問題驅動，促進認知模型建構

胡先錦

摘要：高中化學教學要讓學生“知道可以通過分析、推理等方法認識研究對象的本質特征、構成要素及其相互關系，建立認知模型，并能運用模型解釋化學現象，揭示現象的本質和規律”，“能依據物質及其變化的信息建構模型，建立解決復雜化學問題的思維框架”。因此，教學蘇教版高中化學必修第一冊《氧化還原反應》一課時，基于對教學內容和學情的分析，創設真實情境，通過問題驅動，引導學生持續探究，逐步建構科學的氧化還原反應認知模型。

關鍵詞：認知模型;高中化學;氧化還原反應

《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱《課標》）指出，要讓學生“知道可以通過分析、推理等方法認識研究對象的本質特征、構成要素及其相互關系，建立認知模型，并能運用模型解釋化學現象，揭示現象的本質和規律”，“能依據物質及其變化的信息建構模型，建立解決復雜化學問題的思維框架”③。

教學蘇教版高中化學必修第一冊《氧化還原反應》一課時，筆者嘗試通過問題驅動，促進學生認知模型的建構。

一、教學內容與學情分析

（一）教學內容分析

氧化還原反應是中學化學的重要內容，是學習元素及其化合物的重要認知載體和認知工具?！墩n標》對這部分內容的要求是，“認識有化合價變化的反應是氧化還原反應，了解氧化還原反應的本質是電子的轉移，知道常見的氧化劑和還原劑?！?/p>

本課的主要內容有：從元素化合價變化來判斷氧化還原反應，理解其本質是電子的轉移，能描述氧化還原反應的有關概念，知道常見的氧化劑和還原劑，初步學會根據氧化還原反應方程式比較物質氧化性、還原性的相對強弱，了解氧化還原反應在生產生活中的應用。其中，重點內容是用化合價升降和電子轉移的角度理解氧化還原反應，以及氧化劑、還原劑、氧化產物、還原產物的判斷;難點內容是理解氧化還原反應的本質。

氧化還原反應的理論模型如圖1所示。

（二）學情分析

高一學生原有對氧化還原反應的認知模型主要是九年級階段的“氧氣模型”（有氧氣參加的反應）和“路徑模型”（氫氣與氧化銅加熱反應中，氫得氧，發生氧化反應;氧化銅失氧，發生還原反應）。對照氧化還原反應的理論模型，學生的認知中還沒有“價態模型”（反應中有元素化合價變化的反應為氧化還原反應）和“電子模型”（氧化還原反應的本質是電子的轉移）。

二、學習目標

1.通過實驗探究，認識氧化還原反應中有元素化合價的變化，反應過程中有電子的轉移，從而理解氧化還原反應的本質。

2.基于已有認知模型，通過對氧化還原反應的特征和本質的分析，學習由表及里的科學思維和邏輯推理等科學方法，進行認知模型的修正和完善，逐步建構科學的氧化還原反應認知模型。

3.通過對氧化劑、還原劑、氧化產物、還原產物的判斷和對物質氧化性、還原性相對強弱的比較，認識“氧化”和“還原”，體會對立統一的辯證思想。

4.通過氧化還原反應認知模型的實踐應用，體驗化學概念從生活經驗到科學理性的過程，認同化學學科的社會價值和生活意義。

三、教學過程

本課的教學流程如下頁圖2所示：通過創設情境，激發學生的學習興趣和問題探究意識;基于認知水平的層進，推動學生對氧化還原反應內容進行持續探究和學習;引導學生不斷修正和完善已有的氧化還原反應認知模型，逐步建構科學的氧化還原反應認知模型。

（一）創設情境，從“氧氣模型”出發

用破壁機現場榨取果汁，先榨取一杯蘋果汁，用玻璃杯盛裝后，拿著在教室內走動，供學生觀察，發現蘋果汁很快變色;再榨取一杯檸檬蘋果混合汁，同樣操作，發現混合汁不會很快變色。

提出問題：為什么蘋果汁會很快變色，而檸檬蘋果混合汁不會呢？

預設：蘋果汁被氧化了;檸檬汁可以保護蘋果汁不被氧化。

百度搜索“蘋果汁為什么變色”，得到：酚類化合物易被氧化成醌類化合物，即發生變色反應變成黃色，隨著反應的量的增加，顏色逐漸加深，最后變成深褐色。

用生活中的真實現象，讓學生感同身受的同時激起好奇心和求知欲，為課堂的推進創設積極氛圍，為認知模型的修正創設必要的認知情境。讓學生直接了解蘋果變色是由于酚類化合物被氧化成醌類化合物，將學生初中階段最先持有“氧氣模型”作為課堂的認知起點。

