基于发展“模型认知”的化学概念进阶学习

钱珍妮

摘要： 以上科版“氧化还原反应”单元教学设计为例，依据对课程标准、教材和学情的分析，对学生围绕氧化还原反应这一核心概念在不同学段学习中所呈现的“概念理解水平”、“前科学概念与迷思概念”和“进阶目标”等状况的描述来规划学习进阶框架，设计学习任务启发学生进行思考与探究，并建构高中阶段氧化还原反应的认知模型。

关键词： 氧化还原反应； 学习进阶； 单元教学； 模型认知

文章编号： 1005-6629（2023）04-0044-08

中图分类号： G633.8

文献标识码： B

1  核心概念“氧化还原反应”的学习进阶研究

1.1  基于课程标准的进阶研究

高中化学课程标准对学生在不同阶段学习“氧化还原反应”这一核心概念提出了最基本的要求，表1为《普通高中化学课程标准（2017年版）》［1］中与“氧化还原反应”主题相关的内容要求。该部分内容被安排在主题2即常见的无机物及其应用板块，学习活动建议通过实验来探究氧化还原反应的本质，或开展过氧化氢的氧化性、还原性的探究实验来认识物质的氧化性和还原性等，并着重于发挥氧化还原反应这一核心概念对元素化合物学习的指导作用，能从物质类别、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。

1.2  基于化学教材的进阶研究

“氧化还原反应”的相关概念在上科版必修1教材［2］内容编排上采取的是分散编排，将氧化还原反应的学习穿插在氯、溴、碘的化学性质学习中，是在学习物质化学性质的过程中逐步形成氧化还原反应的相关概念。以氯气的化学性质作为氧化还原反应的学习材料，将氧化还原反应的内涵从得氧失氧扩展到化合价升降变化，帮助学生理解氧化还原反应的基本概念，逐步建立氧化还原反应分析模型，引导学生从微观结构层面认识化学反应的本质和规律。再应用于溴、碘、硫、氮等元素及其化合物的性质学习，形成从元素化合价和物质类别的角度研究无机物性质的思路和方法，将化学概念的学习渗透到元素化合物的学习之中，丰富认识化学反应和物质化学性质的视角。

上科版选择性必修教材“化学反应原理”则在二期课改教材基础上仍保留有氧化性和还原性强弱的判断、氧化还原反应方程式的配平等内容。这样的编排既是避免学生死记硬背化学方程式而产生的困扰，也是对氧化还原反应“得失电子守恒”这一思想的理解及巩固。教材中还引入了“半反应式”这一概念，作为之后的原电池、电解池及防止金属腐蚀等内容学习的基础。

1.3  基于学生认知的进阶研究

氧化还原反应的相关内容包含了反应原理的理解及原理的运用与实践，是一个相对庞大的概念体系，这就意味着教师要从多种角度引导学生建立认知模型，在多种水平上进行分析、推理和建构，逐渐将表面无序的知识建立成有序的体系。

作为化学学科核心概念之一，在初中阶段只是从得氧失氧的角度认识氧化反应和还原反应，这种认识方式是对化学反应由物质的组成进行分析，属于表层分析，通过观察是否与氧气反应或失去氧元素从而判断反应类型的方法是基于宏观层面上的思维操作，意味着此阶段学生对于反应的认识与判断仍停留在宏观，无法深入到微观判断。到了高中必修一阶段，从化合价开始逐步深入到微观的电子转移层面来认识氧化还原反應的本质，体现了由表及里、由宏观到微观的认识发展。根据学生概念与技能学习过程的方向、路径和每个阶段的水平要求，列出分析学生对氧化还原反应概念认知发展的层次，如表2所示。

1.4  基于学习进阶理论建构氧化还原反应认知模型

在学习氧化还原反应单元之前，绝大多数学生对氧化还原反应的认识停留在水平1，即从得氧失氧的角度分析物质与氧气的反应或还原氧化铜的反应，但还不能从其他角度认识化学反应类型。学生在必修1的学习历程中累积了一定的氯元素化合物知识及科学探究活动经验，如能根据复分解反应发生原理理解漂粉精的工作原理等，能从物质类别出发认识氯元素化合物的化学性质，但还未能建构起以“元素价态和物质类别”二维视角研究物质性质的认知图示。

根据最近发展区理论，水平2及水平3是学生对氧化还原反应认知的近侧发展区，水平1向水平2的跨越中涉及新旧知识的衔接和学生的认知冲突，需要帮助学生建立新旧知识的联系，建构新旧知识融合的进阶知识体系。氧化还原反应在水平2和水平3中进入到定性定量结合、宏观-微观-符号三重表征结合的认知层次。逐步进阶至水平4，建构氧化还原反应的认知模型，逐渐深化氧化还原反应的概念，建立氧化剂、还原剂与元素化合价的升降及相关概念之间的具体联系。最后进阶至水平5，运用氧化还原反应认知模型建立研究元素化合物的一般思路及方法，便于引导学生学会从化学的角度寻找解决实际问题的途径。

