張寒之

（南京市天印高級(jí)中學(xué) 江蘇 南京 211100）

利用化學(xué)實(shí)驗(yàn)促進(jìn)學(xué)生化學(xué)認(rèn)識(shí)的發(fā)展
——以“氧化還原反應(yīng)”為例

張寒之*

（南京市天印高級(jí)中學(xué) 江蘇 南京 211100）

本文以氧化還原反應(yīng)教學(xué)為例，研究化學(xué)實(shí)驗(yàn)在促進(jìn)學(xué)生認(rèn)識(shí)發(fā)展中的積極作用。文章主要從學(xué)生認(rèn)識(shí)角度的增加，認(rèn)識(shí)方式的優(yōu)化兩個(gè)方面，結(jié)合具體的教學(xué)實(shí)例展開研究。

化學(xué)認(rèn)識(shí)；認(rèn)識(shí)角度；認(rèn)識(shí)方式

一、化學(xué)知識(shí)發(fā)展和化學(xué)認(rèn)識(shí)發(fā)展

學(xué)生認(rèn)識(shí)發(fā)展可以相對(duì)于學(xué)生知識(shí)發(fā)展來理解。高中化學(xué)教學(xué)也應(yīng)當(dāng)包含了化學(xué)知識(shí)的教學(xué)和化學(xué)認(rèn)識(shí)的教學(xué)?；瘜W(xué)知識(shí)描述客觀世界，是相對(duì)靜止、公認(rèn)的?；瘜W(xué)認(rèn)識(shí)是要解決如何獲取化學(xué)知識(shí)、獲取到怎樣的化學(xué)知識(shí)，化學(xué)知識(shí)反作用給主體帶來怎樣的體會(huì)。教學(xué)不僅僅要讓學(xué)生知道所學(xué)知識(shí)是什么，而且要讓學(xué)生將所學(xué)知識(shí)轉(zhuǎn)化為他們認(rèn)識(shí)世界的視角、分析問題的方式和思路，這一將知識(shí)內(nèi)化的過程必須經(jīng)過大量的認(rèn)識(shí)實(shí)踐活動(dòng)來實(shí)現(xiàn)，在充滿活力且不失理性的實(shí)踐活動(dòng)中讓學(xué)生豐富他們的認(rèn)識(shí)角度，深化他們的認(rèn)識(shí)方式。

二、氧化還原反應(yīng)教學(xué)的案例研究

氧化還原反應(yīng)是中學(xué)化學(xué)的核心概念之一，從學(xué)生化學(xué)認(rèn)識(shí)發(fā)展的層面，氧化還原反應(yīng)概念的建立，能夠使學(xué)生建立對(duì)化學(xué)反應(yīng)分類的新視角，建立化學(xué)反應(yīng)中原子在重新組合中存在電子轉(zhuǎn)移的認(rèn)識(shí)角度，從而發(fā)展學(xué)生的微粒觀。認(rèn)識(shí)物質(zhì)時(shí)，學(xué)生能夠主動(dòng)從元素化合價(jià)角度，預(yù)測(cè)物質(zhì)的氧化性和還原性，拓展了認(rèn)識(shí)物質(zhì)性質(zhì)的角度。通過對(duì)氧化還原反應(yīng)本質(zhì)的學(xué)習(xí)，學(xué)生對(duì)氧化還原的理解能夠從“得氧失氧”的宏觀描述進(jìn)入電子轉(zhuǎn)移的微觀層面，從原子結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)理解原子得失電子能力的強(qiáng)弱，從而完成從孤立學(xué)習(xí)知識(shí)到系統(tǒng)學(xué)習(xí)的轉(zhuǎn)變。

1．學(xué)生已經(jīng)具備的“氧化還原”水平

在課前的調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生對(duì)化學(xué)反應(yīng)的認(rèn)識(shí)角度僅限于 “元素種類”，認(rèn)識(shí)方式也停留在 “宏觀描述”，學(xué)習(xí)狀態(tài)處于機(jī)械記憶。針對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)現(xiàn)狀，筆者認(rèn)為本節(jié)內(nèi)容的教學(xué)應(yīng)當(dāng)充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，所講授的內(nèi)容要立足學(xué)生“已有知識(shí)”，在具體學(xué)習(xí)過程中引發(fā)學(xué)生認(rèn)識(shí)沖突，遵循其認(rèn)識(shí)發(fā)展的軌跡，循序漸進(jìn)，利用化學(xué)實(shí)驗(yàn)作為學(xué)生走入反應(yīng)本質(zhì)的工具，幫助他們形成微觀層面的認(rèn)識(shí)方式。

