基于“化学元素观”建立的教学设计

张晋 魏垂社 张贝贝

摘要：“化学元素观”是中学化学核心观念之一。在“单质碳的化学性质”教学实践中，围绕氧元素在反应中的得与失，展开产物预测、实验验证、模型建立等教学环节，不仅展现化学是讲“理”的学科，更能培养“化学观念”“科学思维”和“科学探究与实践”等学科核心素养。

关键词：化学元素观；氧化还原反应；碳的还原性

文章编号：1008-0546（2023）12-0060-04 中图分类号：G632.41 文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2023.12.013

元素的概念是化学学科最基本的概念之一，既是认识宏观物质的基础，又有联系微观粒子的功能。从元素的视角学习化学知识主要体现在三个方面的含义：一是对元素本身的认识，包括什么是元素、元素的种类、元素的性质等；二是从元素角度看物质，具体包括元素组成与物质的分类、性质有何关系等；三是从元素角度看化学反应，即元素与化学反应有何关系，在化学反应中元素种类是否发生变化等。［1］因此，“化学元素观”的建立是伴随相关化学知识螺旋式递进的，是在化学知识认知积累和化学元素观发展的交互过程中形成的。笔者以“单质碳的化学性质”教学设计为例，探讨如何在教学中培养学生从元素的角度认识物质性质和化学反应，探讨认识物质性质和化学反应的科学思路与方法。

一、教学内容及教学现状分析

氧化还原反应在我们周围随处可见，从天然气的燃烧到火箭的发射，从炭的燃烧到金属的冶炼，氧化还原反应对人类社会的发展起到巨大的推动作用，对氧化还原反应认识的过程就是化学科学的发展史。对此，人教版九年级化学教材先后在第二单元课题2“氧气”教学内容中设置了狭义的氧化反应，在第六单元课题1“金刚石、石墨和C60”中设置了还原反应。然而在部分初中教师的教学观念中，氧化还原反应的地位无足轻重，其教学内容空洞，缺少能让学生产生感性认识的体验活动，教学过程多以单一的讲授为主。这与氧化还原反应知识在整个化学课程中的重要地位是不相匹配的。

具体到“单质碳的化学性质”这一节教学内容，教材重点呈现了单质碳的化学性质和实验验证等内容。笔者在阅读教材和一些教师交流后发现，这部分内容在教学时存在以下几个问题：（1）知识点碎片化，缺少恰当的理论统领。碳的化学性质包括碳在常温下性质稳定，加热时可以与氧气、某些氧化物反应，涉及多个化学反应。因此，没有合适理论统领，只会加大学生的记忆负担，使学生误认为化学的学习重在记忆。（2）缺乏合适的探究实验。炭燃烧时氧气量难以控制，产物为无色气体，使实验探究难以开展。碳与氧化铜反应温度较高，开展学生实验存在潜在的危险，多以演示为主，这使得学生在学习碳的化学性质时缺少体验感和互动性，难以激发学生的学习兴趣，更无从谈起创新思维的培养。（3）割裂系统概念。将氧化反应和还原反应设置在不同的单元，是考虑学生的认知发展规律，但在初中阶段没有将二者统一，不利于学生多角度认识物质性质和化学反应，培养学生化学观念。

二、教学设计的改进要点

为解决上述问题，采取了如下教学改进：

（1）从元素氧的视角统一单质碳的性质。在中学阶段氧化还原反应经历三个认识阶段：基于得失氧的狭义氧化还原反应、基于化合价变化特征的氧化还原反应和基于电子得失（偏移）本质的氧化还原反应。以氧元素为统领，通过氧元素转移的讨论，归纳、总结、抽象继而建立反应模型，实现碳单质化学性质的统一，培养学生认识物质性质和化学反应的科学思维。

（2）从氧元素的视角开展碳与氧化铜反应的实验探究。在碳与氧化铜的实验部分，从碳燃烧得氧的视角，迁移预测、实验设计、证据推理等环节。在理论推导和实验验证的探究活动中，提升学生的思维深度和创新意识，体验化学实验探究的思路与方法，落实“科学探究与实践”的核心素养。

（3）从得失氧元素的视角实现氧化还原反应概念的统一。从得失氧的视角，实现氧化反应和还原反应的辩证统一，建立氧化还原反应模型并应用反应模型，从而体验学习化学反应的思路与方法，落实“科学思维”的核心素养。

三、教学目标

（1）通过对碳与氧化铜反应的探究，学会从物质变化和元素视角认识化学反应，初步感受认识化学反应的思路与方法。

（2）通過对碳与氧化铜反应实验的探究，知道从问题和假设出发确定探究目标，设计实验方案、获取证据、形成结论等科学探究的方法与思路。

（3）通过狭义的氧化还原反应模型的建立和应用，体验模型在学习中的重要作用。

（4）通过氧化反应概念的建立过程，体会比较、分类、综合、归纳等方法在认识物质性质与化学反应中的作用。

四、教学过程

1.鉴赏古画，创设情境

【情境创设】《溪山雪意图》由“南宋四大家”之一的刘松年所作，全卷纵41厘米，横241.3厘米，画卷描绘雪后溪水两岸的平坡低岗、桥屋村舍、乔松岩壑、泉流舟楫等景物，其局部图中还描绘了众人在庭院内烤火的场景，如图1所示。古代书法家绘画用的墨和冬天取暖燃烧的木炭，主要成分都是碳。千年字画得以完整保存，说明碳稳定，木炭易燃烧却又说明碳不稳定。为什么碳的性质表现如此大的差异？

