氧化还原反应的科学学习价值及其课程建设研究，本文主要内容关键词为：课程建设论文,价值论文,科学论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
化学研究的基本问题是物质的转化问题，宏观物质转化的微观本质是原子之间的重新组合，氧化还原反应是从微观角度认识物质转化的本质视角，也是指导物质转化研究的原理性内容，属于化学的核心知识。氧化还原反应原理对于物质制备原理设计、滴定分析、未知物质的推断、实验原理的设计、问题解决方案的设计以及能量转化研究具有指导价值。
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：（1）能帮助学生更加深刻地理解物质结构与性质的关系；（2）可以指导学生探究元素化合物的性质；（3）可以指导学生设计物质的制备原理；（4）指导推断复杂反应的产物或反应物；（5）指导学生探究设计合理的原电池和电解池；（6）有利于学生理解相关的物质含量的定量分析；（7）帮助学生形成正确的辩证统一的哲学观点。
氧化还原反应概念和原理具有很强的基础性、辐射性、扩展性和融合性，以此为中心主线组织课程和教学，能帮助学生将头脑中的知识网络化、结构化，加深对化学反应本质的理解。从一定意义上讲，氧化还原反应是联系物质结构、性质、制备、含量分析以及能量转化的纽带，是学生进行科学探究的重要理论依据，是中学化学课程必须重点建设的重要内容。
一、中学生学习氧化还原反应的现存问题
为了了解氧化还原反应课程建设与教学的现存问题，我们于2002年5月选取临汾市的一所普通高中、一所重点初中，运城市的两所重点高中和一所重点初中共5所中学12个班级的566名学生进行了调查，收回有效问卷503份。各年级的测试项目是以相应年级的知识水平为基础，以物质性质探究、物质制备原理设计、物质检测原理设计、未知物推断等为问题解决领域设计而成。每个项目满分为4分。限于篇幅，测试项目略。
通过调查发现学生在学习中存在以下问题。
1.学生对于氧化还原反应本质没有形成很好的理解
原子之间的重新组合绝大多数是通过原子核外电子的转移、偏移实现的，这也是氧化还原反应的本质所在。高一调查问卷项目8（请推测CaH[，2]与水反应的实验现象，并写出反应方式。）考查学生是否理解氧化还原反应的基本概念，能否判断氧化还原反应中电子的转移方向和数目，并合理推断产物。此题平均分为2.93，满分率为66.67％，但经深入调查得知只有41.5％的学生能正确分析电子的转移情况、计算氧化产物和还原产物的比值。由学生对该项目的作答情况，可以看出，学生对氧化还原反应本质的理解明显存在问题。
2.学生没有形成物质性质研究的基本模型
学生虽然学习了物质结构和元素周期律的有关知识，但并没有形成良好的研究物质性质的科学思维，不能对物质的性质进行自主探究。经过高一碱金属、卤素和元素周期律的学习，学生应该基本上建构起物质性质研究的基本模型。如学生学习了元素周期律及物质结构的有关知识之后，应该基本具备推测N[，2]性质的能力。但从高一学生对调查问卷项目1（要求学生推测N[，2]化学性质，并说明理由。）的作答情况来看，平均分仅为0.25分，满分率为0，0分率为70.3％。
3.氧化剂、还原剂的理解性积累存在缺陷
实现物质转化是化学研究的基本问题之一，氧化还原反应原理对于这类型问题的解决具有指导性，而有关氧化剂和还原剂的理解性积累是必要的知识基础。从调查可以看出学生在记忆水平上积累了一些氧化剂和还原剂，但并没有真正形成理解基础上的意义性积累，所学的内容不能指导相关问题的解决。如调查问卷项目2（有人以CCl[，4]为原料，制得了人造金刚石，请写出可能的设计思路。）要求学生设计物质的制备原理，有50.9％的学生知道由CCl[，4]制备金刚石需要加入强还原剂，但在选择具体的还原剂时，只有4.9％的学生选择Na、K作为还原剂。由此可以推知，绝大多数学生没有形成整合的知识结构，并没有从微观结构上真正理解氧化剂、还原剂的本质。
4.运用原理解决问题的思维较差
物质检测及转化原理的设计是较为典型地运用氧化还原反应原理的实际问题类型。其基本的思维模型是：分析要检测的物质是否具有氧化性或还原性，然后依其性质选择具有还原性或氧化性的物质。调查问卷项目3要求学生写出由粗硅制备高纯硅的实验方案。调查中发现：以前做过此题的学生对此题解决得非常好，平均分达到2.79，满分率达到68.9％；以前未做过此题的学生平均分仅为1.24，满分率为29.81％。但当我们要求做过此题的学生写出此方案的详细思维过程时，只有24.4％的学生能给出合理的方案设计理由。
