基于“化学元素观”建立的教学设计——以“单质碳的化学性质”为例.pdf

60化学教与3年第1 2 期化学教与学教学设计研究基于“化学元素观 建立的教学设计以“单质碳的化学性质”为例张晋！魏垂社？张贝贝3（1.乌鲁木齐市第41 中学新疆乌鲁木齐8300002.新疆师范大学附属中学新疆乌鲁木齐830000；3.新疆师范大学化学化工学院新疆乌鲁木齐830000)摘要：“化学元素观”是中学化学核心观念之一。在“单质碳的化学性质”教学实践中，围绕氧元素在反应中的得与失，展开产物预测、实验验证、模型建立等教学环节，不仅展现化学是讲“理”的学科，更能培养“化学观念”“科学思维”和“科学探究与实践”等学科核心素养。关键词：化学元素观；氧化还原反应；碳的还原性文章编号：1 0 0 8-0 5 46(2 0 2 3)1 2-0 0 6 0-0 4中图分类号：G632.41文献标识码：Bdoi:10.3969/j.issn.1008-0546.2023.12.013元素的概念是化学学科最基本的概念之一，既是认识宏观物质的基础，又有联系微观粒子的功能。从元素的视角学习化学知识主要体现在三个方面的含义：一是对元素本身的认识，包括什么是元素、元素的种类、元素的性质等；二是从元素角度看物质，具体包括元素组成与物质的分类、性质有何关系等；三是从元素角度看化学反应，即元素与化学反应有何关系，在化学反应中元素种类是否发生变化等。因此，“化学元素观”的建立是伴随相关化学知识螺旋式递进的，是在化学知识认知积累和化学元素观发展的交互过程中形成的。笔者以“单质碳的化学性质”教学设计为例，探讨如何在教学中培养学生从元素的角度认识物质性质和化学反应，探讨认识物质性质和化学反应的科学思路与方法。一、教学内容及教学现状分析氧化还原反应在我们周围随处可见，从天然气的燃烧到火箭的发射，从炭的燃烧到金属的冶炼，氧化还原反应对人类社会的发展起到巨大的推动作用，对氧化还原反应认识的过程就是化学科学的发展史。对此，人教版九年级化学教材先后在第二单元课题2“氧气”教学内容中设置了狭义的氧化反应，在第六单元课题1“金刚石、石墨和C6”中设置了还原反应。然而在部分初中教师的教学观念中，氧化还原反应的地位无足轻重，其教学内容空洞，缺少能让学生产生感性认识的体验活动，教学过程多以单一的讲授为主。这与氧化还原反应知识在整个化学课程中的重要地位是不相匹配的。具体到“单质碳的化学性质”这一节教学内容，教材重点呈现了单质碳的化学性质和实验验证等内容。笔者在阅读教材和一些教师交流后发现，这部分内容在教学时存在以下几个问题：（1)知识点碎片化，缺少恰当的理论统领。碳的化学性质包括碳在常温下性质稳定，加热时可以与氧气、某些氧化物反应，涉及多个化学反应。因此，没有合适理论统领，只会加大学生的记忆负担，使学生误认为化学的学习重在记忆。（2)缺乏合适的探究实验。炭燃烧时氧气量难以控制，产物为无色气体，使实验探究难以开展。碳与氧化铜反应温度较高，开展学生实验存在潜在的危险，多以演示为主，这使得学生在学习碳的化学性质时缺少体验感和互动性，难以激发学生的学习兴趣，更无从谈起创新思维的培养。（3)割裂系统概念。将氧化反应和还原反应设置在不同的单元，是考虑学生的认知发展规律，但在初中阶段没有将二者统一，不利于学生多角度认识物质性质和化学反应，培养学生化学观念。二、教学设计的改进要点为解决上述问题，采取了如下教学改进：61化牛3年第1 2 期化学教与学教学设计研究(1)从元素氧的视角统一单质碳的性质。在中学阶段氧化还原反应经历三个认识阶段：基于得失氧的狭义氧化还原反应、基于化合价变化特征的氧化还原反应和基于电子得失（偏移）本质的氧化还原反应。以氧元素为统领，通过氧元素转移的讨论，归纳、总结、抽象继而建立反应模型，实现碳单质化学性质的统一，培养学生认识物质性质和化学反应的科学思维。(2)从氧元素的视角开展碳与氧化铜反应的实验探究。在碳与氧化铜的实验部分，从碳燃烧得氧的视角，迁移预测、实验设计、证据推理等环节。在理论推导和实验验证的探究活动中，提升学生的思维深度和创新意识，体验化学实验探究的思路与方法，落实“科学探究与实践 的核心素养。（3）从得失氧元素的视角实现氧化还原反应概念的统一。从得失氧的视角，实现氧化反应和还原反应的辩证统一，建立氧化还原反应模型并应用反应模型，从而体验学习化学反应的思路与方法，落实“科学思维”的核心素养。