基于“模型认知”的氧化还原反应教学研究
王澄 孟献华
摘要：在化学基本概念教学中，以“模型认知”为学科思维方法，关注学生对核心概念的认知程度和思路，给出高一化学“氧化还原反应”的教学案例，引领学生模型认知，树立学生模型意识，为指向化学学科核心素养的高中化学概念教学提供参考。
关键词：模型认知;学科核心素养;氧化还原;概念教学;证据推理
文章编号：1008-0546（2021）02-0034-05 中图分类号：G632.41 文献标识码：B
doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2021.02.009
2017年版的普通高中化学课程标准基于经验和理论的有机融合，提炼了化学本质特征，建构了学科核心素养的内容及发展水平体系。“模型认知”是学科核心素养的思维核心。课程标准提出了“模型认知”的释义，即“通过分析、推理等方法认知本质特征、构成要素、相互关系，建立模型”。这说明了在化学概念教学中需要充分基于“模型认知”展开教学，揭示概念的本质和发展规律，解释化学现象。相对于学科核心素养的其他维度而言，一线教师研究者对“模型认知”的理论定义和内涵解析并未形成统一的见解。本文结合课程标准（2017版）和已有相关文献，在解析“模型认知”涵义的基础上，应用模型认知进行教学实践、开展实验探究、建立知识体系，利用模型认知突破概念教学的困难点、评价学生学习效果，探寻氧化还原教学中的认知模型及建构途径，形成引领学生模型认知的主要策略。
一、“模型认知”的内涵解析
《辞海》中认为“模型”是具有原型相似特征的替代物，是系统或过程的简化、抽象和类比。“原型”是指客观存在的客体，根据原型的不同方式，将模型分为物质模型和思想模型两大类。“认知”作为科学术语释义是指人认识外界事物的过程，它包括感觉、知觉、记忆、思维、想象、言语。分析课程标准（2017版）对“模型认知”的释义和“中国知网”相关文献语境，“模型认知”的涵义是指基于“模型”的“认知”，这里的“模型”并不仅仅是狭义的实物模型，还是一种重要的科学操作和科学思维。与之相对应，课程标准将“模型”分为“物质模型”和“理论模型”。
“物质模型”可理解为实物模型，这类模型是以原型为基础，利用按比例放大或者缩小的物化过程，对原型进行模仿建构，能以实物或者图形的形式呈现，例如课堂中常用的球棍模型、比例模型、杂化轨道模型、工业制备的设备模型等，这类模型的优点是直观形象地反映了原型的本质特征，有利于学生对原型的可视化理解。
“理论模型”可理解为与科学操作和科学思维的结构化表达，常常包括语义模型、思维模型、数学模型等。语义模型是指用特定的化学语言描述的模型，如概念、原理、规律的表达模型，也包括元素符号、结构示意图等特定化学抽象模型;思维模型是指概念理解的思维过程，如概念体系模型、概念关系模型等;数学模型是指用数学语言描述的模型，如描述离子放电顺序的数轴模型、描述不同物质间化合价变化的坐标模型、化学反应方程式的等式模型等。其相互关系如图1所示。
二、基于“模型认知”的氧化还原反应教学分析
1.氧化还原反应的教学模型分析
氧化还原反应是化学基础理论的重要组成部分，是由化学现象、事实抽象出来的化学核心概念。氧化还原反应涉及的概念包括氧化还原反应（上位概念），被氧化和被还原、氧化剂和还原剂、氧化性和还原性、氧化产物和还原产物（下位概念）。基于模型认知的氧化还原反应的设计核心，是将模型认知融入概念教学的每个环节，分析氧化还原概念形成中的逻辑关系，对比概念的不同定义，领会论证推理的学科思维，形成科学观念。设计的理论基础在于，学生对概念的理解过程很大程度上和氧化还原概念的形成过程具有一致性，经历了宏观到微观到本质的认知过程。课堂教学按照学生概念形成的过程设计，能更有效地实现朴素概念到科学概念的转换（图2）。
基于物质的氧化还原：历史上第一次使用“还原”是描述将金属从矿石分离出来的过程，在这个过程中矿石材料的质量在减少（单词“reduction”兼有“减轻”“减少”“还原”的意思），所以化学家将这个过程称为reduction（还原过程）。早期的“氧化”是描述物质和氧气结合生成氧化物（oxide）的过程，所以这个过程称为oxidation（氧化过程）。
