专 论
促进学生认识发展的化学1模块氧化还原专题的
单元整体教学研究
) ) ) 高端备课项目化学核心内容教学问题及其解决策略研究成果
胡久华 王 磊* 潘瑞静
(北京师范大学化学学院化学教育研究所 100875)
摘要 在分析氧化还原已有研究的基础上, 阐述了氧化还原内容对学生认识发展的作用, 提出了氧化还原专题的教学论问题并进行了探讨, 在此基础上进行了氧化还原专题的单元整体教学设计及实施研究, 取得了良好的教学效果。
关键词 认识发展 氧化还原 单元整体教学 教学论问题 核心概念教学
1 研究背景
氧化还原反应是化学核心概念, 已有的研究较多, 主要有5大方面的研究:(1) 对氧化还原反应知识体系的研究; (2) 对氧化还原反应的学习评价研究, 如高考中常见的氧化还原反应题型与考查形式等; (3) 对氧化还原反应教学有效性的研究, 如以建构主义理论为依据突破氧化还原反应的教学难关、运用先行组织者策略阐述氧化还原概念、抛锚式教学法在氧化还原反应教学中的应用等; (4) 对氧化还原反应课程内容与教学问题的研究, 如郭红霞(2004) 认为当前氧化还原反应课程建设与教学中存在的2个突出问题:理论知识的指导价值突出不够和忽视了以氧化还原反应为核心的思维模型的建立等; (5) 关于氧化还原反应的学生学习心理和认识发展的研究, 如丁伟等(2006) 测查了学生关于氧化还原各方面产生的偏差概念, 并在2008年探讨了氧化还原反应相关概念内部表征形式类别、内部表征生成机制、内部表征应用机制。
虽然关于氧化还原内容的已有研究较多, 但是由于高中化学新课程课程结构和课程内容组织安排的变化等原因, 氧化还原内容的教学仍存在较多问题。研究者(梁永平, 郭红霞, 2004) 通过调查发现学生对于氧化还原反应本质没有形成很好的理解, 学生没有形成物质性质研究的基本模型, 氧化剂、还原剂的理解性积累存在缺陷, 运用原理解决问题的思维较差等; 任雪明(2009) 通过教学调研发现浙江省有近一半以上的学校和教师选择了在化学1模块新授课中对/氧化还原0进行了较为系统的教学, 包括氧化还原反应的判断和分析、物质氧化性和还原性强弱的比较、氧化还原方程式的配平等等, 将后续有关氧化还原反应知识移前和深化, 教学结果表明高一学生无法适应这种超前的高难度、高强度的教学安排。
*
通过文献和教学实践调研, 不难发现:由于教师没有充分认识到氧化还原内容的教学功能和价值, 导致在化学1模块教学中元素化合物知识学习缺乏理论的指导作用; 教师过于关注氧化还原反应知识本身的教学, 忽略了氧化还原反应教学价值的体现和落实, 特别是忽略了氧化还原反应内容学习对学生认识发展的作用。如何才能在教学中真正实现氧化还原反应对物质性质学习的指导作用, 真正落实学生的认识发展, 这正是本研究所要解决的主要问题。为了达到这样的教学目的, 首先要分析氧化还原内容对学生认识发展的作用。
2 氧化还原内容对学生认识发展的作用
研究者(梁永平, 郭红霞, 2002) 认为氧化还原反应是中学化学的核心知识之一, 它对于学生的化学学习具有以下科学学习价值:能帮助学生更加深刻地理解物质结构与性质的关系; 可以指导学生探究元素化合物的性质; 可以指导学生设计物质的制备原理; 指导推断复杂反应的产物或反应物; 指导学生探究设计合理的原电池和电解池; 有利于学生理解相关的物质含量的定量分析; 帮助学生形成正确的辩证统一的哲学观点。那么, 在化学1模块中, 通过氧化还原内容的学习, 学生的认识将会得到怎样的发展变化? 即氧化还原内容对学生的认识发展具有怎样的作用? 211 促进学生对化学反应及其应用的认识发展
氧化还原反应概念的建立, 能够使学生建立对化学反应分类的新视角, 特别是对化学反应认识的新视角。原来学生对化学反应的宏观认识是有新物质的生成、发光发热等, 微观认识是原子间的重新组合。学习了氧化还原反应之后, 学生认识到化学反应有存在电子转移和不存在电子转移之分, 即让学生建立起/原子在重新组合过程中是否发生电子转移0这一认识视角, 发展学生对化学反应的微观认识, 建立起
通讯联系人
对化学反应分类的更本质的角度。此外, 通过氧化还原反应应用价值的分析, 让学生初步构建化学反应利用的基本角度, 如制备新物质, 实现物质中不同元素价态的转化; 实现能量转变, 为人类提供能量等。212 促进学生对物质及其性质的认识发展
通过氧化性和还原性、氧化剂和还原剂概念学习, 使学生建立认识物质性质的新视角, 建立物质分类的新视角。没有学习这些概念之前, 学生对物质性质的认识, 局限于酸性和碱性, 局限于哪些物质之间能否发生化学反应。学习概念之后, 看到物质学生能够主动分析该物质是否具有氧化性或还原性, 什么样的物质具有氧化性, 什么样的物质具有还原性, 并且学生对已经知道或接触的物质能够建立氧化性和还原性的认识角度。例如学生原先知道金属铁、锌等能与酸发生反应, 学习氧化性与还原性、氧化剂与还原剂之后, 学生应该认识到金属一般具有还原性, 通常可以作还原剂, 能够脱离具体的化学反应, 就物质来谈氧化性、还原性问题。面对物质, 学生是否自主地、能动地去分析物质的氧化性和还原性、氧化剂和还原剂等问题, 是判断学生是否真正建立认识物质性质新视角和物质分类新视角的重要依据。213 促进学生对研究物质性质思路和方法的认识
发展
学生原先从物质类别的角度认识和研究物质的性质, 学习氧化还原内容之后, 学生应该建立认识和研究物质氧化性或还原性的思路和方法。面对一种新物质, 学生应该能够从所含元素的化合价角度预测物质是否具有氧化性或还原性。物质中具有多种价态元素, 其化合价处于高价, 能够降低, 即有氧化性。元素的化合价处于低价, 能够升高, 即有还原性。若元素的化合价处于中间价态, 既具有氧化性又具有还原性; 然后选择合适的氧化剂或还原剂, 设计实验验证预测。如让假设具有还原性的物质与氧化剂接触, 通过实验现象分析是否发生了氧化还原反应, 从而验证假设是否正确, 从而得出物质是否具有还原性的结论。214 促进学生对实际现象和问题的解释分析
通过氧化还原反应内容的学习, 学生对于相关的实际现象和问题的解释分析能力将得到进一步的发展。如从氧化还原角度对铁生锈、燃烧等现象的解释; 从是否改变元素价态的角度分析物质的转化, 把氧化还原理论用于物质的转化。如自然界中存在含有低价硫元素的物质, 人类生产生活需要含有高价硫元素的硫酸, 可通过选择合适的氧化剂实现硫元素价态的改变; 同理自然界中含有高价元素的金属矿物, 人们生产需要金属材料(单质) , 需要选择合适的还原剂实现金属矿物到金属单质的转化。
当然, 学生在中学阶段氧化还原的相关认识不仅要在化学1阶段得到发展, 在其他模块的学习中
还要继续发展, 例如通过化学1模块的学习发展学生基于化合价对化学反应和物质性质进行分析、解释、预测、探究的应用水平; 通过化学2模块的学习发展学生基于电子转移对化学反应、物质性质和能量转化问题进行分析、解释、配平和计算的应用水平; 再通过化学反应原理模块的学习发展学生基于电化学对能量转化、物质转化、腐蚀防腐问题进行分析、解释、评价与设计的应用水平。
3 氧化还原专题的教学论问题分析
为了实现氧化还原内容对学生的认识发展作用, 还需要了解学生相关认识发展存在哪些障碍点? 教学内容的选择和深广度会有哪些变化? 教学内容组织和处理有哪些重要问题要解决? 下面专门提出促进学生认识发展的氧化还原内容的教学论问题并且进行探讨。311 学生认识发展障碍点分析及解决对策31111 如何让学生建立氧化还原反应的本质是
电子转移这一认识
