注重概念建构融合科学史实的教学设计

顾晔

摘要：“氧化还原反应”是高中化学阶段具有重要学科价值的基本概念之一，其概念的进阶不仅是对学生原有知识的发展和完善，也体现了科学知识是变化的这一科学本质观。本设计选择国內外相关科学史实，引导学生从不同层次建构氧化还原反应概念，并在S7SE的情境下应用氧化还原反应的相关概念解决实际问題。

关键词：氧化还原反应，概念模型，科学史，科学本质，STSE

文章编号：1008-0546（2020）05-0007-04 中图分类号：G632.41 文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2020.05.002

“氧化还原反应”是高中化学重要的基本概念之一，从不同角度对化学反应进行分类、进一步理解物质的转化、应用化学基本概念解决实际问题等具有重要的学科价值。目前“氧化还原反应”的教学设计有以下模式：（1）将概念转变成学习工具，运用氧化还原反应知识解决实际问题;（2）选择合适的实验情境，基于实验探究的概念原理教学;（3）基于学习任务分析和学情的教学设计;（4）通过生活场景再现创设问题情境等。以上设计均考虑到情境设置的重要性，本设计尝试选取科学史实和STSE素材进行情境创设，帮助学生从不同角度建构氧化还原反应概念，在此基础上加深对概念的理解并进行合理的应用。

一、课程标准摘录和分析

1.内容标准分析

在九年级《化学》从“得失氧”角度分析“氧化反应”和“还原反应”的基础上，《普通高中化学课程标准》在教学内容上提出了三个新的要求：（1）认识有化合价变化的反应是氧化还原反应;（2）了解氧化还原反应的本质是电子的转移;（3）知道常见的氧化剂和还原剂。这三个内容符合氧化还原反应概念发展的规律，体现了科学本质中科学知识有其持久性的同时还具有暂时性，所以在高中阶段氧化还原反应的新授课中将新增概念与原有概念有机地融合是授课准备的核心，也是大多科学概念建构的常见模式。

2.教学提示分析

《普通高中化学课程标准》在“教学策略”部分强调了学生学完氧化还原反应后能解决怎样的问题，即利用氧化还原反应指导元素化合物的学习;从氧化还原反应角度分析生产和生活实际中的真实问题。

这两点对问题情境的选择和设计提出了较高要求，一方面离学生现有知识水平不能太远，另一方面要注意问题的真实性;“学习活动建议”中提到的“氧化还原反应本质的探究”本设计拟以锌铜原电池的演示实验为探究素材;“情境素材建议”提到的“氧化还原理论建立的史料”一方面要符合氧化还原反应的发展历程，同时也要注意中西方科学发展史的结合（毕竟我国古代的冶金工艺在一定时间内也是处于领先地位的，而冶金工艺是离不开氧化还原反应的）;“日常生活中的氧化还原反应”则可以借助合适的STSE素材，进行真实情境下问题解决的设计，本设计选取了“汽车发动机废气经过三元催化器前后的变化”和“含六价铬废水的处理”两个素材。

3.学业要求分析

《普通高中化学课程标准》在本内容的“学业要求”部分首先要求“学生学完氧化还原反应后能从新的角度对常见的反应进行分类和分析说明”，从“得失氧”到“化合价升降”的概念进阶可以顺利解决类似问题;“能从元素价态的角度，依据氧化还原反应原理预测物质的化学性质和变化”是应用层面的要求，本设计中“如何将发动机废气中的氮氧化物（NO_x）转化为无污染的氮气”与此要求是一致的;最后从电影《永不妥协》中提取的STSE素材则对应了“能有意识运用所学的知识或寻求相关证据参与社会性议题的讨论（如酸雨和雾霾防治、水体保护、食品安全等）”的学业要求。

当然，以上学业要求的达成不是一蹴而就的，虽然本节课均有涉及，但从认知层次上还是要有所区分的，例如同样是含铬废水的处理，第2问定量分析的要求可以视学生的基础考虑是否采用，但从离子反应进行分析对大部分高一学生而言就显得要求过高了。

