本和权威的科学探究的精神和必备品格。

二、基于三重表征的课堂学习活动设计

在对“氧化还原反应”的教学目标进行阐述和构建后，为了落实这些目标，笔者设计了三个课堂学习活动，并重点阐述课堂学习活动设计的意图。

学习活动1：宏观现象与符号间的联系

活动内容：

（1）展示氫气还原氧化铜反应的装置，预测反应的现象，写出相关的化学反应方程式，分析实验现象和化学符号（化学式及化学方程式）间的联系。

（2）分组实验：向盛有KI溶液的试管中，加入少许CCl4后，逐滴滴加氯水，观察反应的现象，写出相应的化学方程式。

活动设计意图分析：

化学方程式里蕴含着大量的信息，可以表征宏观水平的物质变化，也可以表征微观水平上的粒子行为。专家可以很方便地利用化学方程式这种符号表征在宏观表征和微观表征间转换，对学生而言，它更像是一些无意义的音节[6]。化学实验给学生提供了丰富的感官刺激，而学生常常止于观察显著的宏观现象，在课堂活动中，让学生通过氢气还原氧化铜的实验装置预测反应现象，引导学生将观察到的宏观现象与化学符号建立联系。如图1所示，学生知道反应的宏观现象是黑色固体变为红色，明白CuO和Cu这些化学符号表达的含义，当学生看到黑色固体，用CuO这一化学符号加以表示，并用化学方程式描述物质及其变化的过程，就将宏观现象和化学式及化学反应之间建立了联系，进行了宏观表征和符号表征之间的转换。

学生通过KI溶液和氯水的实验，观察到溶液分层，下层CCl4层变为紫色的宏观现象，当学生将变为紫色的宏观现象用I2这一化学符号表示反应的生成物时，就理解了符号所表达的含义。通过相关信息和实验的宏观现象，让学生书写相应化学方程式，培养学生根据实验现象辨识物质及其相关反应，再运用化学符号描述常见简单物质及其变化的能力。

有的实验小组，在逐滴滴加氯水的过程中，发现CCl4层逐渐变浅，对氯水将KI氧化成I2的反应提出了疑问，鼓励学生敢于质疑，实事求是，共同分析CCl4层变为无色的原因，体会量变到质变的唯物主义思想，养成学生崇尚科学真理，不迷信书本和权威的科学探究的精神和必备品格。

化学是从微观层面上解释宏观性质的学科，宏观与微观的联系是化学学科不同于其他学科的特有的思维方式。在氧化还原反应的教学中，相较于建立宏观现象和符号间的联系，由于微观世界的抽象化，学生很难从微观角度理解氧化还原反应。化学式等化学符号包含的信息较为抽象，学生很难解读，利用原子结构示意图、电子排布式、分子模型等化学符号，实现符号从化学式到分子结构，视角从平面到立体的转变，依托学生的知识经验，引导学生从微观角度理解氧化还原反应，实现宏观现象、微观结构、符号之间的转换。

学习活动2：物质的微观结构和氧化还原反应

活动内容：

（1）讨论：观看钠和氯气反应的实验视频，根据图2所示的微观结构示意图及相关过程，分析钠和氯气反应剧烈的原因。

（2）分组实验：取适量酸性高锰酸钾于试管中，滴加FeCl2溶液，观察实验现象，写出相应的化学方程式。根据洪特规则，当价电子排布处于全充满（p6，d10）或半充满（p3，d5）和全空（p0，d0）时，为稳定状态，已知Fe2+价电子排布式为3d6，请分析该反应发生的原因。

（3）白磷化学性质十分活泼，和空气或潮气接触时发生缓慢的氧化作用，当氧气充足时，生成P4O10，部分的反应能量以光能的形式放出，这是白磷可以在暗处发光的原因，叫做磷光现象。已知，白磷和P4O10的结构如图3所示，讨论分析白磷容易发生反应的原因。

活动设计意图分析：

微观表征是联系宏观表征与符号表征的桥梁与纽带，是建构化学三重表征的关键，微观表征有助于分析与理解宏观现象，更有利于符号表征的提炼与符号含义的理解[7]。学生通过微粒结构图示这种化学特有的符号分析了反应的微观实质，理解钠原子和氯原子两者倾向于形成稳定结构的原因，决定了金属钠和氯气活泼的性质，使得两者相遇时，表现为剧烈燃烧，产生黄色火焰并有大量白烟生成的宏观现象。

利用化学符号核外电子排式，从微观层面分析Fe2+和酸性高锰酸钾溶液的反应的实质，Fe2+价电子排布式为3d6，容易失去一个电子形成3d5半充满的稳定结构，当把FeCl2溶液加入酸性高锰酸钾溶液时，酸性高锰酸钾溶液将Fe2+氧化成Fe3+，自身变为Mn2+，在宏观上表现为溶液紫红色褪去。