二、反思与对策
（一）反思
本次调查揭示出氧化还原反应的课程建设与教学存在以下三个突出问题。
1.理论知识的指导价值不够突出
化学理论知识的价值表现在两个方面：（1）帮助理解变化；（2）指导认识、研究物质转化。现阶段的教科书设计和教学设计虽然将氧化还原反应原理作为重要教学内容，但并未真正发挥其理论的指导功能。例如，初三阶段在结合H[，2]还原CuO学习了氧化还原反应之时应该形成如下认识：水（H[，2]O）是一种较为稳定的物质，H[，2]还原CuO的过程是一个强作用取代弱作用的过程，H与O之间的结合强于Cu与O之间的结合。在紧接着的C、CO的性质研究中，学生已有的积累是“CO[，2]是一种较为稳定的物质，C、CO能与氧气反应形成CO[，2]”。在此应该得出C、CO与O的结合能力强的结论性认识。因而可以通过联想类比推断出C、CO可能会与CuO作用，生成CO[，2]和Cu。但教科书的设计依然是以告知的方式陈述化学性质，教师也基本上是按照教科书陈述方式进行教学设计，使得初中阶段的氧化还原反应学习失去了它应有的指导意义。
在高一第一章从电子得失角度阐述了氧化还原反应的本质之后，就可以将这一知识贯穿在所有元素化合物的学习当中。但在碱金属、卤素等典型重要元素及其化合物的学习中，教科书设计及教师的教学设计并没有着重体现这一知识对物质性质和制备原理的指导价值。
2.忽视了知识积累的统整
有组织的知识是思维运行的工具。当学生试图解决一个新的问题时，他往往先要思考头脑中已有的这方面的知识，然后再作出选择。（注：施良方.学习论.人民教育出版社，2001）化学课程设计及其教学应该有利于知识积累的统整。但一些教科书对于教学的设计并不利于学生探究能力的培养，也不利于知识积累的统整。例如某教科书对于电解原理的设计，分为三步进行：（1）电解CuCl[，2]溶液，得到Cu和Cl[，2]；（2）分析在电流的作用下为什么会分解生成Cu和Cl[，2]；（3）给电解下定义。多年来，许多教师按照这一设计进行教学，但学生对于这样的设计充满了疑惑和不解：“如何想到把湿润的碘化钾试纸放在与电池正极相连的电极附近？”我们按下述设计进行教学，收到了很好的教学效果。（1）对于电解水的再探讨。在初中进行水的组成研究时，已经了解到水在通电的情况下能够生成氧气（在阳极获得）和氢气（在阴极获得），在此基础上，分析水电解生成氧气和氢气的微观过程。学生能够自主得出，由水电离出的H[+]离子在阴极得到电子生成氢气，OH[-]离子在阳极失去电子生成氧气。（2）电解CuCl[，2]溶液的探讨。学生能够分析出，在CuCl[，2]溶液中存在着两个电离平衡，在通电情况下H[+]离子和Cu[2+]离子移动到阴极，Cu[2+]离子比H[+]离子易得到电子，预测在阴极有Cu析出。OH[-]离子和Cl[-]离子移动到阳极，两种离子的失电子能力不好判断，于是就有两种可能：如果是OH[-]离子失电子，应该有氧气生成；如果是Cl[-]离子失电子，应该有Cl[，2]生成。而实验的结果是有Cl[，2]生成，从而得到Cl[-]离子比OH[-]离子失电子能力强的结论。（3）电解NaCI溶液的探讨。按照（2）的思维和结论，学生自然就会推断出在阳极可能得到氯气，在阴极可能得到氢气。通过这样的学习活动，既有利于学生将有关的氧化还原反应知识和事实加以统整，又能培养学生运用已有知识自主解决新问题的能力。
3.忽视了科学思维模型的建构
科学思维模型是学生进行科学探究的一个关键因素。不同类型的问题需要进行不同的探究。（注：美国国家科学教育标准.科学技术文献出版社，1999）类似的问题具有类似的探究模型，问题类型不同其探究模型也就不同，因此科学学习需要建立相应的科学探究模型。现行教学大纲或课程标准没有明确地提出思维模型的建构，教师在教学中也没有将思维模型建构作为学习内容，这就必然导致学生不能形成科学的思维模型，在解决问题时表现出思维的无序性。
（二）对策
氧化还原反应是化学的核心知识，也是中学生必须形成完整性理解的重要内容，针对上述现存问题，我们认为，氧化还原反应的课程建设与教学实施需进一步考虑以下几点策略性建议。
1.阶梯性理解建构策略
氧化还原反应是在电子作用的层次上对化学反应的本质揭示，它对于物质结构及其转化研究具有极强的理论价值，应该注重学习的理解性。只有形成科学的理解，才能产生科学的思维，从而进一步指导科学的探究和问题解决。化学反应在微观层面是原子之间的重新组合，原子之间的这种组合本质上是原子对电子的作用关系（转移、偏离、共用）。学生对于这一作用关系的不断深化理解应该是化学学习的一条学习主线。也只有从电子转移或偏离的角度认识和理解宏观化学物质的转化，才能产生进一步相关学习的迁移。