二、学习者分析

“氧化还原反应”位于高一化学必修1模块第二章第三节，在此之前学生完成了化学实验、物质分类及离子反应等相关知识的学习（对于目前使用新课标旧教材的学生群体），另外学生在初中的已有基础上已经能从得失氧角度对“氧化反应”和“还原反应”分别进行分析，较熟悉的反应有可燃物的燃烧、氧化铜在一定条件下被还原、水煤气的产生等。考虑到学生已有认知水平和科学概念发展的规律，本节课学生概念的建构任务有以下3个：

（1）得氧和失氧是同时发生的，即氧化反应发生的同时还原反应也发生了;

（2）得失氧判断氧化还原反应的方法在没有氧元素参与时受到限制，即进阶到从化合价角度分析氧化还原反应：

（3）化合价变化的内因何在呢？从得失电子角度分析氧化还原反应。

三、教学目标

1.通过化学史实的呈现和分析，了解氧化还原反应的宏观特征和微观本质;

2.通过典型氧化还原反应的类比分析，掌握氧化剂和还原剂在反应中的行为;

3.通过电化学演示实验和对典型氧化还原反应的化合价升降分析，发现氧化还原反应中电子得失守恒关系。

四、教学过程

1.引入环节

我国古代有着先进的金属冶炼的技术，以“湿法炼铜”为例：

史料1：湿法炼铜

西汉刘安所著《淮南万毕术》中记载有“曾青得到铁则化为铜”。

明代宋应星著《天工开物》记载了胆水浸铜法（图1）：胆水浸铜是指直接将天然胆水引入人工建造的沟槽中，浸泡铁片。

2.建构概念模型：氧化还原反应的概念

[学习任务1]从得失氧角度和化合价升降认识氧化还原反应

a.分析反應（1）中反应物的得氧和失氧情况，概括反应前后相关物质“得失氧”的情况。

b.分析反应物（1）、（2）化合价变化，概括反应前后相关元素“化合价升降”的情况。

[设计意图]选取学生熟悉的两个反应，体会从“得失氧”角度和“化合价升降”角度认识氧化还原反应的两种方法，比较二者的使用范围。

史料2：电化学的发展和电子的发现

1836年，英国科学家丹尼尔对“伏打电池”进行了改良，制造了一个能稳定工作的铜锌原电池，称为丹尼尔电池。

1897年约瑟夫·约翰·汤姆逊根据放电管中的阴极射线在电磁场和磁场作用下的轨迹确定阴极射线中的粒子带负电，并测出其荷质比，这在一定意义上是历史上第一次发现电子。

演示实验：演示锌铜原电池（简化的丹尼尔电池）工作时电流表指针的转动。

[学习任务2]从电子转移角度认识氧化还原反应

学生：观察实验，分析反应（1）和反应（2）中的电子转移情况。

（1）概括反应前后相关物质“电子得失”的情况并填人表3。

（2）你如何看待同一个氧化还原反应中“得失氧”“化合价升降”和“电子的转移”这三者直接的关系？如果撤去电流表，反应中还存在电子的转移吗？

[设计意图]利用“丹尼尔电池”“汤姆逊发现电子”两则科学史材料和简单锌铜原电池的演示实验，帮助学生从宏观现象逐渐深入到反应的微观本质，逐步认识一个氧化还原反应化合价升降背后的“实质”——电子的转移，这也与氧化还原反应概念的发展史是一致的。

史料3：氧化还原反应概念发展（表4）。

[设计意图]从得失氧、化合价升降和电子转移角度认识氧化还原反应的历程也是科学发展的历程，通过表1的总结一方面呈现让学生认知与科学发展史的一致性，另一方面认识到每一种认知角度都是与当时的理论发展是一致的，而不是简单的“对”或者“错”。

[学习任务3]认识氧化剂和还原剂，体会它们在氧化还原反应中的作用。

学生：分析H₂和单质铁在反应（1）和反应（2）这两个反应中的作用。

（1）归纳H₂和单质铁反应前后化合价变化情况。

（2）概括氧化剂、还原剂在反应中的变化特点，填入下表.