当学生构建起从微观结构分析氧化还原反应的思维模型时，以白磷的分子结构为例，分析氧化还原反应的原因。白磷是由P4组成的分子晶体，P原子采用sp3杂化，而键角∠PPP仅为60°，使得P4分子中的P-P键具有较大的张力，形成弯键而易于断裂，当接触到空气中的氧气时，P4分子中具有张力的P-P键因氧气分子的进攻而断开[8]，逐步被氧化形成P4O10，如图4所示，P4O10中的P原子也采用sp3杂化，但键角近似为102°，极大地释放了P4分子的张力，因此白磷化学性质十分活泼，易于和氧气反应而自燃。

原子结构示意图、电子排布式、分子模型等化学符号为学生提供探查微观世界的眼睛，降低了学生的微观认知困难。学生对微观世界充满好奇，仅展现微观物质的静态特质是不够的，可以借助化学实验，为学生提供实验上的感知和验证，让其通过实验探究的宏观现象体会电子转移的微观实质，再用单双线桥这种化学符号表示这一微观的过程，实现宏观现象，微观实质，化学符号间的转换。

学习活动3：探究氧化还原反应的实质，用单双线桥法表征氧化还原反应

活动内容：

（1）分组实验：将锌片、铜片、稀硫酸按照如图5所示的装置组建实验装置，观察电流计的偏转以及实验现象。

讨论：

①电流计偏转的原因。

②通过锌和稀硫酸反应的离子方程式，分析化合价的变化和得失电子的关系，以及电子定向移動的原因。

（2）观察表示氧化还原反应电子转移和元素化合价升降的两种方法，如图6所示。

讨论：

①单线桥法和双线桥法有何异同？哪种能更好的表示电子地转移？

②单线桥法和双线桥法如何将宏观-微观-符号结合在一起？

（3）阅读表1中的信息，分别用单双线桥法表示钠和水的反应，分析电子转移的方向和数目，并从微观结构角度，如图7所示，解释钠和水反应剧烈的原因。

活动设计意图分析：

通过锌铜和稀硫酸构成的原电池装置，引导学生根据电流计偏转这一宏观现象探究反应的微观实质，如图5所示，Zn从0价升高到+2价，化合价升高，失去电子，生成Zn2+，Zn失去的电子被H+得到，使得电子定向移动形成了电流。学生观察到铜片上有气体生成，引导学生将观察到的宏观现象同微观实质和化学符号建立联系，如由于溶液中H+的定向移动，在铜片所在的正极得到电子产生氢气，人们用电极反应式2H++2e-→H2↑来表示这一过程。

单双线桥法将氧化还原反应宏观表现化合价变化和微观实质电子转移的方向和数目用符号表示出来，可以有效地帮助学生理解氧化剂、还原剂等相关概念，并从定量的角度分析氧化还原反应。学生根据相关资料和信息，小组合作和讨论，通过用单双线桥法分析钠和水反应，对获取的信息进行识别和加工，培养学生比较、推理、概括和应用的化学信息能力和迁移能力；根据钠和水反应的化学方程式，描述反应的现象，从微观角度解释反应剧烈的原因，再从定量角度思考“在标准状况下，钠同水反应生成2.24L H2，转移电子物质的量是多少”，使得学生分析问题的思路从定性转向定量，同时形成宏观-微观-符号三者结合分析氧化还原反应的思维方法。

三、总结与反思

应用三重表征的理论，让学生从本质上认识氧化还原反应，开展目标明确的课堂学习活动，让学生通过自主学习或者小组合作探究的模式，在分析和解决课堂学习活动设置的问题和活动的过程中，构建核心知识目标，促进化学学习能力、化学信息能力和化学实践能力等关键能力的形成，养成敢于质疑的科学精神、实事求是的科学态度和核心品格。通过本节课的学习，使学生将认识的角度从宏观转向微观，从现象转向本质，形成从宏观辨识物质的现象、性质，从微观探究物质的结构和变化的化学研究方法，建立用化学符号表征物质的组成结构及性质变化过程的思维模式，体会化学符号在沟通宏观和微观的桥梁作用。当学生能在不同表征水平之间进行信息转换时，对化学概念的理解就会越来越深刻，构建起以三重表征理论分析化学核心知识的思维模型，为后续元素化合物知识以及原电池和电解池原理等核心知识的学习奠定基础。

参考文献

[1][6]张丙香，毕华林. 中学生化学反应三重表征的困难及原因分析[J]. 教育科学研究，2013（6）：67-71

[2] 李玲，李广洲. 三重表征视域下的化学学习研究考查[J].化学教育，2015（21）：7-11

[3] 王云生.探索课堂学习活动设计落实核心素养培养要求[J].化学教学，2016（9）：3-6

[4] 胡欣，王喜贵. “宏观-微观-符号”三重表征在氧化还原反应概念中的渗透[J].化学教与学，2016（2）：28-30

[5] 吴俊明.关于核心素养及化学学科核心素养的思考与疑问[J].化学教学，2016（11）：3-8

[7] 吴庆生.化学微观表征的方法与教学策略[J]. 化学教育，2015（19）：41-44

[8] 武汉大学，吉林大学等编.无机化学（下册）（第3版）[M].北京：高等教育出版社，1994：674-680