基于“知识承接建构型”教学逻辑的“氧化还原反应”教学设计

2022-05-30李元

化学教与学 2022年15期

李元

摘要：在充分利用学生已有知识经验的基础上，借鉴美国教科书中的相关内容，基于建构主义理论从宏微观视角、新旧知识联系和生活中的化学现象三个方面对“氧化还原反应”进行教学设计。采用“知识承接建构型”教学逻辑帮助学生建构氧化还原反应的微粒本质观、宏观化合价观等化学观念，注重知识的承前接后，从而将建构主义理论应用于化学概念教学中。

关键词：“知识承接建构型”教学逻辑;建构主义理论;氧化还原反应;教学设计

文章编号：1008-0546（2022）08-0038-05 中圖分类号：G632.41 文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.08.008

“氧化还原反应”的概念系统中包含众多化学概念，是中学化学教学中的重点和难点。教师授课过程中对此核心概念的重视程度普遍偏高。在课标要求的基础上，王磊教授在解读鲁科版高中化学必修新教材的编写思路时，明确了“氧化还原反应”概念体系的化学学科核心素养的相关发展要求，其中包括“初步建构元素观、微粒观和变化观等化学核心观念及重要概念”[1]。

“氧化还原反应”是学生进入高中不久后学习的化学概念内容。邓祖敏等人[2]在分析十余篇论文的基础上，发现“化学概念教学的研究较多，但关于初高中化学概念衔接教学以氧化还原反应为例的研究仍然比较缺乏。”教师若在实际教学中不充分地与学生已有知识建立联系，以“满堂灌”的方式教授化学概念，将难以激发学生对化学学科的学习兴趣。对于刚进入高中的学生而言，在死记硬背中更容易混淆氧化还原反应涉及的多个概念和变化规律，易导致学生由于缺乏对化学概念的理解而产生“化学是文科”的初始印象，这种授课方式产生的结果与我们所倡导发展的化学学科核心素养大相径庭。

建构主义学习理论强调以学生为中心，不仅要求学生由外部刺激的被动接受者和知识的灌输对象转变为信息加工的主体、知识意义的主动建构者，而且要求教师要由知识的传授者、灌输者转变为学生主动建构意义的帮助者和促进者[3]。故将该理论应用于以往枯燥的化学概念教学过程中，以改善学生被动学习抽象的化学概念问题。本文从建构主义理论中涉及到的情境、学生已有知识、信息资源、教师的引导作用等方面展开对该节课的教学设计。该理论的教学设计将有利于学生掌握化学概念，为学生建构基本的微粒本质观、宏观化合价观、分类观等打下良好的基础。

一、教学内容价值分析

本课题选自鲁科版高中化学（必修1）第2章“元素与物质世界”第3节“氧化还原反应”。

该部分内容涉及初中所学的四大基本化学反应类型及氧化反应和还原反应，以此为铺垫展开对“氧化还原反应”更准确和更深层次的学习，成为今后学习元素化合物知识的重要纽带。故该部分化学核心概念的内容不仅能够帮助学生理解与其相关的化学事件和化学现象，还可以促进学生化学学科知识结构的形成与完善，使其能够以此为基础获取自身所需的化学知识，实现自主学习[4]。在学习过程中，学生将基于初中得氧失氧的物质视角，转变为从微观粒子角度学习氧化还原反应实质的视角，继而总结出宏观元素化合价的变化规律，有助于学生深入理解化学概念，形成宏观和微观相结合地认识事物的思维。同时，拓展反应类型的分类方式，学生也在自主探究过程中发展严谨细心的探究精神和科学态度，深入体会化学规律中蕴含的哲学道理。

二、教学设计创新分析

马宁宁等人[5]综述了近年来在化学基本观念建构方面进行的教学研究，肯定了观念建构在化学教学中的应用。故本文将建构主义应用于“氧化还原反应”的教学过程，教师通过问题的引导激发学生已有知识经验，使学生能够自主建构氧化还原反应的实质与特征。闫春更等人[6]归纳了“氧化还原反应”的四种教学逻辑——“分类标准直给型”教学逻辑、“分类标准批判型”教学逻辑、“反应本质揭示型”教学逻辑、“知识演绎批判型”教学逻辑。但这四种教学逻辑在教师组织“氧化还原反应”教学时，对于反应特征和反应实质两部分内容在学生认知逻辑和学习思路方面均有待提升和改进。故本文的教学设计采用图1的“知识承接建构型”教学逻辑实施教学，通过该教学逻辑将学生的已有知识经验与新知识进行合理承接过渡，以帮助学生建构“氧化还原反应”的新知识。