氧化还原反应知识在整个高中阶段呈螺旋上升趋势，符合学生一般的认知和思维发展。围绕这一核心概念在不同学段学习中所呈现的概念理解水平、前科学概念与迷思概念、进阶目标［3］等如表3所示。

2  基于发展“模型认知”的“氧化还原反应”单元设计构想

2.1  单元教学整体思路

基于模型认知的氧化还原反应的设计核心，是将模型认知融入概念教学的每个环节，分析氧化还原反应概念形成中的逻辑关系，对比概念的不同定义，领会论证推理的学科思维，形成科学观念。学生对概念的理解过程很大程度上和氧化还原反应概念的形成过程具有一致性，也经历了从宏观到微观到本质的认知过程。通过本单元的学习帮助学生在模型认知的基础上建立物质分类、化学反应分类以及物质性质研究的新视角。由此引导学生运用氧化还原反应作为认识反应的新角度来分析物质的性质，逐步建立从两个维度（即物质类别和化合价）认识物质性质和转化的思维模型，并能应用模型预测在真实情境下陌生物质的转化与性质，在此过程中培养实验探究和证据推理的学科核心素养。

故确定本单元共四课时，课时1为氧化还原反应的概念形成，重在让学生从电子转移角度建立氧化还原反应的概念，将教学的重心从传授事实性知识转移到“使用”事实；课时2为氧化还原反应认知模型的建立，重在从方法分析的角度认识氧化剂和还原剂，认识氧化还原反应的一般规律；课时3为物质氧化性还原性研究模型的建立，从具体物质的性质（如过氧化氢的氧化性和还原性）的研究入手再深入理解氧化还原反应的概念及规律；课时4为基于氧化还原反应模型研究物质性质，明确氧化还原反应在元素化合物性质中的分析思路，让学生结合基本概念理解思维方法，才能体会方法的生动性和具体价值。单元教学的整体思路如图1所示。

2.2  单元教学目标

根据课程标准和教材分析，结合学生认知情况，本单元各课时的教学目标如下：

［课时1教学目标］（1）通过“暖宝宝”的相关知识了解和模拟实验，体会到氧化还原反应的普遍存在，感受化学学科的应用和社会价值。（2）能从化合价变化的角度认知氧化还原反应的概念，过渡到从得失电子的角度解释氧化还原反应的本质，并建立化学反应的分类标准。（3）通过“得与失”“升与降”“氧化与还原”等矛盾的統一性关系，感悟唯物辩证法“对立统一”的认识规律，提升辩证思维能力。

［课时2教学目标］（1）能根据氧化还原反应中物质所含元素化合价的升降判断该物质是氧化剂还是还原剂。（2）以氯元素化合物的化学反应为素材，进一步强化和丰富氧化还原反应分析模型，建立“元素化合价变化—得失电子—发生氧化反应或还原反应”系列推断关系模型，并应用于其他氧化还原反应。（3）能用化学语言表征氧化还原反应的电子转移。

［课时3教学目标］（1）从关注化学反应中具体元素化合价的变化到含有变价元素的物质，能从氧化性、还原性的角度对物质进行分类，拓展物质分类的视角。（2）建立推测物质具有氧化性或还原性的思路方法，形成思维模型。（3）能列举常见的氧化剂和还原剂，以便预测和设计氧化还原反应。（4）通过“过氧化氢具有氧化性或还原性”的验证实验设计，形成预测物质氧化性或还原性并进行实验验证的思路方法，为探究陌生物质的氧化性或还原性构建思维模型。

［课时4教学目标］（1）通过“84消毒液不能与洁厕灵混合”的任务解决，梳理并复习氧化剂、还原剂等相关概念。（2）通过“84消毒液能否与其他消毒剂混合”的任务解决，设计氧化还原反应，并尝试预测反应产物。（3）通过“次氯酸钠的制备和使用”任务，回顾氯元素化合物的相关转化过程，建立基于核心元素化合价和物质类别认识物质性质的二维角度。

2.3  单元主要教学活动及策略

本单元各课时将教学活动分解成多个学习任务，选取生产生活中的真实情境如“暖宝宝的工作原理”“如何选择合适的净水剂”“常见的消毒剂”等融入学习任务中，依据知识之间的逻辑关系进行串联，突出知识的生成性与整体性，使学生在解决学习任务的过程中逐步提升核心素养。相应的课时教学设计如图2～图5所示。