【学生活动】碳的化学性质在常温下稳定，在加热时容易燃烧，这说明了碳的化学性质与反应条件有关。

【提出问题】碳燃烧有两个反应，从元素的角度如何理解碳的燃烧反应？

设计意图：此环节基于学生已有生活经验和木炭燃烧的化学事实，从碳在常温下性质稳定和高温下容易反应的认知冲突，继而认识到化学反应是在一定条件下发生的。从元素碳得氧角度分析碳燃烧的化学反应，旨在为过渡到碳与氧化铜反应的探究活动作铺垫。

2.实验探究，拓展认识

【教师提问】碳可以夺取氧气中的氧元素，那么碳能否夺取氧化物中的氧元素，以碳与氧化铜反应为例，猜想该反应的生成物，依据是什么，如何验证产物（提示：氯化钯试纸可用来检验CO）。

【学生活动】从碳可以得氧的角度猜想 C 与CuO反应可能的产物有三种，整理于表1，并猜测 C 与CuO反应的产物应与二者的质量有关，提出用澄清石灰水检测 CO2，用教师所提示的氯化钯试纸检测CO。

【实验验证】为了节约加热时间和现象明显，采用如图2所示的装置，完成演示实验。图2用于演示实验的装置图

【实验结论】碳与氧化铜反应可以生成铜单质和二氧化碳，也可能生成铜和一氧化碳。

设计意图：此环节主要是锻炼学生利用已有知识，主动建构狭义的还原反应。通过对碳与氧化铜反应的猜想、实验验证、证据推理、得出结论，感受研究物质性质和化学反应的科学方法；同时利用碳与氧气反应有一氧化碳和二氧化碳的事实，提出碳与氧化铜反应也有一氧化碳生成的猜想，培养学生的创新精神。缺憾是受学生知识水平和实验条件的限制，不能对红色产物继续探究。因此在课后让学生利用网络查询相关知识，完成设计实验方案，证明可能的反应产物。

3.建立模型，拓展应用

【提出问题】已知碳与氧化铜能生成二氧化碳和铜，请同学们尝试完成碳与氧化铁，碳与二氧化碳的产物，并说明理由？能否找出所有反应的共同点？

【学生活动】依据碳在反应中夺氧的这一特点，能完成碳与氧化铁、二氧化碳产物预测与分析。

【师生活动】在方程式中表示出这一得氧过程，概括出碳的还原性，氧气和金属氧化物有氧化性，建立狭义的氧化还原模型，过程如图3所示。

【课堂练习】根据下列提供的物质回答问题：①S ②O2③H2④CO2⑤CO ⑥Fe2O3⑦Fe ⑧CuO⑨Mg ⑩C

（1）从得氧、失氧的角度在上述物质中选出还原性物质和氧化性物质。

（2）依据氧化还原模型预测可能的化学反应并完成方程式。

设计意图：本环节的目的是让学生在建立模型的过程中体会比较、分类、综合、归纳等科学方法；在练习中丰富认识物质性质角度，实现对化学反应认识的进阶，为从类别认识酸、碱、盐的性质积累经验，同时为高中氧化还原反应学习打好基础。

五、教学评价

《义务教育化学课程标准（2022年版）》倡导实施促进发展的评价，改进终结性评价，探索核心素养立意的命题，科学设计评价工具，重视评价学生的化学概念、科学思维、科学探究与实践、科学态度与责任等核心素养。［3］王磊等人经过多年的研究，构建了化学学科能力内涵构成及其活动表现模型，确立了“学习理解、应用实践、迁移应用”导向的化学学科能力要素及其表现指标。［4］笔者研读《义务教育化学课程标准（2022年版）》学业质量内涵和描述，借鉴“化学学科能力内涵构成及其活動表现模型”，编写本节教学内容的课时练习。学业质量、学习活动表现指标描述、学科能力、学科能力要求之间的关系表2所示。

依据以上分析，完成了本节教学内容的课时练习。

六、教学反思

1.发挥化学实验在验证猜想中的功能

碳还原氧化铜实验是学生学习碳的化学性质，理解“化学元素观”的重要手段和方式。在活动设计方面，一方面展开反应预测，小组讨论，使得碳与氧化铜反应学习过程成为一个有意义的建构过程。另一方面以实验事实为依据，根据实验的观察，引发学生思考：碳在反应中发生了什么变化？产物有什么可能性？如何验证产物？与碳的燃烧有何异同？由此引导学生基于实验事实进行分析、推理，获得相应结论，使学生的认识从感性走向理性。

2.重视新旧知识在提升思维进阶中的作用

在课堂练习设计中，采用学生已知与氧气反应的物质，利用具有氧化性、还原性新的分类标准认识物质，改变认识物质性质的视角；在选项中加入金属氧化物，拓展认识碳单质得氧的宽度，感受“化学元素观”的价值，实现学生思维的进阶。

3.厘清教材及课标对课堂教学的要求

氧化反应和还原反应是现行九年级人教版教材的内容，但无论是2011版还是2022版《义务教育化学课程标准》的要求都较低，对两者的统一更是没作要求。教材是我们依靠的知识源、素材源，课标是教师教学的依据，我们要能依据学科教学知识，以具体学科知识为载体，实现学科知识、学科能力和学科素养的统一。

参考文献

［1］何彩霞.围绕“化学元素观”展开深入学习——以“水的组成”教学为例［J］.化学教育（中英文），2013，34（4）：36-39.

［2］潘宏宜，陈雪萍.碳还原氧化铜反应装置改进及实验探究［J］.化学教学，2018（1）：71-75.

［3］中华人民共和国教育部.义务教育化学课程标准（2022年版）［S］.北京：人民教育出社，2022.

［4］马佳，梁凯，王澜，谢佳君，张晓红.基于化学学科能力的高三教学评一体化设计［J］.化学教育（中英文），2022，43（16）：65-75.