《化學1》氧化還原反應概念學習阻礙點診斷與教學策略研究

鄭文昌+曹星

摘要：診斷高一新生學習氧化還原反應概念學困主要體現在：概念的外延與內涵沒有把握好，缺少對概念的深度表征，元素化合價是阻礙氧化還原反應概念運用的重要因素。文章針對阻礙點，提出相應教學建議。

關鍵詞：氧化還原反應概念；學困；教學策略；表征

文章編號：1008-0546（2014）07-007-04 中圖分類號：G632.41 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2014.07.003

一、研究背景

筆者在多年《化學1》的教學中發現，學生在學習氧化還原反應的知識存在如下的問題：學生對如何判斷氧化還原反應比較清楚，絕大多數學生能判斷簡單的氧化還原反應，但對于較復雜的反應，學生不能較好地做出判斷；我帶著問題查閱了有關的文獻。關于氧化還原反應的研究較多，主要體現在下面幾方面：（1）對氧化還原反應知識體系的研究；（2）對氧化還原反應的學習評價研究，如高考中常見的氧化還原反應題型與考查形式等；（3）對氧化還原反應有效教學研究，如田字格模型、建構主義理論、運用先行組織者策略、拋錨式教學法等在氧化還原反應教學中的應用；（4）對氧化還原反應學習促進學生認識發展的研究，如胡久華、王磊認為，學生學習氧化還原反應，可形成“分類觀”、“轉化觀”等化學基本觀念。（5）關于氧化還原反應的學生學習心理和認識發展的研究，如丁偉、謝兆貴對學生氧化還原反應內部表征的研究。雖然關于氧化還原內容的已有較多研究，但缺少對高一學生學習《化學1》中氧化還原反應內容的研究，對高一學生學習氧化還原反應所產生的阻礙認識不足，所采取的教學策略缺少實證。學生在《化學1》中對氧化還原反應有哪些阻礙點，基于阻礙點，應采取哪些教學策略才能提高教學效率，是本研究所要解決的問題。

二、研究對象

選取了湛江農墾實驗中學高一年級205名學生作為研究對象，這些學生來自兩位教師執教的不同班級，分別是高一（1）、高一（2）、高一（10）、高一（11）四個班。高一（1）和高一（2）這兩個班是本校的實驗班，入學的平均分數為778分，與縣級重點中學的入學成績大概相當。高一（10）、高一（11）班是兩個普通班，入學的平均成績是630分左右。兩個實驗班的化學入學成績平均分是87分（100分制），兩個普通班的化學入學分數是64分，湛江市中考化學平均分為50.3分。

三、氧化還原反應概念學習阻礙點診斷及教學策略

1. 高一學生氧化還原反應前概念診斷分析

當代認知心理學認為，學習就是認知結構的組織和重新組織。因此了解學生已有的氧化還原反應知識結構，特別是了解學生對氧化還原反應的前概念是進行氧化還原反應概念教學的基礎和前提。高中氧化還原反應概念是建立在初中概念的基礎之上的，研究高一學生深化學習概念之前的前概念種類、分析其形成的可能原因，了解學生的思維現狀和認知水平，對于高一年級化學教師進行氧化還原反應概念的教學具有重要的作用。

（1）研究方法及問卷結果

通過編制紙筆測驗，測量高一學生氧化還原反應前概念，并對測驗結果進行統計分析。首先，選取研究對象進行前概念測驗，測試高一學生已具有的對于氧化還原反應概念的認識；其次，根據測驗結果，進行統計分析；最后，分析剛入學的高一新生氧化還原反應的前概念情況，為高一氧化還原反應概念教學作為參考。（1）根據化學入學成績把測試對象205人分為學優生90人與一般生105人，在高一年級第一學期開學后的兩周進行測試。（2）測驗工具的根據有：①普通高中《化學課程標準（實驗）》所提出的有關“氧化還原反應”的內容標準；②蘇教版教材配套的化學1教學參考；③2011年廣東中考考綱。按本研究的目的精選或設計試題編制了“高一學生氧化還原反應前概念的調查問卷”的測驗題。測試題為氧化還原反應的辨析（判斷題），測試題設計多種類型的氧化還原反應和非氧化還原反應。通過學生的辨析，分析其對氧化還原反應概念辨析的依據，即了解其前概念。（3）研究過程對研究對象進行測驗必要的說明，利用 《 高一學生氧化還原反應前概念的調查問卷 》在同一時間開始測驗，測試時間約為 20 分鐘。對測驗進行逐一評價，采用 Excel 軟件對測驗數據進行分析，結果如下圖1所示。在對測驗的統計結果分析后，選取部分研究對象進行調查和訪談。根據測驗結果，研究者通過學生對氧化還原反應概念的辨析，分析學生氧化還原反應的辨析依據，了解其氧化還原反應前概念。經過分析與統計，記錄高一年級不同層次的學生具有某一氧化還原反應前概念的人數占該層次學生總數的比例。