2．“氧化還原反應(yīng)”第一課時(shí)教學(xué)設(shè)計(jì)

（1）利用化學(xué)史，回憶已有知識(shí)

筆者在教學(xué)中以“燃燒”現(xiàn)象作為引入，以學(xué)生初中化學(xué)知識(shí)作為生長點(diǎn)。師：為什么有的物質(zhì)能點(diǎn)燃？有的不能呢？生：燃燒滿足條件、可燃物、達(dá)到著火點(diǎn)和氧氣。師：什么樣的物質(zhì)可以被稱為可燃物？可燃物有什么特點(diǎn)？生：……教師用“刨根問題”的追問引發(fā)學(xué)生的認(rèn)識(shí)沖突，學(xué)生的求知欲被激發(fā)，身臨其境的置身于化學(xué)史的長河中。教師利用網(wǎng)絡(luò)給學(xué)生介紹了17世紀(jì)末，在歐洲流行的一種解釋燃燒本質(zhì)的學(xué)說“燃素說”。1777年拉瓦錫的“氧化說”很好的解決了“燃素說”面臨的困境，與學(xué)生現(xiàn)有的認(rèn)知更為符合。教師請(qǐng)學(xué)生“模仿”拉瓦錫的氧化說，寫出具體的化學(xué)反應(yīng)。大部分學(xué)生都寫了“金屬銅和氧氣產(chǎn)生氧化銅”作為氧化反應(yīng)的代表，“木炭還原氧化銅”作為還原反應(yīng)的代表。可見，學(xué)生在初中學(xué)習(xí)中只能從金屬得氧和金屬失氧被還原為單質(zhì)來判斷氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)，甚至不能發(fā)現(xiàn)碳得到氧是一個(gè)被氧化的過程，可見，初中的學(xué)習(xí)中學(xué)生并沒有建立氧化還原反應(yīng)的概念，局限于從宏觀層面即氧元素的得失來描述一個(gè)化學(xué)反應(yīng)。

此時(shí)，教師不需要按照教材中的安排急于把學(xué)生的認(rèn)知“拉”到化合價(jià)的角度，可以剛好利用學(xué)生“被氧化”、“被還原”的概念，從元素守恒的角度引導(dǎo)他們發(fā)現(xiàn)氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)是必然同時(shí)發(fā)生的。師：氧化銅被誰還原成了單質(zhì)？生：碳。師：可見碳具有很強(qiáng)的什么性??？在反應(yīng)中做了什么呢？生：碳是還原劑，還原性很強(qiáng)。在學(xué)生已經(jīng)掌握的知識(shí)上做拓展，建立氧化劑和還原劑的概念，在學(xué)生熟悉的宏觀層面建立概念可以降低學(xué)生理解難度，避免教材中“一步到位”給學(xué)生學(xué)習(xí)帶來的困惑（表1）。

表1

（2）引發(fā)認(rèn)識(shí)沖突，探索微觀世界

當(dāng)學(xué)生在宏觀層面建立起氧化還原反應(yīng)的相關(guān)概念后，教師可以利用具體情境引發(fā)學(xué)生認(rèn)識(shí)沖突，“濕法煉銅”是一個(gè)氧化還原反應(yīng)嗎？從化學(xué)現(xiàn)象看，金屬銅從溶液中還原出來，但是通過觀察方程式無法從氧元素的得失作出氧化還原反應(yīng)的結(jié)論，學(xué)生很想知道“這該怎么辦？”教師啟發(fā)學(xué)生觀察這些氧化還原反應(yīng)是否存在共同點(diǎn)？引導(dǎo)他們從化合價(jià)來重新描述氧化還原反應(yīng)?；蟽r(jià)的教學(xué)在初中化學(xué)中是重點(diǎn)教學(xué)內(nèi)容，所以學(xué)生不難發(fā)現(xiàn)在氧化還原反應(yīng)中反應(yīng)前后都有元素化合價(jià)發(fā)生了變化，結(jié)合“得氧失氧”，找到它們之間的聯(lián)系（表2）。

