黎璠 王秋 石峰

[摘? ?要]基于“隨機(jī)進(jìn)入教學(xué)”思想，從得失電子守恒規(guī)律的基本認(rèn)識(shí)與應(yīng)用、在具有“中間態(tài)”的反應(yīng)體系中的應(yīng)用、在多氧化還原反應(yīng)體系中的應(yīng)用等層次和角度，設(shè)計(jì)與解決高中氧化還原反應(yīng)相關(guān)問題，引導(dǎo)學(xué)生“隨機(jī)進(jìn)入”，促其實(shí)現(xiàn)對(duì)氧化還原反應(yīng)中得失電子守恒規(guī)律的深度學(xué)習(xí)，建立變化與守恒觀念，培養(yǎng)核心素養(yǎng)。

[關(guān)鍵詞]隨機(jī)進(jìn)入教學(xué);得失電子守恒;氧化還原反應(yīng)

[中圖分類號(hào)]? ?G633.8? ? ? ? [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]? ?A? ? ? ? [文章編號(hào)]? ?1674-6058（2019）14-0067-04

“隨機(jī)進(jìn)入教學(xué)”又稱隨機(jī)通達(dá)教學(xué)，是基于認(rèn)知靈活性理論的一種教學(xué)模式。20世紀(jì)90年代，美國學(xué)者斯皮羅等人提出認(rèn)知靈活性理論。認(rèn)知靈活性，是指通過多種方式，并從不同的角度來重建自己的知識(shí)，從而能夠?qū)ψ兓那榫愁I(lǐng)域做出適當(dāng)反應(yīng)[1]。由于概念知識(shí)本身內(nèi)在的復(fù)雜性、概念事實(shí)之間錯(cuò)綜復(fù)雜的聯(lián)系性、概念知識(shí)與實(shí)例之間的差異性，想要對(duì)事物的概念有全面深刻的理解是很困難的。處于認(rèn)知發(fā)展階段的學(xué)生，往往以單一的視角看待事物，對(duì)事物及其所處環(huán)境的認(rèn)識(shí)并不全面，對(duì)事物的認(rèn)識(shí)大多是不成熟、不完善的，有時(shí)對(duì)事物的片面認(rèn)識(shí)甚至?xí)?dǎo)致錯(cuò)誤的認(rèn)知?；谡J(rèn)知靈活性理論的隨機(jī)進(jìn)入教學(xué)，強(qiáng)調(diào)針對(duì)同一內(nèi)容多次進(jìn)入，從不同角度實(shí)現(xiàn)對(duì)知識(shí)的意義建構(gòu)，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到知識(shí)的不同側(cè)面，不斷地更新、完善學(xué)生已有的認(rèn)知結(jié)構(gòu)，從而能夠讓學(xué)生針對(duì)變化的情境提出適宜的問題解決策略，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)該內(nèi)容的深度學(xué)習(xí)[2]。

氧化還原反應(yīng)是高中化學(xué)的核心知識(shí)，該部分內(nèi)容的學(xué)習(xí)對(duì)于學(xué)生認(rèn)識(shí)化學(xué)反應(yīng)規(guī)律有重要意義。氧化還原反應(yīng)的本質(zhì)是電子的得失或共用電子對(duì)的偏移，在氧化還原反應(yīng)中，氧化劑得到的電子總數(shù)與還原劑失去的電子總數(shù)相等，即得失電子守恒?！暗檬щ娮邮睾恪笔菍W(xué)生認(rèn)識(shí)、分析與解決氧化還原反應(yīng)相關(guān)問題的重要思維模型，是培養(yǎng)學(xué)生“變化觀念與平衡思想”以及“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的重要載體。因此，如何通過變化的問題設(shè)計(jì)，引導(dǎo)學(xué)生多角度、多層次地認(rèn)識(shí)氧化還原反應(yīng)中“得失電子守恒”，逐步牢固建立與靈活運(yùn)用得失電子守恒規(guī)律是氧化還原反應(yīng)教學(xué)中的重要問題。

通過對(duì)歷年考題的分析發(fā)現(xiàn)，“得失電子守恒”也是高考考查氧化還原反應(yīng)相關(guān)問題的一個(gè)重點(diǎn)。例如，氧化還原反應(yīng)中物質(zhì)的化合價(jià)、氧化劑與還原劑的化學(xué)計(jì)量數(shù)之比，以及在多個(gè)反應(yīng)存在的復(fù)雜反應(yīng)體系中有關(guān)物質(zhì)的量的計(jì)算等考查內(nèi)容均涉及對(duì)得失電子守恒規(guī)律的深入認(rèn)識(shí)與靈活運(yùn)用。結(jié)合課程標(biāo)準(zhǔn)要求與高考相關(guān)問題的分析，設(shè)計(jì)三層次氧化還原反應(yīng)相關(guān)問題，引導(dǎo)學(xué)生從多角度“隨機(jī)進(jìn)入”，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)氧化還原反應(yīng)中得失電子守恒規(guī)律的深度學(xué)習(xí)。

