“氧化还原反应”原创课时作业的设计

赵婷

摘要： 以氧化还原反应概念理解的认知过程和进阶发展为主线，问题情景力求真实，主要介绍填空题、思考题、讨论题、实践题和开放题的课时作业设计。设计的作业中注重问题的育人价值，使学生在完成作业时能经历逻辑推理、自主合作、实践探究、设计表达的学习过程，逐级加深对氧化还原概念的理解，培养解决问题的能力及素养。

关键词： 概念理解; 氧化还原; 作业设计; 教学研讨

文章编号： 10056629（2022）09007806

中图分类号： G633.8

文献标识码： B

科学概念是科学知识的重要组成部分，科学概念学习是发展学生关键能力和素养的重要载体。因此，科学概念作为科学教育的重要内容应得到充分重视[1]。化学教育作为科学教育的分支，在教学中仍存在学生对概念性知识理解不深入，应用概念解决问题能力不强的问题。作业是促进学生概念理解的教学环节之一，通过作业促进学生对氧化还原反应概念的理解，能使学生认识到物质的变化是有规律的，氧化还原是分析化学反应的重要视角，利用氧化还原理论可以解决生活中的实际问题，从而有效落实“变化观念与平衡思想”的化学学科核心素养。本文旨在以2021年版沪科版高中化学教材必修第一册“氧化还原反应”课时作业为例，探索促进学生概念理解的作业设计。

1 概念理解的认知过程和发展进阶

1.1 概念理解的认知过程

布鲁姆教育目标分类学中，“理解”是促进学习迁移的认知类别之一。理解是新获得的知识与现有的心理图示和认知框架的整合。因为概念是组成这些图示和框架的基本模块，所以概念性知识是理解的基础。概念理解包括解释、举例、分类、总结、推断、比较和说明等七个认知过程，其具体含义见表1[2]。

七个认知过程围绕概念理解，按认知方法的不同进行分别描述。其中，既包含了概念的低阶认知，如“解释”，指学生能够运用自己的语言（可能是文字、图片或数字）将概念转述出来，能澄清概念的边界;也包含了对概念的高阶认知，如“说明”或称“建模”，即面对具体问题，能协调构成概念的各个因素间的因果关系，利用概念系统解释或解决问题。

1.2 概念理解的发展进阶

郭玉英等[3]基于学习进阶理论，建构了契合我国学生实际的科学概念理解的发展层级模型，将学生对概念的理解过程划分为5个发展层级，并对应于相应的层级描述，具体内容如表2所示。

从低阶到高阶的5个进阶层级，使学生的思维进阶过程清晰可见。其中“映射”“关联”“系统”属于某一概念本体的认知发展，“经验”是学习该概念前的知识回忆，“系统”则是学生将这一概念与其他概念建立联接，重构知识体系的过程。

2. 促进概念理解的“氧化还原反应”课时作业设计

2.1 基于两种概念理解的作业设计思路

布鲁姆目标分类学中的概念理解侧重于认知过程

及方法视角，基于学习进阶的概念理解侧重于思维进阶视角，两者虽有不同，却相互交织。在概念理解每一个发展层级中均包含了若干种认知方法，只有通过具体的认知方法训练才能达到思维进阶的目的。基于对两种概念理解的认识和关系梳理，依据本课时教学目标和学生学情，确定作业设计的思路，如图1所示。

2.2 原创课时作业内容与设计说明

2.2.1 知识回味

氧化还原理论是无机化学基本理论之一，它的形成与发展经历了一段历史演变过程。按照氧化还原理论的发展顺序，请完成下面相关的填空：

答案： 化合价，电子，Mg，CO2，0价Mg，+4价C，Mg，CO2，4e-

设计说明： 本题引导学生站在化学史立场，以人类对氧化还原理论完善为时空线索，与初中学习的氧化还原概念相连接，分别从表象、特征和本质三个维度，结合具体案例解释氧化还原反应概念的核心内容，同时了解和体验科学家不断实践、追求真理的探索精神。

