问题驱动，促进认知模型建构

胡先锦

摘要：高中化学教学要让学生“知道可以通过分析、推理等方法认识研究对象的本质特征、构成要素及其相互关系，建立认知模型，并能运用模型解释化学现象，揭示现象的本质和规律”，“能依据物质及其变化的信息建构模型，建立解决复杂化学问题的思维框架”。因此，教学苏教版高中化学必修第一册《氧化还原反应》一课时，基于对教学内容和学情的分析，创设真实情境，通过问题驱动，引导学生持续探究，逐步建构科学的氧化还原反应认知模型。

关键词：认知模型;高中化学;氧化还原反应

《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》（以下简称《课标》）指出，要让学生“知道可以通过分析、推理等方法认识研究对象的本质特征、构成要素及其相互关系，建立认知模型，并能运用模型解释化学现象，揭示现象的本质和规律”，“能依据物质及其变化的信息建构模型，建立解决复杂化学问题的思维框架”③。

教学苏教版高中化学必修第一册《氧化还原反应》一课时，笔者尝试通过问题驱动，促进学生认知模型的建构。

一、教学内容与学情分析

（一）教学内容分析

氧化还原反应是中学化学的重要内容，是学习元素及其化合物的重要认知载体和认知工具。《课标》对这部分内容的要求是，“认识有化合价变化的反应是氧化还原反应，了解氧化还原反應的本质是电子的转移，知道常见的氧化剂和还原剂。”

本课的主要内容有：从元素化合价变化来判断氧化还原反应，理解其本质是电子的转移，能描述氧化还原反应的有关概念，知道常见的氧化剂和还原剂，初步学会根据氧化还原反应方程式比较物质氧化性、还原性的相对强弱，了解氧化还原反应在生产生活中的应用。其中，重点内容是用化合价升降和电子转移的角度理解氧化还原反应，以及氧化剂、还原剂、氧化产物、还原产物的判断;难点内容是理解氧化还原反应的本质。

氧化还原反应的理论模型如图1所示。

（二）学情分析

高一学生原有对氧化还原反应的认知模型主要是九年级阶段的“氧气模型”（有氧气参加的反应）和“路径模型”（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）。对照氧化还原反应的理论模型，学生的认知中还没有“价态模型”（反应中有元素化合价变化的反应为氧化还原反应）和“电子模型”（氧化还原反应的本质是电子的转移）。

二、学习目标

1.通过实验探究，认识氧化还原反应中有元素化合价的变化，反应过程中有电子的转移，从而理解氧化还原反应的本质。

2.基于已有认知模型，通过对氧化还原反应的特征和本质的分析，学习由表及里的科学思维和逻辑推理等科学方法，进行认知模型的修正和完善，逐步建构科学的氧化还原反应认知模型。

3.通过对氧化剂、还原剂、氧化产物、还原产物的判断和对物质氧化性、还原性相对强弱的比较，认识“氧化”和“还原”，体会对立统一的辩证思想。

4.通过氧化还原反应认知模型的实践应用，体验化学概念从生活经验到科学理性的过程，认同化学学科的社会价值和生活意义。

三、教学过程

本课的教学流程如下页图2所示：通过创设情境，激发学生的学习兴趣和问题探究意识;基于认知水平的层进，推动学生对氧化还原反应内容进行持续探究和学习;引导学生不断修正和完善已有的氧化还原反应认知模型，逐步建构科学的氧化还原反应认知模型。

（一）创设情境，从“氧气模型”出发

用破壁机现场榨取果汁，先榨取一杯苹果汁，用玻璃杯盛装后，拿着在教室内走动，供学生观察，发现苹果汁很快变色;再榨取一杯柠檬苹果混合汁，同样操作，发现混合汁不会很快变色。

提出问题：为什么苹果汁会很快变色，而柠檬苹果混合汁不会呢？

预设：苹果汁被氧化了;柠檬汁可以保护苹果汁不被氧化。

百度搜索“苹果汁为什么变色”，得到：酚类化合物易被氧化成醌类化合物，即发生变色反应变成黄色，随着反应的量的增加，颜色逐渐加深，最后变成深褐色。

用生活中的真实现象，让学生感同身受的同时激起好奇心和求知欲，为课堂的推进创设积极氛围，为认知模型的修正创设必要的认知情境。让学生直接了解苹果变色是由于酚类化合物被氧化成醌类化合物，将学生初中阶段最先持有“氧气模型”作为课堂的认知起点。