一、得失電子守恒規(guī)律的基本認(rèn)識(shí)與應(yīng)用

氧化還原反應(yīng)中還原劑失去的電子總數(shù)等于氧化劑得到的電子總數(shù)，等于電子轉(zhuǎn)移總數(shù)。通常也可以理解為氧化劑化合價(jià)降低總數(shù)與還原劑化合價(jià)升高總數(shù)相等，可用下列等式表示：

n（氧化劑）×（變價(jià)原子個(gè)數(shù)）×（化合價(jià)變化數(shù)）= n（還原劑）×（變價(jià)原子個(gè)數(shù)）×（化合價(jià)變化數(shù)），其中n代表參加反應(yīng)的氧化劑或還原劑的物質(zhì)的量。

創(chuàng)設(shè)問題情境，給出氧化劑、還原劑、氧化產(chǎn)物、還原產(chǎn)物中任意三種物質(zhì)化合價(jià)、化學(xué)計(jì)量數(shù)等相關(guān)條件，就可以求得另外一種物質(zhì)的化合價(jià)或者化學(xué)計(jì)量數(shù)等。這類問題用于考查與訓(xùn)練學(xué)生對(duì)得失電子守恒規(guī)律的基本認(rèn)識(shí)與應(yīng)用。

解析：得失電子守恒規(guī)律首先是指氧化劑、還原劑、氧化產(chǎn)物、還原產(chǎn)物之間的得失電子守恒。而這四類物質(zhì)在反應(yīng)前后均有元素化合價(jià)的變化，因此得失電子守恒又指有化合價(jià)變化的元素之間的守恒。該問題中，氧化劑為[SO2]，其中[S]的化合價(jià)為+4價(jià);還原劑為[Na2S]，其中[S]的化合價(jià)為-2價(jià)。氧化產(chǎn)物和還原產(chǎn)物均為[Na2S2O3]，其中[S]的化合價(jià)為+2價(jià)，根據(jù)得失電子守恒，則有[n（SO2）×（4-2）=n（Na2S）×[2-（-2）]]，可以得出氧化劑與還原劑的比值為2∶1，答案為A。

例1中通過已知的氧化劑或還原劑反應(yīng)前后核心元素化合價(jià)的變化，運(yùn)用得失電子守恒規(guī)律，可以求得物質(zhì)的化學(xué)計(jì)量數(shù)之比，因此得失電子守恒規(guī)律也是對(duì)氧化還原反應(yīng)方程式進(jìn)行配平的基本方法之一。同時(shí)，此問題也可讓學(xué)生意識(shí)到不僅不同種元素間存在著得失電子守恒，同種元素不同化合價(jià)間也存在著變化守恒。例2可使學(xué)生認(rèn)識(shí)到，得失電子守恒規(guī)律的適用范圍不局限于反應(yīng)方程式的配平，通過已知氧化劑、還原劑、氧化產(chǎn)物的化合價(jià)以及參加反應(yīng)的物質(zhì)的量，運(yùn)用得失電子守恒規(guī)律，還可求得還原產(chǎn)物中元素的化合價(jià)。事實(shí)上，根據(jù)氧化劑化合價(jià)降低總數(shù)等于還原劑化合價(jià)升高總數(shù)，還可以求得參加反應(yīng)的氧化劑或還原劑的質(zhì)量或物質(zhì)的量等。

二、得失電子守恒規(guī)律在具有“中間態(tài)”的反應(yīng)體系中的應(yīng)用

對(duì)于有多個(gè)反應(yīng)存在的反應(yīng)體系來說，存在初始物質(zhì)被還原（被氧化）生成中間價(jià)態(tài)物質(zhì)，并且在經(jīng)歷了不同的反應(yīng)過程之后，中間價(jià)態(tài)物質(zhì)又全部被氧化（被還原）變成原來初始物質(zhì)的反應(yīng)過程。縱觀這兩個(gè)反應(yīng)過程，初始狀態(tài)和最終狀態(tài)下物質(zhì)的化合價(jià)并沒有發(fā)生變化，但這兩個(gè)反應(yīng)過程中同樣存在得失電子守恒。這就需要學(xué)生在單一氧化還原反應(yīng)得失電子守恒的基礎(chǔ)上，在多個(gè)反應(yīng)的聯(lián)系中建立得失電子守恒的觀念。

