概念轉變視角下的思維框架法教學設計

高韋華 魏建業

摘要：概念是學生認識事物的“基元”，也是學生學習科學知識的媒介。學生在開始構建科學概念之前受諸多已有因素影響，這些因素可能會導致他們在理解和應用新概念時存在不同程度的偏差，進而發展成迷思概念。因此，采用恰當的教學策略及方法轉變學生已有迷思概念，進而提高學生對于概念的應用水平具有重要意義。

關鍵詞：概念轉變；氧化還原反應；思維框架法

文章編號：1008-0546（2022）12-0046-05

中圖分類號：G632.41

文獻標識碼：B

doi： 10.3969/j .issn.1008-0546.2022.12.012

化學概念是化學的核心部分，與課程標準提出的五大核心素養之間有著密不可分的聯系。而氧化還原反應相關概念的理解和應用是貫穿中學化學知識體系中的一條重要的知識線，是中學化學教學中的重點，也是學生迷思概念較為集中的地方。本文擬介紹一種經證實對轉變學生迷思概念有積極作用的教學方法——思維框架法[Teaching Frames Approach（TFA）]。[1]以“氧化還原反應”這一中學化學中重要的基礎概念為突破口，嘗試應用思維框架法進行教學設計和實踐，對學生存在的迷思概念進行轉變，旨在幫助學生形成對氧化還原反應相關概念的科學理解，同時為廣大一線教師提供概念教學方面的一個參考模式。

一、思維框架法簡介

思維框架法是一種利用認知沖突策略使學生的迷思概念外顯并轉變的系統方法。它的整個過程立足于師生對話和生生對話等啟發性社會活動，通過這種社會構建的方式將學生的思維外顯，從而為教師的教學重點提供可靠的參考，有利于針對性地轉變異質小團體（學生層級存在差異的小組）中存在的迷思概念。

思維框架法的教學模式如下：課程開始之前，教師事先根據教學內容精心設計思維框架法學習單和演示實驗，見圖1。

在演示實驗開始之前，學生根據學習單的指引，分組討論并預測演示實驗結果，按照教師指引完成學習單的相應內容，然后向全班闡述自己這樣預測的原因。在觀察演示實驗后，學生與小組成員討論、解釋實驗現象，他們會將經小組討論后認可的解釋，口頭闡述給整個班級的學生，老師使用蘇格拉底式的提問來引導學生構建科學的模型并完善自己的解釋。整個流程大致符合預測—討論一解釋一觀察一討論—解釋（ Predict- Discuss- Explain- Observe- Discuss- Explain）（PDEODE）策略。教師的提問鼓勵學生將科學的本體論模型應用到觀察到的現象中，學生通過口頭、圖片和書面的解釋，共同構建科學認知模型，理解科學概念。最后，學生使用一個叫做“水平山”的測量工具來評價自己的課堂表現和收獲，[2]見圖2。

二、教學背景分析

1．教學內容和學情分析

本節是蘇教版必修一專題三“從海水中獲得化學物質”第一單元氯氣及氯的化合物第三節的內容。氧化還原反應是中學化學概念中的一個核心概念，它貫穿于整個中學化學教材，對于發展學生的核心素養，引導學生有效進行整個高中階段的化學學習，具有不可替代的作用。

通過初中化學的學習，學生已經掌握四大基本反應類型，他們在高一也已經學習過一些重要元素及其化合物的知識，對化合價并不陌生，能夠從得失氧以及化合價變化的角度認識氧化還原反應。但是，由于缺乏相應的原子結構和化學鍵的知識，往往很難建立起氧化還原反應的本質是電子轉移的觀念。此外，學生對于化學反應微觀層面的認識較少，而且存在著模糊或不科學的認識。

本設計采用思維框架法教學模式，以學生為主體，嘗試外顯他們頭腦中的迷思概念，在教學過程中予以適當的啟發問題和引導，幫助他們實現對迷思概念的自我發現和轉變。

2．教學目標

（1）認知化學實驗中和生活中常見的氧化劑和還原劑，能找出化學反應中的氧化劑、還原劑、氧化產物和還原產物，對于確定的方程式能定量知道它們的比值。

（2）通過實驗初步學會設計驗證物質的氧化性和還原性的思路，提升證據推理和模型認知的核心素養。

（3）通過對氧化劑和還原劑的研究過程，體會研究物質性質的一般方法，通過滲透化學中的哲學思想，培養學習化學的興趣，增強科學探究和創新能力。

三、教學流程和教學思路

基于學生對物質的氧化性和還原性和物質元素化合價的關系還存在一定迷思概念，本設計把化合價作為切人點，結合兩個典型的實驗制造學生的認知沖突，啟發思維，引導學生從化合價的角度去認識和判斷物質的氧化性和還原性，教學流程見圖3。設計采用實驗法、對比法和化學建模等多種教學方法，傳授科學方法的同時，滲透化學中的哲學思想。

四、教學過程

考慮到中國學生的學情，整堂課全部采用思維框架法的模式可能導致不能完成全部教學任務，因此本設計只將“環節三”部分設計為思維框架法教學模式，并將其融合到完整課堂中。下文將重點介紹思維框架法環節的教學片段。

