顧曄

摘要：“氧化還原反應(yīng)”是高中化學階段具有重要學科價值的基本概念之一，其概念的進階不僅是對學生原有知識的發(fā)展和完善，也體現(xiàn)了科學知識是變化的這一科學本質(zhì)觀。本設(shè)計選擇國內(nèi)外相關(guān)科學史實，引導(dǎo)學生從不同層次建構(gòu)氧化還原反應(yīng)概念，并在S7SE的情境下應(yīng)用氧化還原反應(yīng)的相關(guān)概念解決實際問題。

關(guān)鍵詞：氧化還原反應(yīng)，概念模型，科學史，科學本質(zhì)，STSE

文章編號：1008-0546（2020）05-0007-04 中圖分類號：G632.41 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2020.05.002

“氧化還原反應(yīng)”是高中化學重要的基本概念之一，從不同角度對化學反應(yīng)進行分類、進一步理解物質(zhì)的轉(zhuǎn)化、應(yīng)用化學基本概念解決實際問題等具有重要的學科價值。目前“氧化還原反應(yīng)”的教學設(shè)計有以下模式：（1）將概念轉(zhuǎn)變成學習工具，運用氧化還原反應(yīng)知識解決實際問題;（2）選擇合適的實驗情境，基于實驗探究的概念原理教學;（3）基于學習任務(wù)分析和學情的教學設(shè)計;（4）通過生活場景再現(xiàn)創(chuàng)設(shè)問題情境等。以上設(shè)計均考慮到情境設(shè)置的重要性，本設(shè)計嘗試選取科學史實和STSE素材進行情境創(chuàng)設(shè)，幫助學生從不同角度建構(gòu)氧化還原反應(yīng)概念，在此基礎(chǔ)上加深對概念的理解并進行合理的應(yīng)用。

一、課程標準摘錄和分析

1.內(nèi)容標準分析

在九年級《化學》從“得失氧”角度分析“氧化反應(yīng)”和“還原反應(yīng)”的基礎(chǔ)上，《普通高中化學課程標準》在教學內(nèi)容上提出了三個新的要求：（1）認識有化合價變化的反應(yīng)是氧化還原反應(yīng);（2）了解氧化還原反應(yīng)的本質(zhì)是電子的轉(zhuǎn)移;（3）知道常見的氧化劑和還原劑。這三個內(nèi)容符合氧化還原反應(yīng)概念發(fā)展的規(guī)律，體現(xiàn)了科學本質(zhì)中科學知識有其持久性的同時還具有暫時性，所以在高中階段氧化還原反應(yīng)的新授課中將新增概念與原有概念有機地融合是授課準備的核心，也是大多科學概念建構(gòu)的常見模式。

2.教學提示分析

《普通高中化學課程標準》在“教學策略”部分強調(diào)了學生學完氧化還原反應(yīng)后能解決怎樣的問題，即利用氧化還原反應(yīng)指導(dǎo)元素化合物的學習;從氧化還原反應(yīng)角度分析生產(chǎn)和生活實際中的真實問題。

這兩點對問題情境的選擇和設(shè)計提出了較高要求，一方面離學生現(xiàn)有知識水平不能太遠，另一方面要注意問題的真實性;“學習活動建議”中提到的“氧化還原反應(yīng)本質(zhì)的探究”本設(shè)計擬以鋅銅原電池的演示實驗為探究素材;“情境素材建議”提到的“氧化還原理論建立的史料”一方面要符合氧化還原反應(yīng)的發(fā)展歷程，同時也要注意中西方科學發(fā)展史的結(jié)合（畢竟我國古代的冶金工藝在一定時間內(nèi)也是處于領(lǐng)先地位的，而冶金工藝是離不開氧化還原反應(yīng)的）;“日常生活中的氧化還原反應(yīng)”則可以借助合適的STSE素材，進行真實情境下問題解決的設(shè)計，本設(shè)計選取了“汽車發(fā)動機廢氣經(jīng)過三元催化器前后的變化”和“含六價鉻廢水的處理”兩個素材。

