基于模型建构的高三化学复习教学实践——以“工艺流程题中情境型氧化还原反应方程式的书写”为例

张杰华 孙应伦

(1.云南省云南师范大学附属中学;2.云南省昆明市教育科学研究院)

一、理论依据

《中国高考评价体系》指出,高考以“核心价值、学科素养、关键能力、必备知识”为考查内容,以“基础性、综合性、应用性、创新性”为考查要求,这为基础教育课程指明了培养目标及要求。高中化学课程承载着培养学生学科素养的重要功能,是发展学生化学学科素养的载体,学科素养的发展离不开学科必备知识的储备和关键能力的形成。因此,如何在高三复习阶段进一步帮助学生巩固学科必备知识、发展学科关键能力、提升学科核心素养尤为重要。

《普通高中化学课程标准》(2017年版2020年修订)(以下简称“课程标准”)指出:“证据推理与模型认知”是化学学科核心素养的组成要素之一,并在其内涵中描述到“知道可以通过分析、推理等方法认识研究对象的本质特征、构成要素及其相互关系,建立认知模型”;“模型认知”素养不仅仅包括化学学科中已有的科学模型,还包括学生在化学学习过程中的分析、解决问题的思维模型。课程标准对学生学业质量提出了如下的相关要求:“能在物质及其变化的情境中,依据需要选择不同方法,从不同角度对物质及其变化进行分析和判断”“能选择简明、合理的表征方式描述和说明化学变化的本质和规律,能根据化学反应原理预测物质转化的产物,确定检验所做预测的依据”。

本文以“工艺流程题中情境型氧化还原反应方程式的书写”为教学主题,通过不同情境下陌生氧化还原反应方程式的书写,引导学生自主反思解决问题的思路,建立思维模型并在实践中进一步完善,最终达到运用该思维模型来解决问题的目的。

二、主题的确立

化学方程式是最具化学学科特征的化学用语,是学生“宏—微—符”三重表征能力的重要组成部分,是高中化学学业水平等级性考试中的必考点。氧化还原反应是高中化学的核心知识和重要原理,旨在培养学生的微粒观及变化观,形成认识、预测物质性质及其变化的角度和思路。

随着高考改革的不断推进,以化工生产工艺流程、物质制备及性质探究实验为背景的陌生氧化还原反应方程式的书写成为考查学生分析与推测、归纳与论证等学科关键能力的重要形式。化工生产工艺流程题多以实际生产中物质的制备、提纯等为考查背景,以陌生元素及其化合物的相关知识为考查载体,题干信息新颖、陌生度高、综合性强,要求学生必备氧化还原反应的相关概念与知识,掌握常见元素及其化合物的性质和转化的一般原理和规律;具备复杂情境中有效信息的接收、提取和处理能力,以及依据氧化还原反应原理预测物质性质及转化的能力,考查学生依据新情境并结合已有知识分析、解决问题的知识迁移能力,是对学生“变化观念与平衡思想”“证据推理与模型认知”学科核心素养发展水平的重要测评。此类题目对学生化学学科关键能力的发展水平要求较高,是众多考生失分较多的题型之一。因此,在高三复习备考的过程中,教师应当帮助学生结合特定的情境,建立分析、解决此类问题的思维模型,将知识转化为能力,实现学科核心素养的进一步发展。

三、教学目标与评价目标

(一)教学目标

(1)通过对工艺流程题中情境型氧化还原反应方程式书写方法的分析,帮助学生巩固氧化还原反应的相关概念和知识。

(2)通过对工艺流程的题干进行分析和流程解读,提升学生在真实情境下有效信息的获取、分析、应用能力,强化学生的符号表征能力。

(3)通过分析、推理等方法认识氧化还原反应的特征和本质,建立情境型氧化还原反应书写的思维模型,提升学生归纳与论证能力,进一步发展学生“证据推理与模型认知”“宏观辨识与微观探析”等化学学科核心素养。

(二)评价目标

(1)通过对例1和例2的问题拆解分析,诊断学生对氧化还原反应相关概念的认识水平(概念清晰、概念混乱)、在陌生情境中有效信息提取(正确提取、错误提取)以及利用化学反应原理进行产物预测(经验视角、原理视角)的能力。