在进行化学1模块学习时, 学生具有的微观认识较少, 缺少深入的原子结构认识, 更没有化学键认识。在这样的背景下, 如何让学生建立氧化还原反应中存在电子转移的认识? 有效的教学策略包括:充分利用具体实例; 让学生通过宏观现象进而/看到0电子转移; 从理论分析、实验事实等不同角度让学生建立电子转移的认识, 实现认识的逐渐建构。
结合上述教学策略, 可以进行如下的教学设计:第1阶段, 以金属钠与氯气反应为例, 引导学生分析钠原子和氯原子的原子结构特点, 然后展示给学生氯化钠形成过程(flash 动画) , 通过讨论钠与氯气反应前后化合价的改变, 得出化合价的改变是发生了电子转移的结果, 让学生初步将化合价变化与电子转移联系; 第2阶段, 让学生预测锌与硫酸铜反应中是否有电子转移, 并解释原因; 第3阶段, 通过实验验证预测, 演示锌与硫酸铜反应的原电池实验, 使学生切实地感受到电子转移这个微观过程是有宏观表现的; 第4阶段, 以氢氧燃料电池为例说明氧化还原反应的电子转移已经被应用到实际中。31112 如何使学生能够抓住物质中的核心元素来
预测分析氧化性或还原性
教学实践发现学生知道通过分析物质中所含元素的化合价来预测物质的氧化性或还原性, 但是学生不能抓住核心元素。为了解决这个问题, 首先, 可以让学生建立元素观念之一) ) ) 只要元素存在多种化合价, 就存在物质之间的相互转化, 该元素就可能为核心元素, 常为变价元素; 其次, 通过头脑风暴法, 将一些有多种价态的元素分成几个组, 让学生分小组讨论, 举出含有各元素不同价态的物质, 分析该元素的价态。讨论后画出元素的化合价数轴; 第三, 从
-++2-元素的稳定性趋势分析, 例如Cl 、Na 、H 、O 等
稳定的化合价很难发生改变, 即含有这些价态的元素为非核心元素, 一般不适合作氧化剂或还原剂。
要让学生真正学会运用化合价预测和分析物质的氧化性或还原性, 需要为他们搭建2个台阶:一是能够正确分析化学反应中各元素的化合价; 二是分析以后要学习的重点元素, 又是典型的变价元素。目的之一是为实践抓住物质中核心元素预测氧化性或还原性的思路方法, 目的之二是为后续的学习打下良好基础。31113 如何使学生建立研究物质氧化性和还原性
的思路和方法
要想解决这个问题, 需要清楚让学生建立研究物质氧化性和还原性的思路和方法所必备的知识有哪些? 需要经过怎样的学习活动才能够建立方法性内容。首先氧化性和还原性、氧化剂和还原剂的概念是必要知识; 其次需要让学生建立如何预测物质氧化性和还原性的方法; 第三, 学生知道哪些物质具有氧化性通常可以作为氧化剂, 哪些物质具有还原性通常可以作为还原剂; 第四, 学生能够设计实验, 选择适当的氧化剂或还原剂验证预测, 从而得出物质氧化性或还原性的结论; 第五, 学生建立的认识和方法需要通过具体的应用加以巩固和强化。根据上述分析, 在氧化还原教学中除了让学生建立基本的概念外, 还需要通过具体的案例分析让学生了解预测、设计实验研究物质氧化性和还原性的思路和方法, 比如通过双氧水或亚硫酸钠等物质氧化性或还原性的研究活动, 让学生初步建立思路和方法。通过铁及其化合物氧化性和还原性的探究活动对建立的思路和方法进行应用。因为概念和方法的学习过程需要通过应用环节促进发展, 才能实现概念和方法的内化, 才能纳入学生的长时记忆系统。312 教学内容的选择及其深广度
教学内容的选择和深广度问题是高中化学新课程课堂教学的核心问题之一, 由于课程结构分为必修和选修, 相同内容在必修和选修模块中一般均有涉及, 必然产生教学内容在不同模块中处理的深广度问题, 在氧化还原专题教学中该问题也非常突出。通过3种版本化学1教材与旧教材(人教版) 的比较分析, 不难发现新教材与旧教材相比氧化还原内容有所减少, 删减的内容有:氧化产物和还原产物、氧化性和还原性强弱的判定以及氧化还原反应方程式的配平。共有的内容包括氧化还原反应、氧化反应、还原反应、氧化剂与还原剂、氧化性与还原性、单双线桥的表示方法。由于教学习惯, 在教学实践中一线老师往往怀有这样的疑惑:单双线桥内容是否要求, 是否要进行专门的技能训练? 氧化还原反应方程式的配平是否作为基本要求等? 31211 单双线桥内容是否作为基本要求, 是否
要进行专门的技能训练新课程对于氧化还原反应概念的要求降低了, 新教材中虽然呈现了单双线桥, 但不作为技能性的要求。例如鲁科版教材将单双线桥放在了知识支持中, 相当于介绍一种表示方式, 人教版教材中基本上没有提单双线桥这个名词术语, 只是在写出的反应中用单双线桥进行了表示。因此, 在教学中不宜过多扩展, 不宜进行专门的技能训练。
另一方面单双线桥的教学功能已发生变化。在原来的教学中必有单双线桥的讲解和训练, 它的意义在于帮助学生分析氧化还原反应前后元素化合价的变化和得失电子数目, 为配平做铺垫。现在单双线桥的教学功能主要在于帮助学生更好地认识和理解电子转移、电子转移过程中的得与失相等。因此在教学中可以给学生介绍电子转移是如何在化学方程式中表现的, 并且结合案例进行演示, 学生能看懂即可。31212 氧化还原反应方程式的配平是否作为基本
要求
虽然高中化学课程标准和化学1模块教材中都没有将氧化还原反应方程式的配平作为基本要求, 但一些老师在氧化还原新授课的教学中仍然讲解配平方法, 甚至作为技能训练。这些老师认为:化学1模块有较多的化学方程式需要学生掌握, 让学生具有配平技能有利于化学方程式的掌握; 即使化学1模块不要求, 但是高考会要求, 而且除化学1模块外, 其他模块没有再专门介绍氧化还原反应。
面对教师这样的认识, 我们认为关键在于教师仍不能够客观地遵守学生的认识发展规律。首先, 教师应该深刻地知晓学生的认识需要螺旋发展过程, 不可能/一步到位0, 因此对于刚上高一的学生(微观认识和抽象思维水平较低) , 在新接触氧化还原较多概念时, 新概念的建构是一个逐级过程, 在较短时间内不可能要求学生掌握太多的内容, 否则会事倍功半; 其次, 教师应该能够从多角度分析课程和教学内容, 虽然在其他模块没有专门的章节或课题学习氧化还原反应, 但是有一些内容是与其密切相关的, 例如元素周期律、电解、原电池等, 在这些内容的学习中, 完全可以促进和提高学生关于氧化还原的认识; 第三, 高考的方案和内容及其形式都在发生变化, 不作为化学1模块要求的内容不会作为该模块的评价要求。甚至有的省市(例如山东省) 在高考中也不考察复杂的氧化还原方程式的配平。
因此, 我们应该深入地认识到, 在整个高中阶段学生关于氧化还原的认识是分阶段和不同水平的, 在化学1模块新授课、化学1模块复习、化学2模块、化学反应原理模块、高考复习等阶段, 学生的认识发展可以分为如下5种水平。
水平1:通过新授课的教学, 学生建立氧化还原反应、氧化剂和还原剂、氧化性和还原性等基本概念, 能够分析哪些化学反应属于氧化还原反应, 能够
指出氧化剂和还原剂, 说出哪个物质具有氧化性或还原性, 初步了解常见的氧化剂和还原剂; 能够依据化合价预测物质的氧化性和还原性, 能够初步设计实验验证预测。
水平2:在硫、氮、铝等具体元素及其化合物知识的学习中, 学生应用研究物质氧化性或还原性的思路方法, 初步体会到物质的氧化性或还原性存在强弱关系, 如二氧化硫与浓硫酸的氧化性强弱等; 学生初步应用电子转移守恒原则进行一些需要掌握的氧化还原反应的配平, 如浓、稀硝酸与金属铜的反应配平; 学生能够书写简单的氧化还原反应的离子方程式。
水平3:在化学2模块学习中, 学生对物质氧化性和还原性的强弱建立规律性认识, 如同周期和同主族元素得失电子能力的比较, 并能够从物质结构(原子结构) 的角度预测分析物质的氧化性和还原性以及强弱关系。