（2）氧化還原反應前概念情況分析

從上圖表分析可看出：

①學生能從化合價變化來判斷氧化還原反應是因為他們看過一些課外資料或老師在課外輔導（如化學競賽輔導）時講過，學生認為置換反應是氧化還原反應也是因為老師在課外輔導時講過。②學生認為物質與氧氣發生的反應是氧化還原反應是因為初中課介紹過氧化還原反應的概念（失氧被還原，得氧被氧化），而有的同學認為有氧元素參加的反應是氧化還原反應是因為對概念沒有理解透徹。③學生認為沒有氧元素參加的反應不是氧化還原反應，這是因為初中課本沒有提及，還有部分學生認為“氧化還原反應”概念中有“氧”這個字眼，所以顧名思義，認為氧化還原反應必須有氧參加。

2. 高一學生氧化還原反應概念轉變診斷分析

（1）研究方法及測試數據結果

①通過自編《高一學生氧化還原反應概念形成測驗卷》紙筆測試題，測量高一學生判斷一些反應是否是氧化還原反應，并給出判斷的理由。在同一時間開始測驗，對測驗進行逐一評價，采用 Excel 軟件對測驗數據進行分析。

②根據作答情況，選取典型的作答者，采取個別調查及訪談的方法，根據預設的訪談提綱或問題綱要，對被試進行調查性的談話，并作好記錄，提供實證的依據。

③測試時間：學習完《化學1》中氧化還原反應的相關知識后一個月測試進行測試，測試時間為20分鐘。

④被測對象的授課老師在授課前沒有對學生氧化還原反應的前概念進行分析。

⑤測試結果如下面表1、表2所示。

（2）分析討論

問卷及對師生的訪談有下面的卷面診斷結果：

①根據問卷調查結果有如下顯示：有98%的學生能根據氧化還原反應的特征（元素化合價升降）來判斷是否發生氧化還原反應；利用電子轉移、置換反應、復分解反應、分解反應、單質參加反應與氧化還原反應的關系做為輔助判斷方法的學生有92.5%。

②通過部分學生訪談，發現絕大數學生都知道根據氧化還原反應的特征（元素化合價的升降）來判斷氧化還原反應。

③雖然知道從化合價的變化來判斷氧化還原反應的學生占98%，但判斷具體的化學反應是不是氧化還原反應，正確率只是88.8%，還有部分學生判斷錯誤。

④有近一半的學生對氧化還原反應概念的理解角度單一，只是會從化合價升降角度來闡釋，對概念的表征缺少深度，保留中表層或中層的層面。

從上面問卷可看出：

①對氧化還原反應的概念的認識，學生已從初中“得氧失氧”的認識順利過渡到“化合價的升降”的表層認識，初中對氧化還原反應的前概念對高中氧化還原概念的形成基本沒有影響。

②雖然絕大多數學生知道根據元素化合價是否變化來判斷氧化還原反應，但在對具體的化學反應判斷中還是出現較多錯誤，原因是對化學式中各種元素的化合價不很清楚，特別是對一個化學反應方程式中有較多的反應元素、下面是參加本次研究測試部分學生訪談記錄：