（二）回顧舊知，向“路徑模型”轉化

提出問題：回顧初中階段學習過的H2還原CuO的知識，如何用雙線橋法分析標注？

學生回顧氧化還原反應的初始認知——得氧為氧化反應，失氧為還原反應。由此，得到圖3所示的氧化還原反應“路徑模型”。

H2+CuO△H得氧，發生氧化反應2O+Cu失氧，發生還原反應

通過分析H2還原CuO的反應，帶領學生從“氧氣模型”上升到“得氧失氧”的“路徑模型”，并引出分析氧化還原反應的基本方法之一——雙線橋法。

（三）初步延伸，往“價態模型”修正

提出問題：觀察H2還原CuO的反應中元素化合價的變化，結合前一階段學習過的氧化還原反應基本概念，如何判斷一個化學反應是不是氧化還原反應？

預設：有元素化合價變化的反應就是氧化還原反應。

引導：鈉在氯氣中的燃燒反應，也存在著元素化合價的變化，也就屬于氧化還原反應。用雙線橋法參照H2還原CuO的反應進行分析（如圖4所示）。

Cl2+2Na點燃2Na化合價升高，發生氧化反應Cl化合價降低，發生還原反應

學生獲得氧化還原反應的進階認知——元素化合價發生變化，同時改變原有的對燃燒的認識（燃燒不一定需要氧氣參加）。

引導學生結合兩個化學反應，進一步認知氧化還原反應的外顯特征是有元素化合價變化，從而將學生的認知模型轉變到“價態模型”。

（四）微觀分析，促“電子模型”建構

提出問題：為什么在氧化還原反應中會出現元素化合價的變化？其本質原因是什么？

引導學生從原子結構視角，分析金屬鈉在氯氣中燃燒的微觀歷程（如圖5所示）。

提出問題：是不是所有氧化還原反應都一定發生電子的得失？

引導學生嘗試從原子結構視角，分析H2在Cl2中燃燒反應的微觀歷程，獲得“共用電子對”的認知，理解氧化還原反應中電子轉移是電子的得失或共用電子對的偏移。

學生形成氧化還原反應的本質認知——電子的轉移（電子的得失或偏移）。

提出問題：從電子轉移視角，如何用雙線橋分析鋅和稀硫酸反應生成硫酸鋅和氫氣？

學生嘗試，得到圖6。

Zn+H2SO4Zn化合價升高，失去2e-，發生氧化反應SO4+H2化合價降低，得到2e-，發生還原反應↑

引導：當然，電子轉移的方向和數目也可以簡化表示，（出示圖7）即單線橋法。

Zn+H22e-SO4ZnSO4+H2↑

借助原子結構的變化分析，認識元素化合價變化的內在原因，將認知模型進一步提升到“電子模型”，增進對氧化還原反應的本質理解。接著，進一步完善分析氧化還原反應的認知模型，引導學生在鞏固雙線橋法的同時，領會單線橋法能更加直觀地體現電子的轉移，并為后續的實驗探究做鋪墊。

（五）實驗探究，讓“電子模型”可視

提出問題：我們從理論的視角分析了氧化還原反應的本質是電子的轉移，那么，在反應過程中，到底是否有電子的轉移呢？能夠通過實驗證明嗎？在初中的學習中，我們已經知道電子的定向移動能夠產生電流，怎樣驗證有電流的產生呢？

預設：借助電流計。

提示：可以參照測量干電池中產生的電流的方法進行實驗探究。

提供干電池、導線、電流計、鋅片、稀硫酸、石墨棒、燒杯等實驗用品，引導學生實驗探究：類比測量干電池中產生的電流實驗（實驗裝置圖如圖8所示），設計氧化還原反應產生電流的驗證實驗（實驗裝置圖如圖9所示），通過觀察電流計指針發生偏轉來說明電子的轉移。

引領學生進行實驗探究，培育學生理論分析與實驗探究相結合的學科思維，強化氧化還原反應認知的“電子模型”。同時，滲透氧化還原反應為電池制造提供了反應原理的學科思維，為今后學習電化學知識做孕伏。

（六）全面深化，建構科學認知模型

借助雙線橋法，以鋅和稀硫酸反應為例，分析氧化還原反應中各種物質所承擔的反應角色，得到如圖10所示的氧化還原反應科學心智模型。

從化合價變化、電子轉移的角度，共同分析并初步理解氧化劑、還原劑、氧化產物和還原產物。在此基礎上，引出氧化性、還原性的概念，建立“在氧化還原反應中，氧化劑得到電子，表現出氧化性;還原劑失去電子，表現出還原性”的基本認識。

提出問題：從化合價變化或者電子轉移的角度來看，氧化劑具有氧化性，氧化產物也具有氧化性，那么，一種具有氧化性的物質（氧化劑）參加反應，生成另一種具有氧化性的物質（氧化產物），是不是存在矛盾呢？

提示：聯系初中階段學習的“強酸制弱酸”的知識思考。

持續推進探究活動，通過較簡單的反應實例，幫助學生厘清氧化還原反應中電子轉移的數目、方向和氧化劑、還原劑等基本概念，從而確立科學的氧化還原反應認知模型。同時，初步形成氧化性、還原性相對強弱比較的“強制弱”觀念。

（七）回歸實踐，應用科學認知模型

提出問題：（端起留下來的兩份果汁）分析鮮榨蘋果汁變色的原因（被空氣中的氧氣氧化），分析檸檬蘋果混合汁顏色幾乎沒有變化的原因。

預設：（1）蘋果汁被氧氣氧化后，又被檸檬汁還原回來（實際上沒有先后）;（2）檸檬汁代替蘋果汁被氧氣氧化，從而保護蘋果汁，起到抗氧化作用;（3）蘋果汁和檸檬汁都會被氧氣氧化，但是檸檬汁會先被氧化。

鏈接信息：檸檬中富含具有強還原性的維生素C，比蘋果中含有的酚類化合物的還原性更強。

布置任務：從氧化還原反應的視角，選擇合適的試劑探究維生素C的還原性。

鏈接信息：圖片展示補鐵劑、苯酚軟膏等藥品使用說明書中關于抗氧化的信息，以及食品包裝袋內的抗氧化劑等。

課尾，在呼應課堂開頭設置的情境的同時，引導學生將化學知識與日常生活實際緊密聯系，畢竟“紙上得來終覺淺”，使學生真切感受到“化學就在身邊”。通過理論分析和實驗探究，強化氧化還原反應的科學認知模型，并在實踐中運用模型開展探究。