中學化學“氧化還原反應”核心概念的提取與研究

曹滿莉

摘要：重視超越課堂具有持久價值和遷移價值核心概念的理解是中學化學教學的重要目標。據中學化學核心概念的特征及高考化學新課標要求，選擇“氧化還原反應”為對象，梳理其基本概念、理論，繪制概念圖，結合一線教師對各概念觀點認同次數、陳述與具體分析，提取“兩反應”、“性質”、“書寫”、“實質”為“氧化還原反應”的核心概念，從WWHW角度對各核心概念進行研究，以期對中學化學核心概念的教學有借鑒價值。

關鍵詞：中學化學核心概念;氧化還原反應;提取方法;研究問題

文章編號：1008-0546（2019）01-0008-05 中圖分類號：G632.41 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2019.01.002

一、問題的提出

高中化學知識有“碎散多”、易學難記、迷思概念多等特點，常發現學生對短期所學知識、知識個體掌握良好，對較長時間內、有邏輯關聯的知識掌握較弱，更有高中畢業一兩年的學生，頭腦中化學知識所剩無幾，畢業多年則遺忘殆盡，對周邊生活現象無法做合理的解釋……是學生沒有運用理論知識解釋實際生活的意識和能力，還是教師傳授化學知識時，沒有幫助學生建立理論與實際的聯系？這源于升學高壓的今天，教師用“題海戰術”鞏固知識，讓學生誤以為反復做題與辛勤識記，方能制勝，而成為“解題與記憶的機器”，這忽視了有聯系知識的邏輯關系，學生習得的知識孤立、零散，使學科核心概念無系統性。周玉芝認為，現今課堂過于關注對事實的記憶與程序和技巧的訓練，忽視了超越課堂外有持久價值和遷移價值的核心概念的理解，要用所學知識解釋周邊生活，就必須將事實與理論聯系，她提出將學科核心概念的理解作為教學的重要目標? [1]，文章厘清化學學科核心概念及特征后，對中學化學“氧化還原反應”核心概念的提取與研究做了思考與實踐，以期對中學化學核心概念的教學有借鑒價值。

二、中學化學核心概念

核心概念是能對某領域知識整體把握，重心轉向概念的深層理解，在去除非本質因素后仍能有效將事實和有邏輯關聯的基本概念組織起來，被廣泛理解和應用，易于記憶與遷移，在生活中延續，從而經得住實踐和時間檢驗，激發學生探索新知的原理性知識? [2-3]。可見，核心概念是能對眾多事物和現象做出解釋的大概念、關鍵概念 [4]，是概念結構的最高概括，能廣泛解釋自然現象，具有概括性、持久性、遷移性、統攝性、解釋力的特征。那么，化學學科核心概念就是化學學科的主干部分，選取典型的化學事實、現象，分析、歸納出有規律性的基本概念，再將基本概念以一定邏輯關聯進行整合成反映化學本質、幫助學生理解化學知識、深入探索化學學科、有統攝思維和遷移價值、能構建知識體系的原理、理論、方法的概念，促進對自然界整體認識 [5-6]。可見，化學學科核心概念除具有核心概念的特征外，還有典型性、規律性等特征。

本文研究的核心概念是能整合本學科的重要概念、原理和方法。中學化學核心概念選取標準如下：居化學學科重要地位，有助于構建知識體系的基本概念;解釋在校學習和畢業后生活中的眾多事件和現象，幫助理解新問題并作出有關人類健康的決策;概念的學習有利于中學生形成基本的化學觀念? [7]。胡久華教授提出高中化學核心概念有“物質的量”、“物質分類”、“電解質與電離”、“氧化還原反應”、“化學鍵”、“化學平衡”、“鹽類水解”、“原電池”等? [8]，文章選取中學化學“氧化還原反應”進行研究，因其思想分布在初中、必修、選修，可延伸至大學，克服了教學論和課程論選取模塊過大或過小的問題，揚長避短，并統整四大基本反應、離子反應、電化學、熱化學、化學實驗和計算、無機和有機化合物，符合中學化學核心概念概括性和統攝性特征;能綜合體現概念間內在聯系與應用，有助于理解與解釋相關生活事件和現象，符合廣泛解釋性特征;為新知識提供組織結構，迅速獲取新知識，符合遷移性特征;從必修到選修其思想滲透廣泛，要整體和深入理解，就需有效建構知識體系，抓住本質特征，將生活事件與其建立聯系，解決現實問題，符合持久性特征。可見，研究“氧化還原反應”這一核心概念有實際意義與理論意義。