“知识承接建构型”教学逻辑参照了化合价理论形成的历史演变：20世纪初，原子结构理论的建立为揭示化合价的本质奠定了理论基础。特鲁多（Trude）提出：正价数等于一个原子可给出的电子数，负价数等于一个原子可接受的电子数，从而将正负价的形成与得失电子相联系[7]。故在教学顺序上，学生首先依据微粒转化推导电子转移过程，相继画出原子结构示意图。再通过观察原子结构示意图得出化合价变化规律。这种教学逻辑思路在新授知识上逐步承接，与化合价微观本质的发展相一致;同时也注重学生已有知识与新授知识间的承接，使初、高中知识衔接自然，符合学生知识建构的顺序和思维。

此外，本文参照了美国高中化学教科书中“氧化还原反应”部分的图片[8]和知识内容[9]，对教学设计加以完善。图片是学生知识建构过程中的“催化剂”，大量精美的图片可以刺激学生对氧化还原反应产生感性认识，同时也可以降低学生的认知难度，激发学习兴趣。教师借助互联网或者其他方式、手段来制作相关图片，这样在有利于开展课堂教学活动的同时，也能够提升教师的教学技术[8]。故在本文中穿插关系图、括号图等，将知识思维“可视化”，在教师的引导下学生建构知识经验[10]。此外，参考美国教材知识内容[9]，根据高一学生的思维接受程度简要介绍电负性内容，以补充氧元素与氧化还原反应建立联系的原因，增进学生对氧化还原反应的深入理解和学习。

三、教学过程

1.教学设计思路

教学设计流程如图2所示。

2.具体教学过程

（1）在宏微观中把握氧化还原反应

【创设情境】对比展示鲜切苹果与褐变苹果，引导学生猜想与假设：苹果是经过什么途径生成新的褐色物质？

【学生回答】通过化学反应生成新的褐色物质。

【追问】苹果切开后，暴露在空气中的部分发生褐变，大家不妨进一步推测一下：发生的是哪种类型的化学反应呢？

【学生回答】苹果与氧气发生了氧化反应。

【引入课题】大家推测的氧化反应是否正确？带着这样的疑问，让我们今天来进一步认识氧化还原反应。

【复习】CO + CuO =Cu + CO2

初中阶段我们就已学过：CO得氧、被氧化、发生氧化反应;CuO失氧、被还原、发生还原反应。

【解释与结论】从上述反应我们可以看出，在同一个化学反应中氧化反应和还原反应是同时发生的，故我们称该反应为氧化还原反应。

【引发思考】对氧化还原反应的认识不能仅仅停留在表面上，还需进一步从微观分析反应的特征和实质。我们以2Mg + O22MgO为例，从微观角度分组讨论并回答：反应物和产物微粒分别是什么？这些微粒是如何转化的？

【学生回答】根据反应方程式分析：反应物中有镁原子和氧原子，产物是镁离子和氧离子。离子与原子的转化使我们联想并画出了原子结构示意图（见图3），镁原子容易失去2个电子，氧原子容易得到2个电子，电子转移后生成两种离子均达到最外层八电子稳定结构，也就转化生成了MgO。

【实验验证】“实践是检验真理的唯一标准”，在本章研究氯化钠导电性时，我们通过观察电灯泡是否亮灯来判断其导电性。为了验证氧化还原反应中存在电子转移，我们同样可以将氧化还原反应——锌与硫酸铜的反应容器串联在含有小灯泡的电路中，通过实验来证明我们理论推导的正确性。闭合回路，发现小灯泡亮灯，因此我们可以得出结论：氧化还原反应的实质是电子发生转移。

【追问】电子的转移过程体现了“失之东隅，收之桑榆”的道理，既然我们理论分析的实质过程是正确的，那么继续观察微粒转化的过程图（见图3），大家是否发现反应前后存在的参数变化呢？

【学生回答】反应物中的某种元素既存在化合价升高的情况，也存在化合价降低的情况，且存在着化合价升高总数与降低总数相等的守恒规律。

【教师讲解】显而易见，反应前后的微粒价态发生了变化。镁元素由0价升高至+2价，我们称镁发生氧化反应，即反应物所含某种（或某些）元素化合价升高的反应称为氧化反应，该反应物称为还原剂，其具有还原性;氧元素由0价降低至-2价，我们称氧气中的氧元素发生还原反应，将反应物氧气称为氧化剂，其具有氧化性。正如跷跷板一样，既有升高、又有降低的情况，二者之间存在着既对立又统一的关系（见图4）。因此我们得出氧化还原反应的特征——元素化合价发生变化。我们也以此标准从化合价视角将化学反应分类为氧化还原反应和非氧化还原反应。

