韓曉　王朝暉　張賢金

摘要：以氧化還原反應(yīng)為例，在教學(xué)中設(shè)計(jì)了3個(gè)課堂學(xué)習(xí)活動(dòng)，通過宏觀現(xiàn)象、微觀結(jié)構(gòu)與符號(hào)之間的相互轉(zhuǎn)換，幫助學(xué)生利用“宏觀-微觀-符號(hào)”相結(jié)合的三重表征方法構(gòu)建氧化還原反應(yīng)的知識(shí)體系，形成化學(xué)學(xué)習(xí)的核心思維模式。

關(guān)鍵詞：氧化還原反應(yīng)；三重表征；課堂學(xué)習(xí)活動(dòng)；核心素養(yǎng)

文章編號(hào)：1008-0546（2017）07-0042-04 中圖分類號(hào)：G632.41 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2017.07.010

氧化還原反應(yīng)是高中化學(xué)課程中的核心概念，在生產(chǎn)、生活等各方面有廣泛的應(yīng)用，具有重要的學(xué)科價(jià)值、社會(huì)價(jià)值和化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)發(fā)展價(jià)值。以“宏觀-微觀-符號(hào)”三重表征的理念進(jìn)行氧化還原反應(yīng)教學(xué)，可以讓學(xué)生從三個(gè)維度理解氧化還原反應(yīng)，提煉出學(xué)習(xí)化學(xué)反應(yīng)的一般思路和方法，并進(jìn)行遷移和應(yīng)用。

畢華林[1]、李玲[2]等人研究發(fā)現(xiàn)學(xué)生在利用三重表征學(xué)習(xí)化學(xué)反應(yīng)時(shí)存在不少困難，如面對(duì)大量感官刺激的宏觀現(xiàn)象，無法將宏觀表征與化學(xué)符號(hào)相聯(lián)系，不理解化學(xué)方程式的符號(hào)含義；不能從微觀水平上理解化學(xué)反應(yīng)；難以在不同表征水平間進(jìn)行轉(zhuǎn)換。在氧化還原反應(yīng)的學(xué)習(xí)中，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行“宏觀-微觀-符號(hào)”三者之間的轉(zhuǎn)換，滲透和深化三重表征的思維方式，可以形成不同于其他學(xué)科的化學(xué)特有的思維方法。

王云生提出落實(shí)學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)，要把課堂學(xué)習(xí)活動(dòng)的設(shè)計(jì)作為化學(xué)課堂教學(xué)的中心，通過學(xué)習(xí)活動(dòng)學(xué)習(xí)化學(xué)的核心基礎(chǔ)知識(shí)和基本技能，提高學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)[3]。對(duì)于化學(xué)知識(shí)的學(xué)習(xí)，尤其是氧化還原反應(yīng)這類抽象性概念的學(xué)習(xí)，要在教師的引導(dǎo)下，基于三重表征理論，把握物質(zhì)宏觀性質(zhì)和微觀結(jié)構(gòu)的雙重表征，獲得宏觀和微觀水平的概念知識(shí)，促進(jìn)符號(hào)知識(shí)的生成，實(shí)現(xiàn)三者的轉(zhuǎn)換[4]。筆者以“氧化還原反應(yīng)”為例，設(shè)計(jì)了3個(gè)課堂學(xué)習(xí)活動(dòng)，引導(dǎo)學(xué)生將三重表征相融合，通過宏觀現(xiàn)象、微觀結(jié)構(gòu)與符號(hào)之間的相互轉(zhuǎn)換，形成化學(xué)學(xué)習(xí)的核心思維模式。

一、基于三重表征構(gòu)建“氧化還原反應(yīng)”教學(xué)目標(biāo)

1. 核心知識(shí)目標(biāo)

學(xué)生能描述一些反應(yīng)的宏觀現(xiàn)象，但沒有建立宏觀現(xiàn)象和化學(xué)符號(hào)（化學(xué)方程式）之間的聯(lián)系。知道原子結(jié)構(gòu)示意圖、電子排布式、分子模型等化學(xué)符號(hào)，無法從微觀結(jié)構(gòu)的角度解釋氧化還原反應(yīng)發(fā)生的原因。單雙線橋法這一化學(xué)符號(hào)將氧化還原反應(yīng)的宏觀表現(xiàn)化合價(jià)變化和微觀實(shí)質(zhì)電子轉(zhuǎn)移的方向和數(shù)目相融合，可以幫助學(xué)生在宏觀-微觀-符號(hào)三重表征之間提取和轉(zhuǎn)換。由此確定核心知識(shí)目標(biāo)為：