取已加過一定量[CaO2·8H2O]的池塘水樣100.00 mL，按上述方法測(cè)定水中溶解氧量，消耗0.01000 mol· [ L-1][? Na2S2O3]標(biāo)準(zhǔn)溶液13.50 mL。計(jì)算該水樣中的溶解氧（用[mg·L-1]表示）。

解析：學(xué)生在解答這類問題時(shí)，通常要先寫出每個(gè)反應(yīng)的反應(yīng)方程式，再根據(jù)各個(gè)反應(yīng)間的關(guān)系，建立起關(guān)系式。根據(jù)題意可知，在該反應(yīng)體系中存在以下幾個(gè)反應(yīng)：

根據(jù)反應(yīng)方程式可建立關(guān)系式：

通過建立的關(guān)系式可求得氧氣的物質(zhì)的量。但是運(yùn)用這種方法解答該類問題時(shí)，學(xué)生要能夠準(zhǔn)確寫出反應(yīng)方程式（配平復(fù)雜），梳理反應(yīng)物與生成物的關(guān)系，建立關(guān)系式，然后再逐步求解。該解決問題的過程較為復(fù)雜，容易出錯(cuò)。

例3和例4設(shè)計(jì)了有中間態(tài)存在的問題情境。例3是對(duì)具有多個(gè)中間態(tài)過程的得失電子守恒規(guī)律的考查。通過參加反應(yīng)的中間態(tài)物質(zhì)在兩個(gè)反應(yīng)過程中的變化與守恒，即元素化合價(jià)變化守恒以及參加反應(yīng)的物質(zhì)的量守恒，來認(rèn)識(shí)反應(yīng)體系中的得失電子守恒規(guī)律。例4是在例3的基礎(chǔ)上的進(jìn)一步提升。當(dāng)反應(yīng)體系中，中間態(tài)物質(zhì)無法確定，并且中間態(tài)物質(zhì)涉及的反應(yīng)過程復(fù)雜多樣時(shí)，運(yùn)用得失電子守恒規(guī)律能夠獨(dú)辟蹊徑，把握問題實(shí)質(zhì)，快速有效地解決復(fù)雜的氧化還原問題，并逐步建立解決這類問題的思維模型。

三、得失電子守恒規(guī)律在多氧化還原反應(yīng)體系中的應(yīng)用

當(dāng)反應(yīng)體系中存在著多個(gè)可能進(jìn)行的氧化還原反應(yīng)時(shí)，存在比較復(fù)雜的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系和反應(yīng)量的關(guān)系，但反應(yīng)的最終結(jié)果仍然遵循得電子總數(shù)等于失電子總數(shù)，得失電子守恒規(guī)律依然適用。這就要求學(xué)生能夠梳理多個(gè)反應(yīng)的得失電子數(shù)目關(guān)系，以及整個(gè)反應(yīng)過程的得失電子總數(shù)間的關(guān)系，能夠從部分與整體的視角來認(rèn)識(shí)得失電子守恒。同時(shí)對(duì)于存在連續(xù)反應(yīng)的復(fù)雜反應(yīng)體系，借助方程式疊加的方法，能夠讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到在反應(yīng)體系中存在著初始與最終狀態(tài)間的得失電子守恒。

學(xué)生在解答該類習(xí)題時(shí)，通常先根據(jù)題意寫出可能發(fā)生的各個(gè)反應(yīng)的反應(yīng)方程式;再設(shè)未知數(shù)表示參加反應(yīng)的鐵、硝酸鐵的物質(zhì)的量;最后根據(jù)題中已知條件，建立關(guān)系式進(jìn)行求解。運(yùn)用常規(guī)方法解題，要求學(xué)生能夠正確分析題意，運(yùn)用質(zhì)量守恒、原子守恒規(guī)律建立起物質(zhì)之間的關(guān)系式，步驟煩瑣且容易出錯(cuò)。而運(yùn)用得失電子守恒規(guī)律能夠?qū)υ擃悊栴}進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，運(yùn)算簡(jiǎn)單。為了能更好地辨析多個(gè)反應(yīng)間的得失電子守恒，可對(duì)該反應(yīng)過程中存在的反應(yīng)方程式進(jìn)行疊加，運(yùn)用終態(tài)法進(jìn)行求解。