T：你是根據什么來判斷某一化學反應是不是氧化還原反應？

S1：看元素化合價有沒有變化。

T：很好，你是怎么知道化合價有沒有變化呢？

S2：把元素化合價都標出來。

S3：有單質參加反應，化合價一定發生變化。

T：既然你們都知道根據化合價是否變化來判斷是不是氧化還原反應，為什么這道題還是做錯了呢？

S2：我標出了部分元素的化合價，但還有的元素化合價不知道，我是猜的，但結果猜錯了。

S1：我標錯了化合價。

T：你能標出這一化學反應方程式的元素的化學價嗎？

S3：不能，我是根據復分解反應不是氧化還原反應做對的。

T：你的答題是全對的，而且你的判斷的理由全是根據化合價的變化，你判斷時都標出元素的化合價嗎？

S4： 沒有，很多元素化合價變不變，一看就知道了，能看出來化合價才標，如有單質參加反應，化合價一般都變。

很多學生想標出所有元素化合價來判斷是否是氧化還原反應，但標化合價往往受阻（標錯或標不出來），所以有很多學生根據氧化還原反應與四大反應類型（置化反應、分解反應、化合反應、復分解反應）的關系來進行判斷，但有部分學生只是死記硬背，本質關系不理解，或對四大反應類型分辨不清，所以也做錯了題目。

③在問卷中發現，大部分學生對氧還原反應的表征主要是文字表征，在文字表征中主要是根據氧化還原反應的特征（元素化合價的變化）來表征，雖然大部分學生在文字表征中也有多種形式，如有元素化合價變化的是氧化還原反應，有電子轉移的反應是氧化還原反應，置換反應是氧化還原反應等，但對這些表征之間的聯系缺少思考，所以大部分的學生只是保留中表層或中層的理解。在問卷調查中發現，有的學生認為：一個反應中有化合價的升高不一定有化合價的降低，O2變成O3是氧化還原反應，因為有單質參加反應，有電子轉移的反應不一定是氧化還原反應。還有部分學生認為一個化學反應不是氧化還原反應就是非氧化還原反應是錯的。

（3）診斷小結

高一學生在《化學1》中氧化還原反應學習困難主要表現在：一是不能抓住核心元素的化合價進行分析，對常見元素化合價較陌生；二是對氧化還原反應概念的理解只是保留中表層或表層的理解，也就是只知道氧化還原反應的特征（化合價變化），對化合價變化與電子轉移的關系、電子得失等關系認識模糊，不能多角度來表征氧化還原反應。

（4）教學策略

概念可分為定義性概念和具體概念，從氧化還原反應的學習屬性看，它是從化學反應中元素化合價變化的角度認識化學反應本質而形成的概念，應屬于定義性概念。概念的學習方法有概念的形成與概念的同化，前者可理解為自下而上的學習，后者可理解為自上而下的學習。雖然外界給學生呈現的是新概念的定義或概念特征的描述，在概念同化與概念形成中，都要求學生將自己原有的知識與新呈現的材料在頭腦里發生積極的相互作用，才能將外部提供的材料轉化為自己的認知內容[1]。但對于氧化還原反應概念的學習，采取這兩種學習方法對氧化還原反應的表征深度不一樣。通過訪談被測試學生的授課教師，兩位教師在講授氧化還原反應的概念時，采用的教學方法是傳統講授與練習法。以鈉與氯氣反應做為典型的例子，直接用下定義的方式將氧化還原反應的本質特征呈現給學生，同時舉少量具有典型意義的正反例子加以說明，證實定義中涉及的共同屬性，同時做適當的練習，大部分學生可以根據概念的定義判斷其是否屬于氧化還原反應。但由于學生對概念的意義構建得不完整，對概念理解不透徹，只是保留中表層或中層的表征，對電子的得失關系、電子的轉移與化合價等關系的認識上模糊，遇到似是而非的問題時，判斷出現搖擺不定，不能很好地辨別。

①降低難度。因為學生才剛接觸氧化還原反應，理論是新的，又因為初中化學中沒有系統介紹化合價，也給概念的理解帶來了難度，所以在開始學習氧化還原反應時，選用例題和練習時要選用老面孔，若選用學生不熟悉的化學方程式，不但增加了難度，也會沖淡新理論學習的重要地位。

