基于“隨機進入教學”的得失電子守恒規律的應用
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[摘 要]基于“隨機進入教學”思想，從得失電子守恒規律的基本認識與應用、在具有“中間態”的反應體系中的應用、在多氧化還原反應體系中的應用等層次和角度，設計與解決高中氧化還原反應相關問題，引導學生“隨機進入”，促其實現對氧化還原反應中得失電子守恒規律的深度學習，建立變化與守恒觀念，培養核心素養。
[關鍵詞]隨機進入教學;得失電子守恒;氧化還原反應
[中圖分類號] G633.8 [文獻標識碼] A [文章編號] 1674-6058（2019）14-0067-04
“隨機進入教學”又稱隨機通達教學，是基于認知靈活性理論的一種教學模式。20世紀90年代，美國學者斯皮羅等人提出認知靈活性理論。認知靈活性，是指通過多種方式，并從不同的角度來重建自己的知識，從而能夠對變化的情境領域做出適當反應[1]。由于概念知識本身內在的復雜性、概念事實之間錯綜復雜的聯系性、概念知識與實例之間的差異性，想要對事物的概念有全面深刻的理解是很困難的。處于認知發展階段的學生，往往以單一的視角看待事物，對事物及其所處環境的認識并不全面，對事物的認識大多是不成熟、不完善的，有時對事物的片面認識甚至會導致錯誤的認知。基于認知靈活性理論的隨機進入教學，強調針對同一內容多次進入，從不同角度實現對知識的意義建構，讓學生認識到知識的不同側面，不斷地更新、完善學生已有的認知結構，從而能夠讓學生針對變化的情境提出適宜的問題解決策略，最終實現對該內容的深度學習[2]。
氧化還原反應是高中化學的核心知識，該部分內容的學習對于學生認識化學反應規律有重要意義。氧化還原反應的本質是電子的得失或共用電子對的偏移，在氧化還原反應中，氧化劑得到的電子總數與還原劑失去的電子總數相等，即得失電子守恒?！暗檬щ娮邮睾恪笔菍W生認識、分析與解決氧化還原反應相關問題的重要思維模型，是培養學生“變化觀念與平衡思想”以及“證據推理與模型認知”化學學科核心素養的重要載體。因此，如何通過變化的問題設計，引導學生多角度、多層次地認識氧化還原反應中“得失電子守恒”，逐步牢固建立與靈活運用得失電子守恒規律是氧化還原反應教學中的重要問題。
通過對歷年考題的分析發現，“得失電子守恒”也是高考考查氧化還原反應相關問題的一個重點。例如，氧化還原反應中物質的化合價、氧化劑與還原劑的化學計量數之比，以及在多個反應存在的復雜反應體系中有關物質的量的計算等考查內容均涉及對得失電子守恒規律的深入認識與靈活運用。結合課程標準要求與高考相關問題的分析，設計三層次氧化還原反應相關問題，引導學生從多角度“隨機進入”，從而實現對氧化還原反應中得失電子守恒規律的深度學習。
一、得失電子守恒規律的基本認識與應用
氧化還原反應中還原劑失去的電子總數等于氧化劑得到的電子總數，等于電子轉移總數。通常也可以理解為氧化劑化合價降低總數與還原劑化合價升高總數相等，可用下列等式表示：
n（氧化劑）×（變價原子個數）×（化合價變化數）= n（還原劑）×（變價原子個數）×（化合價變化數），其中n代表參加反應的氧化劑或還原劑的物質的量。
創設問題情境，給出氧化劑、還原劑、氧化產物、還原產物中任意三種物質化合價、化學計量數等相關條件，就可以求得另外一種物質的化合價或者化學計量數等。這類問題用于考查與訓練學生對得失電子守恒規律的基本認識與應用。
