張仿剛 朱思光 盛連蔚

摘要：以“氧化還原反應(yīng)”主題復(fù)習(xí)為課例，從“宏觀、微觀、符號”三重表征入手，注重化學(xué)大概念統(tǒng)領(lǐng)，滲透分類觀念和學(xué)科應(yīng)用價值，完成“實驗—理論—建?！獞?yīng)用”證據(jù)推理和模型認(rèn)知，發(fā)展化學(xué)學(xué)科素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：主題式復(fù)習(xí)；“宏微符”三重表征；證據(jù)推理與模型認(rèn)知；化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)

文章編號：1008-0546（2018）11-0063-05 中圖分類號：G632.41 文獻標(biāo)識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2018.11.021

主題式復(fù)習(xí)是在確定的主題下將化學(xué)知識與技能進行梳理、整合，構(gòu)建整體思維模式，突出學(xué)生主體并發(fā)揮其個性和創(chuàng)造性，內(nèi)化知識體系，強化STSE（科學(xué)·技術(shù)·社會·環(huán)境）實踐應(yīng)用。本文以盛連蔚老師在聊城市冠縣“送教支教”活動中執(zhí)教的“氧化還原反應(yīng)”課例為原型二次設(shè)計，注重復(fù)習(xí)的知識建構(gòu)和拓展升華，強化證據(jù)推理和模型認(rèn)知，滲透分類觀念和學(xué)科應(yīng)用價值，體現(xiàn)綠色化學(xué)理念，發(fā)展化學(xué)學(xué)科素養(yǎng)，培養(yǎng)學(xué)生的關(guān)鍵能力和正確的價值觀念，以期為廣大教師提供參考。

一、設(shè)計理念

氧化還原反應(yīng)是高中化學(xué)課程的核心概念，它不僅是一種十分重要的化學(xué)反應(yīng)類型，而且在科技生產(chǎn)生活等各個方面具有廣泛應(yīng)用，具有重要的學(xué)科價值、社會價值和較為豐富的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)發(fā)展價值 [1]。本課例基于發(fā)展化學(xué)學(xué)科素養(yǎng)進行整合設(shè)計，圍繞趣味實驗作為研究線索，按照學(xué)生的認(rèn)知進階（物質(zhì)水平、元素水平、微粒水平）逐步探究揭示氧化還原反應(yīng)的本質(zhì)，注重認(rèn)識思路的結(jié)構(gòu)化和理論的拓展應(yīng)用，引導(dǎo)學(xué)生從宏觀現(xiàn)象（化學(xué)變化）與微觀本質(zhì)（質(zhì)變——電子轉(zhuǎn)移、量變——化合價升降或電子轉(zhuǎn)移總數(shù)相等）、符號表征（化學(xué)方程式、雙線橋法、單線橋法）等“宏微符”三重表征逐步建構(gòu)氧化還原反應(yīng)理論模型，從理論支持到“同時不同地”的電子轉(zhuǎn)移實驗完成證據(jù)推理，從生活常識到燃料電池的綠色應(yīng)用，全方位地幫助學(xué)生形成認(rèn)識化學(xué)反應(yīng)的微觀視角、歸納建構(gòu)氧化還原反應(yīng)的規(guī)律方法，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究思維，增強學(xué)生關(guān)注科技、保護環(huán)境的社會責(zé)任感。

二、教學(xué)過程

1.引入實驗

[演示實驗]首先請同學(xué)們欣賞大象牙膏實驗——2009年度美國《連線》公布的十個最令人驚訝的化學(xué)實驗之一。向錐形瓶中依次加入適量家用洗潔精做發(fā)泡劑、KI晶體和10%家用雙氧水，實驗效果快速明顯。你能從哪些角度來表述這一實驗？

[生]從反應(yīng)現(xiàn)象、反應(yīng)物與產(chǎn)物、微觀粒子模型、電子式、熱化學(xué)方程式等多角度進行表述，老師注意提供相應(yīng)資料或圖片支持，見表1。