②引導學生從不同的外部表征來加強內部表征的深度。我們倡導教育者使用多樣化的概念表征形式進行教學，可達到影響、促進和幫助學生多視角、透徹理解概念本質的目的，幫助建構學生易于理解和適合記憶的內部表征形式。

a.從化合價變化的角度引導學生理解氧化還原反應與四大基本反應類型關系的。置換反應一定是氧化還原反應，是因為一定有元素的化合價發生了變化，復分解反應一定不是氧化還原反應，是因為元素化合價一定不發生變化，化合反應與分解反應可能是氧化還原反應是因為化合價可能發生變化。以上內容應舉正反例證進行對比說明。

b.引導學生理解氧化還原反應的特征（化合價變化）與氧化還原反應的本質（電子轉移）的關系在《化學1》中學習氧化還原反應之前，學生在初中學習的基礎上再次學習了原子結構的知識。基于此認知結構，教師應引導學生從原子結構的微觀結構來理解電子轉移與化合價的關系，為什么失去電子化合價會升高，得電子化合價會降低，加深對氧化還原反應本質與特征的理解。

c.概念變式練習概念的變式，是指從不同角度和方面組織材料，使概念的非本質要素變異，突出概念本質特征的方法。在學習過程中，通過變換與概念無關的、非本質的屬性，變換學習者的思維路徑，促使學習者從不同角度理解概念的本質和規律。如從化合價變化來判斷氧化還原反應與從得氧失氧來判斷氧化還原反應的關系，氧化還原反應與四大基本反應的關系，得失電子的守恒關系等。

③化合價是學習氧化還原反應的核心問題。在氧化還原反應的學習過程中，要引導學生對元素的化合價進行學習，抓住物質中的核心元素的化合價來分析氧化還原反應。

在問卷調查過程中，我們發現絕大多數學生知道通過分析物質中所含元素的化合價來預測物質的氧化性或還原性，但是學生不能抓住核心元素進行分析。為了解決這個問題，首先讓學生建立元素觀念之一 —— 只要元素存在多種化合價，就存在物質之間的相互轉化，該元素就可能為核心元素，常為變價元素；其次，通過頭腦風暴法，將一些有多種價態的常見元素分成幾個組，讓學生分小組討論，舉出含有各元素不同價態的物質，分析該元素的價態，討論后畫出元素的化合價數軸；[2]第三，注意化合價認識的循序漸進的過程，引導學生對元素的化合價進行小結。如初中時學生只知道氧元素有-2價和0價，到了高一，氧元素還有-1價。對于碳元素，學生在初中階段可能只是知道有+2價、+4價和0價，到了高一，學生必須了解到有-4價等其他價態。而對于在高一才開始學習的氯、碘等元素的學習，在平常教學中要貫穿對其化合價的學習，引導學生對元素化合價進行小結；第四，在平常的教學中，要引導學生根據化合價代數和等于零的原則來推測未知元素的化合價。

參考文獻

[1] 皮連生主編.學與教的心理學（第五版）[M].上海：華東師范大學出版社，2009：104

[2] 胡久華，王磊 ，潘瑞靜.促進學生認識發展的化學1模塊氧化還原專題的單元整體教學研究[J].化學教育，2010，（3）

a.從化合價變化的角度引導學生理解氧化還原反應與四大基本反應類型關系的。置換反應一定是氧化還原反應，是因為一定有元素的化合價發生了變化，復分解反應一定不是氧化還原反應，是因為元素化合價一定不發生變化，化合反應與分解反應可能是氧化還原反應是因為化合價可能發生變化。以上內容應舉正反例證進行對比說明。

b.引導學生理解氧化還原反應的特征（化合價變化）與氧化還原反應的本質（電子轉移）的關系在《化學1》中學習氧化還原反應之前，學生在初中學習的基礎上再次學習了原子結構的知識。基于此認知結構，教師應引導學生從原子結構的微觀結構來理解電子轉移與化合價的關系，為什么失去電子化合價會升高，得電子化合價會降低，加深對氧化還原反應本質與特征的理解。

c.概念變式練習概念的變式，是指從不同角度和方面組織材料，使概念的非本質要素變異，突出概念本質特征的方法。在學習過程中，通過變換與概念無關的、非本質的屬性，變換學習者的思維路徑，促使學習者從不同角度理解概念的本質和規律。如從化合價變化來判斷氧化還原反應與從得氧失氧來判斷氧化還原反應的關系，氧化還原反應與四大基本反應的關系，得失電子的守恒關系等。