三、教学目标（1)通过对碳与氧化铜反应的探究，学会从物质变化和元素视角认识化学反应，初步感受认识化学反应的思路与方法。(2）通过对碳与氧化铜反应实验的探究，知道从问题和假设出发确定探究目标，设计实验方案、获取证据、形成结论等科学探究的方法与思路。（3）通过狭义的氧化还原反应模型的建立和应用，体验模型在学习中的重要作用。(4)通过氧化反应概念的建立过程，体会比较、分类、综合、归纳等方法在认识物质性质与化学反应中的作用。四、教学过程1.鉴赏古画，创设情境【情境创设】溪山雪意图由“南宋四大家”之一的刘松年所作，全卷纵41 厘米，横2 41.3 厘米，画卷描绘雪后溪水两岸的平坡低岗、桥屋村舍、乔松岩壑、泉流舟等景物，其局部图中还描绘了众人在庭院内烤火的场景，如图1 所示。古代书法家绘画用的墨和冬天取暖燃烧的木炭，主要成分都是碳。千年字画得以完整保存，说明碳稳定，木炭易燃烧却又说明碳不稳定。为什么碳的性质表现如此大的差异？图1溪山雪意图的局部【学生活动】碳的化学性质在常温下稳定，在加热时容易燃烧，这说明了碳的化学性质与反应条件有关。【提出问题】碳燃烧有两个反应，从元素的角度如何理解碳的燃烧反应？设计意图：此环节基于学生已有生活经验和木炭燃烧的化学事实，从碳在常温下性质稳定和高温下容易反应的认知冲突，继而认识到化学反应是在一定条件下发生的。从元素碳得氧角度分析碳燃烧的化学反应，旨在为过渡到碳与氧化铜反应的探究活动作铺垫。2.实验探究，拓展认识【教师提问】碳可以夺取氧气中的氧元素，那么碳能否夺取氧化物中的氧元素，以碳与氧化铜反应为例，猜想该反应的生成物，依据是什么，如何验证产物（提示：氯化钯试纸可用来检验CO）。【学生活动】从碳可以得氧的角度猜想C与CuO反应可能的产物有三种，整理于表1，并猜测C与CuO反应的产物应与二者的质量有关，提出用澄清石灰水检测CO2,用教师所提示的氯化钯试纸检测CO。62化3年第1 2 期化学教与学教学设计研究表1学生猜想与理由产物理由猜想一Cu.Co一个CuO微粒中只含有一个O,因此只能生成一个CO，C u O 则失去O变为Cu猜想二Cu、C O,C O 2C燃烧可能生成CO和CO,两种产物，因此C与CuO的产物可能同时含有CO和CO2,CuO则失去O变为Cu猜想三Cu、C O 2C首先夺取一个O变为CO,CO继续夺氧变为COz,CuO则失去O变为Cu【实验验证】为了节约加热时间和现象明显，采用如图2 所示的装置，完成演示实验。C+Cuo挡风罩澄清石灰水图2用于演示实验的装置图【实验结论】碳与氧化铜反应可以生成铜单质和二氧化碳，也可能生成铜和一氧化碳。设计意图：此环节主要是锻炼学生利用已有知识，主动建构狭义的还原反应。通过对碳与氧化铜反应的猜想、实验验证、证据推理、得出结论，感受研究物质性质和化学反应的科学方法；同时利用碳与氧气反应有一氧化碳和二氧化碳的事实，提出碳与氧化铜反应也有一氧化碳生成的猜想，培养学生的创新精神。缺憾是受学生知识水平和实验条件的限制，不能对红色产物继续探究。因此在课后让学生利用网络查询相关知识，完成设计实验方案，证明可能的反应产物。3.建立模型，拓展应用【提出问题】已知碳与氧化铜能生成二氧化碳和铜，请同学们尝试完成碳与氧化铁，碳与二氧化碳的产物，并说明理由？能否找出所有反应的共同点？【学生活动】依据碳在反应中夺氧的这一特点，能完成碳与氧化铁、二氧化碳产物预测与分析。【师生活动】在方程式中表示出这一得氧过程，概括出碳的还原性，氧气和金属氧化物有氧化性，建立狭义的氧化还原模型，过程如图3 所示。点燃点燃C+O2CO2C+02CO20点燃点燃2C+022C02C+022C00C+2Cu9高温2Cu+2CO,C+2Cu0高温2Cu+2CO21还原性物质+氧化性物质一产物00高温03C+Fe20高温4Fe+3CO,T3C+Fe2034Fe+3CO,1人00C+CO2高温2C0C+CO2高温2C00得氧具失氧具有还原有氧化性物质性物质图3氧化还原模型构建过程【课堂练习】根据下列提供的物质回答问题：SO 2H,C O,?c o Fe O,Fe C u M g o C（1)从得氧、失氧的角度在上述物质中选出还原性物质和氧化性物质。(2)依据氧化还原模型预测可能的化学反应并完成方程式。