（1）理解氧化還原方程式中化學(xué)符號(hào)的含義，建立宏觀現(xiàn)象和符號(hào)間的聯(lián)系。

（2）能夠利用物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)解釋氧化還原反應(yīng)發(fā)生的原因。

（3）掌握用單雙線橋法表征氧化還原反應(yīng)。

2. 核心能力目標(biāo)

利用物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)解釋氧化還原反應(yīng)發(fā)生的原因，培養(yǎng)學(xué)生宏微結(jié)合的學(xué)習(xí)能力；以小組為單位進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究和討論，培養(yǎng)學(xué)生自主與合作的學(xué)習(xí)能力以及化學(xué)實(shí)驗(yàn)探究的實(shí)踐能力。通過提供的信息材料，讓學(xué)生對(duì)獲取的信息進(jìn)行識(shí)別和加工，培養(yǎng)學(xué)生比較、推理、概括和應(yīng)用的化學(xué)信息能力和遷移能力[5]。由此確定核心能力目標(biāo)為：

（1）培養(yǎng)學(xué)生從微觀視角分析氧化還原反應(yīng)的宏微結(jié)合的學(xué)習(xí)能力。

（2）強(qiáng)化從相關(guān)資料中獲取和加工信息，進(jìn)行—般推理和論證的化學(xué)信息能力。

（3）采用探究和討論的小組合作形式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，培養(yǎng)學(xué)生化學(xué)實(shí)踐能力。

3. 核心品格目標(biāo)

在探究KI溶液和氯水反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)時(shí)，學(xué)生發(fā)現(xiàn)氯水用量不同，產(chǎn)物不同，鼓勵(lì)學(xué)生敢于質(zhì)疑，實(shí)事求是，體會(huì)量變到質(zhì)變的辯證唯物主義思想，養(yǎng)成學(xué)生崇尚科學(xué)真理，不迷信書本和權(quán)威的科學(xué)探究的精神和必備品格。

二、基于三重表征的課堂學(xué)習(xí)活動(dòng)設(shè)計(jì)

在對(duì)“氧化還原反應(yīng)”的教學(xué)目標(biāo)進(jìn)行闡述和構(gòu)建后，為了落實(shí)這些目標(biāo)，筆者設(shè)計(jì)了三個(gè)課堂學(xué)習(xí)活動(dòng)，并重點(diǎn)闡述課堂學(xué)習(xí)活動(dòng)設(shè)計(jì)的意圖。

學(xué)習(xí)活動(dòng)1：宏觀現(xiàn)象與符號(hào)間的聯(lián)系

活動(dòng)內(nèi)容：

（1）展示氫氣還原氧化銅反應(yīng)的裝置，預(yù)測(cè)反應(yīng)的現(xiàn)象，寫出相關(guān)的化學(xué)反應(yīng)方程式，分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和化學(xué)符號(hào)（化學(xué)式及化學(xué)方程式）間的聯(lián)系。

（2）分組實(shí)驗(yàn)：向盛有KI溶液的試管中，加入少許CCl4后，逐滴滴加氯水，觀察反應(yīng)的現(xiàn)象，寫出相應(yīng)的化學(xué)方程式。

活動(dòng)設(shè)計(jì)意圖分析：

化學(xué)方程式里蘊(yùn)含著大量的信息，可以表征宏觀水平的物質(zhì)變化，也可以表征微觀水平上的粒子行為。專家可以很方便地利用化學(xué)方程式這種符號(hào)表征在宏觀表征和微觀表征間轉(zhuǎn)換，對(duì)學(xué)生而言，它更像是一些無意義的音節(jié)[6]?；瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)給學(xué)生提供了豐富的感官刺激，而學(xué)生常常止于觀察顯著的宏觀現(xiàn)象，在課堂活動(dòng)中，讓學(xué)生通過氫氣還原氧化銅的實(shí)驗(yàn)裝置預(yù)測(cè)反應(yīng)現(xiàn)象，引導(dǎo)學(xué)生將觀察到的宏觀現(xiàn)象與化學(xué)符號(hào)建立聯(lián)系。如圖1所示，學(xué)生知道反應(yīng)的宏觀現(xiàn)象是黑色固體變?yōu)榧t色，明白CuO和Cu這些化學(xué)符號(hào)表達(dá)的含義，當(dāng)學(xué)生看到黑色固體，用CuO這一化學(xué)符號(hào)加以表示，并用化學(xué)方程式描述物質(zhì)及其變化的過程，就將宏觀現(xiàn)象和化學(xué)式及化學(xué)反應(yīng)之間建立了聯(lián)系，進(jìn)行了宏觀表征和符號(hào)表征之間的轉(zhuǎn)換。