[師總結(jié)]從宏觀實驗現(xiàn)象入手，在分子、原子、離子層面上解釋和認(rèn)識化學(xué)反應(yīng)實質(zhì)的模型，最終通過元素、化學(xué)式和化學(xué)方程式等符號語言將宏觀物質(zhì)和微觀反應(yīng)建立起有機聯(lián)系，這是化學(xué)學(xué)科特有的思維方式，即“宏微符”三重表征 [4]。這是研究分析化學(xué)問題的一般方法。

[師]你能按照不同的標(biāo)準(zhǔn)對雙氧水分解反應(yīng)進行分類嗎？

[生]從物質(zhì)種類的變化角度分析它屬于分解反應(yīng)，從能量變化的角度分析它屬于放熱反應(yīng)，從化合價角度分析它屬于氧化還原反應(yīng)。

[師]可見分析一個問題可以有多種角度，今天我們就從多角度研究氧化還原反應(yīng)。

【設(shè)計意圖】打破高三復(fù)習(xí)單一傳統(tǒng)的自主梳理，由實驗導(dǎo)入增加學(xué)生的復(fù)習(xí)興趣，從“宏微符”三重表征認(rèn)識化學(xué)反應(yīng)，并基于合理假設(shè)探究驗證產(chǎn)物，利于學(xué)生形成科學(xué)探究的意識、多角度分析化學(xué)反應(yīng)的思維方法、發(fā)展“宏觀辨識和微觀探析”核心素養(yǎng)，為本節(jié)課從多角度認(rèn)識氧化還原反應(yīng)搭建思維模型，同時為下一步的應(yīng)用拓展作為主體研究線索。

2.模型構(gòu)建

[師]請以雙氧水分解反應(yīng)為例，從化合價的角度概括氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)的概念，并分析化合價升降變化的關(guān)系。

[生]物質(zhì)所含元素化合價升高的反應(yīng)稱為氧化反應(yīng)，物質(zhì)所含元素化合價降低的反應(yīng)稱為還原反應(yīng)；反應(yīng)中化合價升降變化總數(shù)相等。

[師]初中教材把得氧的反應(yīng)叫做氧化反應(yīng)、把失氧的反應(yīng)叫做還原反應(yīng)，通過高中學(xué)習(xí)我們發(fā)現(xiàn)這種理論是狹隘的，該反應(yīng)既屬于氧化反應(yīng)又屬于還原反應(yīng)，那么這種現(xiàn)象是偶然、普遍還是必然呢？（根據(jù)已有知識學(xué)生回答是必然。）科學(xué)家們通過大量的實驗驗證和理論分析，得出是必然的，從而得出氧化還原反應(yīng)理論模型的第1個結(jié)論：

結(jié)論1：氧化反應(yīng)（升價過程）和還原反應(yīng)（降價過程）總是存在于同一反應(yīng)過程中，我們將這類反應(yīng)稱為氧化還原反應(yīng)（簡稱有升必有降）。

[結(jié)論1應(yīng)用訓(xùn)練]

（1）向含有酚酞的水中加入鈉塊，根據(jù)溶液變紅、放出氣體的反應(yīng)現(xiàn)象，小明認(rèn)為氣體可能是氧氣或氫氣，需逐一驗證；小紅則認(rèn)為必為氫氣。你認(rèn)為誰的說法合理？

（2）有人對Mg（NO3）2固體分解的產(chǎn)物進行預(yù)測，其中一定不正確的是（ ）

A.MgO、NO2、NO B.MgO、NO2、O2

C.MgO、NO2、N2 D.Mg（NO2）2、O2

[生]根據(jù)結(jié)論1有升必有降判斷：（1）題溶液變紅生成了NaOH，Na的化合價升高，如果再生成的氣體為氧氣，則O的化合價也升高，沒有化合價降低的元素，因此生成的氣體必為氫氣，小紅的說法合理；同理（2）題一定不正確的是A、C。教師總結(jié)氧化還原反應(yīng)理論可以成功預(yù)測產(chǎn)物，為科學(xué)研究指明方向，這體現(xiàn)出科學(xué)理論對科研、生產(chǎn)的指導(dǎo)意義。