水平4:在选修/化学反应原理0模块中, 通过原电池、电解等内容的学习, 学生对氧化还原反应的认识达到电子转移的定量水平, 对物质氧化性和还原性强弱的认识有进一步提高。如果要让学生掌握氧化还原方程式的配平, 在这里可以完成。
水平5:高考复习, 达到应用氧化还原反应解决分析综合实际问题的能力。如综合应用物质的氧化性和还原性强弱, 解决分析定量计算、物质制备、能量转化、实验设计等综合问题, 甚至还要跟其他相关的知识联系共同解决问题。313 教学组织及处理问题
教师关于氧化还原内容的教学组织和处理具有稳定的、习惯性的方式, 在新课程的背景下, 面对新的要求, 必然会产生相关教学论问题, 如氧化还原反应概念教学是否一定要经历/得失氧、化合价变化、电子转移0三段式? 在氧化还原反应概念的教学中如何避免枯燥? 为什么要探讨氧化还原反应与4大反应类型的关系等。31311 氧化还原反应概念教学是否一定需要从
得失氧到化合价变化、电子转移的三段式氧化还原反应概念教学原先处理采用得失氧、化合价变化、电子转移三段式, 主要是考虑到了学生原有初中氧化还原知识的背景, 考虑了从学生熟悉的化学反应和基本化学反应类型出发, 符合学生的认识发展, 体现了从表面现象到特征再到本质的认识过程。但是初中新课程已经不再从得失氧的角度介绍氧化还原反应, 初中课程标准对氧化还原反应也不再作要求; 其次, 高中所讲的氧化还原反应已不在得失氧的水平; 第三, 让学生从得失氧角度转到化合价变化角度, 突破这一认识在教学上是个难点。因此教师需要突破原有的教学范式, 跳开三段论重新考虑氧化还原概念的形成问题, 例如, 可以先直接
分析化合价, 再深入到本质; 或者直接进入本质, 然后再使电子转移与化合价建立联系。
那么, 是否彻底不谈与得失氧相关的氧化还原反应? 如何处理学生的差异? 可以从化合价或电子转移入手, 当学生建立这些认识后, 通过开放性任务, 让学生的不同认识得到统一和深化。31312 在氧化还原反应概念教学中如何避免枯燥
氧化还原概念教学通常是老师讲授为主, 平铺直叙, 而不是学生主动的建构概念, 课堂教学氛围比较沉闷, 学生兴趣不高, 如何才能避免枯燥? 可以从具体的任务出发, 该任务学生能够顺利完成, 在此基础上引出问题。例如从学生比较熟悉的氯化钠入手, 让他们列举制备氯化钠的反应。学生通常举出盐酸和氢氧化钠的反应, 也有学生会提到钠与氯气的化合反应。然后让学生从微粒的角度分析反应前后元素的形态是否发生了改变。学生很容易发现, 对于盐酸和氢氧化钠反应, 离子前后是没有变化的, 而对于钠和氯气的反应前后微粒发生了变化, 这种变化带来的直接结果就是化合价的不同。31313 为什么要探讨氧化还原反应与4种基本
反应类型的关系
4种基本反应类型并不能囊括所有的反应, 它主要是从反应前后宏观的物质个数角度的分类, 氧化还原反应是一种更本质的分类, 是涉及反应本质的分类。探讨氧化还原反应与4种基本反应类型的关系这一环节是必须要有的。首先, 它是概念原理教学中非常重要的一个环节。氧化还原概念建立之后不可能孤立存在, 必然要跟原有经验进行整合, 在整合过程中实现知识的系统化; 其次在关系的明确过程中有利于帮助学生进一步理解氧化还原反应本身的特征, 精致和发展认识, 在某种程度上也是一种应用。
不同教师在这一环节的处理过程中有所区别, 有些将其当作概念辨析处理, 有些将其当作概念整合处理, 其中比较有智慧的处理是点出了氧化还原的分类与原有分类相比, 对学生认识的发展点, 使学生认识到从化合价有无变化、有无电子转移角度对化学反应进行分类更本质、更有意义。
4 氧化还原专题的单元整体教学设计
在分析探讨了氧化还原内容的教学论问题后, 需要站在单元整体的视角进行氧化还原每课时的教学设计。如氧化还原内容的单元整体教学目标是什么, 学生在整个单元中的认识发展是怎样的, 每课时中学生的认识是如何建构的; 为了达到单元目标, 不同课时的关系是怎样的, 教学内容如何选择和组织, 以期在氧化还原单元整体教学中做到三维目标的有机融合, 让学生体验到多样化的教学方式, 达到整体教学效果的最优化。
通过前面分析探讨, 确定氧化还原专题的单元
#26#化 学 教 育 2010年第3期
整体教学目标为:研究物质氧化性或还原性思路方法的建立和应用。氧化还原专题单元整体的教学设计和安排如图1所示, 不同课时中的问题线索如表1
所示。
图1 氧化还原反应专题单元整体教学的设计框架
表1 氧化还原专题不同课时中的问题线索
课时
问题线索
¹通过哪些化学反应可以制得氯化钠?
º能从微观角度找出制备氯化钠2个反应的区别吗? »钠原子为什么要把电子给氯原子?
第1课时
¼化合价的升降与电子的转移具有怎样的关系?
½能给化合价有变化(存在电子转移) 的反应起个名字吗?
¾4大基本反应类型和氧化还原反应的关系是什么? ¿人类对氧化还原反应的认识经历了怎样的过程? 现在人们怎样应用氧化还原反应?
¹利用氧化还原反应可以实现物质转化, 如何实现从氧化铁到铁的转化?
º如何从新的角度对反应物进行分类?
»在氧化还原反应中, 氧化剂应该具有什么性质? 还原剂具有什么性质?
¼怎样分析物质是否具有氧化性或者还原性? ½怎样分析物质中的核心元素?
¾哪些常见的物质能在氧化还原反应中承担氧化剂或还原剂的角色?
¿请预测过氧化氢具有怎样的性质? 怎样验证你的预测是否正确?
À怎样研究物质的氧化性或还原性? ¹图中的人出了什么问题? 缺了哪种元素? º你接触过的含铁元素的物质有哪些?
»如何从氧化性和还原性、氧化剂和还原剂角度对试剂盒中的试剂进行分类?
¼二价铁具有怎样的氧化性或还原性? 设计实验检验。
½三价铁具有怎样的氧化性或还原性? 设计实验检验。
¾实验室中如何保存二价铁, 补铁剂中如何防止二价铁变质, 为什么?
第2课时
第3课时
5 氧化还原专题的单元整体教学效果
为了探明上述关于氧化还原内容教学论问题分
析的合理性和单元整体教学设计的效果, 研究者通过对比教学实验进行了研究。选取北京市第八十中学水平相当的2个班级作为被试, 控制学生水平、教学时间、教学内容深广度等无关变量。自变量为教学处理思路, 对比班采用常规的教学处理, 实验班采用上述的单元整体教学处理。因变量为学生氧化还原知识的掌握情况, 学生对化学反应、物质性质及研究物质性质的思路和方法等方面的认识发展, 以及解决分析氧化还原相关问题的水平等。511 对氧化还原反应的认识
通过问卷测查和个人访谈表明实验班的学生比较深刻地认识到氧化还原反应中存在电子转移和化合价变化, 并且清楚认识到现在所学的氧化还原反应与初中所学氧化反应的关系。如下面是个人访谈的片断:
T:今天所学的氧化还原反应对认识已经学习过的化学反应有什么帮助?
S1:多了一个分类的标准。
S2:可以从化学反应的本质去认识。T:什么样的标准?
S3:以前学习的一氧化碳与氧化铁反应, 无法判断是哪一类反应, 学完之后, 知道它是属于哪一种, 使分类更准确, 更彻底。
S2:而且更加微观。T:微观? 怎么解释?
S2:比如说从电子转移去分析。S4:从本质上理解得更深刻。T:能具体说说吗?
S4:得失电子, 电子转移。
T:以前拿到一个化学反应会想到什么?
S4:看反应物与生成物, 大部分还是记忆的。T:现在呢?
S4:现在从化合价出发, 可以推断出生成物。T:你认为氧化还原反应与氧元素有关系吗? S1:有, 但是氧发生了价态的变化, 以前只觉得是有氧气参加, 现在体会了本质。
S2:觉得没有直接的关系, 主要是化合价的变化, 不一定非要有氧元素。
T:S1同意吗?