三、中學化學核心概念的提取

核心概念既然是大概念，是概念結構的最高概括，學生要將生活事件與其建立聯系，對核心概念達到融會貫通、舉一反三的效果，就必須抓住為數較少、反映其本質特征的概念，幫助學生深入理解核心概念，構建經緯交織的知識體系。因此，對中學化學“氧化還原反應”的核心概念的提取顯得很有必要。

1.依據高考化學新課標的內容與要求

高考化學新課標是高考內容的導向，2017年高考化學新課標指出考試要體現學科特點、基本方法、概念、理論等見表1。

2.梳理教材相關領域的知識

據初中（人教版）、必修（魯科版）、選修（魯科版）中“氧化還原反應”領域相關知識，對其基本概念和理論進行梳理（見表2）。

初中把物質與O2反應叫氧化反應，O2有氧化性，C奪取CuO中的O而認為C有還原性，注重感性認識兩反應，了解金屬活動性順序和金屬腐蝕與防護;必修用化合價升降辨析、定義相關概念、配平氧化還原反應，并將特征與實質聯系，指導元素化合物學習;選修從特征和實質探討電化學及溶液的反應，要求用化學術語正確表達陌生情境的反應，解決相關生產生活問題，從參與反應的無機物性質遷移至兩有機反應，從H、O原子數量改變辨析兩反應，從碳氧化數拓寬認識。

3.繪制相關知識的概念圖

結合新課標對其內容與要求、教材相關基本概念和理論的梳理，繪制中學化學“氧化還原反應”概念圖（見圖1）。

各學段對兩反應和物質性質從多角度界定，且有相應要求及應用，對其方程式在各學段有不同層級書寫要求，其實質在各學段也有不同應用。

4.教師對“氧化還原反應”的核心概念的看法

為了更合理和準確提取反映“氧化還原反應”知識體系的核心概念，對課標相關內容要求、教材相關概念梳理及概念圖剖析，與本地高中化學特級教師、資深化學教師探討后，整理、設計系列概念能否作為“氧化還原反應”知識體系的基本概念的問卷，以某市級公開課評課后對45位一線化學教師（至少教過一輪）為對象，發放問卷，回收45份問卷，其中30份問卷中有對選擇的理由進行陳述，會后還傾聽教師對某些概念的相關建議，統計各概念認同次數（見表3）。

選“實質”為核心概念的次數最多，因它指引透過現象看本質，從教師陳述看，他們已初步領會核心概念內涵，認為“實質”統攝線橋法、四大基本類型與氧化還原反應、元素周期律、電離能、電負性、電化學、金屬腐蝕與防護等，這與生活聯系緊密，掌握本質，畢業后即使已忘非本質因素，仍可解釋周邊生活;選“化合價”次數次之，教師認為“化合價”在外觀區別于其他反應，并進一步認識兩反應物、兩反應、兩行為、兩產物等，文章認為依據學生思維發展，氧化還原反應判定經得失氧、化合價、氧化數等，以“化合價”為核心概念過于片面;選“兩劑”次數較多，因教師認為兩劑是物質要素，引出兩反應、兩行為、兩產物等，文章認為以其作為核心概念有局限性，因隨學生思維的發展變化，“兩反應”在各學段界定不同，盡管“兩反應”調查統計次數次于“兩劑”，但前者可統攝兩反應物、兩行為、兩產物等，有廣泛性;選“書寫”和“性質”次數較多，教師認為前者可統攝化合價、方程式書寫，為元素化合物、離子反應學習提供理論指導和方法幫助，而多數學生學習元素化合物最大的障礙是方程式書寫，有必要將不同形式的書寫細化，教師認為物質性質與強弱判定，能統攝元素周期表、電離能、電負性，水到渠成，對陌生情境下此類方程式書寫有指導作用。因此選“兩反應”、“性質”、“書寫”“實質”為“氧化還原反應”的核心概念。

四、從WWHW研究中學化學核心概念

山西師范大學梁永平教授WWHW [9]模型即知識是什么（What）、所學知識價值是什么（What）、所學知識是如何產生的（How）、為什么所學知識是合理的（Why）。他認為教師的認識水平影響著學生對微觀的認識和科學本質的理解，教師應成為一個認識論者。對核心概念本質的認識要從是什么，在整個中學階段的地位、演變過程、廣泛性等方面了解知識的來龍去脈，聯系實際生產生活，體會學有所用，激發學生持續學習的熱情和欲望。

