在“认知冲突”中系统认识氧化还原反应
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摘要：氧化还原反应的认识过程是循序渐进的。在不同阶段，通过预设和生成认知冲突，系统掌握氧化还原反应的特征和本质，学会配平技能，并比较有机化学氧化还原反应的不同之处。
文章编号：1008-0546（2013）02-0015-03 中图分类号：G633.8 文献标识码：B
doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2013.02.006
氧化还原反应知识贯穿高中化学始终，是中学化学教学的热点。由教材对该内容的设置可以看出，通过三年学习，使学生对氧化还原反应有一个相对完整的知识结构。而建构主义的理论认为，学生的学习不是知识由教师向学生的传递，而是学生自己主动建构知识的过程。这种建构不可能由他人代替，而在于学生自己通过新、旧知识经验之间反复的、双向的相互作用，来形成和调整自己的知识结构。预设认知冲突，会造成学生认知结构的不平衡，促使学生“愤悱”心境的形成，有利于激发学生思维，重新建构并完善知识体系。
认知冲突一般是指学生的原有认知结构与所学新知识之间无法包容的矛盾。学生在学习新知识之前，头脑中并非一片空白，而是具有了形形的原有认知结构。在学习新知识时，他们总是试图以这种原有的认知结构来同化对新知识的理解，当遇到不能解释的新现象时，就会产生认知冲突。氧化还原反应的认识过程是分阶段、循序渐进的。初中阶段学生已经学会从得失氧的角度分析氧化反应和还原反应，高中阶段则引入化合价升降和电子转移的观点，理解相关基本概念，学会简单氧化还原反应的配平，掌握电子守恒法的计算，甚至联系电化学知识。还在此基础上，以旧带新，从得失氢的不同角度来认识有机化学氧化还原反应。那么，怎样利用认知冲突来系统认识氧化还原反应呢？对此，笔者有以下几点粗浅的看法。
一、 设计认知冲突，引导学生找出氧化还原反应的外表特征
在高中学习氧化还原反应的知识前，学生已经学会了简单的分类方法及其应用，按反应物和生成物的类别以及反应前后物质数量的多少将化学反应分为四种基本反应类型，即化合反应、分解反应、置换反应和复分解反应。
联想实验事实，用澄清石灰水检验CO2的存在：CO2+Ca（OH）2=CaCO3 + H2O；回忆生产实际，炼铁高炉中发生的主要反应：3CO+Fe2O3 [=][高温]2Fe+3CO2，要求学生指出这两个反应的类型。经讨论分析它们不属于上述四种基本反应类型中的任何一种，学生自然对原有化学反应的分类方法产生认知冲突，进一步认为化学反应的分类肯定还有其他方法。此时，学生处于“愤悱”状态，有利于产生新的探究动机。
对于反应3CO+Fe2O3[=][高温]2Fe+3CO2，学生从得失氧的角度知道，CO得氧生成CO2是氧化反应，Fe2O3失氧生成Fe是还原反应。初中阶段学生认为，氧化反应和还原反应是彼此独立而相互隔离的。通过这个反应发现，氧化反应和还原反应是有联系的，“氧化”和“还原”是同一个事物的两个方面，我们就将这个反应称为氧化还原反应。
设问：“Zn+2HCl=ZnCl2+H2”是否属于氧化还原反应呢？多数学生认为肯定不是，因为反应中根本没有出现氧元素，哪来失氧和得氧？又一次认知冲突出现，教师不急于给出回答，引导学生分析“3CO+Fe2O3[=][高温]2Fe+3CO2”、“Zn+2HCl=ZnCl2+H2”这两个反应前后所含元素化合价的变化，提出可用化合价升降的观点来分析氧化还原反应。进而指出根据反应前后元素化合价是否改变将化学反应分为：氧化还原反应和非氧化还原反应。反应CO2+Ca（OH）2=CaCO3 + H2O中所含元素化合价没有变化，属于非氧化还原反应。这样的设置，符合学生的认知水平，一方面有利于学生学习新的知识，另一方面让学生明白，知识是发展的，要通过不断学习来加以完善。
接着，给出一组反应，指出反应的基本类型，并判断其是否属于氧化还原反应：
① S+ O2[=][点燃]SO2（化合反应，氧化还原反应）
② CaO + H2O=Ca（OH）2 （化合反应，非氧化还原反应）
③ 2KMnO4[=][]K2MnO4+ MnO2+ O2（分解反应，氧化还原反应）
④ CaCO3[[=][高温]]CaO+ CO2 （分解反应，非氧化还原反应）
⑤ Fe + CuSO4= FeSO4 + Cu （置换反应，氧化还原反应）
⑥2CuO + C[[=][高温]]2Cu + CO2（置换反应，氧化还原反应）