學(xué)生通過KI溶液和氯水的實(shí)驗(yàn)，觀察到溶液分層，下層CCl4層變?yōu)樽仙暮暧^現(xiàn)象，當(dāng)學(xué)生將變?yōu)樽仙暮暧^現(xiàn)象用I2這一化學(xué)符號(hào)表示反應(yīng)的生成物時(shí)，就理解了符號(hào)所表達(dá)的含義。通過相關(guān)信息和實(shí)驗(yàn)的宏觀現(xiàn)象，讓學(xué)生書寫相應(yīng)化學(xué)方程式，培養(yǎng)學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象辨識(shí)物質(zhì)及其相關(guān)反應(yīng)，再運(yùn)用化學(xué)符號(hào)描述常見簡(jiǎn)單物質(zhì)及其變化的能力。

有的實(shí)驗(yàn)小組，在逐滴滴加氯水的過程中，發(fā)現(xiàn)CCl4層逐漸變淺，對(duì)氯水將KI氧化成I2的反應(yīng)提出了疑問，鼓勵(lì)學(xué)生敢于質(zhì)疑，實(shí)事求是，共同分析CCl4層變?yōu)闊o色的原因，體會(huì)量變到質(zhì)變的唯物主義思想，養(yǎng)成學(xué)生崇尚科學(xué)真理，不迷信書本和權(quán)威的科學(xué)探究的精神和必備品格。

化學(xué)是從微觀層面上解釋宏觀性質(zhì)的學(xué)科，宏觀與微觀的聯(lián)系是化學(xué)學(xué)科不同于其他學(xué)科的特有的思維方式。在氧化還原反應(yīng)的教學(xué)中，相較于建立宏觀現(xiàn)象和符號(hào)間的聯(lián)系，由于微觀世界的抽象化，學(xué)生很難從微觀角度理解氧化還原反應(yīng)。化學(xué)式等化學(xué)符號(hào)包含的信息較為抽象，學(xué)生很難解讀，利用原子結(jié)構(gòu)示意圖、電子排布式、分子模型等化學(xué)符號(hào)，實(shí)現(xiàn)符號(hào)從化學(xué)式到分子結(jié)構(gòu)，視角從平面到立體的轉(zhuǎn)變，依托學(xué)生的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)，引導(dǎo)學(xué)生從微觀角度理解氧化還原反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)宏觀現(xiàn)象、微觀結(jié)構(gòu)、符號(hào)之間的轉(zhuǎn)換。

學(xué)習(xí)活動(dòng)2：物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)和氧化還原反應(yīng)

活動(dòng)內(nèi)容：

（1）討論：觀看鈉和氯氣反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)視頻，根據(jù)圖2所示的微觀結(jié)構(gòu)示意圖及相關(guān)過程，分析鈉和氯氣反應(yīng)劇烈的原因。

（2）分組實(shí)驗(yàn)：取適量酸性高錳酸鉀于試管中，滴加FeCl2溶液，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，寫出相應(yīng)的化學(xué)方程式。根據(jù)洪特規(guī)則，當(dāng)價(jià)電子排布處于全充滿（p6，d10）或半充滿（p3，d5）和全空（p0，d0）時(shí)，為穩(wěn)定狀態(tài)，已知Fe2+價(jià)電子排布式為3d6，請(qǐng)分析該反應(yīng)發(fā)生的原因。

（3）白磷化學(xué)性質(zhì)十分活潑，和空氣或潮氣接觸時(shí)發(fā)生緩慢的氧化作用，當(dāng)氧氣充足時(shí)，生成P4O10，部分的反應(yīng)能量以光能的形式放出，這是白磷可以在暗處發(fā)光的原因，叫做磷光現(xiàn)象。已知，白磷和P4O10的結(jié)構(gòu)如圖3所示，討論分析白磷容易發(fā)生反應(yīng)的原因。