1.中學化學“氧化還原反應”基本概念的研究意義

核心概念是學生已忘非本質因素時，仍可解釋生活的科學概念。通過掌握“兩反應”，即使已忘相關非本質因素，卻仍能從本質上解釋金屬腐蝕，看到籃球桿、自行車把手、車輪腐蝕時，能用隔絕空氣法防腐;看到鋁制高壓鍋有“污垢”，能聯想到鋁被氧化產生的氧化膜保護了內部鋁，無需鋼絲球處理……;通過掌握“性質”，即使已忘非本質因素，但看到鋁制高壓鍋“不盛具有酸性、堿性、鹽類食物”，能聯想到鋁被氧化而腐蝕，看到“管道通”成分，能聯想到NaClO的氧化性，用鋁與NaOH產生的氣壓便于疏通……;通過掌握“書寫”，即使已忘非本質因素，但看到煤爐燃燒上方有藍色火焰，能聯想到碳不完全燃燒應保持通風……;通過掌握“實質”，即使已忘非本質因素，看到充電，能聯想到電能轉化成化學能，看到使用電腦、手機，能聯想到化學能轉化成電能，看到氣液交界處鋼鐵腐蝕更嚴重，就知道其保存方法……

2.中學化學“氧化還原反應”核心概念的研究問題

關于“兩反應”，從得失氧、化合價和O、H原子數改變、碳氧化數角度研究，初三初涉化學，從形式上認識兩類反應是膚淺和片面的，必修先從化合價較全面辨識兩類反應，再從個別與有機物反應的無機物性質推斷有機中兩類反應，選修在必修基礎上從O、H原子數較全面認識有機化學中兩類反應，認識化學反應的思路和方法，最后利用碳氧化數拓寬視野，提升認識（見圖2）。

關于“性質”，初中從個別物質氧化性或還原性接觸兩性，必修從化合價掌握性質判定方法，選修從放電和有機物發生的兩反應來判定。對其強弱判定，初中不要求，僅讓學生了解性質，必修要掌握判定方法并運用到元素化合物知識學習中，注重理解與運用，選修要掌握并運用性質強弱判定或書寫同一體系中多個反應，甚至是陌生情境下的反應，注重在具體的情境中運用（見圖3）。

關于“書寫”，初中用觀察法據元素、原子守恒配平，僅從外形上實現質量守恒，必修據化合價升降、原子、元素、得失電子、電荷守恒等配平，涉及到特征及實質的守恒，選修是在陌生情境中據信息描述、性質推斷部分物質，調平部分系數后據環境補充合適物質，調平其他物質前系數以確保各類守恒，有機物的完全燃燒用觀察法據原子守恒配平，其他則據反應機理書寫可事半功倍。可見，在各學段因氧化還原反應的類型、難易，書寫方法、步驟、技巧略有不同，一個正確的方程式能定性和定量真實反映物質間的關系（見圖4）。

對于“實質”初中未涉及，但介紹了離子是由原子得或失電子的結果，為必修奠定基礎，必修要求認識到其實質，并將實質與特征定性和定量聯系起來，加深學生對實質的直觀描述，選修是對實質與特征的深化與運用，促使學生深入事物的本質看待問題，利于培養學生透過現象看本質的良好品質（見圖5）。

可見，認識“兩反應”在不同學段的界定，反應物發生氧化反應、還原反應，體現了分別具有還原性和氧化性，從各學段“性質”的要求，充分認識物質性質判定方法，并將其應用到元素化合物學習中，氧化還原反應形式多樣，如何正確用化學術語表達，即“書寫”問題，而書寫原則是建立在“實質”基礎上，因此，“氧化還原反應”四大核心概念的呈現順序依次是“兩反應→性質→書寫→實質”，從而構建了中學化學“氧化還原反應”的知識體系，有效解決了化學知識“碎散多”、易學難記及厘清迷思概念的問題。

教師對中學化學核心概念的分析、提取與研究決定了課堂教學的方向、深度及廣度。只有準確確定教學深度與廣度，才能輕而易舉準確把握教學方向，恰當進行超越事實的化學教學，使學生真正領悟核心概念，提高化學課堂教學效益。

參考文獻

[1] 周玉芝.以核心概念為統領設計化學教學[J].化學教育，2010（6）：27-32

[2] 胡玉華.科學教育中的核心概念及其教學價值[J].課程·教材·教法，2015（3）：79-84

[3] 普萊斯頓·費德恩等著.教學方法：應用認知科學，促進學生學習[M].王錦，等，譯.上海：華東師范大學出版社，2006：462

[4][7]溫·哈倫.科學教育的原則和大概念[M].北京：科學教育出版社，2011

[5] 埃里克森.概念為本的課程與教學[M].蘭英，譯.北京：中國輕工業出版社，2003

[6] 約瑟夫·科瑞柴科.革命性的變化：美國確立新一代科學教育框架[J].基礎教育課程，2013（1）：82-85

[8] 胡久華，陳欣，等.不同處理方式對高中生化學核心概念建構的影響[J].中國教育學刊，2007（7）：62-64

[9] 梁永平.在化學微觀認識學習中發展學生科學本質理解的思考[J].化學教育，2006（3）：9-13