解析：得失電子守恒規律首先是指氧化劑、還原劑、氧化產物、還原產物之間的得失電子守恒。而這四類物質在反應前后均有元素化合價的變化，因此得失電子守恒又指有化合價變化的元素之間的守恒。該問題中，氧化劑為[SO2]，其中[S]的化合價為+4價;還原劑為[Na2S]，其中[S]的化合價為-2價。氧化產物和還原產物均為[Na2S2O3]，其中[S]的化合價為+2價，根據得失電子守恒，則有[n（SO2）×（4-2）=n（Na2S）×[2-（-2）]]，可以得出氧化劑與還原劑的比值為2∶1，答案為A。
例1中通過已知的氧化劑或還原劑反應前后核心元素化合價的變化，運用得失電子守恒規律，可以求得物質的化學計量數之比，因此得失電子守恒規律也是對氧化還原反應方程式進行配平的基本方法之一。同時，此問題也可讓學生意識到不僅不同種元素間存在著得失電子守恒，同種元素不同化合價間也存在著變化守恒。例2可使學生認識到，得失電子守恒規律的適用范圍不局限于反應方程式的配平，通過已知氧化劑、還原劑、氧化產物的化合價以及參加反應的物質的量，運用得失電子守恒規律，還可求得還原產物中元素的化合價。事實上，根據氧化劑化合價降低總數等于還原劑化合價升高總數，還可以求得參加反應的氧化劑或還原劑的質量或物質的量等。
二、得失電子守恒規律在具有“中間態”的反應體系中的應用
對于有多個反應存在的反應體系來說，存在初始物質被還原（被氧化）生成中間價態物質，并且在經歷了不同的反應過程之后，中間價態物質又全部被氧化（被還原）變成原來初始物質的反應過程?？v觀這兩個反應過程，初始狀態和最終狀態下物質的化合價并沒有發生變化，但這兩個反應過程中同樣存在得失電子守恒。這就需要學生在單一氧化還原反應得失電子守恒的基礎上，在多個反應的聯系中建立得失電子守恒的觀念。
取已加過一定量[CaO2·8H2O]的池塘水樣100.00 mL，按上述方法測定水中溶解氧量，消耗0.01000 mol· [ L-1][ Na2S2O3]標準溶液13.50 mL。計算該水樣中的溶解氧（用[mg·L-1]表示）。
解析：學生在解答這類問題時，通常要先寫出每個反應的反應方程式，再根據各個反應間的關系，建立起關系式。根據題意可知，在該反應體系中存在以下幾個反應： 根據反應方程式可建立關系式：
通過建立的關系式可求得氧氣的物質的量。但是運用這種方法解答該類問題時，學生要能夠準確寫出反應方程式（配平復雜），梳理反應物與生成物的關系，建立關系式，然后再逐步求解。該解決問題的過程較為復雜，容易出錯。
例3和例4設計了有中間態存在的問題情境。例3是對具有多個中間態過程的得失電子守恒規律的考查。通過參加反應的中間態物質在兩個反應過程中的變化與守恒，即元素化合價變化守恒以及參加反應的物質的量守恒，來認識反應體系中的得失電子守恒規律。例4是在例3的基礎上的進一步提升。當反應體系中，中間態物質無法確定，并且中間態物質涉及的反應過程復雜多樣時，運用得失電子守恒規律能夠獨辟蹊徑，把握問題實質，快速有效地解決復雜的氧化還原問題，并逐步建立解決這類問題的思維模型。
三、得失電子守恒規律在多氧化還原反應體系中的應用
當反應體系中存在著多個可能進行的氧化還原反應時，存在比較復雜的競爭關系和反應量的關系，但反應的最終結果仍然遵循得電子總數等于失電子總數，得失電子守恒規律依然適用。這就要求學生能夠梳理多個反應的得失電子數目關系，以及整個反應過程的得失電子總數間的關系，能夠從部分與整體的視角來認識得失電子守恒。同時對于存在連續反應的復雜反應體系，借助方程式疊加的方法，能夠讓學生認識到在反應體系中存在著初始與最終狀態間的得失電子守恒。
學生在解答該類習題時，通常先根據題意寫出可能發生的各個反應的反應方程式;再設未知數表示參加反應的鐵、硝酸鐵的物質的量;最后根據題中已知條件，建立關系式進行求解。運用常規方法解題，要求學生能夠正確分析題意，運用質量守恒、原子守恒規律建立起物質之間的關系式，步驟煩瑣且容易出錯。而運用得失電子守恒規律能夠對該類問題進行簡化處理，運算簡單。為了能更好地辨析多個反應間的得失電子守恒，可對該反應過程中存在的反應方程式進行疊加，運用終態法進行求解。
