基于“物質(zhì)分類與轉(zhuǎn)化”觀念的教學(xué)

魏樟慶　楊益強(qiáng)

摘要：“物質(zhì)分類與轉(zhuǎn)化”是化學(xué)的核心問題，以“硫和含硫化合物的相互轉(zhuǎn)化”為例，建立“物質(zhì)是可以相互轉(zhuǎn)化的、物質(zhì)之間的相互轉(zhuǎn)化是有一定規(guī)律的”基本認(rèn)識，從元素的視角看物質(zhì)的分類與轉(zhuǎn)化，構(gòu)建物質(zhì)類別轉(zhuǎn)化和元素價態(tài)轉(zhuǎn)化的二維概念圖，整體設(shè)計了硫和含硫物質(zhì)相互轉(zhuǎn)化的教學(xué)案例。

關(guān)鍵詞：物質(zhì)分類與轉(zhuǎn)化；觀念建構(gòu)；元素觀；轉(zhuǎn)化觀；硫和含硫化合物

文章編號：1008-0546（2014）05-0005-03 中圖分類號：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2014.05.002

一、 從元素的視角看物質(zhì)的分類與轉(zhuǎn)化

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（實驗）》中指出，高中生應(yīng)認(rèn)識分類思想對化學(xué)研究的作用，并能根據(jù)物質(zhì)的組成和性質(zhì)對物質(zhì)進(jìn)行分類。物質(zhì)分類與轉(zhuǎn)化是化學(xué)的核心問題，對物質(zhì)進(jìn)行分類和研究物質(zhì)轉(zhuǎn)化的規(guī)律，既符合化學(xué)科學(xué)的發(fā)展規(guī)律，也符合學(xué)生認(rèn)知規(guī)律。

1. 化學(xué)的核心問題——物質(zhì)及其轉(zhuǎn)化

化學(xué)的核心問題是物質(zhì)及其相互轉(zhuǎn)化，化學(xué)科學(xué)認(rèn)識活動對其基本問題“物質(zhì)及其轉(zhuǎn)化”的認(rèn)識有2大基本任務(wù)：一是探尋“物質(zhì)及其轉(zhuǎn)化”基本規(guī)律，二是建構(gòu)“物質(zhì)及其轉(zhuǎn)化”的科學(xué)理論。

為了認(rèn)識豐富多彩的化學(xué)物質(zhì)及其轉(zhuǎn)化規(guī)律，化學(xué)學(xué)科采取了獨(dú)特的認(rèn)識視角——元素視角。物質(zhì)是由元素組成的，物質(zhì)按照元素組成可以進(jìn)行分類；組成相似的物質(zhì)，其化學(xué)性質(zhì)也相似，各類物質(zhì)的相似性，就是各類物質(zhì)的性質(zhì)研究模型。

為了解釋“物質(zhì)及其轉(zhuǎn)化”的事實和規(guī)律性，化學(xué)科學(xué)在認(rèn)同分子、原子等微觀粒子存在的基礎(chǔ)上建構(gòu)相關(guān)的化學(xué)科學(xué)理論。從內(nèi)容上說，化學(xué)科學(xué)理論有分子論、原子論、原子結(jié)構(gòu)理論、化學(xué)鍵理論、有效碰撞理論和碳共價鍵理論等。如圖1所示。

2. 物質(zhì)的分類

在自然界中，100多種元素形成了數(shù)千萬種組成、形態(tài)、性質(zhì)各異的單質(zhì)和化合物。面對種類繁多、變化復(fù)雜的物質(zhì)世界，化學(xué)家需要將眾多的物質(zhì)進(jìn)行分類，需要探索各類物質(zhì)間轉(zhuǎn)化的條件和轉(zhuǎn)化所遵循的規(guī)律。從元素的視角看物質(zhì)的分類。如圖2所示。

3. 物質(zhì)性質(zhì)的研究模型

同一類物質(zhì)在組成和性質(zhì)方面往往具有一定的相似性，對物質(zhì)進(jìn)行合理的分類，有助于我們按物質(zhì)的類別進(jìn)一步研究物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。高中無機(jī)物性質(zhì)研究的2個重要視角，一是物質(zhì)的類別；二是核心元素的化合價。如圖2所示。