表2

成功的體驗(yàn)讓學(xué)生更加主動(dòng)的參與教學(xué)活動(dòng)，提出“化合價(jià)為什么會(huì)有變化呢？”可見，沿著他們認(rèn)識(shí)發(fā)展脈絡(luò)，學(xué)生們主動(dòng)從宏觀思維進(jìn)入了微觀思維。引導(dǎo)學(xué)生從微觀角度來認(rèn)識(shí)電子轉(zhuǎn)移和氧化還原反應(yīng)的關(guān)系，即氧化還原反應(yīng)的本質(zhì)，是本節(jié)內(nèi)容的重點(diǎn)和難點(diǎn)。通過在宏觀層面對(duì)具體反應(yīng)實(shí)例的分析，學(xué)生不難理解氧化劑中元素原子得到電子導(dǎo)致元素化合價(jià)降低，被還原；還原劑中元素原子失去電子導(dǎo)致化合價(jià)升高，被氧化。高一學(xué)生在現(xiàn)階段具有的微觀認(rèn)識(shí)較少，缺少對(duì)原子結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)，更沒有化學(xué)鍵的認(rèn)識(shí)。如何幫助學(xué)生建立氧化還原反應(yīng)的本質(zhì)是電子的轉(zhuǎn)移呢？筆者認(rèn)為利用具體的化學(xué)反應(yīng)實(shí)例，利用實(shí)驗(yàn)手段，讓學(xué)生從宏觀進(jìn)入微觀，在較深的層次上認(rèn)識(shí)分析現(xiàn)象是促進(jìn)學(xué)生認(rèn)識(shí)發(fā)展的重要部分。

（3）體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)探究，拓展認(rèn)識(shí)角度

于是，在教學(xué)過程中為了突破這個(gè)難點(diǎn)，筆者做了如下的教學(xué)設(shè)計(jì)。

教師行為 學(xué)生行為 設(shè)計(jì)意圖以“濕法煉銅”為具體實(shí)例，引導(dǎo)學(xué)生分析反應(yīng)中的氧化劑、還原劑以及反應(yīng)中電子轉(zhuǎn)移的情況。書寫方程式用“單線橋”表示電子轉(zhuǎn)移的數(shù)目和方向。 通過實(shí)例，掌握氧化劑和還原劑的判斷。提問：Fe傳遞給Cu2+的電子我們能看到嗎？能想辦法看到嗎？ 如果我們用導(dǎo)線把鐵和硫酸銅溶液連起來會(huì)發(fā)生什么呢？小聲討論：說不定有電流？燈泡會(huì)亮？ 激發(fā)學(xué)生想要探尋未知世界的好奇心和求知欲，調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。演示實(shí)驗(yàn)，觀察電壓表指針，并紀(jì)錄數(shù)據(jù)鐵V專注地觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，當(dāng)電壓計(jì)指針偏轉(zhuǎn)時(shí)，學(xué)生發(fā)出了驚嘆。紀(jì)錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，電壓穩(wěn)定后顯示0.5V。（圖1）硫酸銅溶液圖1提問：有辦法將電勢(shì)差增大嗎？為什么呢？學(xué)生討論：把鐵換成更活潑的金屬。因?yàn)榻饘僭交顫姡ル娮釉饺菀?，還原性就越強(qiáng)。利用實(shí)驗(yàn)手段，將微觀現(xiàn)象宏觀化，幫助學(xué)生建立微觀和宏觀變化之間的聯(lián)系，建立微觀的認(rèn)識(shí)深度。創(chuàng)設(shè)學(xué)習(xí)情境，引導(dǎo)學(xué)生用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問題，提出假設(shè)。在解決問題的過程中建構(gòu)認(rèn)識(shí)。