2.2.2 辨析推理

氯是重要的“海洋元素”，氯单质及其化合物具有丰富多样的化学性质。请从氧化还原反应的视角，对氯单质的相关化学反应再认识。

（1） 标出①和⑤中电子转移的方向和数目，并针对Cl2发生反应的情况进行连线：

① 2Fe+3Cl2点燃2FeCl3

② Cu+Cl2点燃CuCl2

③ H2+Cl2点燃2HCl

④ H2O+Cl2HCl+HClO

⑤ 2NaOH+Cl2NaCl+NaClO

+H2O

Cl2发生氧化反应

Cl2发生还原反应

（2） 通过对反应①～⑤的分析观察，我们发现：

①②中，Cl2均发生   _______  （选填“得到”或“失去”）电子的  _______   （选填“氧化”或“还原”）反应，反应后氯元素的化合价均为   _______  ，Cl2通常将变价金属转化为    價态。

• ③属于四种基本反应类型中的    反应，该类型反应一定是氧化还原反应吗？请全面考虑并结合具体反应加以判断_______     。

④⑤   _______  （选填“能”或“不能”）能归类于四种基本反应类型吗？“四种基本反应”和“（非）氧化还原反应”都是化学反应的分类方法，它们的分类依据分别是什么？

答案：

（1）

① 点燃2FeCl3

② Cu+Cl2点燃CuCl2

③ H2+Cl2点燃2HCl

④ H2O+Cl2HCl+HClO

⑤ 2NaOH+NaCl+NaClO+H2O

Cl2发生氧化反应

Cl2发生还原反应

（2） 得到，还原，-1价，较高。

化合。化合反应不一定是氧化还原反应，反应①②③中元素化合价有变化则属于氧化还原反应，但如在CaO+H2OCa（OH）2的反应中，元素化合价无变化的化合反应则不属于氧化还原反应。

不能。“四种基本反应”的分类依据是反应物和生成物的类别以及反应前后物质种类的多少;“（非）氧化还原反应”的分类依据是反应中有无电子转移或化合价升降。

设计说明： 在学生对氯气的化学性质有了感性认识的基础上，本题引导学生用氧化还原理论分析氯气的性质，归纳氯气在氧化还原反应中的主要特征。能运用“化合价变化”的特征表现，基于证据进行推理总结，将氧化还原反应与四种基本反应类型间的关系梳理清楚，培养学生化学反应的变化观和分类观。

2.2.3 迁移运用

上海朱家角古镇的黛瓦白墙是小镇典型的建筑特色，建筑材料青砖、青瓦为什么显青色？阅读资料，了解它们的烧制过程。

资料： 砖瓦烧制是以黏土、页岩为原料，砖瓦焙烧分为氧化焙烧和还原焙烧两种。氧化焙烧： 通入足量空气，在900～940℃的烧结温度下，将Fe元素全部氧化为Fe2O3（呈红棕色），即得常用的红砖。还原焙烧： 在氧化焙烧后，密封窑体，隔绝空气，加煤炭，通过燃烧耗尽氧气并形成还原氛围，该过程中Fe2O3与CO反应得到FeO（呈黑色），这就由红砖变成了青砖[4]。

（1） 在还原焙烧中涉及两个主要的氧化还原反应，请书写化学方程式：________ 、________ 。

（2） 在还原焙烧时，还可能有副反应发生，请写出相应的化学方程式：________  。

（3） 由（1）和（2）可得，发生氧化还原反应时，反应物相同，但得到的产物未必相同。试分析哪些因素可能会影响产物种类？

答案：

（1） 2C+O2点燃2CO

Fe2O3+CO△2FeO+CO2

（2） C+O2点燃CO2

Fe2O3+3CO△2Fe+3CO2

3Fe2O3+CO△2Fe3O4+CO2

（3） 氧化剂或还原剂的用量、反应温度等

设计说明： 本题以上海古镇的建筑特色为背景，学生有效解读信息，结合氧化还原概念，能识别、判定砖瓦烧制过程中的氧化还原反应，并尝试分析反应条件对氧化还原反应的影响。通过理论联系实际，让学生感悟同一个氧化还原反应并不是一成不变的，在工业生产中反应条件的控制非常重要。

