指向科学心智模型的“氧化还原反应”教学

胡先锦

摘要：在调查高一学生氧化还原反应知识掌握和已有心智模型的基础上，以两种不同的教学设计和课堂样态开展比较研究，根据课堂观察和课后检测来探析有助于氧化还原反应科学心智模型建构的合适路径和教学范式。

关键词：氧化还原反应；心智模型；化学教学

文章编号：1005-6629（2018）1-0039-05 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

1问题提出

氧化还原反应内容是高中化学的基本原理知识之一，更是高一化学的重要内容，是学生在九年级化学的认知基础上，进一步加深对氧化还原反应的认识和理解，是学习元素及其化合物的重要认知载体，也为今后学习电化学等知识打下基础。在《普通高中化学课程标准（实验）》中，要求学生要能“根据实验事实了解氧化还原反应的本质是电子的转移，举例说明生产、生活中常见的氧化还原反应”。

笔者结合自身已有的理论研究和教学实践，发现高一学生的氧化还原反应心智模型存在阶段差异和多样类型。入学初，少部分学生持有“氧气模型”，即有氧气参加的反应（基于九年级的氧化反应认知）；大多数学生持有“路径模型”，即氢气与氧化铜加热反应中，氢得氧，发生氧化反应，氧化铜失氧，发生还原反应。经过氧化还原反应的概念教学后，所有学生均能持有“价态模型”，即反应中有元素化合价变化的反应为氧化还原反应，很少一部分学生仍兼持“路径模型”。同时，笔者对高二学生（非物化类选科）进行调查，发现绝大多数学生亦持有“价态模型”。但是，对照氧化还原反应的科学心智模型（图1），绝大多数学生对“氧化还原反应的本质是电子的转移”的“电子模型”难以形成直观认知，对氧化剂、还原剂、氧化产物、还原产物、电子转移的数目和方向等相关知识的理解存在较多的迷思概念和认知偏差甚至错误。

2指向科学心智模型的氧化还原反应的课堂教学探究

本课的教学内容是高一化学1（苏教版）专题2第一单元“氧化还原反应”，通过两种不同教学设计对高一学生氧化还原反应心智模型的形成和转变进行探析，以期能获得利于学生建立科学心智模型的课堂实践成果。

2.1研究设计

为了探析不同课堂教学样态对学生氧化还原反应心智模型的建立和达成状况，选择高一年级两个平行班进行对照研究，两个班级学生数均为50人。已有数据表明，两个班级的中考化学平均得分没有显著差异（均分差为0.11分，总分值100分）。选择部分涉及氧化还原反应的中考试题编制了前测试题，结果显示两个班级学生的氧化还原反应知识的掌握情况没有明显差异（均分差0.06分，总分值50分）。

根据前期调查结果和《普通高中化学课程标准（实验）》教学要求，在两个班（A班和B班）分别采用两种不同的教学样态展开（时间均为45分钟），并进行随堂练习和课后检测（后测）。随堂练习在课堂上穿插进行，通过口头表达（出声思维）、板演或作业后投影（可视化思维）的形式，以及时观察学生氧化还原反应心智模型的形成过程和达成情况，了解学生已有心智模型与科学心智模型的差异，以期利于实现其转变和完善；课后检测主要用于了解学生氧化还原反应知识的掌握牢固程度和心智模型的固化效果，在一周后进行，试题主要来自主流教辅用书。通过两个班级的随堂练习反馈情况和课后检测得分情况，比较两种不同教学样态对高一学生氧化还原反应心智模型的建立和固化的影响。

2.2教学设计

在A班以讲授和习题训练的方式开展教学（见图2），主要依据课程标准的教学要求对氧化还原反应知识点进行讲解，再通过习题训练的方式进行巩固和强化，侧重知识点的掌握。A班教学设计的时间分配侧重于“示例分析”（约15分钟）和“训练巩固”（约15分钟）环节，主要运用双线桥或单线桥法对某些氧化还原反应方程式进行例题分析和强化巩固，训练学生能正确找出一个氧化还原反应中的氧化剂、还原剂、氧化产物、还原产物，分析出氧化反应、还原反应，能通过化合价的升降标出电子转移的方向和数目。