演示實(shí)驗(yàn)，觀察電壓表指針，并紀(jì)錄數(shù)據(jù)V鋅記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，電壓穩(wěn)定后顯示為1.0V。（圖2）驗(yàn)證猜想，金屬鋅失電子的能力比鐵強(qiáng)，是更強(qiáng)的還原劑。根據(jù)假設(shè)，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證假設(shè)。在具體的學(xué)習(xí)情境中體驗(yàn)科學(xué)探究的成就感，增加學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣。硫酸銅溶液圖2提問：氧化還原反應(yīng)的本質(zhì)究竟是什么呢？ 反應(yīng)中發(fā)生了電子的轉(zhuǎn)移。完成表3。 通過具體實(shí)驗(yàn)看到了"轉(zhuǎn)移的電子"，學(xué)生從微觀層面建立氧化還原的概念。講解：在衡量物質(zhì)還原性或氧化性強(qiáng)弱時(shí)，我們就可以用電極電位來描述，并以此來判斷一個(gè)氧化還原反應(yīng)是否能夠發(fā)生。圖片（標(biāo)準(zhǔn)電極電勢(shì)）觀察圖表，發(fā)現(xiàn)初中所學(xué)習(xí)的金屬活動(dòng)性順序表和電極電勢(shì)的強(qiáng)弱變化基本一致。明確氧化劑往往得到電子，具有氧化性；還原劑容易失去電子，具有還原性。立足學(xué)生已有知識(shí)，利用實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和數(shù)據(jù)，引導(dǎo)學(xué)生從微觀、定量的認(rèn)識(shí)角度分析問題。講述：一個(gè)電池的設(shè)計(jì)，其材料的選擇就要參考它們的電極電勢(shì)以及原料的價(jià)格、生產(chǎn)操作等等。學(xué)生感嘆，原來氧化還原反應(yīng)這么重要。難怪好多電池都選擇金屬鋰，它的電極電勢(shì)排在第一位啊。將所學(xué)知識(shí)應(yīng)用于生活，避免學(xué)生對(duì)知識(shí)的認(rèn)識(shí)停留在具體含義上，而是實(shí)現(xiàn)知識(shí)的認(rèn)識(shí)功能與解決問題的功能。

圖3

圖4

表3

作為氧化還原反應(yīng)的第一課時(shí)，教學(xué)中并沒有過多設(shè)計(jì)概念辨析、電子轉(zhuǎn)移的計(jì)算，教師更重視遵循學(xué)生認(rèn)識(shí)發(fā)展的順序，旨在幫助學(xué)生建立一個(gè)氧化還原的知識(shí)框架。

電極電勢(shì)差是判斷氧化還原反應(yīng)能否發(fā)生的依據(jù)，高一化學(xué)的教學(xué)顯然不能深入講解，但是元素的化合價(jià)同樣可以用來顯示含有某種元素的物質(zhì)得失電子的傾向，預(yù)測(cè)它的性質(zhì)和氧化還原反應(yīng)發(fā)生的可能性。通過這樣的教學(xué)，學(xué)生不僅僅能從具體反應(yīng)中判斷氧化劑和還原劑，更重要的是脫離反應(yīng)從氧化還原的視角來推測(cè)物質(zhì)的性質(zhì)，是學(xué)生認(rèn)識(shí)角度的拓展，其認(rèn)識(shí)方式也從宏觀層面的“酸堿性”深入到物質(zhì)得失電子的能力即氧化性和還原性。

3．氧化還原反應(yīng)第二課時(shí)教學(xué)設(shè)計(jì)

（1）立足元素化合物，豐富化學(xué)認(rèn)識(shí)角度

在課前的問卷調(diào)查中，學(xué)生列舉出的氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)主要都是金屬單質(zhì)參與的氧化還原，可見高一學(xué)生對(duì)金屬的性質(zhì)比較熟悉。遵循立足學(xué)生已有知識(shí)的原則，氧化還原反應(yīng)的第二課時(shí)教學(xué)以金屬鐵的化合價(jià)展開討論。

師：你能列舉出金屬鐵參加的化學(xué)反應(yīng)嗎？生：在氧氣中燃燒、和鹽酸反應(yīng)生成氫氣、置換硫酸銅溶液中的銅。師：這些反應(yīng)是什么類型啊？多數(shù)學(xué)生：置換、化合，沉寂后少數(shù)學(xué)生：氧化還原、離子反應(yīng)。從學(xué)生的回答能發(fā)現(xiàn)，學(xué)生認(rèn)識(shí)化學(xué)反應(yīng)是仍然先考慮四類基本反應(yīng)類型，少部分同學(xué)能從氧化還原和離子角度認(rèn)識(shí)化學(xué)反應(yīng)。師：金屬鐵在反應(yīng)中表現(xiàn)了什么性質(zhì)呢？生：化合價(jià)升高了，做還原劑，有還原性。師：化合價(jià)有什么特點(diǎn)??？生：最高是＋3價(jià)，最低為0價(jià)。教師通過提問，啟發(fā)學(xué)生從化合價(jià)的角度觀察反應(yīng)，逐漸過渡到推理預(yù)測(cè)其性質(zhì)。師：從化合價(jià)的變化來判斷，單質(zhì)鐵、Fe2＋、Fe3＋有什么性質(zhì)？生：金屬鐵化合價(jià)可以升高，有還原性；Fe3＋化合價(jià)可以降低，有氧化性；Fe2＋既有氧化性又有還原性。師：那Fe和Fe3＋能相互反應(yīng)嗎？生：……（不能吧，同種元素怎么反應(yīng)。能吧，氧化還原吧。）部分同學(xué)的思維仍然停留在元素角度認(rèn)識(shí)化學(xué)反應(yīng)，只有少部分同學(xué)嘗試從化合價(jià)來判斷反應(yīng)發(fā)生的可能性。認(rèn)識(shí)沖突形成之后，教師可以利用探究實(shí)驗(yàn)強(qiáng)化學(xué)生對(duì)物質(zhì)氧化性和還原性的理解。