S1:同意。初中所学的氧化还原反应只是看到有氧气参加, 就觉得是。高中懂得本质是氧与另外的元素发生了价态的变化, 本质是电子转移。512 研究物质性质的方法和思路的认识发展情况
为了检测学生在学习了氧化还原反应之后, 有没有掌握研究物质氧化性和还原性的思路和方法, 分别对2个班的学生进行了前后测。前测表明对比班和实验班的学生在研究物质性质方面没有明显的差异, 均不具备研究物质氧化性和还原性的思路和方法。测试题目如下:
2010年第3期 化 学 教 育#27#
前测:硫是一种非金属单质, 常温下为淡黄色粉末。请你预测硫单质可能具有的化学性质, 它可能与哪些物质发生反应, 并说明预测的依据。
后测:Na 2SO 3是一种常见的化合物, 请你预测Na 2SO 3可能具有的化学性质, 它可能与哪些物质发生反应, 并说明预测的依据。
后测结果表明, 通过氧化还原反应的学习, 实验班和对比班的绝大部分学生都能够想到从氧化还原反应的角度, 通过化合价预测物质的氧化性和还原性, 只有对比班的1名学生未能预测到N a 2SO 3的氧化性和还原性。部分学生还预测了Na 2SO 3的其他性质, 比如酸碱性, 或者是具体离子的性质。其中对比班有更多的学生从非氧化还原的角度预测。
表2 学生对亚硫酸钠性质预测的结果统计性质实验班百分数/%对比班百分数/%
6172410
酸碱性0102010
氧化性还原性
1009610
的视角。
表4 学生课后选用试剂情况统计表
给出试剂情况实验班百分数/%对比班百分数/%
A 20107018
B 31112510
C 2819412
D 2010010
但是在能否找到体现物质氧化性或还原性的核心元素这一关键环节, 对比班和实验班学生存在明显差异。对比班只有2个学生将分析聚焦到亚硫酸钠中的硫元素, 50%的学生只分析了钠元素。实验班60%的学生能找到核心元素硫。说明在第2课时中关于确定物质氧化性或还原性的核心元素的教学策略是成功的。
表3 学生分析亚硫酸钠中元素的结果统计元素实验班百分数/%对比班百分数/%
未分析1718813
Na 13135010
S 6010813
Na 和S 8192912
Na 、S 、O 010412
在设计实验验证预测方面, 重要的环节是学生选择合适的氧化剂或还原剂。在这方面学生呈现出4种水平, 分别为A (未给出试剂, 主要表现为学生没有作答) 、B(只给出具体物质, 如O 2、KMnO 4) 、C (只给出类别, 如氧化剂、还原剂) 、D(给出类别, 并列出代表物质, 如氧化剂:O 2; 还原剂:H 2S) 。
从选用试剂的结果看, 对比班大部分学生未给出试剂, 给出的基本也是一些具体物质, 说明其并未真正建立氧化剂和还原剂的概念, 也未能掌握根据物质氧化性和还原性预测其与还原剂和氧化剂可以发生化学反应的方法程序。4819%实验班学生能给出氧化剂和还原剂概念, 其中有20%学生在概念下给出了具体实例, 说明学生建立了氧化剂和还原剂
在第2课时后进行的学生访谈结果也充分说明
了学生已经建立了研究物质氧化性和还原性的思路和方法, 在预测过程中能够找到核心元素。此外学生对研究物质性质方面有了比较深刻的认识, 如有的同学认为/分析物质性质更细致了, 不是笼统地去想了。以前只说这种物质与哪种反应, 生成另外几种物质。现在可以从微观的角度看是得失电子的过程, 才能发生反应0; /可以自己分析物质的化学性质, 初中的时候都是老师说, 然后背下来就可以。现在自己完全可以预测并进行实验研究0。部分访谈记录如下。
T:假设给你一种物质(如亚硫酸钠) , 怎么去研究它的氧化性或者还原性?
S1:先写出化学式(拿纸笔写出化学式, 并标出了各元素的化合价) 。
S2:我想先找出它的核心元素, 应该是硫。S3:钠是+1价, 亚硫酸根是-2价, 知道氧的化合价是-2, 那么硫的化合价只能是+4价。+4价是一个中间价态, 有可能升或降。
T:能把他的意思再重复一下吗?
S2:分析钠没用, 价态常见, 氧也是常见化合价, 硫以前出现+6, 现在出现+4, 所以可以有化合价升降变化。
T:这是大家的推测, 该如何证实呢? S3:那就做实验证实。问:该如何设计呢?
S1:找一个氧化剂, 一个还原剂。513 综合运用氧化还原原理解决实际问题情况
为了了解学生运用氧化还原原理解决实际问题情况, 研究者专门设计测查题目进行了测查, 题目为:FeCl 2是常见的铁的化合物, 实验室配制FeCl 2溶液的时候通常要向其中加入铁钉或铁粉, 你能说说这样做是为什么吗? 请先用你自己的话来陈述这个问题, 然后写出你的假设, 并设计实验证明。
学生的假设分为3种水平:A 1错误假设(如A1铁粉或铁钉是制FeCl 2的反应物) ; B 1片面假设(B1:FeCl 3具有氧化性, 铁钉是一种还原剂; B21FeCl 2久置后会变质, 变质后含Fe 3+) ; C 1全面假设。每种水平又有不同的情况, A 水平有3种情况A1、A2、A3, B 水平有2种情况B1、B2。
#28#化 学 教 育 2010年第3期
从假设这一环节来看, 实验班比对比班明显要好。对比班有5816%的学生假设错误, 实验班只有615%。实验班有2117%学生能够全面找到整个过程中发生的氧化还原反应, 找到可以发生氧化还原反应的氧化剂和还原剂, 7117%的学生能做出片面的假设, 其中主要是假设Fe 单质能还原Fe 3+。而对比班全面假设和片面假设的比例都只有实验班的50%, 并且片面假设主要假设Fe 变质成为Fe 。这说明实验班的学生大都认识到配制FeCl 2溶液中加入铁单质的原因, 而对比班还有一大部分学生不能认识到原因。
表5 学生的假设结果统计
假设
A1
实验班百分数/%对比班百分数/%
4133415
A A20102411
A3212010
B15413010
B
B217143110
21171013C
2+
3+
原反应与铁及其化合物氧化性和还原性的联系。
(2) 能主动提到元素化合价(包括元素可能有不同的化合价, 化合价与氧化性、还原性以及氧化还原反应的关系) , 实验班占2813%, 对比班占3010%, 这说明2个班都是一部分同学认识到了化合价的重要性, 提高了对化合价的认识。
(3) 能提到氧化剂、还原剂以及氧化性、还原性的, 实验班占3216%, 对比班占617%。这说明单元整体教学更有利于学生理解和内化氧化剂与还原剂以及氧化性和还原性概念。
(4) 认识到学习内容的意义, 包括了解化学与健康密切相关, 所学知识对今后学习生活有帮助, 会看补铁产品说明书等方面, 实验班占3216%, 对比班占010%。说明实验班的学生在情感态度价值观层面较对比班有较大的收获。在第1课时的结尾处, 实验班教学中有关于氧化还原在生活中的价值和功能的提升, 在第3课时从补铁剂这一生活问题引入, 在整节课中贯穿着生活问题, 使学生了解氧化还原反应和铁的化合物知识在人类生活和生产中的重要作用, 明确化学来源于生活并服务于生活的思想, 情感态度价值观得到提升发展。
教学研究结果表明, 促进学生认识发展的氧化还原内容单元整体教学是非常有效的, 学生在各方面获得明显发展, 特别是学生对化学反应的认识、对物质性质的认识、对物质性质研究思路和方法的认识获得了显著的发展, 这样的教学效果说明本研究关于氧化还原对学生认识的发展作用分析、氧化还原内容教学论问题的分析是有效的。反思整个研究过程不难发现:挖掘化学核心概念的认识发展功能, 确立单元整体教学的认识性教学目标, 确立学生对于核心概念的认识发展层级, 进而分析关于核心概念的教学论问题及解决策略, 是进行促进学生认识发展的单元整体教学设计的重要组成部分。这些子任务的完成情况直接决定单元整体教学的效果, 特别是在促进学生认识发展方面的效果。
参 考 文 献
[1] 胡久华. 化学教育, 2008, 29(9) :14-18
[2] 梁永平. 郭红霞. 中小学教材教学, 2004, (18) :39-42[3] 王磊主编. 普通高中化学课程标准实验教科书:化学1(必修) .