(2)通过例3和例4的分析,发展并诊断学生运用已有模型书写新情境下氧化还原反应方程式的能力(简单迁移、系统优化)以及结合新情境进行模型完善、优化的能力(孤立照搬、系统优化)。

四、教学实践过程

(一)课前回顾,巩固相关概念

学习任务1:课前自主回顾氧化还原反应的相关概念,完成下列内容。

1.氧化还原反应的相关概念

(1)氧化还原反应的特征:有元素________的变化。

(2)在氧化还原反应中,氧化剂所含元素的化合价________,发生________反应,生成________产物;还原剂所含元素的化合价________,发生________反应,生成________产物。

2.高中阶段常见氧化剂、还原剂及其可能的产物

表1 高中阶段常见的氧化剂、还原剂及其可能产物预测

设计意图:巩固氧化还原反应的相关概念,利用氧化还原反应原理对高中阶段常见的氧化剂、还原剂进行可能产物的预测,提升学生在高三复习阶段的自主学习能力。

(二)典例分析,初构思维模型

学习任务2:以小组为单位,提炼化工生产工艺流程中陌生氧化还原反应方程式的书写方法,初步建立问题的思维分析模型。

【例1】(2022全国甲卷,26题改编)硫酸锌(ZnSO4)是制备各种含锌材料的原料,在防腐、电镀、医学上有诸多应用。硫酸锌可由菱锌矿制备。菱锌矿的主要成分为ZnCO3,杂质为SiO2以及Ca、Mg、Fe、Cu等的化合物。其制备流程如下:

相关离子(初始浓度为1 mol/L)形成氢氧化物沉淀的pH范围如下:

金属离子Fe2+Fe3+Zn2+Cu2+开始沉淀的pH6.31.56.25.2沉淀完全的pH8.32.88.26.7

问题:向80～90℃的滤液①中分批加入适量KMnO4溶液充分反应后过滤,滤渣中有MnO2,该步反应的离子方程式为___________________________________。

【问题拆解】问题1:判断该反应的类型,并说明判断依据。

问题2:确定该反应中的氧化剂、还原剂以及氧化产物和还原产物,并说明判断依据。

氧化剂:________→还原产物:________

还原剂:________→氧化产物:________

问题3:完成该反应方程式的完整书写,并交流在书写过程中需要考虑哪些因素。

【教师】以4人小组为单位,结合例1中“问题拆解”部分的3个子问题,书写例1中的氧化还原反应方程式,并在小组内进行交流、讨论。

学生阅读题干及流程,提取有用信息,自主思考,并在引导单中记录自己的分析过程,进行组内的交流、讨论。

教师展示学生的分析结果,引导其对问题进行拆解分析。

【教师】如何确定该反应的类型?你的判断依据是什么?

【学生】锰元素的化合价由KMnO4中的+7价降低到MnO2中的+4价,存在元素化合价的变化,为氧化还原反应。

【教师】如何确定该氧化还原反应的氧化剂、还原剂及其对应的还原产物、氧化产物?

【学生2】加入KMnO4之前溶液的pH=5,结合表格信息可知Fe3+在pH=2.8时已沉淀完全,故反应结束后+3价的铁元素应以Fe(OH)3的形式存在。

【教师】确定陌生氧化还原反应中的氧化产物和还原产物的存在形式时,要依据氧化还原反应原理来分析元素价态,并结合微粒所在体系来进行分析。接下来该如何将方程式书写完整呢?

【教师】该同学分析得相当好!他归纳出书写陌生氧化还原反应方程式的分析思路,接下来请各小组参照该思路完成例2中方程式的书写。

学生经过小组分析、讨论,完成例2中的陌生氧化还原反应方程式的书写。

【例2】工业上常用铜阳极泥(主要成分为Cu2Te,还含有少量的Ag、Au)为原料制备单质碲,其工艺流程如下:

问题:已知浸出渣中含有TeO2。写出“酸浸”和“还原”步骤中生成单质碲的总反应离子方程式:________________________。

教师展示学生的分析结果,引导其对问题进行拆解分析。

【教师】如何书写例2中离子方程式?阐述你的分析过程。

【教师】正确书写陌生氧化还原反应方程式,需要以氧化还原反应的原理为基础,根据反应原理预测某些物质的可能产物。请分享课前总结的高中阶段常见的氧化剂、还原剂及其可能的还原产物和氧化产物。

学生分享课前总结情况,教师引导学生进一步完善对高中阶段常见的氧化剂、还原剂及其可能的还原产物和氧化产物的认识(表2)。

表2 高中阶段常见的氧化剂、还原剂及其可能产物

【教师】结合例1、2中离子方程式的书写过程,总结书写化学工艺流程题中陌生氧化还原反应方程式的思考步骤,建立解决此类问题的思维模型。

学生以小组为单位进行讨论,总结书写陌生氧化还原反应方程式的问题解决思路(图1)。

图1 初构思维模型

设计意图:结合工艺流程题中情境型氧化还原反应方程式书写的逐步问题拆解,让学生提升真实情境下有效信息的获取、分析、应用能力,强化符号表征能力,建构解决复杂化学问题的思维框架。

(三)应用巩固,完善思维模型

学习任务3:以小组为单位,利用上述思维模型对以下例题进行分析,并对该思维模型进行完善。

【例3】四钼酸铵是钼深加工的重要中间产品,具有广泛的用途。一种以钼精矿(主要含MoS2,还有Cu、Fe的化合物及SiO2等)为原料制备四钼酸铵的工艺流程如下:

将少量气体X通入NaClO溶液中的离子方程式为___________________________________。

【例4】碘(紫黑色固体,微溶于水)及其化合物广泛用于医药、染料等方面。碘的一种制备方法如下:

通入Cl2的过程中,若氧化产物只有一种,反应的化学方程式为___________________________________。

学生利用已有思维模型,自主思考,小组分析、讨论。

【教师】请小组代表分享例3中离子方程式的书写思路。

【教师】两位代表的分析思路都十分清晰,可见上述思维模型对于我们解决问题具有重要的指导意义。请小组代表分享例4中离子方程式的书写思路。

【教师】结合例3和例4的分析,说明在书写陌生氧化还原反应方程式时还需要注意哪些问题?

【学生1】关注反应物的量,考虑体系中可能发生反应的先后顺序。

【学生2】还要考虑生成物微粒是否会存在后续反应,确定生成物最终存在形式。

【教师】通过上述分析,对书写陌生氧化还原反应方程式的思维模型进行进一步的完善(图2)。

图2 完善思维模型

设计意图:通过真实问题中氧化还原反应方程式的书写分析,帮助学生进一步完善、优化思维模型,提升解决复杂问题的分析能力,评价学生的“证据推理与模型认知”素养发展水平。

课堂小结:本节课通过具体实例的分析,建构书写工艺流程题中情境型陌生氧化还原反应方程式的思维模型(图2)。思维模型的建构能提升问题解决的效率和质量,但问题分析过程中思维模型的建构不能只停留在模型本身的探索上,而应在实践中不断优化、得到合理的思维模型。

五、教学反思

本节课通过引导学生对典型例题的拆解分析,帮助学生体会书写工艺流程题中陌生氧化还原反应方程式的思路,让学生真实经历了问题的解决过程,自主建构并完善分析问题的思维模型,在应用中促进能力的进一步提升、素养的进一步发展。

随着新高考改革的不断深入,高中化学学业水平考试越来越突出对学生关键能力和核心素养的考查。以促进核心素养发展为目标的高三化学课堂教学,需要突出学生的主体地位,才能有效促进学生能力提升和素养发展。这就要求教师在进行高三复习时,要摒弃传统的讲、练模式,应该注重课堂引导,以学生为主体,充分考虑学生的知识掌握情况和能力发展水平,精心挑选出具有针对性、代表性的例题,创设问题情境,搭建学生解决问题的“脚手架”,从而减少学生的机械、重复练习,减轻学生学习负担,提升学生学习的效率,提高课堂教学的质量。同时引导学生用化学知识解决实际问题、建构问题分析的思维模型,提升学生面对陌生情境时调动化学知识、解决化学问题的能力,进而发展学生的化学学科核心素养。