[设计意图]氧化剂和还原剂的判断本身不是目的，更不是为了迷惑学生而出现的概念，所以起始阶段应该单一些简单的、学生不易迷惑例子帮助学生归纳氧化剂和还原剂在反应前后的变化特征，为后面的应用打下基础。

[学习任务4]电子得失守恒的验证

已知：反应（3）、（4）可以用于铁、钛的制取：学生：判断反应的氧化剂和还原剂，并从化合价升降和电子得失角度分析反应（3）、（4），归纳反应前后氧化剂得到的电子数与还原剂失去的电子数有何关系。

[设计意图]由化合价升降数目相等过渡到电子得失守恒，为在真实情境中运用电子守恒解决实际问题做好准备。

3.应用概念：STSE情境下的问题解决

STSE素材1：三元催化器中的主要反应。

汽车尾气排放前需经过“三元催化器”（图2）。三元催化器是净化汽车发动机排放气体的重要装置，其内部存在铂、铑、钯等贵金属，它们可以促使发动机室排出的碳氢化合物（C_xH_y）、CO及氮氧化物（NO_x）转化为对环境几乎不产生危害的气体。

（1）氮氧化物（NO_x）是造成硝酸型酸雨的源头之一，包括NO、NO_x等，结合素材1猜想氮氧化物经过三元催化器后的产物。

（2）要想获得这种产物，氮元素化合价如何变化，与具有____性的物质反应比较合适？

（3）反应2CO+2NO向→N₂+2CO₂（反应条件略去）中的还原剂是___。

（4）完成反应方程式：CO+NO₂→……（反应条件略去），和同伴交流你是如何分析反应产物、如何配平的。

STSE素材2：电影《永不妥协》——与六价铬的斗争

女主角埃琳（茱莉亚罗伯茨饰）在一堆有关资产和债务的文件中很偶然地发现了当地社区隐藏着的重大环境污染事件，一处非法排放的有毒污水（含六价铬）正在损害居民的健康，是造成一种致命疾病的根源。

废水在反应池中用硫酸调至酸性，投加FeSO₄溶液，使六价铬还原为三价铬，然后投加石灰乳，其基本工艺流程如图3，试分析：

（1）FeSO₄使六价铬还原为三价铬的过程中做为还原剂，依据是____;

（2）若一份水样中含lmol K₂Cr₂O₇，理论上需要消耗____molFeSO₄。

[设计意图]关注与化学有关的社会热点问题，应用氧化还原反应基本概念解决实际问题，在此过程中认识环境保护（大气污染和水污染的综合治理）的重要性，培养学生的“绿色化学”观念和“可持续发展”意识。

五、教学反思

1.挑选怎样的化学史实——为概念模型建构服务

科学史与儿童心理发展的相似性与连续性可以从科学教育的实证研究中寻找证据，有学者指出学生有很多概念与科学史是相平行的，科学史不仅帮助我们了解科学概念产生的情境，也可提供我们对于科学概念学习顺序的判断。从科学的本质理解氧化还原反应，不应该简单地将之定义为某一个确定的概念，而应该结合科学史中的相关素材让学生看到氧化还原反应的概念也是逐步发展的。

本设计首先选择学生熟悉的氢气还原氧化铜和湿法炼铜两个反应为主要对象进行氧化还原反应概念的建构，从得失氧的同时发生到化合价的有升有降，实现了概念的第一次跨越;再利用丹尼尔电池和汤姆生发现电子两则科学史素材，让学生了解化合价升降表象下面的实质——电子的转移，实现了概念的第二次跨越;至此利用“史料3”总结三种层次的定义与科学发展的一致性，从宏观到微观、从表象到本质，符合科学知识是变化的（Tenativeness）这一科学本质，可见氧化还原反应的概念进阶本身就是“科学知识是变化的”真实体现。

2.挑选怎样的STSE素材——为概念的迁移应用服务

为什么要建构氧化还原反应的概念？这是老师讲授氧化还原反应前需要问自己的一个问题。工业生产、日常生活和社会发展中有太多的氧化还原反应以及与氧化还原反应息息相关的问题，本教学设计选择了社会关注度较高的汽车尾气排放和工业废水污染两则情境素材，包括汽车尾气处理的三元催化的简单原理和含六价铬废水的处理。鉴于高一新生的知识掌握的现有水平，本设计借助这两则STSE素材让学生进一步去理解氧化还原反应及氧化剂和还原剂的作用，在定性掌握氧化还原反应相关概念的基础上，尝试带领学生根据得失电子守恒从定量视角分析素材1中第4问给定情境的氧化还原反应的配平和素材2中FeSO₄用量的计算（该部分可以視学生基础合理取舍），旨在引导学生建构氧化还原反应概念的基础上应用该基本概念解决真实情境下的问题。