3.學業(yè)要求分析

《普通高中化學課程標準》在本內(nèi)容的“學業(yè)要求”部分首先要求“學生學完氧化還原反應(yīng)后能從新的角度對常見的反應(yīng)進行分類和分析說明”，從“得失氧”到“化合價升降”的概念進階可以順利解決類似問題;“能從元素價態(tài)的角度，依據(jù)氧化還原反應(yīng)原理預(yù)測物質(zhì)的化學性質(zhì)和變化”是應(yīng)用層面的要求，本設(shè)計中“如何將發(fā)動機廢氣中的氮氧化物（NO_x）轉(zhuǎn)化為無污染的氮氣”與此要求是一致的;最后從電影《永不妥協(xié)》中提取的STSE素材則對應(yīng)了“能有意識運用所學的知識或?qū)で笙嚓P(guān)證據(jù)參與社會性議題的討論（如酸雨和霧霾防治、水體保護、食品安全等）”的學業(yè)要求。

當然，以上學業(yè)要求的達成不是一蹴而就的，雖然本節(jié)課均有涉及，但從認知層次上還是要有所區(qū)分的，例如同樣是含鉻廢水的處理，第2問定量分析的要求可以視學生的基礎(chǔ)考慮是否采用，但從離子反應(yīng)進行分析對大部分高一學生而言就顯得要求過高了。

二、學習者分析

“氧化還原反應(yīng)”位于高一化學必修1模塊第二章第三節(jié)，在此之前學生完成了化學實驗、物質(zhì)分類及離子反應(yīng)等相關(guān)知識的學習（對于目前使用新課標舊教材的學生群體），另外學生在初中的已有基礎(chǔ)上已經(jīng)能從得失氧角度對“氧化反應(yīng)”和“還原反應(yīng)”分別進行分析，較熟悉的反應(yīng)有可燃物的燃燒、氧化銅在一定條件下被還原、水煤氣的產(chǎn)生等?？紤]到學生已有認知水平和科學概念發(fā)展的規(guī)律，本節(jié)課學生概念的建構(gòu)任務(wù)有以下3個：

（1）得氧和失氧是同時發(fā)生的，即氧化反應(yīng)發(fā)生的同時還原反應(yīng)也發(fā)生了;

（2）得失氧判斷氧化還原反應(yīng)的方法在沒有氧元素參與時受到限制，即進階到從化合價角度分析氧化還原反應(yīng)：

（3）化合價變化的內(nèi)因何在呢？從得失電子角度分析氧化還原反應(yīng)。

三、教學目標

1.通過化學史實的呈現(xiàn)和分析，了解氧化還原反應(yīng)的宏觀特征和微觀本質(zhì);

2.通過典型氧化還原反應(yīng)的類比分析，掌握氧化劑和還原劑在反應(yīng)中的行為;

3.通過電化學演示實驗和對典型氧化還原反應(yīng)的化合價升降分析，發(fā)現(xiàn)氧化還原反應(yīng)中電子得失守恒關(guān)系。

四、教學過程

1.引入環(huán)節(jié)

我國古代有著先進的金屬冶煉的技術(shù)，以“濕法煉銅”為例：

史料1：濕法煉銅

西漢劉安所著《淮南萬畢術(shù)》中記載有“曾青得到鐵則化為銅”。

明代宋應(yīng)星著《天工開物》記載了膽水浸銅法（圖1）：膽水浸銅是指直接將天然膽水引入人工建造的溝槽中，浸泡鐵片。

2.建構(gòu)概念模型：氧化還原反應(yīng)的概念

[學習任務(wù)1]從得失氧角度和化合價升降認識氧化還原反應(yīng)

a.分析反應(yīng)（1）中反應(yīng)物的得氧和失氧情況，概括反應(yīng)前后相關(guān)物質(zhì)“得失氧”的情況。

b.分析反應(yīng)物（1）、（2）化合價變化，概括反應(yīng)前后相關(guān)元素“化合價升降”的情況。

[設(shè)計意圖]選取學生熟悉的兩個反應(yīng)，體會從“得失氧”角度和“化合價升降”角度認識氧化還原反應(yīng)的兩種方法，比較二者的使用范圍。

史料2：電化學的發(fā)展和電子的發(fā)現(xiàn)

1836年，英國科學家丹尼爾對“伏打電池”進行了改良，制造了一個能穩(wěn)定工作的銅鋅原電池，稱為丹尼爾電池。

1897年約瑟夫·約翰·湯姆遜根據(jù)放電管中的陰極射線在電磁場和磁場作用下的軌跡確定陰極射線中的粒子帶負電，并測出其荷質(zhì)比，這在一定意義上是歷史上第一次發(fā)現(xiàn)電子。