[師]請根據(jù)中文語法分析“氫氣還原氧化銅”的反應(yīng)，氧化銅和氫氣分別發(fā)生了還原反應(yīng)和氧化反應(yīng)，在反應(yīng)中各自充當(dāng)氧化劑和還原劑，得到的銅與水分別為還原產(chǎn)物和氧化產(chǎn)物。在雙氧水分解的反應(yīng)中氧化劑是H2O2和還原劑是H2O2，氧化產(chǎn)物和還原產(chǎn)物分別是O2和H2O，請同學(xué)們牢記“氫氣還原氧化銅”這個概念模型，從而厘清氧化還原反應(yīng)中的幾對概念。

[生]建構(gòu)知識體系如圖1，得出氧化還原反應(yīng)理論模型的第2個結(jié)論。

結(jié)論2：氧化還原反應(yīng)中所含元素化合價升高（失電子）的反應(yīng)物稱為還原劑，還原劑具有還原性，反應(yīng)中被氧化，得到的產(chǎn)物為氧化產(chǎn)物；所含元素化合價降低（得電子）的反應(yīng)物稱為氧化劑，氧化劑具有氧化性，反應(yīng)中被還原，得到的產(chǎn)物為還原產(chǎn)物（簡稱氧劑得還產(chǎn)）。

[結(jié)論2應(yīng)用訓(xùn)練]

（1）有人認(rèn)為大象牙膏實驗中實際上發(fā)生了3個反應(yīng) [5]，請判斷雙氧水是否均作氧化劑。

（2）①月餅盒中的小包裝袋內(nèi)通常放有生石灰和細(xì)鐵粉，兩者的作用分別是什么？

②如何運用氧化還原反應(yīng)原理對汽車尾氣中的主要成分NOx進行無害化處理？

[生]（1）三個反應(yīng)均為氧化還原反應(yīng)（教師提醒三個反應(yīng)中H2O2分別做氧化劑、氧化劑、還原劑，而②③合并起來即雙氧水分解碘作催化劑，總反應(yīng)中雙氧水既是氧化劑也是還原劑，表明一種物質(zhì)可以有多重性質(zhì)，要具體情況具體分析；同時反應(yīng)①、③無法從化合、分解、置換、復(fù)分解四大反應(yīng)類型分類，表明初中所學(xué)按物質(zhì)種類對化學(xué)反應(yīng)分類的方法是有局限性的，人們對科學(xué)的認(rèn)識是逐漸發(fā)展完善的）。（2）①生石灰作干燥劑，細(xì)鐵粉作還原劑（脫氧劑）。Fe與月餅盒中的氧氣反應(yīng)從而防止月餅被氧化。②在催化劑條件下，用氨氣還原NOx得到無污染的氮氣。

[總結(jié)]可見氧化還原反應(yīng)在生活中有廣泛的應(yīng)用，化學(xué)無所不在。展示教材內(nèi)容“在中學(xué)化學(xué)中，常用作氧化劑的物質(zhì)有O2、Cl2、濃硫酸、HNO3、KMnO4、FeCl3等；常用作還原劑的物質(zhì)有活潑的金屬單質(zhì)如Al、Zn、Fe，以及C、H2、CO等” [6]。

[師]請用雙線橋法和單線橋法表示鐵置換銅的反應(yīng)，注意改寫成離子方程式并分析其實質(zhì)。

[生]鐵原子失去的電子給了銅離子，見圖2。

[師]說明氧化還原反應(yīng)中元素化合價的變化是電子轉(zhuǎn)移的體現(xiàn)，化合價升降總數(shù)相等或電子轉(zhuǎn)移總數(shù)相等是氧化還原反應(yīng)配平計算的主要依據(jù)，得出氧化還原反應(yīng)理論模型的第3個結(jié)論：

結(jié)論3：氧化還原反應(yīng)中化合價的變化（升、降）是電子轉(zhuǎn)移（失、得）的必然結(jié)果，即電子轉(zhuǎn)移是氧化還原反應(yīng)的本質(zhì)；每轉(zhuǎn)移（失、得）1個電子，化合價變化（升、降）數(shù)為1；在一個氧化還原反應(yīng)中，化合價升降總數(shù)相等或電子轉(zhuǎn)移總數(shù)相等（簡稱升降必守恒）。