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[4] 丁伟, 李秀滋, 王祖浩. 化学教学, 2006, (10) :16-19[5] 任雪明. 化学教学, 2009, (6) :38-39
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[8] 王瑞班, 周青, 张建军. 化学教育, 2008, 29(11) :20-22[9] 喻建军, 廖军. 化学教育, 2008, 29(8) :19-22[10] 谢建强. 化学教育, 2006, 27(11) :29-33
在实验设计方面, 实验班也要明显好于对比班。实验班有2611%的学生没有设计实验, 而对比班占有4114%。实验班有10人做出了全面假设, 11个同学能设计出完整的实验, 说明有一个同学虽然假设片面, 但是实验设计时能完整考虑, 其中还有2个同学设计了对比实验; 片面假设的学生大部分都能给出实验方案, 并且实验方案非常丰富, 直接观察溶液颜色、利用高锰酸钾与Fe 2+反应和利用KSCN 的方案都有。而对比班由于大部分学生的假设就是错误的, 所以有5117%的学生设计的实验有误。但是给出片面假设和全面假设的学生中只有1个能给出实验方案。说明经过单元整体教学, 实验班学生很好地掌握了其中涉及的化学反应和检验Fe 2+和Fe 3+的方法, 也能进一步预测反应、设计实验验证、得出结论, 对比班学生在应用氧化还原相关知识解决问题情况不尽如人意。514 单元整体教学效果
经过氧化还原单元整体教学, 实验班和对比班学生在整体上会有怎样的区别, 特别是学生的情感态度价值观上是否会有变化? 研究者通过开放型题目(通过/氧化还原反应0单元3课时学习, 你学到了什么? 你觉得学习这些内容有什么意义?) 进行了测查, 结果如下:
(1) 能列举出具体的化学反应, 实验班占
2+3+
2611%, 主要集中在Fe 、Fe 的氧化还原反应, 对比班占010%, 也就是说没有同学想到这一点。这说明, 虽然在氧化还原概念教学之后进行了铁及其化合物性质的探讨, 但对比班学生没有建立氧化还
专 论
促进学生认识发展的化学1模块氧化还原专题的
单元整体教学研究
) ) ) 高端备课项目化学核心内容教学问题及其解决策略研究成果
胡久华 王 磊* 潘瑞静
(北京师范大学化学学院化学教育研究所 100875)
摘要 在分析氧化还原已有研究的基础上, 阐述了氧化还原内容对学生认识发展的作用, 提出了氧化还原专题的教学论问题并进行了探讨, 在此基础上进行了氧化还原专题的单元整体教学设计及实施研究, 取得了良好的教学效果。
关键词 认识发展 氧化还原 单元整体教学 教学论问题 核心概念教学
1 研究背景
氧化还原反应是化学核心概念, 已有的研究较多, 主要有5大方面的研究:(1) 对氧化还原反应知识体系的研究; (2) 对氧化还原反应的学习评价研究, 如高考中常见的氧化还原反应题型与考查形式等; (3) 对氧化还原反应教学有效性的研究, 如以建构主义理论为依据突破氧化还原反应的教学难关、运用先行组织者策略阐述氧化还原概念、抛锚式教学法在氧化还原反应教学中的应用等; (4) 对氧化还原反应课程内容与教学问题的研究, 如郭红霞(2004) 认为当前氧化还原反应课程建设与教学中存在的2个突出问题:理论知识的指导价值突出不够和忽视了以氧化还原反应为核心的思维模型的建立等; (5) 关于氧化还原反应的学生学习心理和认识发展的研究, 如丁伟等(2006) 测查了学生关于氧化还原各方面产生的偏差概念, 并在2008年探讨了氧化还原反应相关概念内部表征形式类别、内部表征生成机制、内部表征应用机制。
虽然关于氧化还原内容的已有研究较多, 但是由于高中化学新课程课程结构和课程内容组织安排的变化等原因, 氧化还原内容的教学仍存在较多问题。研究者(梁永平, 郭红霞, 2004) 通过调查发现学生对于氧化还原反应本质没有形成很好的理解, 学生没有形成物质性质研究的基本模型, 氧化剂、还原剂的理解性积累存在缺陷, 运用原理解决问题的思维较差等; 任雪明(2009) 通过教学调研发现浙江省有近一半以上的学校和教师选择了在化学1模块新授课中对/氧化还原0进行了较为系统的教学, 包括氧化还原反应的判断和分析、物质氧化性和还原性强弱的比较、氧化还原方程式的配平等等, 将后续有关氧化还原反应知识移前和深化, 教学结果表明高一学生无法适应这种超前的高难度、高强度的教学安排。
*
通过文献和教学实践调研, 不难发现:由于教师没有充分认识到氧化还原内容的教学功能和价值, 导致在化学1模块教学中元素化合物知识学习缺乏理论的指导作用; 教师过于关注氧化还原反应知识本身的教学, 忽略了氧化还原反应教学价值的体现和落实, 特别是忽略了氧化还原反应内容学习对学生认识发展的作用。如何才能在教学中真正实现氧化还原反应对物质性质学习的指导作用, 真正落实学生的认识发展, 这正是本研究所要解决的主要问题。为了达到这样的教学目的, 首先要分析氧化还原内容对学生认识发展的作用。
2 氧化还原内容对学生认识发展的作用
研究者(梁永平, 郭红霞, 2002) 认为氧化还原反应是中学化学的核心知识之一, 它对于学生的化学学习具有以下科学学习价值:能帮助学生更加深刻地理解物质结构与性质的关系; 可以指导学生探究元素化合物的性质; 可以指导学生设计物质的制备原理; 指导推断复杂反应的产物或反应物; 指导学生探究设计合理的原电池和电解池; 有利于学生理解相关的物质含量的定量分析; 帮助学生形成正确的辩证统一的哲学观点。那么, 在化学1模块中, 通过氧化还原内容的学习, 学生的认识将会得到怎样的发展变化? 即氧化还原内容对学生的认识发展具有怎样的作用? 211 促进学生对化学反应及其应用的认识发展
氧化还原反应概念的建立, 能够使学生建立对化学反应分类的新视角, 特别是对化学反应认识的新视角。原来学生对化学反应的宏观认识是有新物质的生成、发光发热等, 微观认识是原子间的重新组合。学习了氧化还原反应之后, 学生认识到化学反应有存在电子转移和不存在电子转移之分, 即让学生建立起/原子在重新组合过程中是否发生电子转移0这一认识视角, 发展学生对化学反应的微观认识, 建立起
通讯联系人
对化学反应分类的更本质的角度。此外, 通过氧化还原反应应用价值的分析, 让学生初步构建化学反应利用的基本角度, 如制备新物质, 实现物质中不同元素价态的转化; 实现能量转变, 为人类提供能量等。212 促进学生对物质及其性质的认识发展
通过氧化性和还原性、氧化剂和还原剂概念学习, 使学生建立认识物质性质的新视角, 建立物质分类的新视角。没有学习这些概念之前, 学生对物质性质的认识, 局限于酸性和碱性, 局限于哪些物质之间能否发生化学反应。学习概念之后, 看到物质学生能够主动分析该物质是否具有氧化性或还原性, 什么样的物质具有氧化性, 什么样的物质具有还原性, 并且学生对已经知道或接触的物质能够建立氧化性和还原性的认识角度。例如学生原先知道金属铁、锌等能与酸发生反应, 学习氧化性与还原性、氧化剂与还原剂之后, 学生应该认识到金属一般具有还原性, 通常可以作还原剂, 能够脱离具体的化学反应, 就物质来谈氧化性、还原性问题。面对物质, 学生是否自主地、能动地去分析物质的氧化性和还原性、氧化剂和还原剂等问题, 是判断学生是否真正建立认识物质性质新视角和物质分类新视角的重要依据。213 促进学生对研究物质性质思路和方法的认识
发展
学生原先从物质类别的角度认识和研究物质的性质, 学习氧化还原内容之后, 学生应该建立认识和研究物质氧化性或还原性的思路和方法。面对一种新物质, 学生应该能够从所含元素的化合价角度预测物质是否具有氧化性或还原性。物质中具有多种价态元素, 其化合价处于高价, 能够降低, 即有氧化性。元素的化合价处于低价, 能够升高, 即有还原性。若元素的化合价处于中间价态, 既具有氧化性又具有还原性; 然后选择合适的氧化剂或还原剂, 设计实验验证预测。如让假设具有还原性的物质与氧化剂接触, 通过实验现象分析是否发生了氧化还原反应, 从而验证假设是否正确, 从而得出物质是否具有还原性的结论。214 促进学生对实际现象和问题的解释分析