環節三、價態律（TFA教學環節）

【啟發性提問】請同學們再思考，實驗室制氯氣的反應中濃鹽酸中氯的化合價是多少？它是否還容易降低？為什么？

【學生交流回答】氯離子最外層電子數是8，達到相對穩定結構，很難再得電子使化合價降低。

【追問】二氧化硫與硫化氫氣體的反應中硫化氫中的硫元素的化合價是一2價，是否容易降低？二氧化硫中硫元素的化合價還容易再升嗎？還容易再降嗎？請同學們結合原子核外電子排布做出科學的解釋。

【教師小結】看來物質的氧化性和還原性與元素化合價有一定的關聯。接下來用兩個實驗來探究一下其中的聯系。

【實驗1】過氧化氫和淀粉碘化鉀反應。在盛有2-3 mL碘化鉀的試管中逐滴滴加濃度為5%過氧化氫溶液，振蕩后觀察現象。

【提出問題】實驗演示之前我們先分析一下反應物的化合價，預測一下可能會生成的產物，和可能會發生的現象，嘗試做出解釋完成思維框架表的相應內容。同學們可以小組內討論5 min。

【學生】小組討論，頭腦風暴，想出與現象有關的關鍵詞，發表預測的看法。

【教師引導過渡】我們看到過氧化氫中的氧是一1價，它既可以升高到0價生成氧氣，也可以降低生成一2價的水。

【教師引導提問】你們覺得在這個實驗里面它應該是升還是降？氧化還原反應里有升必有降，如果過氧化氫中氫元素的化合價上升那么另一個物質KI里有元素能降低嗎？

【學生】分析原子、離子結構發現KI中元素化合價都不容易降低。

【教師追問】那么這里的過氧化氫中氧元素化合價應該是降低的。也就是說KI中有元素要升高，什么元素呢？

【學生】思考、組內討論、修改自己的預測，再發表看法。

【演示實驗】接下來我們就用實驗驗證一下是不是有碘單質生成。同學們觀察到什么現象？與你們預測的實驗現象一致嗎？如果一致，請你做出科學的解釋并完成思維框架表，如果不一致，請思考原因與小組同學交流討論。

【學生】組內討論，按照關鍵詞之間的關系和順序將這些詞組成句子和段落，最后完成思維框架表，發表自己的看法。

【教師引導】實驗發現無色溶液變成淺黃色。溶液變成淺黃色能說明有碘單質生成嗎？檢驗碘單質的方法是什么？滴加淀粉溶液后溶液變藍了。說明實驗確實有碘單質生成。

【教師追問】請同學分析這個實驗過程KI中元素化合價發生了什么變化？作什么劑？體現什么性質？同樣反應過程中過氧化氫中的元素發生什么變化？作什么劑？體現什么性質？

【學生】學生討論、分析、交流。

【實驗2】請同學們按照老師剛才的思路從化合價的角度分析第二個實驗：酸性高錳酸鉀和過氧化氫反應，完成思維框架表的相應部分。

【學生】自主探究，應用科學方法分析變價元素。小組討論，頭腦風暴，發表預測結果的看法。

【教師引導】高錳酸鉀中錳元素已經是+7價了，你們見過化合物中錳元素比+7價還要高的價態嗎？

【學生】交流、回答。

【教師引導追問】錳元素是不是沒有比+7價還要高的價態了呢？所以高錳酸鉀中錳元素的化合價可能會發生怎么樣的變化？過氧化氫中的氧元素的化合價又會發生什么變化？

【學生】小組內討論，發表看法。

【演示實驗】取1-2 9高錳酸鉀于試管，加入15 mL左右蒸餾水，滴加幾滴稀硫酸，逐滴滴加濃度為5%的過氧化氫溶液。振蕩后觀察實驗現象。

【提問】同學們觀察到什么現象？與你們預測的實驗現象一致嗎？如果一致請科學地做出解釋并完成思維框架表，如果不一致請思考原因并與小組同學討論。

【學生】高錳酸鉀褪色，有氣泡產生，帶火星的木條伸到瓶口，木條復燃。

說明確實有氧氣生成。

【教師追問】請同學分析這個變化過程中高錳酸鉀中錳元素的化合價發生了怎么樣的變化？作什么劑？體現什么性質？同樣這里的過氧化氫發生什么變化？作什么劑？體現什么性質？

【學生】小組討論，修改自己預測的結果，完善思維框架表，發表自己的看法。

【教師小結】我們可以看到，過氧化氫中氧元素的化合價是一1價，而氧元素常見的價態有0和一2。也就是說一1是處在0和一2之間的中間價態。因此它的化合價可以升高也可以下降。所以在遇到不同的物質或者在不同環境下可以表現出氧化性也可以表現出還原性。過氧化氫在第一個反應充當氧化劑，而到了第二個反應就變成了還原劑。