2.3.1  课时1氧化还原反应概念形成

氧化还原反应是对学生进行唯物辩证法教育的好题材，教学中既要重视基础知识和基本技能的教学，也要重视学生思维能力、思维品质的培养和辩证唯物主义观点教育，渗透科学方法、科学态度和科学思想的教育。不仅要让学生领悟、掌握概念，更重要的是让他们掌握学习方法和体验知识获取的过程。教学设计中以得失氧、元素化合价升降、电子转移的学科发展性逻辑序为主线，来培养学生的思维能力。因此，本节课的教学环节主要分为四个：概念引入、概念转变、概念理解和概念应用，分别阐述如下。

从熟悉的生活情境“暖宝宝为什么发热”的引入来回顾氧化反应概念，再联系高炉炼铁的原理来回顾还原反应概念，从得失氧角度初步建立氧化还原反应的概念。

然而氧元素只是118种元素中的一种，并不是所有的化学反应都有氧元素的参与，根据得氧失氧来进行分类判断，有很大的局限性（被称为狭义的氧化还原反应）。为此，教学中用学生初中熟悉的两个反应（木炭和氧化铜、氢气和氧化铜）和高一新学的两个反应（钠与氯气、氢气与氯气）为例，让学生判断它们是否为氧化还原反应。通过引发认知冲突，引导学生标出已知的氧化还原反应中各元素的化合价，寻找规律，自主归纳，发生氧化反应的物质中所含的元素化合价升高了，发生还原反应的物质中所含的元素化合价降低了，由此得到了从元素化合价的升降来判断氧化还原反应的一种新标准（被称为广义的氧化还原反应）。再应用获得的新标准来解决之前两个反应的判断。

学生通过从“有氧参与”过渡到“无氧参与”这一过程体验了如何寻找及应用新标准，并对化学概念的建立过程有了初步认知，即发现与旧概念的冲突—提供例证—完善概念—应用概念—促进理解—养成方法，建立得失氧、化合价升降两个标准间的联系，完成概念的转变。

通过动画演示氯化钠和氯化氢的形成，引导学生一起分析原子之间是如何达到稳定结构形成新物质的，结合过程中元素化合价的变化，最终发现氧化还原反应的本质是电子的转移，能从宏观与微观结合的视角对氧化还原反应进行分类和表征，完成概念的理解。那么，如何才能“看到”电子的转移呢？结合物理学知识，电子的定向移动能产生电流，将“电子转移”变成“听得到的声音”。模拟“暖宝宝”中发生的反应，串联一个发声芯片组成回路，让学生听一听“电子转移”的声音。通过这样的实验将抽象的知识转化为直观的现象，把氧化还原反应设计成原电池，用证据证明有电子转移，增强“证据推理”意识，便于学生更好地理解氧化还原反应的本质。

最后一个环节概念应用，通过“高铁酸钾净水”问题的讨论，运用氧化还原反应原理来解决实际问题，引导学生在这一过程中体会化学科学的社会价值，增强学好化学造福人类的信念。将生活中的实例融入教学情境，把深奥的氧化还原反应理论融合在简单的生活实际中，激发学生的学习热情。

具体教学流程如图2所示。

2.3.2  课时2氧化还原反应认知模型的建立

本节课沿用上一节课的情境“高铁酸钾净水”作为问题展开讨论，复习回顾从元素化合价升降角度判断氧化反应和还原反应的方法，也是对第1课时的延续和深化。进一步分析得出，高铁酸钾中的铁元素化合价降低，得到电子，发生还原反应，充当氧化剂；水中的氧元素化合价升高，失去电子，发生氧化反应，充当还原剂，由此从化合价升降和电子转移的角度分别定义氧化剂和还原剂，并构建“还原剂——升、失、氧，氧化剂——降、得、还”这一认知模型，再将这一认知模型应用于其他氧化还原反应，如氯元素化合物的相关化学反应，认识氯气通常在化学反应中充当氧化剂的角色，以及一个化学反应中同一物质既可作氧化剂又可作还原剂的规律。

上一节课通过实验“看到了”暖宝宝工作过程中的电子转移，那么如何用化学语言表征氧化还原反应中的电子转移呢？根据“得到电子的总数等于失去电子的总数”这一守恒原理，设计用双线桥和单线桥表示电子转移及氧化还原反应的关系，引导学生从宏观现象、微观本质以及化学符号等三重表征逐步建构氧化还原反应的理论模型。

具体教学流程如图3所示。

2.3.3  课时3物质氧化性还原性研究模型的建立

本节课从氧化还原反应认知模型引入，直接给出物质氧化性还原性的预测方法，即从物质中所含元素的化合价升高或降低的趋势来判断。通过“氯元素的单质及化合物和对应的氯元素的常见化合价”任务解决，引导学生从分析物质中的每一种元素化合价升降趋势到聚焦变价元素。并将这一判断方法应用于认识常见含锰元素和含碘元素的物质，通过分析这些物质中变价元素“锰元素”和“碘元素”的化合价变化，判断其氧化性和还原性，归纳常见的氧化剂和还原剂，促进学生记忆，便于后续的学习活动调用。

