利用化学实验促进学生化学认识的发展——以“氧化还原反应”为例

张寒之

（南京市天印高级中学 江苏 南京 211100）

利用化学实验促进学生化学认识的发展
——以“氧化还原反应”为例

张寒之*

（南京市天印高级中学 江苏 南京 211100）

本文以氧化还原反应教学为例，研究化学实验在促进学生认识发展中的积极作用。文章主要从学生认识角度的增加，认识方式的优化两个方面，结合具体的教学实例展开研究。

化学认识；认识角度；认识方式

一、化学知识发展和化学认识发展

学生认识发展可以相对于学生知识发展来理解。高中化学教学也应当包含了化学知识的教学和化学认识的教学。化学知识描述客观世界，是相对静止、公认的。化学认识是要解决如何获取化学知识、获取到怎样的化学知识，化学知识反作用给主体带来怎样的体会。教学不仅仅要让学生知道所学知识是什么，而且要让学生将所学知识转化为他们认识世界的视角、分析问题的方式和思路，这一将知识内化的过程必须经过大量的认识实践活动来实现，在充满活力且不失理性的实践活动中让学生丰富他们的认识角度，深化他们的认识方式。

二、氧化还原反应教学的案例研究

氧化还原反应是中学化学的核心概念之一，从学生化学认识发展的层面，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，建立化学反应中原子在重新组合中存在电子转移的认识角度，从而发展学生的微粒观。认识物质时，学生能够主动从元素化合价角度，预测物质的氧化性和还原性，拓展了认识物质性质的角度。通过对氧化还原反应本质的学习，学生对氧化还原的理解能够从“得氧失氧”的宏观描述进入电子转移的微观层面，从原子结构的特点理解原子得失电子能力的强弱，从而完成从孤立学习知识到系统学习的转变。

1．学生已经具备的“氧化还原”水平

在课前的调查中发现，学生对化学反应的认识角度仅限于 “元素种类”，认识方式也停留在 “宏观描述”，学习状态处于机械记忆。针对学生学习现状，笔者认为本节内容的教学应当充分调动学生的学习热情，所讲授的内容要立足学生“已有知识”，在具体学习过程中引发学生认识冲突，遵循其认识发展的轨迹，循序渐进，利用化学实验作为学生走入反应本质的工具，帮助他们形成微观层面的认识方式。

2．“氧化还原反应”第一课时教学设计

（1）利用化学史，回忆已有知识

笔者在教学中以“燃烧”现象作为引入，以学生初中化学知识作为生长点。师：为什么有的物质能点燃？有的不能呢？生：燃烧满足条件、可燃物、达到着火点和氧气。师：什么样的物质可以被称为可燃物？可燃物有什么特点？生：……教师用“刨根问题”的追问引发学生的认识冲突，学生的求知欲被激发，身临其境的置身于化学史的长河中。教师利用网络给学生介绍了17世纪末，在欧洲流行的一种解释燃烧本质的学说“燃素说”。1777年拉瓦锡的“氧化说”很好的解决了“燃素说”面临的困境，与学生现有的认知更为符合。教师请学生“模仿”拉瓦锡的氧化说，写出具体的化学反应。大部分学生都写了“金属铜和氧气产生氧化铜”作为氧化反应的代表，“木炭还原氧化铜”作为还原反应的代表。可见，学生在初中学习中只能从金属得氧和金属失氧被还原为单质来判断氧化反应和还原反应，甚至不能发现碳得到氧是一个被氧化的过程，可见，初中的学习中学生并没有建立氧化还原反应的概念，局限于从宏观层面即氧元素的得失来描述一个化学反应。

此时，教师不需要按照教材中的安排急于把学生的认知“拉”到化合价的角度，可以刚好利用学生“被氧化”、“被还原”的概念，从元素守恒的角度引导他们发现氧化反应和还原反应是必然同时发生的。师：氧化铜被谁还原成了单质？生：碳。师：可见碳具有很强的什么性啊？在反应中做了什么呢？生：碳是还原剂，还原性很强。在学生已经掌握的知识上做拓展，建立氧化剂和还原剂的概念，在学生熟悉的宏观层面建立概念可以降低学生理解难度，避免教材中“一步到位”给学生学习带来的困惑（表1）。