[結(jié)論3應(yīng)用訓(xùn)練]

（1）請你配平大象牙膏實驗中實際發(fā)生的3個反應(yīng)，并用單線橋和雙線橋表示。

①寫出O2將Mn2+氧化成MnO（OH）2的離子方程式；

②取加過一定量CaO2·8H2O的池塘水樣100.00mL，按上述方法測定水中溶解氧量，消耗0.0100mol·L-1Na2S2O3標(biāo)準(zhǔn)溶液13.50mL，計算該水樣中的溶解氧（用mg·L-1表示）。

[師]解答略。學(xué)生配平后，老師總結(jié)配平方法：標(biāo)好價、列變化、求總數(shù)、配系數(shù)、細(xì)檢查，注意先配化合價變化的物質(zhì)，再配化合價不變的物質(zhì)。

【設(shè)計意圖】從雙氧水分解反應(yīng)中抽取出氧化還原反應(yīng)的基本概念、本質(zhì)特征、基本規(guī)律深化理論結(jié)構(gòu)認(rèn)知，圍繞大象牙膏實驗涉及的三個反應(yīng)和生活中的具體應(yīng)用實例進行拓展應(yīng)用，用雙線橋法和單線橋法規(guī)范學(xué)科語言表達，以任務(wù)驅(qū)動增強學(xué)生學(xué)以致用的意識，利于學(xué)生從紛繁復(fù)雜的諸多概念中抓住牛鼻子，建立氧化還原反應(yīng)理論模型。

3.應(yīng)用實踐

[師]理論上分析氧化還原反應(yīng)中存在電子轉(zhuǎn)移，怎樣提供證據(jù)來證實存在電子轉(zhuǎn)移呢？科學(xué)家往往借助于物理方法，請同學(xué)們以鐵置換硫酸銅的反應(yīng)為例進行實驗設(shè)計證明存在電子轉(zhuǎn)移。

[生]設(shè)計成原電池如圖3，觀察電流表指針有偏轉(zhuǎn)，證明有電子轉(zhuǎn)移，并寫出各電極反應(yīng)式。

[師]該反應(yīng)中鐵把電子傳遞給銅離子，設(shè)計原理是將氧化還原反應(yīng)拆成兩個半反應(yīng)，讓它們“同時不同地”地進行，通過電流表指針的偏轉(zhuǎn)體現(xiàn)電子的轉(zhuǎn)移，從而實現(xiàn)化學(xué)能轉(zhuǎn)變成電能，這也是原電池的基本原理。但某些反應(yīng)中，化合價的變化并不是電子直接傳遞，而由原子間形成的共用電子對發(fā)生偏離或偏向?qū)е碌?，如氫氣與氧氣的燃燒反應(yīng)，電子對偏向氧原子，導(dǎo)致氧顯負(fù)價、氫顯正價，那么這樣的反應(yīng)又該如何證明有電子轉(zhuǎn)移呢？

[生]將該反應(yīng)設(shè)計成燃料電池。教師展示氫氧燃料電池提供電能的汽車圖片和某種氫氧燃料電池工作原理示意圖（如圖4），提醒學(xué)生思考它的優(yōu)點（生成水無污染，綠色環(huán)保；相對燃燒散熱多，電池能量轉(zhuǎn)化率高；氣體燃料與電池裝置隔絕，放電控制自由，穩(wěn)定安全等）。

[師總結(jié)]對于一個自發(fā)進行的反應(yīng)，無論是哪種形式的電子轉(zhuǎn)移我們都可以通過設(shè)計成原電池來驗證，并利用該原理為人類提供電能，讓生活更美好，這就是氧化還原反應(yīng)理論的應(yīng)用實踐。當(dāng)然也可將不能自發(fā)進行的氧化還原反應(yīng)設(shè)計成電解池，從而將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能。

結(jié)論4：利用氧化還原反應(yīng)設(shè)計成電化學(xué)裝置可實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)化：化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽ㄔ姵兀┗螂娔苻D(zhuǎn)化為化學(xué)能（電解池）。

[結(jié)論4應(yīng)用訓(xùn)練]（2009年福建高考11題）控制適合的條件，將反應(yīng)2Fe3++2I-?2Fe2++I2設(shè)計成如圖5所示的原電池。下列判斷不正確的是（ ）