从中学化学教学而言，建立科学的化学心智模型，往往需要通过真实情境、化学模型、生活经验和科学探究等作用于个体的视觉、听觉和触觉，经学习者个体相应的删减选择（与认知风格有关）和想象建構（符号、表象），从而形成初始心智模型。初始模型通过语言、文字和动作等去解决问题，并在其间不断地进行修正，进而生成科学（综合）心智模型。已有研究也表明，心智模型的影响因素既包括个体的内在认知，也包括外部条件。虽然学习者个体的内在特征因素对心智模型的建构和发展有着至关重要的关键作用，如性格潜在的自我效能感、年龄增长的心理变化、特定经历的认知突变等。但是，外部条件往往会影响着和作用于个体的内在认知，并改变内在认知。学生在学校的学习经历是影响心智模型的非常重要的外在因素，如教育资源、教学范式、学习方式、人际交往、学校文化等。

因此，笔者在B班教学中，以情境创设、实验探究、小组协作等多种形式组织课堂教学（见图3），通过创设情境，激发学习兴趣和问题探究意识，从不同层面和角度对氧化还原反应知识进行探究和学习。相对于A班，B班将较多的“示例分析”和“训练巩固”的时间用于对氧化还原反应本质和“电子模型”的探究性学习，即“实验探究”（约5分钟）、“全面认知”（约20分钟）和“实践应用”（约7分钟）环节，侧重关注学生的主动学习，促成认知进阶的达成，引导学生完成心智模型的转变和科学模型的建立。

笔者在两个班级所进行的差异性教学主要体现在以下方面：第一，在A班仅采用“回顾旧知”的方式，以氢气还原氧化铜的反应进入教学，随即给出氧化还原反应的概念，而在B班的课堂引人以榨果汁（喝果汁）为情境，再进入旧知回顾环节，旨在给学生一个真实的生活情境，也是学生日常生活中所熟悉的问题，直接作用于学生感官。第二，在理解“电子转移”的教学环节中，A班仅通过双线桥法的示例来告知学生氧化还原反应的本质是电子的转移。在B班则是让学生结合九年级所学物理知识借助电流表自主设计实验方案，验证金属锌与稀硫酸反应中的电子转移（见图4），从而将反应中微观的电子转移实现宏观化。第三，在建构氧化还原反应科学模型的过程中，A班主要通过双线桥法对多个氧化还原反应进行分析以达到对基本概念的掌握和电子模型的强化，B班则分别通过原子结构微观分析、双线桥法或单线桥法（见图5）、实验探究电子转移等多种形式，不断延伸和强化对氧化还原反应相关基本概念的认识，实现氧化还原反应心智模型的持续转变和科学形成，同时也能培养和提升学生的三重表征能力。第四，关于物质氧化性、还原性相对强弱的比较，A班在本节课中没有涉及，而在B班则是引导学生根据九年级所学的“强酸制取弱酸”的知识进行类比迁移。第五，课堂结尾时A班仅通过较多习题训练的方式进行知识的巩固和强化，而在B班则再次回到诸如补铁剂、苯酚软膏等药品使用说明书中的关于抗氧化的信息，食品包装袋内的抗氧化剂等生活实际问题，随后再进行endprint

2.3教学结果及分析

2.3.1课堂学习动机和教学氛围出现显著差异

笔者的后续访谈表明，B班学生的学习兴趣和学习动机明显强于A班。B班的所有学生均表示想“一探究竟”，而A班有80%的学生愿意学习，且普遍认为是“因为书上有，需要学呀”。听课教师的课堂观察也显示，在B班将鲜榨果汁用小杯分送给学生，学生的课堂情绪和学习兴趣都得到了充分的正向影响，所有学生都表示想深入学习氧化还原反应，课堂互动和积极程度都很高，而A班课堂相对沉闷，学习较为被动。B班学生在学习氧化性、还原性等基本概念后，有部分学生就很快提出“是不是所有能得到电子的物质都能作氧化剂”、“前面几个例子中的氧化剂的氧化性一样强吗”等问题，随后学生经过短暂讨论后很快根据九年级的“强酸制弱酸”知识找到了氧化性、还原性相对强弱的比较方法。最后的“实践应用”环节，学生对维生素c的“说明书”分析讨论更加热烈，将氧化还原反应与生产生活实际能很好地进行联系，并能用以解决某些实际问题。