设计意图：在老师的引导下，学生自主从微粒角度分析推导氧化还原反应的实质，在本章已学的氯化钠导电性实验的启发下进行实验验证，将宏观物理现象与化学学科相联系、将抽象的微观过程具体形象化，促使学生对反应实质进行意义建构，继而在微观分析正确的基础上观察到化合价变化的特征。该“知识承接建构型”教学逻辑注重知识间的前后关联，充分发挥了学生的自主探究性，有助于培养学生缜密严谨的探究思维。此外，教师在此过程中将抽象的自然科学规律与学生熟悉的跷跷板相联系，帮助学生更好地体会和记忆化合价升降的对立统一规律，建构宏观化合价观。

（2）在新旧知识中更新对氧化还原反应的认识

【课堂练习】请大家判断下列化学反应的反应类型

2Na + Cl22NaCl （式1）

Fe + Cu2+=Cu + Fe2+ （式2）

2H2O 2H2↑+ O2↑ （式3）

2NaOH + CuSO4= Cu（OH）2↓+ Na2SO4 （式4）

【學生回答】前三个是氧化还原反应。最后一个不是氧化还原反应，而是复分解反应。

【追问】值得肯定的是，这位同学已经掌握依据本节课学习的特征来判断化学反应类型，那么，氧化还原反应一定有氧元素参与吗？通过（式1）和（式2）两个反应，我们可以推翻这一说法，而不再拘泥于从得失氧的角度来辨别氧化还原反应。那么为何曾以氧元素为标准来判断反应类型，而不考虑其他元素呢？

【资料补充】美国化学课本中作出如下解释：氧元素的原子吸引电子的能力较强，当它与其他元素的原子结合时，通常导致这些原子失去电子[8]，即发生了电子的转移，故氧化还原反应中大都有氧元素的身影。

【进一步追问】刚才同学的回答已经根据两种不同的分类角度对最后一个反应式进行了判断，那么前三个反应仅仅是氧化还原反应吗？有没有同学继续补充答案？

【学生回答】除了氧化还原反应，前三个反应还分别属于化合反应、置换反应、分解反应。

【强调分类观】目前为止，我们学习了两种不同的分类角度，分别是氧化还原反应、非氧化还原反应以及四大基本反应类型。同学们在判断反应类型之前，理应先宏观把握分类角度，再详细确定反应类型，时刻把握分类观念。那么，氧化还原反应与四大基本反应类型有着怎样的关系呢？小组讨论交流。

【小组讨论后回答】置换反应全部属于氧化还原反应，分解反应、化合反应与氧化还原反应存在交集，复分解反应与氧化还原反应无交集。

【关系图展示】总结得很正确，如图5所示，大家可以通过关系图来理清其联系，同时，还可以类比米老鼠图片来对应联想记忆，同学们在课下也可以尝试用不同的方法来帮助记忆。

设计意图：通过课堂练习题检测学生是否掌握通过化合价变化判断氧化还原反应，进一步通过实例让学生体会氧化还原反应不一定有氧元素参与的结论。在学习新知识后，学生通常运用本节课新学方法来判断反应类型而常常忽视原有知识，故充分考虑学生这一学习特点引出新旧知识的关系。此外，教师还创设了富含化学知识的米老鼠形象关系图将新旧知识联系起来，更新建构学生的分类观，通过图片提升学生学习兴趣，潜移默化地向学生传授学习方法，促进学生更好地学会学习。

（3）在生活现象中感受氧化还原反应的存在

【阅读文献资料】学完本堂课后，回想一下我们课前的猜想与假设是否正确呢？老师查阅了初中课本以及相关文献，其中还包括简单的应对措施，请大家自行阅读。

人教版初中化学课本中将氧化反应分为较剧烈氧化反应和缓慢氧化，在生活中，缓慢氧化的例子很多，如动植物的呼吸、食物的腐烂、酒和醋的酿造、农家肥料的腐熟等都包含物质的缓慢氧化[11]。

果蔬切割过程中，细胞壁、细胞质内的多酚氧化酶与液泡中的酚类物质接触[12]，同时氧大量侵入，植物组织内的酚类物质经酶的催化氧化为醌类物质，而醌类物质进一步聚合形成黑色素，最终在果蔬表面发生褐变[13]。