设计意图：本环节的目的是让学生在建立模型的过程中体会比较、分类、综合、归纳等科学方法；在练习中丰富认识物质性质角度，实现对化学反应认识的进阶，为从类别认识酸、碱、盐的性质积累经验，同时为高中氧化还原反应学习打好基础。五、教学评价义务教育化学课程标准（2 0 2 2 年版）倡导实施促进发展的评价，改进终结性评价，探索核心素养立意的命题，科学设计评价工具，重视评价学生的化学概念、科学思维、科学探究与实践、科学态度与责任等63化学教与学教学设计研究核心素养。3 王磊等人经过多年的研究，构建了化学学科能力内涵构成及其活动表现模型，确立了“学习理解、应用实践、迁移应用”导向的化学学科能力要素及其表现指标。4 笔者研读义务教育化学课程标准（2 0 2 2年版）学业质量内涵和描述，借鉴“化学学科能力内涵构成及其活动表现模型”，编写本节教学内容的课时练习。学业质量、学习活动表现指标描述、学科能力、学科能力要求之间的关系表2 所示。表2表现指标学业质量学习活动表现指标描述学科能力学科能力要求能说出碳的物理性质、化学性质、实验现象，能写1.能从元素的视角辨识常见物质；能举例说明物出主要的化学方程式。知道单质碳日常生活中辨辩识记忆（A1）质的组成、性质和用途的关系；体会物质的性质及的具体实例应用与日常生活、科技发展的密切联系2.在探索化学变化规律情境中，能基于化学变化中建立碳的性质、反应、现象、应用之间的联系；以氧学习理解元素种类不变、有新物质生成且伴随能量变化的元素的得失建立碳的性质与化学反应的联系；建立概括关联（A2）特征，从宏观微观、符号的视角说明物质变化的现碳的应用和化学反应之间的联系象和本质；能依据物质类别及变化特征，预测与分析常见物质的性质和物质转化的产物；能体会化通过理论分析（得失氧）和事实证据（实验），论证说明论证（A3)学反应在金属冶炼等方面的应用价值碳的主要性质（碳的还原性）3.在实验探究情境和实践活动中，能运用物质检验利用碳的性质及转化关系，分析解释生产、生活和性质探究等实验探究的一般思路与方法，设计分析解释(B1事实，实现现象等问题简单的实验探究方案；能对观察、记录的实验现象利用还原性物质性质和研究碳的性质的思路与实践应用进行分析、处理，对实验证据进行分析和推理，得方法，推论或预测陌生的含碳元素的物质性质或推论预测(B2)出合理的结论实现现象4.能初步运用化学概念解释与化学相关的现象和事实；能将化学知识与生产、生活实际相结合创新迁移依据以上分析，完成了本节教学内容的课时练习。六、教学反思1.发挥化学实验在验证猜想中的功能碳还原氧化铜实验是学生学习碳的化学性质，理解“化学元素观”的重要手段和方式。在活动设计方面，一方面展开反应预测，小组讨论，使得碳与氧化铜反应学习过程成为一个有意义的建构过程。另一方面以实验事实为依据，根据实验的观察，引发学生思考：碳在反应中发生了什么变化？产物有什么可能性？如何验证产物？与碳的燃烧有何异同？由此引导学生基于实验事实进行分析、推理，获得相应结论，使学生的认识从感性走向理性。2.重视新旧知识在提升思维进阶中的作用在课堂练习设计中，采用学生已知与氧气反应的物质，利用具有氧化性、还原性新的分类标准认识物质，改变认识物质性质的视角；在选项中加人金属氧化物，拓展认识碳单质得氧的宽度，感受“化学元素观的价值，实现学生思维的进阶。化学教与学2 0 2 3 年第1 2 期3.厘清教材及课标对课堂教学的要求氧化反应和还原反应是现行九年级人教版教材的内容，但无论是2 0 1 1 版还是2 0 2 2 版义务教育化学课程标准的要求都较低，对两者的统一更是没作要求。教材是我们依靠的知识源、素材源，课标是教师教学的依据，我们要能依据学科教学知识，以具体学科知识为载体，实现学科知识、学科能力和学科素养的统一。参考文献1何彩霞.围绕“化学元素观”展开深入学习一一以“水的组成 教学为例J.化学教育（中英文），2 0 1 3,3 4（4)：3 6-3 9.2潘宏宜，陈雪萍.碳还原氧化铜反应装置改进及实验探究J.化学教学,2 0 1 8(1):7 1-7 5.3中华人民共和国教育部.义务教育化学课程标准（2 0 2 2 年版）S.北京：人民教育出社，2 0 2 2.4马佳，梁凯，王澜，谢佳君，张晓红.基于化学学科能力的高三教学评一体化设计J.化学教育（中英文）,2 0 2 2,43(16):65-75.