2.2.4 实践探究

氧化还原反应的本质是电子转移，我们能“看”到反应中的电子转移吗？让我们一起尝试在实驗室动手实践并完成体验吧！按下图搭建好装置。

（1） 分析原理

写出铁与硫酸铜溶液反应的化学方程式，并标出电子转移的方向和数目 。

（2） 观察记录

（3） 解释现象

该装置名为“原电池”，Fe片、Cu片是原电池的两个电极。电子可在导线、Fe片、Cu片中定向移动，电子的定向移动形成电流。反应开始后，溶液中的Cu2+向Cu片移动，并在铜片上发生反应。

建议： 可参考以下模型分析实验现象，也可采用其他方式，能表述清楚即可。

（4） 思考交流

结合你在实践活动中“看”到的电子转移，请与同伴交流，说一说你对“氧化反应和还原反应的对立统一关系”的看法。

答案：

（1） Cu+FeSO4

（2）

（4）

氧化还原反应的本质是电子转移，电子的“得”与“失”同时发生，氧化反应和还原反应必然也同时发生。氧化反应的本质是失去电子，还原反应的本质是得到电子，两者本质不同。因此，两者是既对立又统一的关系。

设计说明： 本题鼓励学生走进实验室，借助原电池装置完成电子转移的观察。通过过程引导，支撑学生完成各项任务，解释现象时提供了分析模型帮助学生理出头绪;学生将宏观现象与微观变化进行互动分析，理解特征和本质的“表”与“里”的关系。同时，学生通过对电子“得”“失”的观察，使“氧化反应”和“还原反应”既相互对立又不可分割的关系变得更有说服力，培养学生宏观辨识与微观探析的核心素养。

2.2.5 设计表达

脱氧剂能有效保持食品的色、香、味，对于油炸食品、奶油食品、月饼、奶酪之类富含高油脂的食品，具有防止油脂、维生素等营养物质被氧化破坏，使食物在近似无氧的状态下较长期地保鲜。目前使用最为广泛的无机脱氧剂主要有亚硫酸盐系脱氧剂和铁系脱氧剂。其中铁系脱氧剂的成分是铁粉或亚铁盐。以铁粉为主剂的脱氧剂，主要反应如下（已知反应②是可能发生的副反应之一）[5]：

Fe+2H2O（g）Fe（OH）2+H2①

3Fe+4H2O（g）Fe3O4+4H2②

4Fe（OH）2+2H2O+O24Fe（OH）3

2Fe2O3+6H2O③

结合以上信息并查阅相关资料，设计一份《铁粉脱氧剂产品说明书》（应包括产品名称、成分、性状、适用范围等内容）。

参考答案：

铁粉脱氧剂产品说明书

[产品名称]通用名称： 铁粉脱氧剂;汉语拼音： Tiefen Tuoyangji

[成分]铁粉

[性状]黑色粉末

[适用范围]可应用产品包括糖果、糕点、干酪、坚果炒货、水产干货、熟肉制品、干制蔬菜等

[用法用量]1克铁粉脱除约500mL空气中的氧气，可根据包装后残存的氧气量和包装膜的透氧性选择合适的用量。

[使用方法]

（1） 将被保鲜食品同脱氧剂一起放入透氧率低的复合包装袋中，热封封口;

（2） 选择透氧率低的包材，如复合膜包装袋、塑料罐、玻璃罐、铁罐等;

（3） 要注意封口强度和封口质量，勿使其漏气。

[注意事项]

（1） 不可微波、不可食用;

（2） 适用于含脂肪多和油性食品的保鲜，不宜用于含水量大的产品保鲜;

（3） 脱氧保鲜的适宜温度一般在5～40℃，低于-5℃，脱氧保鲜效果下降;

（4） 打开包装后，最好在1～2小时内用完并封好被保鲜物，尚未用完的，应及时排出原包装袋内空气后重新密封，以免失效。

设计说明： 本题引导学生走进生活，通过解读信息，了解脱氧剂的基本化学原理。鼓励学生课外查阅资料，更全面地了解铁粉的物理、化学性质，将铁粉性质与作为“脱氧剂”的用途之间建立关联，将多重信息整合归纳，设计完成一份铁粉脱氧剂的产品说明书，发展学生的阅读、概括、设计、写作等科学素养。