演示實驗：演示鋅銅原電池（簡化的丹尼爾電池）工作時電流表指針的轉(zhuǎn)動。

[學習任務(wù)2]從電子轉(zhuǎn)移角度認識氧化還原反應(yīng)

學生：觀察實驗，分析反應(yīng)（1）和反應(yīng)（2）中的電子轉(zhuǎn)移情況。

（1）概括反應(yīng)前后相關(guān)物質(zhì)“電子得失”的情況并填人表3。

（2）你如何看待同一個氧化還原反應(yīng)中“得失氧”“化合價升降”和“電子的轉(zhuǎn)移”這三者直接的關(guān)系？如果撤去電流表，反應(yīng)中還存在電子的轉(zhuǎn)移嗎？

[設(shè)計意圖]利用“丹尼爾電池”“湯姆遜發(fā)現(xiàn)電子”兩則科學史材料和簡單鋅銅原電池的演示實驗，幫助學生從宏觀現(xiàn)象逐漸深入到反應(yīng)的微觀本質(zhì)，逐步認識一個氧化還原反應(yīng)化合價升降背后的“實質(zhì)”——電子的轉(zhuǎn)移，這也與氧化還原反應(yīng)概念的發(fā)展史是一致的。

史料3：氧化還原反應(yīng)概念發(fā)展（表4）。

[設(shè)計意圖]從得失氧、化合價升降和電子轉(zhuǎn)移角度認識氧化還原反應(yīng)的歷程也是科學發(fā)展的歷程，通過表1的總結(jié)一方面呈現(xiàn)讓學生認知與科學發(fā)展史的一致性，另一方面認識到每一種認知角度都是與當時的理論發(fā)展是一致的，而不是簡單的“對”或者“錯”。

[學習任務(wù)3]認識氧化劑和還原劑，體會它們在氧化還原反應(yīng)中的作用。

學生：分析H₂和單質(zhì)鐵在反應(yīng)（1）和反應(yīng)（2）這兩個反應(yīng)中的作用。

（1）歸納H₂和單質(zhì)鐵反應(yīng)前后化合價變化情況。

（2）概括氧化劑、還原劑在反應(yīng)中的變化特點，填入下表.

[設(shè)計意圖]氧化劑和還原劑的判斷本身不是目的，更不是為了迷惑學生而出現(xiàn)的概念，所以起始階段應(yīng)該單一些簡單的、學生不易迷惑例子幫助學生歸納氧化劑和還原劑在反應(yīng)前后的變化特征，為后面的應(yīng)用打下基礎(chǔ)。

[學習任務(wù)4]電子得失守恒的驗證

已知：反應(yīng)（3）、（4）可以用于鐵、鈦的制?。簩W生：判斷反應(yīng)的氧化劑和還原劑，并從化合價升降和電子得失角度分析反應(yīng)（3）、（4），歸納反應(yīng)前后氧化劑得到的電子數(shù)與還原劑失去的電子數(shù)有何關(guān)系。

[設(shè)計意圖]由化合價升降數(shù)目相等過渡到電子得失守恒，為在真實情境中運用電子守恒解決實際問題做好準備。

3.應(yīng)用概念：STSE情境下的問題解決

STSE素材1：三元催化器中的主要反應(yīng)。

汽車尾氣排放前需經(jīng)過“三元催化器”（圖2）。三元催化器是凈化汽車發(fā)動機排放氣體的重要裝置，其內(nèi)部存在鉑、銠、鈀等貴金屬，它們可以促使發(fā)動機室排出的碳氫化合物（C_xH_y）、CO及氮氧化物（NO_x）轉(zhuǎn)化為對環(huán)境幾乎不產(chǎn)生危害的氣體。