A.反應(yīng)開始時乙中石墨電極上發(fā)生氧化反應(yīng)

B.反應(yīng)開始時甲中石墨電極上Fe3+被還原

C.電流計讀數(shù)為零時反應(yīng)達到化學(xué)平衡狀態(tài)

D.電流計讀數(shù)為零后在甲中溶入FeCl2固體，乙中石墨電極為負(fù)極

[生]選D。乙中I-失去電子放電，發(fā)生氧化反應(yīng)，A正確；由總反應(yīng)方程式知，F(xiàn)e3+被還原成Fe2+，B正確；當(dāng)電流計讀數(shù)為零時，說明沒有電子發(fā)生轉(zhuǎn)移，反應(yīng)達到平衡，C正確。加入Fe2+，導(dǎo)致平衡逆向移動，則Fe2+失去電子生成Fe3+，作為負(fù)極，D錯誤。教師總結(jié)氧化還原反應(yīng)的應(yīng)用非常廣泛，也可以作為化學(xué)平衡狀態(tài)的重要判據(jù)。

【設(shè)計意圖】運用物理方法設(shè)計建模，“建立觀點、結(jié)論和證據(jù)之間的邏輯關(guān)系，通過分析、推理認(rèn)識研究氧化還原反應(yīng)的本質(zhì)特征 [4]，”完成證據(jù)推理，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究素養(yǎng)。同時將氧化還原反應(yīng)和電化學(xué)、平衡等知識建立有機聯(lián)系，培養(yǎng)學(xué)生的變化觀念和平衡思想。讓學(xué)生充分感受到高中化學(xué)知識是系統(tǒng)的、理論是相互關(guān)聯(lián)而不是孤立存在的，并完善了氧化還原反應(yīng)最廣泛的電化學(xué)應(yīng)用，豐富了學(xué)生的STSE實踐，樹立綠色化學(xué)觀念。

4.創(chuàng)新拓展

[師]古代濕法冶銅常用CuSO4+Fe=FeSO4+Cu，請思考該反應(yīng)之所以能發(fā)生的原因。

[生]在金屬活動性順序表中：Fe>Cu；從氧化還原反應(yīng)角度分析，F(xiàn)e為還原劑，Cu為還原產(chǎn)物，還原劑的還原性大于還原產(chǎn)物的還原性，即Fe的還原性比Cu強，說明它更容易失電子。

[師]對比兩種角度分析，金屬活動性順序表實際上就是金屬的還原性順序，同樣非金屬單質(zhì)的活潑性與非金屬單質(zhì)的氧化性也是一致的，如鹵素單質(zhì)的氧化性（活潑性）：Cl2>Br2>I2。

結(jié)論5：不同物質(zhì)的還原性（氧化性）強弱是可以比較的，一般來說，氧化劑的氧化性大于氧化產(chǎn)物的氧化性、還原劑的還原性大于還原產(chǎn)物的還原性；可以利用還原性（氧化性）較強的物質(zhì)制備還原性（氧化性）較弱的物質(zhì)。

[結(jié)論5應(yīng)用訓(xùn)練]

（1）大象牙膏實驗中的第1個反應(yīng)說明H2O2、I2氧化性的強弱順序是什么？

（2）月餅盒的小包裝內(nèi)裝鐵粉，為何不裝銅粉？

（3）查閱資料顯示，氫氣與氧化鐵能發(fā)生置換反應(yīng)。你對金屬活動性順序表有什么新認(rèn)識？

（4）你能設(shè)計實驗證明二氧化硫的還原性強于碘離子嗎？

（5）在實驗室中制取少量氯氣可利用以下兩個反應(yīng)，對比你可以得到什么結(jié)論？

[生]（1）氧化性從強到弱的順序為H2O2、I2。

（2）鐵比銅活潑，還原性強、脫氧效果好；同時銅的價格高。

（3）氫氣在高溫下能還原氧化鐵，可由熱力學(xué)知識解釋 [8]（△G=△H-T△S），高溫下△G<0能夠自發(fā)進行?？梢娙魏我?guī)律都有一定的適用范圍，金屬活動性順序表適用于溶液中的置換反應(yīng)，是在水溶液中不同金屬的活潑性順序，而在高溫條件下就不能用這一順序預(yù)測反應(yīng)或解釋現(xiàn)象。