（2）體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)探究，深化認(rèn)識(shí)方式

創(chuàng)設(shè)實(shí)驗(yàn)探究的情境，提供FeCl3溶液、FeCl2溶液、還原性鐵粉、銅片、10%H2O2溶液、維生素C。學(xué)生將少量鐵粉加入FeCl3溶液中，充分震蕩后，觀察黃色褪去。師：Fe3＋和Fe反應(yīng)生成了什么呢？能否證明。生：應(yīng)該生成Fe2＋。教師啟發(fā)學(xué)生從氧化性和還原性角度來考慮，如果Fe3＋被還原成Fe2＋，再加入氧化劑，應(yīng)該能重新生成Fe3＋。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：在試管中滴加兩滴10% H2O2溶液，觀察溶液顏色變黃。

通過實(shí)驗(yàn)探究，學(xué)生能夠?qū)⒃鼗蟽r(jià)的高低與其氧化性和還原性以及物質(zhì)之間的相互反應(yīng)聯(lián)系起來，對(duì)物質(zhì)性質(zhì)的認(rèn)識(shí)角度從過去的“酸堿性”過渡到了“氧化性與還原性”，對(duì)化學(xué)反應(yīng)的認(rèn)識(shí)，也增加了“氧化還原”的認(rèn)識(shí)角度。作為知識(shí)的應(yīng)用和認(rèn)識(shí)功能的延伸，教師啟發(fā)學(xué)生嘗試用銅片、維生素C分別和FeCl3溶液反應(yīng)，體會(huì)物質(zhì)的氧化性和還原性。

氧化還原是高中化學(xué)的核心概念，在教學(xué)中不能將其孤立起來，它的意義在于指導(dǎo)后面元素化合物部分的學(xué)習(xí)，可以說，現(xiàn)在的“教”是為了后面的“不教”。指導(dǎo)學(xué)生從氧化還原的角度認(rèn)識(shí)物質(zhì)的性質(zhì)和化學(xué)反應(yīng)的本質(zhì)，能夠幫助學(xué)生系統(tǒng)的建立化學(xué)核心概念。

三、教學(xué)反思

化學(xué)實(shí)驗(yàn)不僅僅能為學(xué)生提供大量的感性材料供其觀察，它更重要的意義在于作為一種手段來引發(fā)學(xué)生的認(rèn)識(shí)沖突，提供一個(gè)學(xué)習(xí)情境來讓學(xué)生參與思考討論。實(shí)驗(yàn)是一個(gè)過程性的教學(xué)手段，學(xué)生的動(dòng)手實(shí)驗(yàn)直接影響這個(gè)過程的發(fā)展方向，同時(shí)這個(gè)過程又推動(dòng)著學(xué)生的思維向前發(fā)展。學(xué)生在神奇又極富科學(xué)性的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象中感受微觀粒子的運(yùn)動(dòng)和反應(yīng)，尋求外顯現(xiàn)象的本質(zhì)原因，在充分的活動(dòng)體驗(yàn)中，收獲到的不僅僅是感性材料，還有豐富的認(rèn)識(shí)視角、嚴(yán)密的邏輯思維和更接近反應(yīng)本質(zhì)的認(rèn)識(shí)方式。

［1］ 胡久華，張銀屏．促進(jìn)學(xué)生認(rèn)識(shí)發(fā)展的單元整體教學(xué)——以化學(xué)教學(xué)為例［J］．教育科學(xué)研究，2014（8）

［2］ 王磊．從知識(shí)解析為本到基于學(xué)生認(rèn)識(shí)發(fā)展 促進(jìn)化學(xué)教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)踐向高水平跨越——北京師范大學(xué)化學(xué)教育研究所“高端備課”項(xiàng)目簡介［J］．化學(xué)教育，2010（1）

［3］ 裴新寧．化學(xué)實(shí)驗(yàn)的情境教學(xué)觀［J］．中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考，2001（3）

1008-0546（2015）08-0083-04

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