氧化还原反应不是一个静态的概念和原理，它具有深刻的内涵和广博的外延，并且随着经验的积累，内涵和外延均在不断丰富。在课程建设与教学中，要注重发掘知识之间的本质联系，并以此为基础网络化地组织知识内容，达到对知识的不断完整性理解。
中学生需要在宏观经验不断积累和微观理解不断深化的相互交替中理解知识间的本质联系，提高综合解决问题的能力。中学生的理解性建构可分为以下三个阶段：
（1）经验积累阶段。学生在有氧参加的氧化反应、燃烧、缓慢氧化等氧化还原反应学习的经验基础上，从得氧失氧角度初步理解氧化还原反应。
（2）深化理解阶段。从得氧失氧角度深入到电子得失角度理解氧化还原反应实质。学生要能将氧化还原反应中可观察到的宏观现象、反应中电子的微观运动以及化学方程式表示的客观事实有机地联系起来，在阶梯性的发展过程中达到相对完整统一的科学理解。
（3）模型化阶段。在深化理解的基础上，学生通过参与具体科学探究，形成科学的思维模型。
2.指导探究策略
一切科学探究必须在科学概念和原理的指导下进行，离开科学概念和原理指导的活动是盲目的，不能称为科学探究，学生必须理解并积极参与科学概念和原理指导下的科学探究，才能真正提高科学探究的能力。在课程建设与教学过程中，要努力给学生创设运用概念和原理指导科学探究的情境，这样才能真正将科学理解和科学研究结合起来，有效培养学生的科学探究能力。以氯气实验室制法为例，课程设计不应该只给出反应原理，较为科学的课程设计应该是以制备氯气的原理设计为问题，引导学生进行以下探究：（1）制备氯气为何需要选择含有氯元素且来源较为容易解决的物质形态？（海水中含有较多的氯化钠）（2）氯离子转变为氯气是一个什么样的过程？（氯离子被氧化）（3）实现该转化需要选择别的何种物质？（氧化剂）（4）你所知道的氧化剂有哪些？（5）如何进一步说明实验室利用二氧化锰和浓盐酸制备氯气的理由？学生只有经历这样的探究，才能真正领悟到所学理论的指导价值，知识也才能发生有意义的迁移。
3.模型化策略
根据不同的问题类型建立相应的科学思维模型，是培养学生问题解决能力的必然要求。一般来说，在相关理解具备的条件下，类似的科学探究模型可以发生迁移，具有创造功能。课程的建设和教学实施以氧化还原反应为核心可以考虑六个思维模型的建构。
（1）物质性质的探究
通过分析单质或简单的单原子离子的原子结构或在周期表中的位置，推断其还原性或氧化性强弱及可能发生的化学反应，如Na、N[，2]、I[-]、S[2-]等性质的探究；通过分析复杂分子或离子的组成元素的化合价状态以推断其性质，如对H[，2]O[，2]、NH[，3]等性质的探究。
（2）物质制备的探究
以制备物质为目标，选取含有相应元素易得形式的原料物质，分析原料物到目标物转化的本质，寻求反应物。如实验室中Cl[，2]的制备，首选经济易得的原料NaCl，然后依照其化合价变化选择强氧化剂MnO[，2]或KMnO[，4]。
（3）物质检测及转化原理设计的探究
分析要检测的物质是否具有氧化性或还原性，然后依其性质选择具有还原性或氧化性的物质，同时考虑转化的易观察性（如颜色变化）。如食盐中KlO[，3]的检测，分析发现KlO[，3]具有氧化性，故应选一种具有还原性的物质来检测其是否存在，又因为I[，2]的状态最易观察，所以可以利用归中反应，选择具有还原性的KI作为反应物。
（4）推断未知物的探究
依据氧化还原反应中化合价有升必有降的原理，可首先推断未知物的大致范围。如在久置氯水与新制氯水差异的情境中，学生通过宏观观察判断出氯气与水发生了反应，可利用氧化还原反应原理分析出基本产物。首先根据氯气发生反应要得电子，分析出有Cl[-]形成，再经过进一步分析，排除了氧元素、氢元素在这一反应中化合价升高的可能性，得出只有氯元素价态有升高的可能的结论。
（5）原电池、电解池原理的探究
将一个能自发进行的氧化还原反应分成氧化和还原两个半反应，氧化反应做负极反应，还原反应做正极反应，构成回路即可得原电池。电解池中阳极发生氧化反应，失去电子，阴极发生还原发生，得到电子，依此设计金属的防腐方案或电镀方案等。
（6）定量分析的探究
分析待测物的性质，选取相应的已知浓度的氧化剂或还原剂进行直接或间接滴定，依电子守恒进行定量推断。如要测定软锰矿中MnO[，2]的含量，分析发现MnO[，2]有强氧化性，因而可选择有还原性的H[，2]C[，2]O[，4]与其反应，等等。