表1

（2）引发认识冲突，探索微观世界

当学生在宏观层面建立起氧化还原反应的相关概念后，教师可以利用具体情境引发学生认识冲突，“湿法炼铜”是一个氧化还原反应吗？从化学现象看，金属铜从溶液中还原出来，但是通过观察方程式无法从氧元素的得失作出氧化还原反应的结论，学生很想知道“这该怎么办？”教师启发学生观察这些氧化还原反应是否存在共同点？引导他们从化合价来重新描述氧化还原反应。化合价的教学在初中化学中是重点教学内容，所以学生不难发现在氧化还原反应中反应前后都有元素化合价发生了变化，结合“得氧失氧”，找到它们之间的联系（表2）。

表2

成功的体验让学生更加主动的参与教学活动，提出“化合价为什么会有变化呢？”可见，沿着他们认识发展脉络，学生们主动从宏观思维进入了微观思维。引导学生从微观角度来认识电子转移和氧化还原反应的关系，即氧化还原反应的本质，是本节内容的重点和难点。通过在宏观层面对具体反应实例的分析，学生不难理解氧化剂中元素原子得到电子导致元素化合价降低，被还原；还原剂中元素原子失去电子导致化合价升高，被氧化。高一学生在现阶段具有的微观认识较少，缺少对原子结构的认识，更没有化学键的认识。如何帮助学生建立氧化还原反应的本质是电子的转移呢？笔者认为利用具体的化学反应实例，利用实验手段，让学生从宏观进入微观，在较深的层次上认识分析现象是促进学生认识发展的重要部分。

（3）体验实验探究，拓展认识角度

于是，在教学过程中为了突破这个难点，笔者做了如下的教学设计。

教师行为 学生行为 设计意图以“湿法炼铜”为具体实例，引导学生分析反应中的氧化剂、还原剂以及反应中电子转移的情况。书写方程式用“单线桥”表示电子转移的数目和方向。 通过实例，掌握氧化剂和还原剂的判断。提问：Fe传递给Cu2+的电子我们能看到吗？能想办法看到吗？ 如果我们用导线把铁和硫酸铜溶液连起来会发生什么呢？小声讨论：说不定有电流？灯泡会亮？ 激发学生想要探寻未知世界的好奇心和求知欲，调动学生的学习兴趣。演示实验，观察电压表指针，并纪录数据铁V专注地观察实验现象，当电压计指针偏转时，学生发出了惊叹。纪录实验数据，电压稳定后显示0.5V。（图1）硫酸铜溶液图1提问：有办法将电势差增大吗？为什么呢？学生讨论：把铁换成更活泼的金属。因为金属越活泼，失去电子越容易，还原性就越强。利用实验手段，将微观现象宏观化，帮助学生建立微观和宏观变化之间的联系，建立微观的认识深度。创设学习情境，引导学生用所学知识解决实际问题，提出假设。在解决问题的过程中建构认识。

演示实验，观察电压表指针，并纪录数据V锌记录实验数据，电压稳定后显示为1.0V。（图2）验证猜想，金属锌失电子的能力比铁强，是更强的还原剂。根据假设，设计实验，验证假设。在具体的学习情境中体验科学探究的成就感，增加学习化学的兴趣。硫酸铜溶液图2提问：氧化还原反应的本质究竟是什么呢？ 反应中发生了电子的转移。完成表3。 通过具体实验看到了"转移的电子"，学生从微观层面建立氧化还原的概念。讲解：在衡量物质还原性或氧化性强弱时，我们就可以用电极电位来描述，并以此来判断一个氧化还原反应是否能够发生。图片（标准电极电势）观察图表，发现初中所学习的金属活动性顺序表和电极电势的强弱变化基本一致。明确氧化剂往往得到电子，具有氧化性；还原剂容易失去电子，具有还原性。立足学生已有知识，利用实验现象和数据，引导学生从微观、定量的认识角度分析问题。讲述：一个电池的设计，其材料的选择就要参考它们的电极电势以及原料的价格、生产操作等等。学生感叹，原来氧化还原反应这么重要。难怪好多电池都选择金属锂，它的电极电势排在第一位啊。将所学知识应用于生活，避免学生对知识的认识停留在具体含义上，而是实现知识的认识功能与解决问题的功能。

图3

图4

表3

作为氧化还原反应的第一课时，教学中并没有过多设计概念辨析、电子转移的计算，教师更重视遵循学生认识发展的顺序，旨在帮助学生建立一个氧化还原的知识框架。

电极电势差是判断氧化还原反应能否发生的依据，高一化学的教学显然不能深入讲解，但是元素的化合价同样可以用来显示含有某种元素的物质得失电子的倾向，预测它的性质和氧化还原反应发生的可能性。通过这样的教学，学生不仅仅能从具体反应中判断氧化剂和还原剂，更重要的是脱离反应从氧化还原的视角来推测物质的性质，是学生认识角度的拓展，其认识方式也从宏观层面的“酸碱性”深入到物质得失电子的能力即氧化性和还原性。