例5和例6均涉及復(fù)雜反應(yīng)體系中得失電子守恒規(guī)律的運(yùn)用。通過例5，先讓學(xué)生從單一反應(yīng)間存在的得失電子守恒入手，建立總的反應(yīng)過程中的守恒關(guān)系，在此基礎(chǔ)上引導(dǎo)學(xué)生直接從總反應(yīng)過程的初始與最終狀態(tài)建立得失電子守恒關(guān)系。運(yùn)用得失電子守恒規(guī)律，從多個(gè)視角進(jìn)行分析與解答，加深了學(xué)生對(duì)該守恒規(guī)律的認(rèn)識(shí)和理解。而例6是對(duì)例5的進(jìn)一步延伸與拓展。通過方程式疊加，便于直觀理解反應(yīng)體系中存在的得失電子守恒規(guī)律。運(yùn)用終態(tài)法有助于學(xué)生認(rèn)識(shí)整個(gè)反應(yīng)體系中初始與最終狀態(tài)間存在著的得失電子守恒關(guān)系，對(duì)得失電子守恒多角度進(jìn)入，深入理解得失電子守恒規(guī)律，建立得失電子守恒模型。

綜上，通過問題情境的變化，引導(dǎo)學(xué)生多次“進(jìn)入”得失電子守恒規(guī)律，從而獲得對(duì)氧化還原反應(yīng)中得失電子守恒規(guī)律的完整、深入認(rèn)識(shí)。第一層次，是對(duì)得失電子守恒規(guī)律的基本認(rèn)識(shí)與應(yīng)用的考查。通過得失電子守恒，不僅可以確定反應(yīng)物計(jì)量數(shù)之比，從而對(duì)氧化還原反應(yīng)進(jìn)行配平;同時(shí)運(yùn)用得失電子守恒，還可以求得元素化合價(jià)、物質(zhì)的質(zhì)量等。第二層次是在對(duì)得失電子守恒規(guī)律有一定認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上，從局限在單一氧化還原反應(yīng)中存在的得失電子守恒的認(rèn)識(shí)，進(jìn)階到對(duì)存在中間態(tài)物質(zhì)的系列反應(yīng)間的得失電子守恒的認(rèn)識(shí)。通過“在兩個(gè)反應(yīng)過程中存在著同一物質(zhì)元素化合價(jià)變化相同，參加反應(yīng)的物質(zhì)的量也相同”，認(rèn)識(shí)到這兩個(gè)反應(yīng)間存在著得失電子守恒。第三層次是在第二層次的基礎(chǔ)上的進(jìn)一步延伸，是從整體上宏觀地認(rèn)識(shí)整個(gè)反應(yīng)過程中存在的得失電子總數(shù)間的關(guān)系。通過對(duì)得失電子守恒多層次、多角度隨機(jī)進(jìn)入，讓學(xué)生逐步建立得失電子守恒的思維模型，培養(yǎng)學(xué)生的化學(xué)學(xué)科素養(yǎng)。

不僅如此，在縱向上對(duì)同一問題還可以通過不同解答方式，對(duì)題目進(jìn)行多角度分析。例如，例3可以運(yùn)用待定系數(shù)法、電極反應(yīng)式法等多種方式進(jìn)行解答[3];例5可以從多個(gè)反應(yīng)間存在的得失電子守恒、總的反應(yīng)體系中初始與最終狀態(tài)存在的得失電子守恒等角度對(duì)得失電子守恒規(guī)律多次進(jìn)入。另外，還可以針對(duì)同一題干進(jìn)行多個(gè)不同角度的設(shè)問，進(jìn)行多次進(jìn)入，考查學(xué)生綜合運(yùn)用知識(shí)的能力與思維的靈活性。又如例4，基于該題干還可以設(shè)置“若已知一氧化氮、二氧化氮以及四氧化二氮的物質(zhì)的量之比，求該反應(yīng)中消耗硝酸的物質(zhì)的量”等問題。

[? 參? ?考? ?文? ?獻(xiàn)? ]

[1]? Spiro，R.J.& Jehng，J.Cognitive flexibility and hypertext： Theory and technology for the nonlinear and multidimensional traversal of complex subject matter[A].D.Nix & R.J.Spiro （Eds.） Cognition，education，and multimedia： Exploring ideas in high technology[C].1990.163-205.

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[4]? 季春陽，朱琳琳.基于學(xué)生與教師化學(xué)問題解決認(rèn)知過程差異的教學(xué)啟示[J].化學(xué)教育，2016（19）： 21-25.

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注：王秋為本文通訊作者。

（責(zé)任編輯 羅? ?艷）