基于元素的氧化还原：化学家意识到有其他非金属单质也有与氧气类似的反应，认为原子的氧化数为0，离子的氧化数为该离子所带电荷数，元素的氧化数增加的过程为氧化过程，氧化数减少的过程为还原的过程，在反应过程中氧化数有升高必然有降低。
基于微粒的氧化还原：现代化学中氧化反应是指物质失去电子的反应，还原反应是指得到电子的反应。由于电子是从一个微粒转移到另一个微粒，因此反应过程中氧化反应和还原反应同时发生。
对高一学生“氧化还原反應”学习前的已有认知调查表明，沪教版上册125页定义金属和氧气反应生成金属氧化物的过程叫氧化，金属氧化物和一氧化碳等物质反应生成金属的过程叫还原。学生认为和O2发生的反应为氧化反应，H2、CO等是还原剂，能还原金属氧化物，这和最早期的氧化还原的定义的一致的。高中化学1第5页定义有化合价的变化的反应为氧化还原反应，高一学生能通过化合价变化判断氧化还原反应，但不能跟初三已有的氧化和还原之间建立联系。由此可见，学生在学习这个概念之前已经形成了原有孤立的思维模型。如何帮助学生建立涵义拓展、对立统一的氧化还原观是本节课需要解决的重点问题。
课程标准也对《氧化还原反应》提出相应建议：以氧化还原理论建立史料为情境素材，认识化合价变化的反应是氧化氧化还原反应，了解氧化还原反应的本质是电子的转移，知道常见的氧化剂和还原剂。基于三种模型的一致性分析，结合课程标准，形成了解决重点问题的教学模型：以氧化还原概念变化为线索进行教学设计，用微型实验再现朴素孤立的氧化还原观，对比分析化合价变化形成对立统一的氧化还原观，实验探究电子转移强化内涵本质的氧化还原观（图3）。
2.基于“模型认知”的氧化还原教学过程教学过程如表1所示。
三、基于“模型认知”的氧化还原教学反思
1.学科知识模型的深入理解
学科知识模型的建构强调对知识的理解而非记忆。氧化还原反应是苏教版高一化学1第44页内容，本节课是氧还原反应教学的第一课时，教学内容的基本成分是：（1）氧化还原的概念、特征、本质;（2）氧化还原反应、氧化剂还原剂、氧化性还原性、氧化产物还原产物之间的相互关系;（3）用双线桥法表示电子转移。教学基础是初三化学对于氧化还原的会意朴素的定义。第2课时的氧化还原方程式配平、化学2中的《原电池》《电解池》及高二《化学反应原理》中的电化学都需要本节内容的学科知识和思维方式。从科学史料出发，基于宏观实验现象推理初三原始模型，用微观化合价推理对立统一的氧化还原观，基于探究实验推理微观本质模型。本节课也为后续的学习提供了参考，实物模型和理论模型在后续的学习中不断彰显应用价值。
2.学生认知模型的建构策略
基于认知模型的概念教学首先要帮助学习者树立模型意识，很多时候学生在学习中已经运用了模型而不自知。学生认知模型的建构要求教师对认知模型的特点、类别、作用有一定的了解，能根據课标要求、教学内容、实际学情将学科知识和思维方法模型化，引导学生用恰当的模型来解决问题，用各种形式显化相应模型，指导学生根据自己的理解表达模型。本节课需要学生形成涵义拓展的氧化还原反应观，能表达模型中的“有得必有失，得失相等;有升必有降，升降等量”的认知模型。在教师指导下，学生根据自我认知形成不同的氧化还原建构模型，不同个体对同一概念的模型建构的关注点不同，对氧化还原反应的认知模型也有差异，形成不同的模型表达。对于不同的学习个体，教师应该肯定学生用适合自己的方式进行表达，从而让学生乐于建模，勤于建模。
3.教学设计模型的有效实施
在教学过程中建立氧化还原认知模型，需要理解化学学科思想和核心观念，表现概念建立的逻辑认知，建立相互关联的概念群，培养学生逻辑推理的思维过程。教学设计模型的有效实施是对课标提出的模型认知进阶的教学呈现：教学设计实施过程中将氧化还原的科学史实和理论模型之间进行关联和合理匹配（水平1）;从基于物质的氧化还原到基于元素的氧化还原，到基于微粒的氧化还原，从不同的视角分析问题，形成合理模型，并论述其个性化模型表示的具体含义（水平2）;利用双线桥完成对氧化还原定性认识到定量分析的转化，学生个体能对片面理解进行评价和改进（水平3）;基于理论进行猜想，寻找充分证据，理解实验现象和结论之间的关系;针对生活情境中的化学问题进行分析以建构相应模型（水平4）。在教学中利用板书（如图4）恰当呈现教学设计模型的结构化生成。
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