基于实验探究的概念原理教学——以“从氧化还原反应认识物质性质”为例

蒋 涛

基于实验探究的概念原理教学——以“从氧化还原反应认识物质性质”为例

蒋 涛

中学化学概念原理教学的目的是让学生能够真正理解概念，形成并发展科学认识。而实验探究教学的深入开展要求更加关注学生在探究过程中的自主性、创造性以及问题解决能力。针对如何开展基于实验探究的概念原理教学，以“从氧化还原反应认识物质性质”的教学为例，进行初步研究，并提出相关教学策略。

氧化还原反应；实验探究；概念原理教学

一、研究背景

一方面，化学概念原理是化学现象本质的反映，但概念原理的教学并不意味着局限在对相关知识的落实上，发展概念原理知识对化学反应的认识视角，体会其功能与价值才是概念原理教学的真正意义。概念和方法的学习过程需要通过应用环节促进发展，如果缺少实际应用便不能实现概念和方法的内化，不能纳入学生的长时记忆系统。另一方面，实验探究是当今国际科学教育领域研究的重要内容之一，许多国家和地区的科学教育改革都围绕着实验探究教学展开。实验探究教学的深入展开要求更加关注学生在探究过程中的自主性、创造性以及问题解决能力的培养 。探究教学作为一种在培养学生化学素养方面具有显著优势的教学方式应用于元素化合物的教学内容比较容易可行。那么如何将探究教学应用于化学概念的教学呢？本研究以氧化还原反应的教学为例，并对基于实验探究的概念原理知识的教学提供一些教学策略。

氧化还原反应在高中化学学习中将大量涉及，学生在学习物质性质、实现物质转化、分析电极反应等问题时均需要相关知识。可以说氧化还原反应的知识一方面丰富了学生研究物质性质的视角和实现物质转化的途径；另一方面丰富了学生对化学反应能量利用的途径，在物质转化中将“不可能”转变为“可能”。所以对氧化还原反应的教学绝不能仅仅停留在对核心知识的讲解和落实上。那么如何改变以往枯燥的教学形式，使学生建立起研究物质性质的思路和方法呢？本节课作为氧化还原反应的第二课时，设计了3个核心活动：活动1是预测物质的氧化性、还原性，活动2是设计实验验证高锰酸钾的氧化性，活动3是探究亚硫酸钠的氧化性和还原性。

二、核心探究活动的实施过程

1.活动1：预测CO2和CO的氧化性、还原性

根据C元素的常见化合价预测CO2和CO的氧化性与还原性。

学生活动：先独立思考，后4人一组相互讨论，然后回答问题。

学生回答1：CO2具有氧化性，CO具有还原性。

学生回答2：CO应该还具有氧化性。因为CO中的C元素显+2价，还可以继续降低。

【追问】虽然根据价态判断CO具有氧化性，但CO通常只表现出还原性。能否总结出判断物质氧化性还原性的一般方法？

学生回答3：观察元素的化合价，最高价(该物质)只具有氧化性，最低价只具有还原性，中间价态既具有氧化性又具有还原性。

【追问】面对C，O两种元素，你是如何选择的呢？

学生回答4：关注变价元素的化合价。

探究活动1的功能价值：通过本活动让学生关注到从氧化还原反应(化合价)认识物质性质这一新的认识角度，落实预测物质氧化性、还原性的方法，为后续探究元素化合物的性质奠定理论基础。

2.活动2：设计实验验证高锰酸钾的氧化性

【问题1】预测KMnO4和KI的氧化性与还原性并说明理由。

学生活动：4人一组相互说明，然后1名学生回答。

学生回答：KMnO4中的Mn元素为最高价具有氧化性，KI中的I元素为最低价具有还原性。

【问题2】验证KMnO4是否具有氧化性？

学生活动：4人一组，先经过独立思考和小组讨论后，确定实验方案，再动手验证并记录相关的现象得出结论。

教师活动：巡视学生的实验情况，适时的询问试剂选择的原因、预期现象与观察到的现象之间有何不同。然后请同学们分组汇报自己的实验情况，说明需要注意的问题。

【教师点拨】能否归纳出验证物质氧化性与还原性的一般思路方法？

学生活动：回忆刚刚的过程，并进行总结提炼。

学生回答：先根据化合价预测性质，再选择试剂，通过观察到的实验现象与预期现象进行比较从而得出最终结论。

探究活动2的功能价值：学生在设计实验方案时，对于试剂的选择没有出现任何问题，都选择了KI证明KMnO4的氧化性。但在预期现象的时候，面对Mn元素的多种价态，学生试图通过写出方程式确定其还原产物，却因为所学知识有限遇到了障碍。教师适时点拨，可先动手实验，根据现象再来推测；另外当还原产物不好确定时，可以换一个角度，来关注氧化产物，同样可以得到相应的结论。最后再由学生回忆整个探究过程，归纳出研究物质氧化性和还原性的一般思路和方法，通过本活动落实验证物质氧化性、还原性的方法，为后续元素化合物学习奠定方法基础。同时培养了学生理性分析、设计在前，动手实验在后的良好习惯。