⑦AgNO3+HCl=AgCl+HNO3（复分解反应，非氧化还原反应）
⑧CaCO3+2HCl=CaCl2+CO2+H2O （复分解反应，非氧化还原反应）
通过本组习题讨论，既巩固了从化合价是否变化这个特征来判断氧化还原反应，又了解了氧化还原反应与四种基本反应类型的关系。
二、制造认知冲突，帮助学生揭示氧化还原反应的本质特点
教师要教会学生从现象到本质深层次理解和掌握知识。如对反应：2Na+ Cl2[[=][点燃]]2NaCl加以分析，从外表特征看，Na元素由0价升高到+1价，Cl元素由0价降低到-1价；从微观角度看，钠原子失一个电子变成Na+；氯原子刚好得到这个电子变成Cl-，由此可见电子得失是该反应的本质。
接着，要求学生写出氢气在氯气中燃烧的化学方程式（H2+ Cl2[[=][点燃]]2HCl）并指出反应的本质，大部分学生能迅速写好，且不加思索认为该氧化还原反应的本质也是电子得失，但也有少数学生提出质疑：“HCl分子是由氢原子和氯原子构成的，根本不存在离子，反应中不会有电子得失。”与已有认识相矛盾的认知冲突自然产生，学生探究“为什么”的欲望也就油然而生。氢原子要得到1个电子最外层才能达到2电子稳定结构，氯原子也要得到1个电子最外层才能达到8电子稳定结构，可问题是没有其他原子失去电子来给它们得到，如何解决呢？多数教师借助现代化工具，往往通过动画来形象直观说明。笔者举了这样一个事例：两个人合伙做生意，一个人出资70%，另一个人出资30%，虽然他们的收益是共有的，但是在分配时出资多的人获得的应该多一些。于是形象地说明了共价化合物中元素化合价也有正负之分，把共用电子对偏向某元素规定为负。电子转移包括电子得失和共用电子对的偏移，氧化还原反应的本质就是电子的转移。
即使这样，学生其实还会质疑：氧化还原反应进行的过程中真的有电子的转移吗？随着电化学的学习，便迎刃而解。原电池、电解池的两极分别发生了氧化反应和还原反应，电化学是建立在氧化还原反应基础上的。就拿大家熟悉的Zn—Cu原电池（锌片和铜片用导线相连，插入稀硫酸中，并在导线中间连接一个灵敏电流计）来说，锌片不断溶解，铜片上有气泡产生，电流计的指针发生偏转，充分说明反应中Zn失去的电子真的沿着导线流动到了铜片上，并与溶液中的H+反应，产生了H2气泡。
三、激发认知冲突，启迪学生比较有机氧化还原反应的不同之处
在学习有机化学之前，学生经过长时间无机化学的学习，对氧化还原反应的概念和原理有了一定的理解和掌握。有机化学中，仍然把有机物获得氧原子的反应叫氧化反应，把失去氧原子的反应叫还原反应。
当然，有机氧化还原反应也可从化合价升降的角度去分析，有机物中氢元素通常表现为+1价，氧元素表现为-2价，结合化合价法则就可推出碳元素的化合价，这与无机化学的观点并不矛盾。
四、生成认知冲突，提示学生抓住氧化还原反应的守恒关系
氧化还原反应的配平是高中化学教学中要培养学生的一项基本技能，也是各类考试的热点。一次课堂上笔者要求学生配平硫化亚铁能与浓硫酸反应的化学方程式，学生大致给出了以下4种答案：
① 2FeS+6H2SO4=Fe2（SO4）3+3SO2+2S+6H2O；
② 4FeS+18H2SO4=2Fe2（SO4）3+9SO2+7S+18H2O；
③ 6FeS+16H2SO4=3Fe2（SO4）3+6SO2+7S+16H2O；
④ 8FeS+18H2SO4=4Fe2（SO4）3+3SO2+11S+18H2O。
学生的认知冲突生成了：以前学过的氧化还原反应的配平只有唯一的系数，这四种配平都满足了原子守恒，这又是怎么回事呢？在这样的教学环节中，求知的欲望自然引发，此时，教师提示学生分析反应前后元素的价态变化，强调氧化还原反应的配平不仅要满足原子守恒，还要满足电荷守恒和得失电子守恒，仅有答案①满足得失电子守恒。于是教师因势利导提出，不仅氧化还原反应的配平要满足得失电子守恒，而且涉及氧化还原反应的计算时也要充分利用得失电子守恒。这样一来，学生对知识的理解更为透彻，教学更加有效。
由此可见，认知冲突有时不一定是课前预设的，也可以在课堂中生成的。“学起于思，思源于疑”，认知冲突是激发思维的第一步，思维的过程即是从认知冲突中发现问题、解决问题的过程。预设和生成认知冲突，无疑能够引发学生主动探索，发展学生的思维能力。
参考文献
[1] 陈玉乔. 化学教学中预设“认知冲突”的策略[J]. 中学化学教学参考，2012，（4）：17-19
[2] 苏建林. 新课程背景下“氧化还原反应”的教学策略[J].中学化学教学参考，2010，（11）：12-14