（1）氮氧化物（NO_x）是造成硝酸型酸雨的源頭之一，包括NO、NO_x等，結(jié)合素材1猜想氮氧化物經(jīng)過三元催化器后的產(chǎn)物。

（2）要想獲得這種產(chǎn)物，氮元素化合價如何變化，與具有____性的物質(zhì)反應(yīng)比較合適？

（3）反應(yīng)2CO+2NO向→N₂+2CO₂（反應(yīng)條件略去）中的還原劑是___。

（4）完成反應(yīng)方程式：CO+NO₂→……（反應(yīng)條件略去），和同伴交流你是如何分析反應(yīng)產(chǎn)物、如何配平的。

STSE素材2：電影《永不妥協(xié)》——與六價鉻的斗爭

女主角埃琳（茱莉亞羅伯茨飾）在一堆有關(guān)資產(chǎn)和債務(wù)的文件中很偶然地發(fā)現(xiàn)了當?shù)厣鐓^(qū)隱藏著的重大環(huán)境污染事件，一處非法排放的有毒污水（含六價鉻）正在損害居民的健康，是造成一種致命疾病的根源。

廢水在反應(yīng)池中用硫酸調(diào)至酸性，投加FeSO₄溶液，使六價鉻還原為三價鉻，然后投加石灰乳，其基本工藝流程如圖3，試分析：

（1）FeSO₄使六價鉻還原為三價鉻的過程中做為還原劑，依據(jù)是____;

（2）若一份水樣中含lmol K₂Cr₂O₇，理論上需要消耗____molFeSO₄。

[設(shè)計意圖]關(guān)注與化學有關(guān)的社會熱點問題，應(yīng)用氧化還原反應(yīng)基本概念解決實際問題，在此過程中認識環(huán)境保護（大氣污染和水污染的綜合治理）的重要性，培養(yǎng)學生的“綠色化學”觀念和“可持續(xù)發(fā)展”意識。

五、教學反思

1.挑選怎樣的化學史實——為概念模型建構(gòu)服務(wù)

科學史與兒童心理發(fā)展的相似性與連續(xù)性可以從科學教育的實證研究中尋找證據(jù)，有學者指出學生有很多概念與科學史是相平行的，科學史不僅幫助我們了解科學概念產(chǎn)生的情境，也可提供我們對于科學概念學習順序的判斷。從科學的本質(zhì)理解氧化還原反應(yīng)，不應(yīng)該簡單地將之定義為某一個確定的概念，而應(yīng)該結(jié)合科學史中的相關(guān)素材讓學生看到氧化還原反應(yīng)的概念也是逐步發(fā)展的。

本設(shè)計首先選擇學生熟悉的氫氣還原氧化銅和濕法煉銅兩個反應(yīng)為主要對象進行氧化還原反應(yīng)概念的建構(gòu)，從得失氧的同時發(fā)生到化合價的有升有降，實現(xiàn)了概念的第一次跨越;再利用丹尼爾電池和湯姆生發(fā)現(xiàn)電子兩則科學史素材，讓學生了解化合價升降表象下面的實質(zhì)——電子的轉(zhuǎn)移，實現(xiàn)了概念的第二次跨越;至此利用“史料3”總結(jié)三種層次的定義與科學發(fā)展的一致性，從宏觀到微觀、從表象到本質(zhì)，符合科學知識是變化的（Tenativeness）這一科學本質(zhì)，可見氧化還原反應(yīng)的概念進階本身就是“科學知識是變化的”真實體現(xiàn)。

2.挑選怎樣的STSE素材——為概念的遷移應(yīng)用服務(wù)

為什么要建構(gòu)氧化還原反應(yīng)的概念？這是老師講授氧化還原反應(yīng)前需要問自己的一個問題。工業(yè)生產(chǎn)、日常生活和社會發(fā)展中有太多的氧化還原反應(yīng)以及與氧化還原反應(yīng)息息相關(guān)的問題，本教學設(shè)計選擇了社會關(guān)注度較高的汽車尾氣排放和工業(yè)廢水污染兩則情境素材，包括汽車尾氣處理的三元催化的簡單原理和含六價鉻廢水的處理。鑒于高一新生的知識掌握的現(xiàn)有水平，本設(shè)計借助這兩則STSE素材讓學生進一步去理解氧化還原反應(yīng)及氧化劑和還原劑的作用，在定性掌握氧化還原反應(yīng)相關(guān)概念的基礎(chǔ)上，嘗試帶領(lǐng)學生根據(jù)得失電子守恒從定量視角分析素材1中第4問給定情境的氧化還原反應(yīng)的配平和素材2中FeSO₄用量的計算（該部分可以視學生基礎(chǔ)合理取舍），旨在引導(dǎo)學生建構(gòu)氧化還原反應(yīng)概念的基礎(chǔ)上應(yīng)用該基本概念解決真實情境下的問題。