3．氧化还原反应第二课时教学设计

（1）立足元素化合物，丰富化学认识角度

在课前的问卷调查中，学生列举出的氧化反应和还原反应主要都是金属单质参与的氧化还原，可见高一学生对金属的性质比较熟悉。遵循立足学生已有知识的原则，氧化还原反应的第二课时教学以金属铁的化合价展开讨论。

师：你能列举出金属铁参加的化学反应吗？生：在氧气中燃烧、和盐酸反应生成氢气、置换硫酸铜溶液中的铜。师：这些反应是什么类型啊？多数学生：置换、化合，沉寂后少数学生：氧化还原、离子反应。从学生的回答能发现，学生认识化学反应是仍然先考虑四类基本反应类型，少部分同学能从氧化还原和离子角度认识化学反应。师：金属铁在反应中表现了什么性质呢？生：化合价升高了，做还原剂，有还原性。师：化合价有什么特点啊？生：最高是＋3价，最低为0价。教师通过提问，启发学生从化合价的角度观察反应，逐渐过渡到推理预测其性质。师：从化合价的变化来判断，单质铁、Fe2＋、Fe3＋有什么性质？生：金属铁化合价可以升高，有还原性；Fe3＋化合价可以降低，有氧化性；Fe2＋既有氧化性又有还原性。师：那Fe和Fe3＋能相互反应吗？生：……（不能吧，同种元素怎么反应。能吧，氧化还原吧。）部分同学的思维仍然停留在元素角度认识化学反应，只有少部分同学尝试从化合价来判断反应发生的可能性。认识冲突形成之后，教师可以利用探究实验强化学生对物质氧化性和还原性的理解。

（2）体验实验探究，深化认识方式

创设实验探究的情境，提供FeCl3溶液、FeCl2溶液、还原性铁粉、铜片、10%H2O2溶液、维生素C。学生将少量铁粉加入FeCl3溶液中，充分震荡后，观察黄色褪去。师：Fe3＋和Fe反应生成了什么呢？能否证明。生：应该生成Fe2＋。教师启发学生从氧化性和还原性角度来考虑，如果Fe3＋被还原成Fe2＋，再加入氧化剂，应该能重新生成Fe3＋。实验验证：在试管中滴加两滴10% H2O2溶液，观察溶液颜色变黄。

通过实验探究，学生能够将元素化合价的高低与其氧化性和还原性以及物质之间的相互反应联系起来，对物质性质的认识角度从过去的“酸碱性”过渡到了“氧化性与还原性”，对化学反应的认识，也增加了“氧化还原”的认识角度。作为知识的应用和认识功能的延伸，教师启发学生尝试用铜片、维生素C分别和FeCl3溶液反应，体会物质的氧化性和还原性。

氧化还原是高中化学的核心概念，在教学中不能将其孤立起来，它的意义在于指导后面元素化合物部分的学习，可以说，现在的“教”是为了后面的“不教”。指导学生从氧化还原的角度认识物质的性质和化学反应的本质，能够帮助学生系统的建立化学核心概念。

三、教学反思

化学实验不仅仅能为学生提供大量的感性材料供其观察，它更重要的意义在于作为一种手段来引发学生的认识冲突，提供一个学习情境来让学生参与思考讨论。实验是一个过程性的教学手段，学生的动手实验直接影响这个过程的发展方向，同时这个过程又推动着学生的思维向前发展。学生在神奇又极富科学性的实验现象中感受微观粒子的运动和反应，寻求外显现象的本质原因，在充分的活动体验中，收获到的不仅仅是感性材料，还有丰富的认识视角、严密的逻辑思维和更接近反应本质的认识方式。

［1］ 胡久华，张银屏．促进学生认识发展的单元整体教学——以化学教学为例［J］．教育科学研究，2014（8）

［2］ 王磊．从知识解析为本到基于学生认识发展 促进化学教学设计与实践向高水平跨越——北京师范大学化学教育研究所“高端备课”项目简介［J］．化学教育，2010（1）

［3］ 裴新宁．化学实验的情境教学观［J］．中学化学教学参考，2001（3）

1008-0546（2015）08-0083-04

G633．8

B

10.3969／j．issn．1008－0546．2015．08．032

*E－mail：hanzzhang0831＠163．com