（二）回顾旧知，向“路径模型”转化

提出问题：回顾初中阶段学习过的H2还原CuO的知识，如何用双线桥法分析标注？

学生回顾氧化还原反应的初始认知——得氧为氧化反应，失氧为还原反应。由此，得到图3所示的氧化还原反应“路径模型”。

H2+CuO△H得氧，发生氧化反应2O+Cu失氧，发生还原反应

通过分析H2还原CuO的反应，带领学生从“氧气模型”上升到“得氧失氧”的“路径模型”，并引出分析氧化还原反应的基本方法之一——双线桥法。

（三）初步延伸，往“价态模型”修正

提出问题：观察H2还原CuO的反应中元素化合价的变化，结合前一阶段学习过的氧化还原反应基本概念，如何判断一个化学反应是不是氧化还原反应？

预设：有元素化合价变化的反应就是氧化还原反应。

引导：钠在氯气中的燃烧反应，也存在着元素化合价的变化，也就属于氧化还原反应。用双线桥法参照H2还原CuO的反应进行分析（如图4所示）。

Cl2+2Na点燃2Na化合价升高，发生氧化反应Cl化合价降低，发生还原反应

学生获得氧化还原反应的进阶认知——元素化合价发生变化，同时改变原有的对燃烧的认识（燃烧不一定需要氧气参加）。

引导学生结合两个化学反应，进一步认知氧化还原反应的外显特征是有元素化合价变化，从而将学生的认知模型转变到“价态模型”。

（四）微观分析，促“电子模型”建构

提出问题：为什么在氧化还原反应中会出现元素化合价的变化？其本质原因是什么？

引导学生从原子结构视角，分析金属钠在氯气中燃烧的微观历程（如图5所示）。

提出问题：是不是所有氧化还原反应都一定发生电子的得失？

引导学生尝试从原子结构视角，分析H2在Cl2中燃烧反应的微观历程，获得“共用电子对”的认知，理解氧化还原反应中电子转移是电子的得失或共用电子对的偏移。

学生形成氧化还原反应的本质认知——电子的转移（电子的得失或偏移）。

提出问题：从电子转移视角，如何用双线桥分析锌和稀硫酸反应生成硫酸锌和氢气？

学生尝试，得到图6。

Zn+H2SO4Zn化合价升高，失去2e-，发生氧化反应SO4+H2化合价降低，得到2e-，发生还原反应↑

引导：当然，电子转移的方向和数目也可以简化表示，（出示图7）即单线桥法。

Zn+H22e-SO4ZnSO4+H2↑

借助原子结构的变化分析，认识元素化合价变化的内在原因，将认知模型进一步提升到“电子模型”，增进对氧化还原反应的本质理解。接着，进一步完善分析氧化还原反应的认知模型，引导学生在巩固双线桥法的同时，领会单线桥法能更加直观地体现电子的转移，并为后续的实验探究做铺垫。

（五）实验探究，让“电子模型”可视

提出问题：我们从理论的视角分析了氧化还原反应的本质是电子的转移，那么，在反应过程中，到底是否有电子的转移呢？能够通过实验证明吗？在初中的学习中，我们已经知道电子的定向移动能够产生电流，怎样验证有电流的产生呢？

预设：借助电流计。

提示：可以参照测量干电池中产生的电流的方法进行实验探究。

提供干电池、导线、电流计、锌片、稀硫酸、石墨棒、烧杯等实验用品，引导学生实验探究：类比测量干电池中产生的电流实验（实验装置图如图8所示），设计氧化还原反应产生电流的验证实验（实验装置图如图9所示），通过观察电流计指针发生偏转来说明电子的转移。

引领学生进行实验探究，培育学生理论分析与实验探究相结合的学科思维，强化氧化还原反应认知的“电子模型”。同时，渗透氧化还原反应为电池制造提供了反应原理的学科思维，为今后学习电化学知识做孕伏。

（六）全面深化，建构科学认知模型

借助双线桥法，以锌和稀硫酸反应为例，分析氧化还原反应中各种物质所承担的反应角色，得到如图10所示的氧化还原反应科学心智模型。

从化合价变化、电子转移的角度，共同分析并初步理解氧化劑、还原剂、氧化产物和还原产物。在此基础上，引出氧化性、还原性的概念，建立“在氧化还原反应中，氧化剂得到电子，表现出氧化性;还原剂失去电子，表现出还原性”的基本认识。

提出问题：从化合价变化或者电子转移的角度来看，氧化剂具有氧化性，氧化产物也具有氧化性，那么，一种具有氧化性的物质（氧化剂）参加反应，生成另一种具有氧化性的物质（氧化产物），是不是存在矛盾呢？

提示：联系初中阶段学习的“强酸制弱酸”的知识思考。

持续推进探究活动，通过较简单的反应实例，帮助学生厘清氧化还原反应中电子转移的数目、方向和氧化剂、还原剂等基本概念，从而确立科学的氧化还原反应认知模型。同时，初步形成氧化性、还原性相对强弱比较的“强制弱”观念。

（七）回归实践，应用科学认知模型

提出问题：（端起留下来的两份果汁）分析鲜榨苹果汁变色的原因（被空气中的氧气氧化），分析柠檬苹果混合汁颜色几乎没有变化的原因。

预设：（1）苹果汁被氧气氧化后，又被柠檬汁还原回来（实际上没有先后）;（2）柠檬汁代替苹果汁被氧气氧化，从而保护苹果汁，起到抗氧化作用;（3）苹果汁和柠檬汁都会被氧气氧化，但是柠檬汁会先被氧化。

链接信息：柠檬中富含具有强还原性的维生素C，比苹果中含有的酚类化合物的还原性更强。

布置任务：从氧化还原反应的视角，选择合适的试剂探究维生素C的还原性。

链接信息：图片展示补铁剂、苯酚软膏等药品使用说明书中关于抗氧化的信息，以及食品包装袋内的抗氧化剂等。

课尾，在呼应课堂开头设置的情境的同时，引导学生将化学知识与日常生活实际紧密联系，毕竟“纸上得来终觉浅”，使学生真切感受到“化学就在身边”。通过理论分析和实验探究，强化氧化还原反应的科学认知模型，并在实践中运用模型开展探究。