学习动机是指引发与维持学习者的学习行为，并使之指向一定学业目标的一种心理动力倾向，是直接推动学习者进行学习的一种内部动力，以激励和指引学习者进行主动学习。尽管动机并不是直接地介入认知过程，也不会通过同化机制发生作用，而是通过引发兴趣、集中注意力等去影响认知过程。课堂中的“鲜榨果汁”和“抗坏血酸”等与学生自身生活实际密切相关的真实情境，能很好地激发学生的“认识与理解的需要”，为学生心智模型的转变奠定了积极的心理认知基础。

2.3.2心智模型转变程度和科学模型固化比例存在显著差异

研究表明，B班学生通过实验探究认知氧化还原反应中的电子转移来建立“电子模型”，A班则采用模仿训练的方式进行认知强化。B班的学生充分认可并真正理解了“电子模型”，而A班学生则仅初步学会采用双线桥法对反应进行表征，对“电子模型”没有充分理解和认可，访谈中有不少学生回答“我不知道到底有没有电子的转移”。后测结果显示，92%的B班学生能正确分析一個氧化还原反应，而A班只有42%的学生能正确完成；有90%的B班学生建立了科学的氧化还原反应心智模型，A班仅有46%的学生能建立科学模型；B班的随堂测试平均得分显著高于A班（p<0.05）；在学期末的跟踪调查中，B班仍有84%的学生能正确借助线桥法分析氧化还原反应，A班仅有30%的学生能较好完成；对期末测试卷中涉及氧化还原反应的试题得分统计显示，B班得分显著高于A班（p<0.01）。

从心智模型的形成机制来看，不仅是让学生听到、看到，要让学生主动地动脑、动手，还要让同伴之间进行讨论、分享，才能更好促进学生的学科思维，引领学生进行心智模型的自主修正和完善，并固化所形成的科学心智模型。本课教学中，从新鲜果汁、电流表，到小组讨论、生活实际，到实验设计、类比迁移，不断引导学生主动修正和完善了氧化还原反应的心智模型。同时，就培养高中化学学科核心素养而言，通过使用电流表来观察金属锌与稀硫酸反应中的电子转移，让学生经历实验目的确定、实验方案设计和优化、证据收集和推理、协作进行实验操作、结果表达和交流等，能很好地培育学生宏观辨识与微观探析、证据推理与模型认知、科学探究与创新意识等核心素养。

3结语

实践证明，根据学生的氧化还原反应认知基础和科学模型，采用真实情境、实验探究等教学方式对高一学生氧化还原反应心智模型的修正和完善、建构科学心智模型并长期固化是富有成效的。基于此，笔者认为，在高一氧化还原反应教学中，首先，紧密结合社会生产或学生的日常生活实际中涉及氧化还原反应的真实情境，丰富学生认知情境经验，激发学生的学习兴趣和学习动机，引导学生学会在真实情境中分析解决真实的问题。其次，借助电池原理来实验探究，促进学生真正认识和理解氧化还原反应中的电子转移，帮助学生建立“电子模型”，引领学生自主设计实验方案和小组协作探究，培养知识迁移应用意识和能力；对于物质氧化性、还原性相对强弱的比较，也要引导学生迁移“强制弱”的化学认知，指导学生辩证地分析问题。再次，要立足原子结构的微观分析，联系宏观现象，通过双线桥或单线桥法来完成对氧化还原反应的全面分析，帮助学生全面认知氧化还原反应，实现“宏-微-符”的联结，提升学生的三重表征能力。这样的教学，既有助于帮助学生转变和建立科学的化学心智模型，也契合了当前基础教育改革所指向的核心素养的培养。这种“基于真实情境的问题解决”的教学样态，也就不仅只适用于氧化还原反应的教学，在化学学科的其他内容或者是其他学科的教学中，都是具有较为普遍适用的意义的。endprint