为避免切过的苹果变褐色，可以将其放在冷水中，这样一来，苹果与空气隔绝，也就无法发生氧化还原反应，自然也就不会变褐色[14]。

【呼吁提倡】这是我们身边存在的氧化还原反应现象！值得一提的是，最后一篇文献[14]是其作者在高中时期撰写的，“见贤思齐焉”，希望大家也能处处留心、勤于思索，在生活现象中发现化学的踪影！

设计意图：以首尾呼应的方式重视生活情境对意义建构的作用。充分利用文献资源来证实课前猜想与假设的情境内容，丰富了学生对于身边存在的氧化还原反应的认识，也有助于促进其生物学相关内容的学习。同时，借助优秀学生发表的论文鼓励学生在日常生活中联系和应用化学知识，建构化学与生活的联系观。

四、总结与反思

本节课采用“知识承接建构型”教学逻辑实施教学，分别从宏微观视角、新旧知识联系、生活中的化学现象三个层面学习氧化还原反应的相关内容，以此为主线帮助学生建构新知识。

在学生原有知识基础之上，学生自主通过理论来分析探索氧化还原反应的实质，进而总结出氧化还原反应的特征，在宏观视角和微观视角切换中建构反应的知识内容。“知识承接建构型”教学逻辑符合化合价本质探索的历史演变规律，有助于提升学生的认知视角和课堂参与度，良好地贴合了学生在新授知识中逐步承接的逻辑顺序，为学生建构了“氧化还原反应”的相关化学观念。故教师在教学研究中要深入了解和利用化学发展史，同时要思索设计符合学生心理接受顺序的教学逻辑。

教师通过穿插图片，挖掘化学规律背后的哲学道理等方式，提高学生学习兴趣，帮助学生理解记忆较为枯燥的化学知识，以起到帮助和促进作用。因此教师在备课时要充分联想和应用生活中的模型，充分利用模象直观和实验直观等教学形式，以增强学生知识形成的途径。

以例题为线索，学生在新旧知识的矛盾中不断更新对氧化还原反应的认识，教师及时通过资料补充完善学生对于氧化还原反应与氧元素之间联系的困惑，提高学生化学概念学习的积极性和深入性。在教师的引导下，学生结合已学的分类方式建立新的分类观念，建立新旧知识间的联系。故教师要重视联系和承接学生已有相关知识，使学生在知识更新中自主建构新内容，从而避免新旧知识的混淆和思维的混乱。

首尾呼应，借助文献资料帮助学生解答课前猜想与假设的内容，重视建立化学与生活联系的真实情境，丰富学生对于身边存在的氧化还原反应的认识，提高学生对于化学密切联系生活的认识，使学生对化学学科产生浓厚的学习兴趣。随着网络数据库的发展，教师应在课堂中融入文献资源，积极为学生科普权威的知识内容、拓展科学前沿的研究方向和研究内容，帮助学生树立查阅文献的意识，提升学生的学术意识和科学素养。

参考文献

[1]王磊.科学建构学科核心素养的发展进阶——鲁科版高中化学必修新教材的编写思路[J].中学化学教学参考，2020（5）：1-8.

[2]邓祖敏，杨建发，雷以柱，喻相兰.初高中衔接性核心概念学习现状及教学对策研究——以氧化还原为例[J].山东化工，2021，50（7）：173-175.

[3]何克抗.建构主义的教学模式、教学方法与教学设计[J].北京师范大学学报（社会科学版），1997（5）：74-81.

[4]胡杨，王后雄.“体验学习圈”在化学核心概念教学中的应用——以“氧化还原反应”为例[J].化学教学，2019（10）：43-49.

[5]马宁宁，陈海鹏，刘新芳.高中“氧化还原反应”基本观念建构教学研究进展[J].科技视界，2021（5）：15-16.

[6]闫春更，倪俊超，沙靖，周青.基于文献分析的“氧化还原反应”概念教学逻辑[J].化学教育（中英文），2018，39（13）：6-9.

[7]余天桃.化合价理论形成的历史演变[J].化学世界，2008（11）：703-704，702.

[8]季春阳，赵千一.美国高中化学教科书中氧化还原反应图片设计分析[J].化学教育（中英文），2019，40（3）：36-39.

[9]王驕阳，闫春更，陈晓娜，周青.基于Flow Map 的中美教“氧化还原反应”难度比较[J].化学教育（中英文），2018，39（17）：14-17.

[10]陈燕，饶慧真.利用思维可视化促进化学高阶思维发展的探讨[J].化学教育（中英文），2021，42（15）：58-64.

[11]人民教育出版社，课程教材研究所，化学课程教材研究开发中心.义务教育教科书：化学九年级上册[M].北京：人民教育出版社，2012：35.