通过氧化还原反应内容的学习, 学生对于相关的实际现象和问题的解释分析能力将得到进一步的发展。如从氧化还原角度对铁生锈、燃烧等现象的解释; 从是否改变元素价态的角度分析物质的转化, 把氧化还原理论用于物质的转化。如自然界中存在含有低价硫元素的物质, 人类生产生活需要含有高价硫元素的硫酸, 可通过选择合适的氧化剂实现硫元素价态的改变; 同理自然界中含有高价元素的金属矿物, 人们生产需要金属材料(单质) , 需要选择合适的还原剂实现金属矿物到金属单质的转化。
当然, 学生在中学阶段氧化还原的相关认识不仅要在化学1阶段得到发展, 在其他模块的学习中
还要继续发展, 例如通过化学1模块的学习发展学生基于化合价对化学反应和物质性质进行分析、解释、预测、探究的应用水平; 通过化学2模块的学习发展学生基于电子转移对化学反应、物质性质和能量转化问题进行分析、解释、配平和计算的应用水平; 再通过化学反应原理模块的学习发展学生基于电化学对能量转化、物质转化、腐蚀防腐问题进行分析、解释、评价与设计的应用水平。
3 氧化还原专题的教学论问题分析
为了实现氧化还原内容对学生的认识发展作用, 还需要了解学生相关认识发展存在哪些障碍点? 教学内容的选择和深广度会有哪些变化? 教学内容组织和处理有哪些重要问题要解决? 下面专门提出促进学生认识发展的氧化还原内容的教学论问题并且进行探讨。311 学生认识发展障碍点分析及解决对策31111 如何让学生建立氧化还原反应的本质是
电子转移这一认识
在进行化学1模块学习时, 学生具有的微观认识较少, 缺少深入的原子结构认识, 更没有化学键认识。在这样的背景下, 如何让学生建立氧化还原反应中存在电子转移的认识? 有效的教学策略包括:充分利用具体实例; 让学生通过宏观现象进而/看到0电子转移; 从理论分析、实验事实等不同角度让学生建立电子转移的认识, 实现认识的逐渐建构。
结合上述教学策略, 可以进行如下的教学设计:第1阶段, 以金属钠与氯气反应为例, 引导学生分析钠原子和氯原子的原子结构特点, 然后展示给学生氯化钠形成过程(flash 动画) , 通过讨论钠与氯气反应前后化合价的改变, 得出化合价的改变是发生了电子转移的结果, 让学生初步将化合价变化与电子转移联系; 第2阶段, 让学生预测锌与硫酸铜反应中是否有电子转移, 并解释原因; 第3阶段, 通过实验验证预测, 演示锌与硫酸铜反应的原电池实验, 使学生切实地感受到电子转移这个微观过程是有宏观表现的; 第4阶段, 以氢氧燃料电池为例说明氧化还原反应的电子转移已经被应用到实际中。31112 如何使学生能够抓住物质中的核心元素来
预测分析氧化性或还原性
教学实践发现学生知道通过分析物质中所含元素的化合价来预测物质的氧化性或还原性, 但是学生不能抓住核心元素。为了解决这个问题, 首先, 可以让学生建立元素观念之一) ) ) 只要元素存在多种化合价, 就存在物质之间的相互转化, 该元素就可能为核心元素, 常为变价元素; 其次, 通过头脑风暴法, 将一些有多种价态的元素分成几个组, 让学生分小组讨论, 举出含有各元素不同价态的物质, 分析该元素的价态。讨论后画出元素的化合价数轴; 第三, 从
-++2-元素的稳定性趋势分析, 例如Cl 、Na 、H 、O 等
稳定的化合价很难发生改变, 即含有这些价态的元素为非核心元素, 一般不适合作氧化剂或还原剂。
要让学生真正学会运用化合价预测和分析物质的氧化性或还原性, 需要为他们搭建2个台阶:一是能够正确分析化学反应中各元素的化合价; 二是分析以后要学习的重点元素, 又是典型的变价元素。目的之一是为实践抓住物质中核心元素预测氧化性或还原性的思路方法, 目的之二是为后续的学习打下良好基础。31113 如何使学生建立研究物质氧化性和还原性
的思路和方法
要想解决这个问题, 需要清楚让学生建立研究物质氧化性和还原性的思路和方法所必备的知识有哪些? 需要经过怎样的学习活动才能够建立方法性内容。首先氧化性和还原性、氧化剂和还原剂的概念是必要知识; 其次需要让学生建立如何预测物质氧化性和还原性的方法; 第三, 学生知道哪些物质具有氧化性通常可以作为氧化剂, 哪些物质具有还原性通常可以作为还原剂; 第四, 学生能够设计实验, 选择适当的氧化剂或还原剂验证预测, 从而得出物质氧化性或还原性的结论; 第五, 学生建立的认识和方法需要通过具体的应用加以巩固和强化。根据上述分析, 在氧化还原教学中除了让学生建立基本的概念外, 还需要通过具体的案例分析让学生了解预测、设计实验研究物质氧化性和还原性的思路和方法, 比如通过双氧水或亚硫酸钠等物质氧化性或还原性的研究活动, 让学生初步建立思路和方法。通过铁及其化合物氧化性和还原性的探究活动对建立的思路和方法进行应用。因为概念和方法的学习过程需要通过应用环节促进发展, 才能实现概念和方法的内化, 才能纳入学生的长时记忆系统。312 教学内容的选择及其深广度
教学内容的选择和深广度问题是高中化学新课程课堂教学的核心问题之一, 由于课程结构分为必修和选修, 相同内容在必修和选修模块中一般均有涉及, 必然产生教学内容在不同模块中处理的深广度问题, 在氧化还原专题教学中该问题也非常突出。通过3种版本化学1教材与旧教材(人教版) 的比较分析, 不难发现新教材与旧教材相比氧化还原内容有所减少, 删减的内容有:氧化产物和还原产物、氧化性和还原性强弱的判定以及氧化还原反应方程式的配平。共有的内容包括氧化还原反应、氧化反应、还原反应、氧化剂与还原剂、氧化性与还原性、单双线桥的表示方法。由于教学习惯, 在教学实践中一线老师往往怀有这样的疑惑:单双线桥内容是否要求, 是否要进行专门的技能训练? 氧化还原反应方程式的配平是否作为基本要求等? 31211 单双线桥内容是否作为基本要求, 是否
要进行专门的技能训练新课程对于氧化还原反应概念的要求降低了, 新教材中虽然呈现了单双线桥, 但不作为技能性的要求。例如鲁科版教材将单双线桥放在了知识支持中, 相当于介绍一种表示方式, 人教版教材中基本上没有提单双线桥这个名词术语, 只是在写出的反应中用单双线桥进行了表示。因此, 在教学中不宜过多扩展, 不宜进行专门的技能训练。
另一方面单双线桥的教学功能已发生变化。在原来的教学中必有单双线桥的讲解和训练, 它的意义在于帮助学生分析氧化还原反应前后元素化合价的变化和得失电子数目, 为配平做铺垫。现在单双线桥的教学功能主要在于帮助学生更好地认识和理解电子转移、电子转移过程中的得与失相等。因此在教学中可以给学生介绍电子转移是如何在化学方程式中表现的, 并且结合案例进行演示, 学生能看懂即可。31212 氧化还原反应方程式的配平是否作为基本
要求
虽然高中化学课程标准和化学1模块教材中都没有将氧化还原反应方程式的配平作为基本要求, 但一些老师在氧化还原新授课的教学中仍然讲解配平方法, 甚至作为技能训练。这些老师认为:化学1模块有较多的化学方程式需要学生掌握, 让学生具有配平技能有利于化学方程式的掌握; 即使化学1模块不要求, 但是高考会要求, 而且除化学1模块外, 其他模块没有再专门介绍氧化还原反应。
面对教师这样的认识, 我们认为关键在于教师仍不能够客观地遵守学生的认识发展规律。首先, 教师应该深刻地知晓学生的认识需要螺旋发展过程, 不可能/一步到位0, 因此对于刚上高一的学生(微观认识和抽象思维水平较低) , 在新接触氧化还原较多概念时, 新概念的建构是一个逐级过程, 在较短时间内不可能要求学生掌握太多的内容, 否则会事倍功半; 其次, 教师应该能够从多角度分析课程和教学内容, 虽然在其他模块没有专门的章节或课题学习氧化还原反应, 但是有一些内容是与其密切相关的, 例如元素周期律、电解、原电池等, 在这些内容的学习中, 完全可以促进和提高学生关于氧化还原的认识; 第三, 高考的方案和内容及其形式都在发生变化, 不作为化学1模块要求的内容不会作为该模块的评价要求。甚至有的省市(例如山东省) 在高考中也不考察复杂的氧化还原方程式的配平。
因此, 我们应该深入地认识到, 在整个高中阶段学生关于氧化还原的认识是分阶段和不同水平的, 在化学1模块新授课、化学1模块复习、化学2模块、化学反应原理模块、高考复习等阶段, 学生的认识发展可以分为如下5种水平。
水平1:通过新授课的教学, 学生建立氧化还原反应、氧化剂和还原剂、氧化性和还原性等基本概念, 能够分析哪些化学反应属于氧化还原反应, 能够