例5和例6均涉及復雜反應體系中得失電子守恒規律的運用。通過例5，先讓學生從單一反應間存在的得失電子守恒入手，建立總的反應過程中的守恒關系，在此基礎上引導學生直接從總反應過程的初始與最終狀態建立得失電子守恒關系。運用得失電子守恒規律，從多個視角進行分析與解答，加深了學生對該守恒規律的認識和理解。而例6是對例5的進一步延伸與拓展。通過方程式疊加，便于直觀理解反應體系中存在的得失電子守恒規律。運用終態法有助于學生認識整個反應體系中初始與最終狀態間存在著的得失電子守恒關系，對得失電子守恒多角度進入，深入理解得失電子守恒規律，建立得失電子守恒模型。
綜上，通過問題情境的變化，引導學生多次“進入”得失電子守恒規律，從而獲得對氧化還原反應中得失電子守恒規律的完整、深入認識。第一層次，是對得失電子守恒規律的基本認識與應用的考查。通過得失電子守恒，不僅可以確定反應物計量數之比，從而對氧化還原反應進行配平;同時運用得失電子守恒，還可以求得元素化合價、物質的質量等。第二層次是在對得失電子守恒規律有一定認識的基礎上，從局限在單一氧化還原反應中存在的得失電子守恒的認識，進階到對存在中間態物質的系列反應間的得失電子守恒的認識。通過“在兩個反應過程中存在著同一物質元素化合價變化相同，參加反應的物質的量也相同”，認識到這兩個反應間存在著得失電子守恒。第三層次是在第二層次的基礎上的進一步延伸，是從整體上宏觀地認識整個反應過程中存在的得失電子總數間的關系。通過對得失電子守恒多層次、多角度隨機進入，讓學生逐步建立得失電子守恒的思維模型，培養學生的化學學科素養。
不僅如此，在縱向上對同一問題還可以通過不同解答方式，對題目進行多角度分析。例如，例3可以運用待定系數法、電極反應式法等多種方式進行解答[3];例5可以從多個反應間存在的得失電子守恒、總的反應體系中初始與最終狀態存在的得失電子守恒等角度對得失電子守恒規律多次進入。另外，還可以針對同一題干進行多個不同角度的設問，進行多次進入，考查學生綜合運用知識的能力與思維的靈活性。又如例4，基于該題干還可以設置“若已知一氧化氮、二氧化氮以及四氧化二氮的物質的量之比，求該反應中消耗硝酸的物質的量”等問題。
[ 參 考 文 獻 ]
[1] Spiro，R.J.& Jehng，J.Cognitive flexibility and hypertext： Theory and technology for the nonlinear and multidimensional traversal of complex subject matter[A].D.Nix & R.J.Spiro （Eds.） Cognition，education，and multimedia： Exploring ideas in high technology[C].1990.163-205.
[2] 陳素余，蔡亞萍.論隨機進入化學教學[J].化學教學，2008（7）： 17-19.
[3] 姜廣勇.由一題多解歸納氧化還原反應計算題的解析方法[J].化學教學，2013（6）： 66-68.
[4] 季春陽，朱琳琳.基于學生與教師化學問題解決認知過程差異的教學啟示[J].化學教育，2016（19）： 21-25.
[5] 王文虎.《電子得失守恒法》解題探討[J].化學教育，2000（9）： 47.
注：王秋為本文通訊作者。
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