3.活动3：探究Na2SO3的氧化性和还原性

运用研究物质性质的一般思路方法，研究Na2SO3的氧化性和还原性。

学生活动：先分析设计，再动手实验。

学生回答1：选择KMnO4，可以证明Na2SO3具有还原性。但是KI却不能跟Na2SO3反应，证明Na2SO3没有氧化性。

学生回答2：有可能是Na2SO3在反应中主要表现还原性。

学生回答3：用碘水和Na2SO3反应，然后滴入淀粉液，发现溶液不变蓝，说明两者反应，同样证明了Na2SO3的还原性。

【追问】(给出Na2SO3与I2反应的方程式)试分析Na2SO3与碘水反应而不与KI反应的原因是什么？是因为Na2SO3没有氧化性吗？

学生活动：先独立思考，后小组讨论。

学生回答1：Na2SO3的还原性较强，碘单质的氧化性较强，而KI的还原性没有Na2SO3强。所以KI不能跟Na2SO3反应。

学生回答2：通过观察Na2SO3与I2反应的方程式，SO3

2-是还原剂，I-是还原产物，而还原剂的还原性比还原产物要强。所以，要找到一个还原性比SO32-更强的还原剂才能证明其氧化性。

【教师点拨】选择什么试剂才能证明Na2SO3的氧化性呢，在学完了硫及其化合物的性质以后我们就会知道，感兴趣的学生可以课后查阅相关资料。

探究活动3的功能价值：在该探究活动中，学生在教师所安排的认知冲突下，发现了实验事实与经验预期的矛盾所在，从而促使其经过思考和讨论发现氧化还原反应发生的制约条件——氧还性的相对强弱关系，解决了“可能性”与“现实性”的矛盾。至此学生对研究物质氧化还原性的方法有了更全面的认识，提高了其创造性思维。对于“证明Na2SO3的氧化性”的操作方法在这节课中实际上是不重要的，原因是该探究活动意在通过让学生体验实验事实与预期之间的矛盾，发现制约氧化还原反应发生的条件，而现阶段的学生也不具备硫及其化合物的相关知识，如果在课堂上展开讨论，增加了无关性难度且延长了时间。所以我们把这个问题交给了学生，让他们课后思考，既进行思维拓展，让这节课有延伸感，又节约课时，使教学目标更为突出。

4.巩固思维训练实例

【课后任务1】列举一些常见的氧化剂和还原剂，并用树状法对其进行简单分类。

【课后任务2】预测SO2的化学性质，并与CO2进行比较。

通过以上两个任务，一方面让学生进一步熟练预测物质氧化性与还原性的方法；另一方面进一步体会认识物质性质的两个角度——物质的类别与氧化还原反应(价态)，从而感受到学习氧化还原反应的价值和作用。

三、基于实验探究的概念原理教学策略

如何开展高水平、开放式的探究课教学，如何通过探究实验将概念原理落到实处，笔者有如下反思。

第一，在进行化学概念教学时，尤其在引入新的知识时，教师要给学生提供具有认知冲突的情境素材，暴露出学生的个人认识，要允许学生与学习情景中的其他人交流关于问题情境的看法。教师要把教学的重点放在概念的形成和理解上，并让学生参与概念观点的建立。例如在本节课的第三个环节，大部分学生已经掌握了研究物质氧化性和还原性的方法的基础上，学生在探究Na2SO3的性质时，发现了实验事实与他们的预设之间并不吻合，激发了认知冲突，从而促使他们关注Na2SO3与KI的还原性强弱关系，进而通过Na2SO3与碘单质的反应，认识到还原剂与还原产物间的还原性强弱关系，建立起比较物质氧化性还原性的方法和对制约氧化还原反应发生的条件的认识。

第二，在设计探究活动时，问题的连续性和开放性能直接影响学生的思维发展。这就要求教师选择的核心问题、探究任务容量要大，要值得探讨，在必要的时候提供给学生所需的场外信息和资料，这样既能满足其探究欲望，又不会打压积极性。例如，“运用研究物质性质的一般方法探究Na2SO3的氧/还性”这一问题就比从试剂选择到现象判断这样领着学生一步一步走更能激发学生的思考。而在探究KMnO4和Na2SO3的性质的时候，给学生提供Mn，S元素的常见价态及存在形式、I的原子结构示意图等信息，能帮助他们通过自己的思考来完成任务，最大可能的依靠学生自己的能力来解决问题，这样学生成功之后的成就感和满足感也是不言而喻的。

第三，在实施探究教学过程中，要关注培养学生探究能力的自主性和科学性。这就要求教师要基于具体任务，从个别到一般，并在这一过程中体现思路，将思路“细化”，将“方向性”转变为“可行性” 。基于对氧化还原反应部分内容教学价值的分析、基于概念原理知识与元素化合物知识的关联进行整体设计。在本节课中通过3个核心活动来实现这一目的，每个活动有明确的知识技能和过程方法目标，3个活动之间具有螺旋上升、逐级递进的关系。为了让课堂的整体实效性更高，在提出假设环节，针对大多数学生只关注“局部”，进行部分假设、预测的情况，教师可通过与学生的对话、对学生评价等策略的实施引导学生提升其“全面分析系统的各要素，基于各要素进行全面假设”的系统思维能力。

蒋涛，硕士，中教一级。北京市十一学校，100039