基于實驗探究的概念原理教學——以“從氧化還原反應認識物質性質”為例

蔣 濤

基于實驗探究的概念原理教學——以“從氧化還原反應認識物質性質”為例

蔣 濤

中學化學概念原理教學的目的是讓學生能夠真正理解概念，形成并發展科學認識。而實驗探究教學的深入開展要求更加關注學生在探究過程中的自主性、創造性以及問題解決能力。針對如何開展基于實驗探究的概念原理教學，以“從氧化還原反應認識物質性質”的教學為例，進行初步研究，并提出相關教學策略。

氧化還原反應；實驗探究；概念原理教學

一、研究背景

一方面，化學概念原理是化學現象本質的反映，但概念原理的教學并不意味著局限在對相關知識的落實上，發展概念原理知識對化學反應的認識視角，體會其功能與價值才是概念原理教學的真正意義。概念和方法的學習過程需要通過應用環節促進發展，如果缺少實際應用便不能實現概念和方法的內化，不能納入學生的長時記憶系統。另一方面，實驗探究是當今國際科學教育領域研究的重要內容之一，許多國家和地區的科學教育改革都圍繞著實驗探究教學展開。實驗探究教學的深入展開要求更加關注學生在探究過程中的自主性、創造性以及問題解決能力的培養 。探究教學作為一種在培養學生化學素養方面具有顯著優勢的教學方式應用于元素化合物的教學內容比較容易可行。那么如何將探究教學應用于化學概念的教學呢？本研究以氧化還原反應的教學為例，并對基于實驗探究的概念原理知識的教學提供一些教學策略。

氧化還原反應在高中化學學習中將大量涉及，學生在學習物質性質、實現物質轉化、分析電極反應等問題時均需要相關知識。可以說氧化還原反應的知識一方面豐富了學生研究物質性質的視角和實現物質轉化的途徑；另一方面豐富了學生對化學反應能量利用的途徑，在物質轉化中將“不可能”轉變為“可能”。所以對氧化還原反應的教學絕不能僅僅停留在對核心知識的講解和落實上。那么如何改變以往枯燥的教學形式，使學生建立起研究物質性質的思路和方法呢？本節課作為氧化還原反應的第二課時，設計了3個核心活動：活動1是預測物質的氧化性、還原性，活動2是設計實驗驗證高錳酸鉀的氧化性，活動3是探究亞硫酸鈉的氧化性和還原性。

二、核心探究活動的實施過程

1.活動1：預測CO2和CO的氧化性、還原性

根據C元素的常見化合價預測CO2和CO的氧化性與還原性。

學生活動：先獨立思考，后4人一組相互討論，然后回答問題。

學生回答1：CO2具有氧化性，CO具有還原性。

學生回答2：CO應該還具有氧化性。因為CO中的C元素顯+2價，還可以繼續降低。

【追問】雖然根據價態判斷CO具有氧化性，但CO通常只表現出還原性。能否總結出判斷物質氧化性還原性的一般方法？

學生回答3：觀察元素的化合價，最高價(該物質)只具有氧化性，最低價只具有還原性，中間價態既具有氧化性又具有還原性。

【追問】面對C，O兩種元素，你是如何選擇的呢？

學生回答4：關注變價元素的化合價。

探究活動1的功能價值：通過本活動讓學生關注到從氧化還原反應(化合價)認識物質性質這一新的認識角度，落實預測物質氧化性、還原性的方法，為后續探究元素化合物的性質奠定理論基礎。

2.活動2：設計實驗驗證高錳酸鉀的氧化性

【問題1】預測KMnO4和KI的氧化性與還原性并說明理由。

學生活動：4人一組相互說明，然后1名學生回答。

學生回答：KMnO4中的Mn元素為最高價具有氧化性，KI中的I元素為最低價具有還原性。

【問題2】驗證KMnO4是否具有氧化性？

學生活動：4人一組，先經過獨立思考和小組討論后，確定實驗方案，再動手驗證并記錄相關的現象得出結論。

教師活動：巡視學生的實驗情況，適時的詢問試劑選擇的原因、預期現象與觀察到的現象之間有何不同。然后請同學們分組匯報自己的實驗情況，說明需要注意的問題。

【教師點撥】能否歸納出驗證物質氧化性與還原性的一般思路方法？

學生活動：回憶剛剛的過程，并進行總結提煉。

學生回答：先根據化合價預測性質，再選擇試劑，通過觀察到的實驗現象與預期現象進行比較從而得出最終結論。

探究活動2的功能價值：學生在設計實驗方案時，對于試劑的選擇沒有出現任何問題，都選擇了KI證明KMnO4的氧化性。但在預期現象的時候，面對Mn元素的多種價態，學生試圖通過寫出方程式確定其還原產物，卻因為所學知識有限遇到了障礙。教師適時點撥，可先動手實驗，根據現象再來推測；另外當還原產物不好確定時，可以換一個角度，來關注氧化產物，同樣可以得到相應的結論。最后再由學生回憶整個探究過程，歸納出研究物質氧化性和還原性的一般思路和方法，通過本活動落實驗證物質氧化性、還原性的方法，為后續元素化合物學習奠定方法基礎。同時培養了學生理性分析、設計在前，動手實驗在后的良好習慣。