随后设计实验情境“如何验证过氧化氢具有氧化性或还原性”，设置多个思考问题——如何选择实验试剂？实验试剂有何限制条件？预测反应后的产物及相应实验证据会是什么等，引导学生逐步形成验证物质具有氧化性或还原性的实验设计思路，为探究陌生物质的氧化性或还原性构建原型。

通过“湿法炼铜”的原理认识物质氧化性或还原性有强弱之分，也引出氧化还原反应在金属冶炼上的实际应用，梳理利用氧化还原反应在各个领域的广泛应用，可实现金属的冶炼与防护、能量的转化等，也是與第1课时的“暖宝宝工作”情境相呼应。

具体教学流程如图4所示。

2.3.4  课时4基于氧化还原反应模型研究物质性质

氯元素价态的丰富性使其成为氧化还原反应学习的常用情境载体。本节课选用“含氯消毒剂84消毒液的使用方法”作为情境引入，设置三个问题：（1）84消毒液如何起到杀菌消毒作用的？（2）84消毒液为什么不能与酸性清洁产品混用？（3）将84消毒液和过氧化氢这两种常见消毒剂混合能否加强消毒效果？对于这三个问题的解决都需预测核心物质——次氯酸钠的性质和可能发生的反应，并进行假设、设计实验并根据现象证据获得结论。

问题（1）的任务解决目的是运用漂粉精次氯酸钙的性质作类比探究，引导学生学会从物质类别的角度认识物质的化学性质，且认识物质的使用方法和贮存要求与其化学性质有关。

问题（2）的任务解决目的是基于次氯酸钠和浓盐

酸的反应原理复习氧化还原反应的相关概念及符号表征，并在标注电子转移的过程中归纳同种元素不同价态原子之间发生氧化还原反应的规律，并引导学生关注到次氯酸钠中的常见变价元素氯元素正好处于中间价态，可以发生自身氧化还原反应，提供认识物质性质的另一角度（元素化合价）。

问题（3）的任务解决目的是结合“巴西奥运会游泳池事件”将真实问题转化为可进行实验探究的学科问题。依据次氯酸钠和过氧化氢中变价元素的化合价升降趋势来推断两者能否发生反应及反应后可能的产物，再通过实验探究获得关键证据并形成结论。由此建构基于氧化还原反应理论研究物质性质的模型。

作为本单元的最后一节课、最后一个环节引导学生结合次氯酸钠的制备和使用，回顾氯元素化合物的相互转化问题，也是在氧化还原反应学习后将其作为工具，对于前一单元“氯气及含氯化合物”的学习内容进行知识网络的整理，建构基于化合价-类别二维研究物质性质的模型。

具体教学流程如图5所示。

3  基于发展“模型认知”的单元教学思考

“模型认知”是化学学科核心素养的其中一个方面，课程标准中提出其释义，即通过分析、推理等方式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。杨玉琴［4］参照布鲁姆教育目标分类学对认知维度的划分，将模型认知划分为四个水平，即认识模型、理解模型、运用模型和建构模型。笔者根据“氧化还原反应”概念学习的进阶研究，明确各水平和能力的具体含义，如表4所示。

本单元在教学设计实施过程中，课时1从基于物质到基于元素再到基于微粒分析氧化还原反应，从不同的视角分析问题，从特征和本质来构建氧化还原反应分析模型，以期达到水平1和水平2。课时2利用单线桥和双线桥实现对氧化还原反应的表征，也是从定性认识到定量分析的转化，形成“有得必有失，得失相等;有升必有降，升降等量”的认知模型，以期达到水平1和水平2。课时3中通过过氧化氢性质的实验探究活动，获得物质性质探究的活动经验，形成探究物质氧化性或还原性的思路方法和实验设计策略，建构物质性质探究活动的程序模型，以期达到水平2和水平3。课时4中以生活中的真实问题为学习情境，引导学生基于氧化还原反应理论进行猜想，寻找充分证据，理解实验现象和结论之间的关系，建构模型，以期达到水平3。以氯元素化合物的物质间转化关系知识网络的建构，为后续硫、氮、铁等元素化合物的学习奠定基础，建构元素的价类二维模型，以期达到水平4。

参考文献：

［1］中华人民共和国教育部制定. 普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）［S］. 北京： 人民教育出版社， 2020.

［2］麻生明， 陈寅主编. 普通高中教科书·化学必修第一册［M］. 上海： 上海科学技术出版社， 2021.

［3］胡娜， 张文华. 基于学习进阶的中学“化学平衡”主题教学研究［J］. 化学教学， 2017， （12）： 14～19.

［4］杨玉琴. 化学核心素养之“模型认知”能力的测评研究［J］. 化学教学， 2017， （7）： 9～14.