（4）將二氧化硫通入到含有淀粉的碘水中，若溶液藍(lán)色褪去即可證明二氧化硫的還原性強于碘離子。

（5）說明氧化性KMnO4>MnO2>Cl2（教師提醒還可以通過反應(yīng)條件比較氧化性、還原性的強弱）。

【設(shè)計意圖】通過濕法冶銅自然歸納出比較氧化性、還原性強弱的規(guī)律方法，將初中所學(xué)金屬活動順序表進行關(guān)聯(lián)升華，使學(xué)生認(rèn)識氧化還原反應(yīng)的構(gòu)成要素及其相互聯(lián)系，并能運用氧化還原反應(yīng)理論模型解釋化學(xué)現(xiàn)象，揭示現(xiàn)象的本質(zhì)和規(guī)律，培養(yǎng)“模型認(rèn)知”的核心素養(yǎng)，加強知識應(yīng)用，創(chuàng)新拓展氧化還原反應(yīng)理論體系。

三、課例總結(jié)

高三主題式復(fù)習(xí)需對教材內(nèi)容進行大膽整合，從發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)出發(fā)，抓住知識、能力和應(yīng)用的關(guān)鍵節(jié)點。本課例按照學(xué)習(xí)進階順序，由簡到繁、由易到難、逐步探究出氧化還原反應(yīng)的5大結(jié)論（前3個結(jié)論為知識技能層面、第4個結(jié)論為應(yīng)用實踐層面、第5個結(jié)論為學(xué)科價值層面）；聯(lián)系STSE挖掘理論應(yīng)用，強化深度學(xué)習(xí)，及時應(yīng)用訓(xùn)練；滲透化學(xué)分類觀和學(xué)科應(yīng)用價值，從不同視角認(rèn)識氧化還原反應(yīng)理論，運用對立統(tǒng)一思想和定性定量結(jié)合的方式揭示出氧化還原反應(yīng)的特征和規(guī)律。課堂教學(xué)由“知識為本”轉(zhuǎn)變?yōu)椤八仞B(yǎng)為本”，通過學(xué)生科學(xué)探究、證據(jù)推理和模型認(rèn)知，體會氧化還原反應(yīng)在解釋或預(yù)測物質(zhì)性質(zhì)和變化方面的重要作用，嘗試解決“分析月餅盒包裝袋中物質(zhì)的作用、處理汽車尾氣”等系列真實問題，體會化學(xué)科學(xué)巨大應(yīng)用價值，增強社會責(zé)任感，樹立學(xué)好化學(xué)造福人類的信念。

參考文獻

[1] 中華人民共和國教育部.普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2018

[2] 視覺中國.大象牙膏[EB/OL].https：//www.vcg.com/creative/816566552，2018-04-24

[3] 武漢大學(xué)，吉林大學(xué)等.無機化學(xué)下冊[M].北京：高等教育出版社，2011：595

[4] 劉四方.基于學(xué)科思想方法的命題與教學(xué)反思——以初中學(xué)業(yè)考試化學(xué)試題為例[J].化學(xué)教育（中英文），2018，39（5）：6-13

[5] 魔方格.試題專頁[EB/OL].http：//m.mofangge.com/html/qDetail/05/g0/201312/3nysg005208626，2018-04-27html？from=Singlemessage，2018-04-27

[6] 人民教育出版社課程教材研究所等.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實驗教科書：化學(xué)1必修[M].北京：人民教育出版社，2012：37

[7] 百度百科.氫氧燃料電池[EB/OL].https：//baike.baidu.com/item/%E6%B0%A2%E6%B0%A7%E7%87%83%E6%96%99%E7%94%B5%E6%B1%A0/10309734？fr=aladdin，2018-04-27

[8] 百度知道.為什么說能氫氣還原氧化鐵[EB/OL].https：//zhidao.baidu.com/question/151264011.html，2018-04-27