指出氧化剂和还原剂, 说出哪个物质具有氧化性或还原性, 初步了解常见的氧化剂和还原剂; 能够依据化合价预测物质的氧化性和还原性, 能够初步设计实验验证预测。
水平2:在硫、氮、铝等具体元素及其化合物知识的学习中, 学生应用研究物质氧化性或还原性的思路方法, 初步体会到物质的氧化性或还原性存在强弱关系, 如二氧化硫与浓硫酸的氧化性强弱等; 学生初步应用电子转移守恒原则进行一些需要掌握的氧化还原反应的配平, 如浓、稀硝酸与金属铜的反应配平; 学生能够书写简单的氧化还原反应的离子方程式。
水平3:在化学2模块学习中, 学生对物质氧化性和还原性的强弱建立规律性认识, 如同周期和同主族元素得失电子能力的比较, 并能够从物质结构(原子结构) 的角度预测分析物质的氧化性和还原性以及强弱关系。
水平4:在选修/化学反应原理0模块中, 通过原电池、电解等内容的学习, 学生对氧化还原反应的认识达到电子转移的定量水平, 对物质氧化性和还原性强弱的认识有进一步提高。如果要让学生掌握氧化还原方程式的配平, 在这里可以完成。
水平5:高考复习, 达到应用氧化还原反应解决分析综合实际问题的能力。如综合应用物质的氧化性和还原性强弱, 解决分析定量计算、物质制备、能量转化、实验设计等综合问题, 甚至还要跟其他相关的知识联系共同解决问题。313 教学组织及处理问题
教师关于氧化还原内容的教学组织和处理具有稳定的、习惯性的方式, 在新课程的背景下, 面对新的要求, 必然会产生相关教学论问题, 如氧化还原反应概念教学是否一定要经历/得失氧、化合价变化、电子转移0三段式? 在氧化还原反应概念的教学中如何避免枯燥? 为什么要探讨氧化还原反应与4大反应类型的关系等。31311 氧化还原反应概念教学是否一定需要从
得失氧到化合价变化、电子转移的三段式氧化还原反应概念教学原先处理采用得失氧、化合价变化、电子转移三段式, 主要是考虑到了学生原有初中氧化还原知识的背景, 考虑了从学生熟悉的化学反应和基本化学反应类型出发, 符合学生的认识发展, 体现了从表面现象到特征再到本质的认识过程。但是初中新课程已经不再从得失氧的角度介绍氧化还原反应, 初中课程标准对氧化还原反应也不再作要求; 其次, 高中所讲的氧化还原反应已不在得失氧的水平; 第三, 让学生从得失氧角度转到化合价变化角度, 突破这一认识在教学上是个难点。因此教师需要突破原有的教学范式, 跳开三段论重新考虑氧化还原概念的形成问题, 例如, 可以先直接
分析化合价, 再深入到本质; 或者直接进入本质, 然后再使电子转移与化合价建立联系。
那么, 是否彻底不谈与得失氧相关的氧化还原反应? 如何处理学生的差异? 可以从化合价或电子转移入手, 当学生建立这些认识后, 通过开放性任务, 让学生的不同认识得到统一和深化。31312 在氧化还原反应概念教学中如何避免枯燥
氧化还原概念教学通常是老师讲授为主, 平铺直叙, 而不是学生主动的建构概念, 课堂教学氛围比较沉闷, 学生兴趣不高, 如何才能避免枯燥? 可以从具体的任务出发, 该任务学生能够顺利完成, 在此基础上引出问题。例如从学生比较熟悉的氯化钠入手, 让他们列举制备氯化钠的反应。学生通常举出盐酸和氢氧化钠的反应, 也有学生会提到钠与氯气的化合反应。然后让学生从微粒的角度分析反应前后元素的形态是否发生了改变。学生很容易发现, 对于盐酸和氢氧化钠反应, 离子前后是没有变化的, 而对于钠和氯气的反应前后微粒发生了变化, 这种变化带来的直接结果就是化合价的不同。31313 为什么要探讨氧化还原反应与4种基本
反应类型的关系
4种基本反应类型并不能囊括所有的反应, 它主要是从反应前后宏观的物质个数角度的分类, 氧化还原反应是一种更本质的分类, 是涉及反应本质的分类。探讨氧化还原反应与4种基本反应类型的关系这一环节是必须要有的。首先, 它是概念原理教学中非常重要的一个环节。氧化还原概念建立之后不可能孤立存在, 必然要跟原有经验进行整合, 在整合过程中实现知识的系统化; 其次在关系的明确过程中有利于帮助学生进一步理解氧化还原反应本身的特征, 精致和发展认识, 在某种程度上也是一种应用。
不同教师在这一环节的处理过程中有所区别, 有些将其当作概念辨析处理, 有些将其当作概念整合处理, 其中比较有智慧的处理是点出了氧化还原的分类与原有分类相比, 对学生认识的发展点, 使学生认识到从化合价有无变化、有无电子转移角度对化学反应进行分类更本质、更有意义。
4 氧化还原专题的单元整体教学设计
在分析探讨了氧化还原内容的教学论问题后, 需要站在单元整体的视角进行氧化还原每课时的教学设计。如氧化还原内容的单元整体教学目标是什么, 学生在整个单元中的认识发展是怎样的, 每课时中学生的认识是如何建构的; 为了达到单元目标, 不同课时的关系是怎样的, 教学内容如何选择和组织, 以期在氧化还原单元整体教学中做到三维目标的有机融合, 让学生体验到多样化的教学方式, 达到整体教学效果的最优化。
通过前面分析探讨, 确定氧化还原专题的单元
#26#化 学 教 育 2010年第3期
整体教学目标为:研究物质氧化性或还原性思路方法的建立和应用。氧化还原专题单元整体的教学设计和安排如图1所示, 不同课时中的问题线索如表1
所示。
图1 氧化还原反应专题单元整体教学的设计框架
表1 氧化还原专题不同课时中的问题线索
课时
问题线索
¹通过哪些化学反应可以制得氯化钠?
º能从微观角度找出制备氯化钠2个反应的区别吗? »钠原子为什么要把电子给氯原子?
第1课时
¼化合价的升降与电子的转移具有怎样的关系?
½能给化合价有变化(存在电子转移) 的反应起个名字吗?
¾4大基本反应类型和氧化还原反应的关系是什么? ¿人类对氧化还原反应的认识经历了怎样的过程? 现在人们怎样应用氧化还原反应?
¹利用氧化还原反应可以实现物质转化, 如何实现从氧化铁到铁的转化?
º如何从新的角度对反应物进行分类?
»在氧化还原反应中, 氧化剂应该具有什么性质? 还原剂具有什么性质?
¼怎样分析物质是否具有氧化性或者还原性? ½怎样分析物质中的核心元素?
¾哪些常见的物质能在氧化还原反应中承担氧化剂或还原剂的角色?
¿请预测过氧化氢具有怎样的性质? 怎样验证你的预测是否正确?
À怎样研究物质的氧化性或还原性? ¹图中的人出了什么问题? 缺了哪种元素? º你接触过的含铁元素的物质有哪些?
»如何从氧化性和还原性、氧化剂和还原剂角度对试剂盒中的试剂进行分类?
¼二价铁具有怎样的氧化性或还原性? 设计实验检验。
½三价铁具有怎样的氧化性或还原性? 设计实验检验。
¾实验室中如何保存二价铁, 补铁剂中如何防止二价铁变质, 为什么?
第2课时
第3课时
5 氧化还原专题的单元整体教学效果
为了探明上述关于氧化还原内容教学论问题分
析的合理性和单元整体教学设计的效果, 研究者通过对比教学实验进行了研究。选取北京市第八十中学水平相当的2个班级作为被试, 控制学生水平、教学时间、教学内容深广度等无关变量。自变量为教学处理思路, 对比班采用常规的教学处理, 实验班采用上述的单元整体教学处理。因变量为学生氧化还原知识的掌握情况, 学生对化学反应、物质性质及研究物质性质的思路和方法等方面的认识发展, 以及解决分析氧化还原相关问题的水平等。511 对氧化还原反应的认识
通过问卷测查和个人访谈表明实验班的学生比较深刻地认识到氧化还原反应中存在电子转移和化合价变化, 并且清楚认识到现在所学的氧化还原反应与初中所学氧化反应的关系。如下面是个人访谈的片断:
T:今天所学的氧化还原反应对认识已经学习过的化学反应有什么帮助?
S1:多了一个分类的标准。
S2:可以从化学反应的本质去认识。T:什么样的标准?
S3:以前学习的一氧化碳与氧化铁反应, 无法判断是哪一类反应, 学完之后, 知道它是属于哪一种, 使分类更准确, 更彻底。
S2:而且更加微观。T:微观? 怎么解释?
S2:比如说从电子转移去分析。S4:从本质上理解得更深刻。T:能具体说说吗?
S4:得失电子, 电子转移。
T:以前拿到一个化学反应会想到什么?
S4:看反应物与生成物, 大部分还是记忆的。T:现在呢?
S4:现在从化合价出发, 可以推断出生成物。T:你认为氧化还原反应与氧元素有关系吗? S1:有, 但是氧发生了价态的变化, 以前只觉得是有氧气参加, 现在体会了本质。
S2:觉得没有直接的关系, 主要是化合价的变化, 不一定非要有氧元素。
T:S1同意吗?