3.活動3：探究Na2SO3的氧化性和還原性

運用研究物質性質的一般思路方法，研究Na2SO3的氧化性和還原性。

學生活動：先分析設計，再動手實驗。

學生回答1：選擇KMnO4，可以證明Na2SO3具有還原性。但是KI卻不能跟Na2SO3反應，證明Na2SO3沒有氧化性。

學生回答2：有可能是Na2SO3在反應中主要表現還原性。

學生回答3：用碘水和Na2SO3反應，然后滴入淀粉液，發現溶液不變藍，說明兩者反應，同樣證明了Na2SO3的還原性。

【追問】(給出Na2SO3與I2反應的方程式)試分析Na2SO3與碘水反應而不與KI反應的原因是什么？是因為Na2SO3沒有氧化性嗎？

學生活動：先獨立思考，后小組討論。

學生回答1：Na2SO3的還原性較強，碘單質的氧化性較強，而KI的還原性沒有Na2SO3強。所以KI不能跟Na2SO3反應。

學生回答2：通過觀察Na2SO3與I2反應的方程式，SO3

2-是還原劑，I-是還原產物，而還原劑的還原性比還原產物要強。所以，要找到一個還原性比SO32-更強的還原劑才能證明其氧化性。

【教師點撥】選擇什么試劑才能證明Na2SO3的氧化性呢，在學完了硫及其化合物的性質以后我們就會知道，感興趣的學生可以課后查閱相關資料。

探究活動3的功能價值：在該探究活動中，學生在教師所安排的認知沖突下，發現了實驗事實與經驗預期的矛盾所在，從而促使其經過思考和討論發現氧化還原反應發生的制約條件——氧還性的相對強弱關系，解決了“可能性”與“現實性”的矛盾。至此學生對研究物質氧化還原性的方法有了更全面的認識，提高了其創造性思維。對于“證明Na2SO3的氧化性”的操作方法在這節課中實際上是不重要的，原因是該探究活動意在通過讓學生體驗實驗事實與預期之間的矛盾，發現制約氧化還原反應發生的條件，而現階段的學生也不具備硫及其化合物的相關知識，如果在課堂上展開討論，增加了無關性難度且延長了時間。所以我們把這個問題交給了學生，讓他們課后思考，既進行思維拓展，讓這節課有延伸感，又節約課時，使教學目標更為突出。

4.鞏固思維訓練實例

【課后任務1】列舉一些常見的氧化劑和還原劑，并用樹狀法對其進行簡單分類。

【課后任務2】預測SO2的化學性質，并與CO2進行比較。

通過以上兩個任務，一方面讓學生進一步熟練預測物質氧化性與還原性的方法；另一方面進一步體會認識物質性質的兩個角度——物質的類別與氧化還原反應(價態)，從而感受到學習氧化還原反應的價值和作用。

三、基于實驗探究的概念原理教學策略

如何開展高水平、開放式的探究課教學，如何通過探究實驗將概念原理落到實處，筆者有如下反思。

第一，在進行化學概念教學時，尤其在引入新的知識時，教師要給學生提供具有認知沖突的情境素材，暴露出學生的個人認識，要允許學生與學習情景中的其他人交流關于問題情境的看法。教師要把教學的重點放在概念的形成和理解上，并讓學生參與概念觀點的建立。例如在本節課的第三個環節，大部分學生已經掌握了研究物質氧化性和還原性的方法的基礎上，學生在探究Na2SO3的性質時，發現了實驗事實與他們的預設之間并不吻合，激發了認知沖突，從而促使他們關注Na2SO3與KI的還原性強弱關系，進而通過Na2SO3與碘單質的反應，認識到還原劑與還原產物間的還原性強弱關系，建立起比較物質氧化性還原性的方法和對制約氧化還原反應發生的條件的認識。

第二，在設計探究活動時，問題的連續性和開放性能直接影響學生的思維發展。這就要求教師選擇的核心問題、探究任務容量要大，要值得探討，在必要的時候提供給學生所需的場外信息和資料，這樣既能滿足其探究欲望，又不會打壓積極性。例如，“運用研究物質性質的一般方法探究Na2SO3的氧/還性”這一問題就比從試劑選擇到現象判斷這樣領著學生一步一步走更能激發學生的思考。而在探究KMnO4和Na2SO3的性質的時候，給學生提供Mn，S元素的常見價態及存在形式、I的原子結構示意圖等信息，能幫助他們通過自己的思考來完成任務，最大可能的依靠學生自己的能力來解決問題，這樣學生成功之后的成就感和滿足感也是不言而喻的。

第三，在實施探究教學過程中，要關注培養學生探究能力的自主性和科學性。這就要求教師要基于具體任務，從個別到一般，并在這一過程中體現思路，將思路“細化”，將“方向性”轉變為“可行性” 。基于對氧化還原反應部分內容教學價值的分析、基于概念原理知識與元素化合物知識的關聯進行整體設計。在本節課中通過3個核心活動來實現這一目的，每個活動有明確的知識技能和過程方法目標，3個活動之間具有螺旋上升、逐級遞進的關系。為了讓課堂的整體實效性更高，在提出假設環節，針對大多數學生只關注“局部”，進行部分假設、預測的情況，教師可通過與學生的對話、對學生評價等策略的實施引導學生提升其“全面分析系統的各要素，基于各要素進行全面假設”的系統思維能力。

蔣濤，碩士，中教一級。北京市十一學校，100039