活動(dòng)設(shè)計(jì)意圖分析：

微觀表征是聯(lián)系宏觀表征與符號(hào)表征的橋梁與紐帶，是建構(gòu)化學(xué)三重表征的關(guān)鍵，微觀表征有助于分析與理解宏觀現(xiàn)象，更有利于符號(hào)表征的提煉與符號(hào)含義的理解[7]。學(xué)生通過微粒結(jié)構(gòu)圖示這種化學(xué)特有的符號(hào)分析了反應(yīng)的微觀實(shí)質(zhì)，理解鈉原子和氯原子兩者傾向于形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的原因，決定了金屬鈉和氯氣活潑的性質(zhì)，使得兩者相遇時(shí)，表現(xiàn)為劇烈燃燒，產(chǎn)生黃色火焰并有大量白煙生成的宏觀現(xiàn)象。

利用化學(xué)符號(hào)核外電子排式，從微觀層面分析Fe2+和酸性高錳酸鉀溶液的反應(yīng)的實(shí)質(zhì)，F(xiàn)e2+價(jià)電子排布式為3d6，容易失去一個(gè)電子形成3d5半充滿的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，當(dāng)把FeCl2溶液加入酸性高錳酸鉀溶液時(shí)，酸性高錳酸鉀溶液將Fe2+氧化成Fe3+，自身變?yōu)镸n2+，在宏觀上表現(xiàn)為溶液紫紅色褪去。

當(dāng)學(xué)生構(gòu)建起從微觀結(jié)構(gòu)分析氧化還原反應(yīng)的思維模型時(shí)，以白磷的分子結(jié)構(gòu)為例，分析氧化還原反應(yīng)的原因。白磷是由P4組成的分子晶體，P原子采用sp3雜化，而鍵角∠PPP僅為60°，使得P4分子中的P-P鍵具有較大的張力，形成彎鍵而易于斷裂，當(dāng)接觸到空氣中的氧氣時(shí)，P4分子中具有張力的P-P鍵因氧氣分子的進(jìn)攻而斷開[8]，逐步被氧化形成P4O10，如圖4所示，P4O10中的P原子也采用sp3雜化，但鍵角近似為102°，極大地釋放了P4分子的張力，因此白磷化學(xué)性質(zhì)十分活潑，易于和氧氣反應(yīng)而自燃。

原子結(jié)構(gòu)示意圖、電子排布式、分子模型等化學(xué)符號(hào)為學(xué)生提供探查微觀世界的眼睛，降低了學(xué)生的微觀認(rèn)知困難。學(xué)生對(duì)微觀世界充滿好奇，僅展現(xiàn)微觀物質(zhì)的靜態(tài)特質(zhì)是不夠的，可以借助化學(xué)實(shí)驗(yàn)，為學(xué)生提供實(shí)驗(yàn)上的感知和驗(yàn)證，讓其通過實(shí)驗(yàn)探究的宏觀現(xiàn)象體會(huì)電子轉(zhuǎn)移的微觀實(shí)質(zhì)，再用單雙線橋這種化學(xué)符號(hào)表示這一微觀的過程，實(shí)現(xiàn)宏觀現(xiàn)象，微觀實(shí)質(zhì)，化學(xué)符號(hào)間的轉(zhuǎn)換。

學(xué)習(xí)活動(dòng)3：探究氧化還原反應(yīng)的實(shí)質(zhì)，用單雙線橋法表征氧化還原反應(yīng)

活動(dòng)內(nèi)容：

（1）分組實(shí)驗(yàn)：將鋅片、銅片、稀硫酸按照如圖5所示的裝置組建實(shí)驗(yàn)裝置，觀察電流計(jì)的偏轉(zhuǎn)以及實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

討論：

①電流計(jì)偏轉(zhuǎn)的原因。

②通過鋅和稀硫酸反應(yīng)的離子方程式，分析化合價(jià)的變化和得失電子的關(guān)系，以及電子定向移動(dòng)的原因。

（2）觀察表示氧化還原反應(yīng)電子轉(zhuǎn)移和元素化合價(jià)升降的兩種方法，如圖6所示。

討論：

①單線橋法和雙線橋法有何異同？哪種能更好的表示電子地轉(zhuǎn)移？

②單線橋法和雙線橋法如何將宏觀-微觀-符號(hào)結(jié)合在一起？

（3）閱讀表1中的信息，分別用單雙線橋法表示鈉和水的反應(yīng)，分析電子轉(zhuǎn)移的方向和數(shù)目，并從微觀結(jié)構(gòu)角度，如圖7所示，解釋鈉和水反應(yīng)劇烈的原因。