③化合價是學習氧化還原反應的核心問題。在氧化還原反應的學習過程中，要引導學生對元素的化合價進行學習，抓住物質中的核心元素的化合價來分析氧化還原反應。

在問卷調查過程中，我們發現絕大多數學生知道通過分析物質中所含元素的化合價來預測物質的氧化性或還原性，但是學生不能抓住核心元素進行分析。為了解決這個問題，首先讓學生建立元素觀念之一 —— 只要元素存在多種化合價，就存在物質之間的相互轉化，該元素就可能為核心元素，常為變價元素；其次，通過頭腦風暴法，將一些有多種價態的常見元素分成幾個組，讓學生分小組討論，舉出含有各元素不同價態的物質，分析該元素的價態，討論后畫出元素的化合價數軸；[2]第三，注意化合價認識的循序漸進的過程，引導學生對元素的化合價進行小結。如初中時學生只知道氧元素有-2價和0價，到了高一，氧元素還有-1價。對于碳元素，學生在初中階段可能只是知道有+2價、+4價和0價，到了高一，學生必須了解到有-4價等其他價態。而對于在高一才開始學習的氯、碘等元素的學習，在平常教學中要貫穿對其化合價的學習，引導學生對元素化合價進行小結；第四，在平常的教學中，要引導學生根據化合價代數和等于零的原則來推測未知元素的化合價。

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[2] 胡久華，王磊 ，潘瑞靜.促進學生認識發展的化學1模塊氧化還原專題的單元整體教學研究[J].化學教育，2010，（3）

a.從化合價變化的角度引導學生理解氧化還原反應與四大基本反應類型關系的。置換反應一定是氧化還原反應，是因為一定有元素的化合價發生了變化，復分解反應一定不是氧化還原反應，是因為元素化合價一定不發生變化，化合反應與分解反應可能是氧化還原反應是因為化合價可能發生變化。以上內容應舉正反例證進行對比說明。

b.引導學生理解氧化還原反應的特征（化合價變化）與氧化還原反應的本質（電子轉移）的關系在《化學1》中學習氧化還原反應之前，學生在初中學習的基礎上再次學習了原子結構的知識。基于此認知結構，教師應引導學生從原子結構的微觀結構來理解電子轉移與化合價的關系，為什么失去電子化合價會升高，得電子化合價會降低，加深對氧化還原反應本質與特征的理解。

c.概念變式練習概念的變式，是指從不同角度和方面組織材料，使概念的非本質要素變異，突出概念本質特征的方法。在學習過程中，通過變換與概念無關的、非本質的屬性，變換學習者的思維路徑，促使學習者從不同角度理解概念的本質和規律。如從化合價變化來判斷氧化還原反應與從得氧失氧來判斷氧化還原反應的關系，氧化還原反應與四大基本反應的關系，得失電子的守恒關系等。

③化合價是學習氧化還原反應的核心問題。在氧化還原反應的學習過程中，要引導學生對元素的化合價進行學習，抓住物質中的核心元素的化合價來分析氧化還原反應。

在問卷調查過程中，我們發現絕大多數學生知道通過分析物質中所含元素的化合價來預測物質的氧化性或還原性，但是學生不能抓住核心元素進行分析。為了解決這個問題，首先讓學生建立元素觀念之一 —— 只要元素存在多種化合價，就存在物質之間的相互轉化，該元素就可能為核心元素，常為變價元素；其次，通過頭腦風暴法，將一些有多種價態的常見元素分成幾個組，讓學生分小組討論，舉出含有各元素不同價態的物質，分析該元素的價態，討論后畫出元素的化合價數軸；[2]第三，注意化合價認識的循序漸進的過程，引導學生對元素的化合價進行小結。如初中時學生只知道氧元素有-2價和0價，到了高一，氧元素還有-1價。對于碳元素，學生在初中階段可能只是知道有+2價、+4價和0價，到了高一，學生必須了解到有-4價等其他價態。而對于在高一才開始學習的氯、碘等元素的學習，在平常教學中要貫穿對其化合價的學習，引導學生對元素化合價進行小結；第四，在平常的教學中，要引導學生根據化合價代數和等于零的原則來推測未知元素的化合價。

參考文獻

[1] 皮連生主編.學與教的心理學（第五版）[M].上海：華東師范大學出版社，2009：104

[2] 胡久華，王磊 ，潘瑞靜.促進學生認識發展的化學1模塊氧化還原專題的單元整體教學研究[J].化學教育，2010，（3）