【追問】所以說，一種物質體現氧化性還是還原性是絕對的嗎？

【學生】思考，回答。

【教師總結】很好，氧化劑和還原劑并不是絕對的，不同的反應同一種物質可能是氧化劑也可能是還原劑，但是通過化合價我們可以初步判斷物質可能具有氧化性還是還原性或者兩者都有。這也是哲學思想滲透在化學中的矛盾的對立統一。

常見的氧化劑有：活潑的非金屬單質、含有較高化合價元素的化合物、含有較高化合價金屬陽離子的化合物。常見的還原劑有：活潑金屬、含有較低化合價元素的化合物、某些非金屬單質[3]。具有中間化合價元素的化合物可能既是氧化劑又是還原劑。

【環節設計意圖】把學生作為課堂的主體，讓學生自主發現自己的迷思概念，教師通過不斷地追問和引導，使學生轉變自己的迷思概念。氧化劑和還原劑本就是從得失電子的角度對常見物質進行的分類，對它們進一步從價態的角度進行分析有助于學生清晰、有序地認識常見的氧化劑和還原劑，也便于后續對強弱規律的系統學習。同時，加深學生對氧化劑和還原劑的認識，培養學生用哲學的角度看待化學反應，用變化、發展的眼光看問題。使學生認識氧化還原反應中，沒有“絕對的”氧化劑和還原劑，根據反應事實所得出的結論一定有它的條件，條件改變，這些結論自然也要隨之發生變化。

五、教學反思與建議

1．針對性選題，強化迷思概念轉變效果

在教學過程中需要針對學生易產生迷思概念的部分采用思維框架模式。氧化還原反應作為基礎性知識應用范圍廣，能夠幫助學生從化合價的角度預測物質的性質，發展學生的微觀認識，培養宏觀辨識和微觀探析的核心素養，有利于建構化學新思維。從氧化還原反應角度認識物質的性質有其獨特的化學視角和一般規律。該階段高一學生對氧化還原反應物質的判斷掌握較好，但是沒有形成對氧化還原反應的動態認識，知識遷移能力較差。例如：如果他們確定某物質在某一反應中為氧化劑，那么就會認為在其他的化學反應中也是作氧化劑。這個想法會進一步對學生之后的學習，尤其在判斷有陌生物質參加的氧化還原反應中的氧化劑、還原劑時，產生很大干擾，造成迷思概念。因此本課時的思維框架教學環節把重點放在解決氧化還原反應中的價態律，基于學生的問題開展教學。這種模式力求從知識本質出發，使學生思維過程外顯，并使學生在反思過程中修正自己的迷思概念，有利于擺脫純粹知識的教學。

2．以學生為中心，培養自主學習化學的能力

在實驗前后通過一系列問題串來引導學生的思維活動，全程把課堂交還給學生，只是在學生的討論過程中給予適當的追問與引導，并在適當的時候做些許補充和小結。整個過程重點放在對學生思維的引導與啟發，充分發揮了學生的自主性和課堂參與度，學生在教師的引導下，主動反思并建構科學的認知模型，培養自身證據推理和模型構建的核心素養。整個課堂氛圍較好并取得良好的教學效果。

3．手口并用，發展多面能力

思維框架教學法需要學生自己想出與課程相關的關鍵詞，并通過他們適當地處理，形成自己的科學解釋。期間，完成思維框架表的過程極大鍛煉了學生的想象力和書面表達能力。在學生需要向全班進行解釋的時候又鍛煉了自身的口頭表達能力和在演講時的信心。因此思維框架法不僅僅立足于知識本身，更鍛煉了學生的多方面的能力。

4．結合國情，發揮思維框架法的作用

思維框架教學法在國外科學教育中已經得到了廣泛的應用，且已取得了良好的反饋。但目前國內的相關研究尚缺乏。在國外，科學教育的對象大多是兒童，他們有大量的課時進行探究，思維框架教學法往往應用于一個相對抽象龐大的主題，往往需要消耗大半學期甚至一學期的課時。然而，國內化學教學面對的最小年齡的群體都已經是初三的學生，他們面臨較大的升學壓力，同時教師也面臨嚴峻教學任務，高中的課時更是寶貴?？紤]到中國化學教學的形勢，筆者建議將思維框架教學法融合到一個課時的某個環節中去，這樣既能在一定程度上發揮思維框架法的作用，又不影響正常的教學任務。

綜上所述，思維框架教學法有其獨特的優勢，同時又面臨不小的挑戰，比如課時環節應如何合理安排以及適合設計成思維框架教學法的主題有哪些等，這需要廣大教師繼續深入研究、完善與應用，并在實踐中進行摸索和改進。

參考文獻

[1]Treagust D F，Won M， Mclure F.Multiple representationsand students' conceptual change in science[J]. Convergingperspectives on conceptual change： Mapping an emergingparadigm in the learning sciences， 2017： 121-128.

[2]Mclure F.The Thinking Frames Approach：a case study ofinclusion using student- generated multiple- representations[J]. Journal of Research in Special Educational Needs，2020， 20（1）：3-13.

[3]胡海燕．“氧化還原反應”教學設計[J]．化學教育，2010，31（S2）：146-150.