3 课时作业设计反思

本次作业设计以化学学科核心素养的培养为导向，在充分研读课程标准和教学目标的基础上，进行课时作业的原创。作业目标主要围绕“变化观念与平衡思想”的素养落实[6]，使学生通过氧化还原反应概念的理解深化对物质变化的认识。与传统作业相比，作业设计中以促进概念理解为主线，问题情景力求真实，重点研究了填空题、思考题、讨论题、实践题、开放题的设计，以期促使学生在完成作业时能经历逻辑推理、自主合作、探索實践、创新表达等更丰富的学习过程，逐步加深对概念的理解，并实现能力提升和素养落实。笔者对本次原创课时作业设计有以下几点反思。

3.1 分级促进概念理解，实现思维进阶

作业设计时借助“科学概念理解的发展层级模型”，根据学生对氧化还原反应的认知规律，从学生初中学过的氧化还原反应概念起步，将作业目标参照模型划分为经验、映射、关联、系统、整合5个发展层级，在每一级中通过设置不同类型的题目，学生依次运用回忆解释、归纳总结、推断判定、分析说明、综合应用等认知方法，由易到难、由简单到系统、从具体到抽象循序渐进解决问题。五道大题以及每题内小题间的逻辑关系体现了层次性和选择性，可以满足不同学生的需要，也可以实现思维水平的逐级进阶和对能力的渐序培养。

3.2 提升问题智育价值，激发学习兴趣和探索精神

作业中的问题设计不仅要关注知识的落实和巩固功能，更要关注在培养学生思考力中所存在的智育价值。一个好问题，应有助于培养学生周全、透彻和仔细思考问题的习惯，形成对问题的高阶认知，从而真正地激发学生的学习兴趣和探索精神。例如辨析推理中的“（2）‘四种基本反应和‘（非）氧化还原反应都是化学反应的分类方法，它们的分类依据分别是什么”;迁移运用中的“（3）由（1）和（2）可得，发生氧化还原反应时，反应物相同，但得到的产物未必相同。试分析哪些因素可能会影响产物种类”;实践探究中的“（4）结合你在实践活动中‘看到的电子转移，请与同伴交流，说一说你对‘氧化反应和还原反应的对立统一关系的看法”等三个问题均属于开放性问题，思考空间大，答案也不唯一。三个问题依次引导学生从反应分类、反应条件、微观本质各维度审视氧化还原反应，有利于学生对氧化还原概念的深度理解，激励学生对氧化还原问题进行思辨探究。

3.3 创设真实问题情景，在实践活动中培养学科核心素养

科学概念的建构离不开科学实践活动，实践性作业能凸显化学学科特征，实践性作业要在真实情景中进行设计，尤其要密切联系生活。本课时作业中设计了实践探究和设计表达两项实践活动，前者侧重于学生动手实践，基于实验现象进行分析推理，运用宏微结合的化学思想，促进对氧化还原反应特征和本质间关系的理解。后者侧重于科学写作，学生须利用氧化还原概念系统解决问题，包括阅读理解铁粉性质资料、建立铁粉性质与用途的联系、设计产品说明书的结构以及综合考虑环境保护、绿色化学等多重因素，才能完成好《铁粉脱氧剂产品说明书》的撰写。实践性作业引导学生走进实验室、走近生活开展实践活动，在真实问题解决过程中，培养创新意识，提升化学学科核心素养。

参考文献：

[1]张玉峰. 基于概念理解测试的科学概念教学策略[J]. 教育科学研究， 2018， （5）： 58～62.

[2]洛林·W. 安德森（Lorin W. Anderson）等编著. 蒋小平等译. 布鲁姆教育目标分类学修订版（完整版）分类学视野下的学与教及其测评[M]. 北京： 外语教学与研究出版社， 2017： 54～58.

[3]郭玉英， 姚建欣. 基于核心素养学习进阶的科学教学设计[J]. 课程·教材·教法， 2016， 36（11）： 64～70.

[4]张婷， 徐惠. 基于真实生活的化学主题式情境教学——以“高一氧化还原反应专题复习”为例[J]. 化学教学， 2021， （1）： 66～71.

[5]吴建文， 李冰， 李琳. 脱氧剂的研究和应用[J]. 食品科学， 2002， （5）： 148～149.

[6]中华人民共和国教育部制定. 普通高中化学课程标准（2017版）[S]. 北京： 人民教育出版社， 2018.