S1:同意。初中所学的氧化还原反应只是看到有氧气参加, 就觉得是。高中懂得本质是氧与另外的元素发生了价态的变化, 本质是电子转移。512 研究物质性质的方法和思路的认识发展情况
为了检测学生在学习了氧化还原反应之后, 有没有掌握研究物质氧化性和还原性的思路和方法, 分别对2个班的学生进行了前后测。前测表明对比班和实验班的学生在研究物质性质方面没有明显的差异, 均不具备研究物质氧化性和还原性的思路和方法。测试题目如下:
2010年第3期 化 学 教 育#27#
前测:硫是一种非金属单质, 常温下为淡黄色粉末。请你预测硫单质可能具有的化学性质, 它可能与哪些物质发生反应, 并说明预测的依据。
后测:Na 2SO 3是一种常见的化合物, 请你预测Na 2SO 3可能具有的化学性质, 它可能与哪些物质发生反应, 并说明预测的依据。
后测结果表明, 通过氧化还原反应的学习, 实验班和对比班的绝大部分学生都能够想到从氧化还原反应的角度, 通过化合价预测物质的氧化性和还原性, 只有对比班的1名学生未能预测到N a 2SO 3的氧化性和还原性。部分学生还预测了Na 2SO 3的其他性质, 比如酸碱性, 或者是具体离子的性质。其中对比班有更多的学生从非氧化还原的角度预测。
表2 学生对亚硫酸钠性质预测的结果统计性质实验班百分数/%对比班百分数/%
6172410
酸碱性0102010
氧化性还原性
1009610
的视角。
表4 学生课后选用试剂情况统计表
给出试剂情况实验班百分数/%对比班百分数/%
A 20107018
B 31112510
C 2819412
D 2010010
但是在能否找到体现物质氧化性或还原性的核心元素这一关键环节, 对比班和实验班学生存在明显差异。对比班只有2个学生将分析聚焦到亚硫酸钠中的硫元素, 50%的学生只分析了钠元素。实验班60%的学生能找到核心元素硫。说明在第2课时中关于确定物质氧化性或还原性的核心元素的教学策略是成功的。
表3 学生分析亚硫酸钠中元素的结果统计元素实验班百分数/%对比班百分数/%
未分析1718813
Na 13135010
S 6010813
Na 和S 8192912
Na 、S 、O 010412
在设计实验验证预测方面, 重要的环节是学生选择合适的氧化剂或还原剂。在这方面学生呈现出4种水平, 分别为A (未给出试剂, 主要表现为学生没有作答) 、B(只给出具体物质, 如O 2、KMnO 4) 、C (只给出类别, 如氧化剂、还原剂) 、D(给出类别, 并列出代表物质, 如氧化剂:O 2; 还原剂:H 2S) 。
从选用试剂的结果看, 对比班大部分学生未给出试剂, 给出的基本也是一些具体物质, 说明其并未真正建立氧化剂和还原剂的概念, 也未能掌握根据物质氧化性和还原性预测其与还原剂和氧化剂可以发生化学反应的方法程序。4819%实验班学生能给出氧化剂和还原剂概念, 其中有20%学生在概念下给出了具体实例, 说明学生建立了氧化剂和还原剂
在第2课时后进行的学生访谈结果也充分说明
了学生已经建立了研究物质氧化性和还原性的思路和方法, 在预测过程中能够找到核心元素。此外学生对研究物质性质方面有了比较深刻的认识, 如有的同学认为/分析物质性质更细致了, 不是笼统地去想了。以前只说这种物质与哪种反应, 生成另外几种物质。现在可以从微观的角度看是得失电子的过程, 才能发生反应0; /可以自己分析物质的化学性质, 初中的时候都是老师说, 然后背下来就可以。现在自己完全可以预测并进行实验研究0。部分访谈记录如下。
T:假设给你一种物质(如亚硫酸钠) , 怎么去研究它的氧化性或者还原性?
S1:先写出化学式(拿纸笔写出化学式, 并标出了各元素的化合价) 。
S2:我想先找出它的核心元素, 应该是硫。S3:钠是+1价, 亚硫酸根是-2价, 知道氧的化合价是-2, 那么硫的化合价只能是+4价。+4价是一个中间价态, 有可能升或降。
T:能把他的意思再重复一下吗?
S2:分析钠没用, 价态常见, 氧也是常见化合价, 硫以前出现+6, 现在出现+4, 所以可以有化合价升降变化。
T:这是大家的推测, 该如何证实呢? S3:那就做实验证实。问:该如何设计呢?
S1:找一个氧化剂, 一个还原剂。513 综合运用氧化还原原理解决实际问题情况
为了了解学生运用氧化还原原理解决实际问题情况, 研究者专门设计测查题目进行了测查, 题目为:FeCl 2是常见的铁的化合物, 实验室配制FeCl 2溶液的时候通常要向其中加入铁钉或铁粉, 你能说说这样做是为什么吗? 请先用你自己的话来陈述这个问题, 然后写出你的假设, 并设计实验证明。
学生的假设分为3种水平:A 1错误假设(如A1铁粉或铁钉是制FeCl 2的反应物) ; B 1片面假设(B1:FeCl 3具有氧化性, 铁钉是一种还原剂; B21FeCl 2久置后会变质, 变质后含Fe 3+) ; C 1全面假设。每种水平又有不同的情况, A 水平有3种情况A1、A2、A3, B 水平有2种情况B1、B2。
#28#化 学 教 育 2010年第3期
从假设这一环节来看, 实验班比对比班明显要好。对比班有5816%的学生假设错误, 实验班只有615%。实验班有2117%学生能够全面找到整个过程中发生的氧化还原反应, 找到可以发生氧化还原反应的氧化剂和还原剂, 7117%的学生能做出片面的假设, 其中主要是假设Fe 单质能还原Fe 3+。而对比班全面假设和片面假设的比例都只有实验班的50%, 并且片面假设主要假设Fe 变质成为Fe 。这说明实验班的学生大都认识到配制FeCl 2溶液中加入铁单质的原因, 而对比班还有一大部分学生不能认识到原因。
表5 学生的假设结果统计
假设
A1
实验班百分数/%对比班百分数/%
4133415
A A20102411
A3212010
B15413010
B
B217143110
21171013C
2+
3+
原反应与铁及其化合物氧化性和还原性的联系。
(2) 能主动提到元素化合价(包括元素可能有不同的化合价, 化合价与氧化性、还原性以及氧化还原反应的关系) , 实验班占2813%, 对比班占3010%, 这说明2个班都是一部分同学认识到了化合价的重要性, 提高了对化合价的认识。
(3) 能提到氧化剂、还原剂以及氧化性、还原性的, 实验班占3216%, 对比班占617%。这说明单元整体教学更有利于学生理解和内化氧化剂与还原剂以及氧化性和还原性概念。
(4) 认识到学习内容的意义, 包括了解化学与健康密切相关, 所学知识对今后学习生活有帮助, 会看补铁产品说明书等方面, 实验班占3216%, 对比班占010%。说明实验班的学生在情感态度价值观层面较对比班有较大的收获。在第1课时的结尾处, 实验班教学中有关于氧化还原在生活中的价值和功能的提升, 在第3课时从补铁剂这一生活问题引入, 在整节课中贯穿着生活问题, 使学生了解氧化还原反应和铁的化合物知识在人类生活和生产中的重要作用, 明确化学来源于生活并服务于生活的思想, 情感态度价值观得到提升发展。
教学研究结果表明, 促进学生认识发展的氧化还原内容单元整体教学是非常有效的, 学生在各方面获得明显发展, 特别是学生对化学反应的认识、对物质性质的认识、对物质性质研究思路和方法的认识获得了显著的发展, 这样的教学效果说明本研究关于氧化还原对学生认识的发展作用分析、氧化还原内容教学论问题的分析是有效的。反思整个研究过程不难发现:挖掘化学核心概念的认识发展功能, 确立单元整体教学的认识性教学目标, 确立学生对于核心概念的认识发展层级, 进而分析关于核心概念的教学论问题及解决策略, 是进行促进学生认识发展的单元整体教学设计的重要组成部分。这些子任务的完成情况直接决定单元整体教学的效果, 特别是在促进学生认识发展方面的效果。
参 考 文 献
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济南:山东科技出版社, 2007
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在实验设计方面, 实验班也要明显好于对比班。实验班有2611%的学生没有设计实验, 而对比班占有4114%。实验班有10人做出了全面假设, 11个同学能设计出完整的实验, 说明有一个同学虽然假设片面, 但是实验设计时能完整考虑, 其中还有2个同学设计了对比实验; 片面假设的学生大部分都能给出实验方案, 并且实验方案非常丰富, 直接观察溶液颜色、利用高锰酸钾与Fe 2+反应和利用KSCN 的方案都有。而对比班由于大部分学生的假设就是错误的, 所以有5117%的学生设计的实验有误。但是给出片面假设和全面假设的学生中只有1个能给出实验方案。说明经过单元整体教学, 实验班学生很好地掌握了其中涉及的化学反应和检验Fe 2+和Fe 3+的方法, 也能进一步预测反应、设计实验验证、得出结论, 对比班学生在应用氧化还原相关知识解决问题情况不尽如人意。514 单元整体教学效果
经过氧化还原单元整体教学, 实验班和对比班学生在整体上会有怎样的区别, 特别是学生的情感态度价值观上是否会有变化? 研究者通过开放型题目(通过/氧化还原反应0单元3课时学习, 你学到了什么? 你觉得学习这些内容有什么意义?) 进行了测查, 结果如下:
(1) 能列举出具体的化学反应, 实验班占
2+3+
2611%, 主要集中在Fe 、Fe 的氧化还原反应, 对比班占010%, 也就是说没有同学想到这一点。这说明, 虽然在氧化还原概念教学之后进行了铁及其化合物性质的探讨, 但对比班学生没有建立氧化还