活動(dòng)設(shè)計(jì)意圖分析：

通過鋅銅和稀硫酸構(gòu)成的原電池裝置，引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)電流計(jì)偏轉(zhuǎn)這一宏觀現(xiàn)象探究反應(yīng)的微觀實(shí)質(zhì)，如圖5所示，Zn從0價(jià)升高到+2價(jià)，化合價(jià)升高，失去電子，生成Zn2+，Zn失去的電子被H+得到，使得電子定向移動(dòng)形成了電流。學(xué)生觀察到銅片上有氣體生成，引導(dǎo)學(xué)生將觀察到的宏觀現(xiàn)象同微觀實(shí)質(zhì)和化學(xué)符號(hào)建立聯(lián)系，如由于溶液中H+的定向移動(dòng)，在銅片所在的正極得到電子產(chǎn)生氫氣，人們用電極反應(yīng)式2H++2e-→H2↑來表示這一過程。

單雙線橋法將氧化還原反應(yīng)宏觀表現(xiàn)化合價(jià)變化和微觀實(shí)質(zhì)電子轉(zhuǎn)移的方向和數(shù)目用符號(hào)表示出來，可以有效地幫助學(xué)生理解氧化劑、還原劑等相關(guān)概念，并從定量的角度分析氧化還原反應(yīng)。學(xué)生根據(jù)相關(guān)資料和信息，小組合作和討論，通過用單雙線橋法分析鈉和水反應(yīng)，對(duì)獲取的信息進(jìn)行識(shí)別和加工，培養(yǎng)學(xué)生比較、推理、概括和應(yīng)用的化學(xué)信息能力和遷移能力；根據(jù)鈉和水反應(yīng)的化學(xué)方程式，描述反應(yīng)的現(xiàn)象，從微觀角度解釋反應(yīng)劇烈的原因，再從定量角度思考“在標(biāo)準(zhǔn)狀況下，鈉同水反應(yīng)生成2.24L H2，轉(zhuǎn)移電子物質(zhì)的量是多少”，使得學(xué)生分析問題的思路從定性轉(zhuǎn)向定量，同時(shí)形成宏觀-微觀-符號(hào)三者結(jié)合分析氧化還原反應(yīng)的思維方法。

三、總結(jié)與反思

應(yīng)用三重表征的理論，讓學(xué)生從本質(zhì)上認(rèn)識(shí)氧化還原反應(yīng)，開展目標(biāo)明確的課堂學(xué)習(xí)活動(dòng)，讓學(xué)生通過自主學(xué)習(xí)或者小組合作探究的模式，在分析和解決課堂學(xué)習(xí)活動(dòng)設(shè)置的問題和活動(dòng)的過程中，構(gòu)建核心知識(shí)目標(biāo)，促進(jìn)化學(xué)學(xué)習(xí)能力、化學(xué)信息能力和化學(xué)實(shí)踐能力等關(guān)鍵能力的形成，養(yǎng)成敢于質(zhì)疑的科學(xué)精神、實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度和核心品格。通過本節(jié)課的學(xué)習(xí)，使學(xué)生將認(rèn)識(shí)的角度從宏觀轉(zhuǎn)向微觀，從現(xiàn)象轉(zhuǎn)向本質(zhì)，形成從宏觀辨識(shí)物質(zhì)的現(xiàn)象、性質(zhì)，從微觀探究物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和變化的化學(xué)研究方法，建立用化學(xué)符號(hào)表征物質(zhì)的組成結(jié)構(gòu)及性質(zhì)變化過程的思維模式，體會(huì)化學(xué)符號(hào)在溝通宏觀和微觀的橋梁作用。當(dāng)學(xué)生能在不同表征水平之間進(jìn)行信息轉(zhuǎn)換時(shí)，對(duì)化學(xué)概念的理解就會(huì)越來越深刻，構(gòu)建起以三重表征理論分析化學(xué)核心知識(shí)的思維模型，為后續(xù)元素化合物知識(shí)以及原電池和電解池原理等核心知識(shí)的學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。

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