金屬單質(zhì)、非金屬單質(zhì)、酸堿鹽各類物質(zhì)都有其相似的性質(zhì)，如酸性氧化物的化學(xué)通性，如圖4所示。

二、 “硫和含硫化合物間的相互轉(zhuǎn)化”教學(xué)內(nèi)容分析

“硫和含硫化合物相互轉(zhuǎn)化”是蘇教版《化學(xué)1》專題4的教學(xué)內(nèi)容，從教科書的編排來看，這一內(nèi)容安排在“二氧化硫性質(zhì)和作用”、“硫酸的制備和性質(zhì)”之后，是對硫和常見含硫化合物知識的一次歸納和整理，初步形成硫和含硫化合物間相互轉(zhuǎn)化的知識網(wǎng)絡(luò)關(guān)系。其教學(xué)價值在于：一是為了印證專題1中“物質(zhì)的分類與轉(zhuǎn)化”的化學(xué)家研究視角，二是為了建構(gòu)“物質(zhì)是可以相互轉(zhuǎn)化的、物質(zhì)之間的相互轉(zhuǎn)化是有一定規(guī)律的”基本觀念。

“含硫物質(zhì)多種多樣，它們在一定條件下可以相互轉(zhuǎn)化。通過氧化還原反應(yīng)可以實現(xiàn)含有不同價態(tài)硫元素的物質(zhì)之間的轉(zhuǎn)化。通過非氧化還原反應(yīng)可以實現(xiàn)含有相同價態(tài)硫元素的物質(zhì)之間的轉(zhuǎn)化?！苯滩囊呀?jīng)為我們揭示了物質(zhì)間相互轉(zhuǎn)化的基本思想、以及研究或?qū)W習(xí)的方法，從無機(jī)物性質(zhì)研究的2個視角（物質(zhì)類別和核心元素價態(tài)）認(rèn)識“物質(zhì)轉(zhuǎn)化”的內(nèi)在規(guī)律，建構(gòu)“物質(zhì)轉(zhuǎn)化”的基本觀念。

“通過氧化還原反應(yīng)可以實現(xiàn)含有不同價態(tài)硫元素的物質(zhì)之間的轉(zhuǎn)化”。學(xué)生對“不同價態(tài)硫元素間轉(zhuǎn)化”已有3個角度的認(rèn)識：一是實驗室中（二氧化硫被雙氧水氧化、濃硫酸被銅還原）不同價態(tài)硫元素間的轉(zhuǎn)化；二是酸雨形成及其防治中不同價態(tài)硫元素間的轉(zhuǎn)化；三是硫酸工業(yè)生產(chǎn)中不同價態(tài)硫元素間的轉(zhuǎn)化。教學(xué)是將這些已有的知識提高到觀念建構(gòu)的認(rèn)識上來，使學(xué)生的學(xué)習(xí)不再停留在僅僅關(guān)注物質(zhì)的性質(zhì)，而是要利用氧化還原反應(yīng)的知識，認(rèn)識元素價態(tài)變化與含硫物質(zhì)轉(zhuǎn)化的關(guān)系。

“通過非氧化還原反應(yīng)可以實現(xiàn)含有相同價態(tài)硫元素的物質(zhì)之間的轉(zhuǎn)化”。學(xué)生從“物質(zhì)類別變化”和“復(fù)分解反應(yīng)”的角度認(rèn)識了二氧化硫、亞硫酸和硫酸性質(zhì)，如SO2是酸性氧化物，具有酸性氧化物的通性；亞硫酸是一種較強(qiáng)酸、硫酸是一種強(qiáng)酸，具有酸的通性。教學(xué)是將研究各類物質(zhì)之間的相互反應(yīng)關(guān)系，提升到研究它們之間的相互轉(zhuǎn)化的意義，從“物質(zhì)類別變化”的高度認(rèn)識物質(zhì)類別與含硫物質(zhì)轉(zhuǎn)化的關(guān)系。

從上述2個角度對硫及其化合物進(jìn)行分類，以物質(zhì)類別和價態(tài)變化為坐標(biāo)的二維轉(zhuǎn)化關(guān)系如下圖5所示。

三、基于物質(zhì)分類與轉(zhuǎn)化的教學(xué)設(shè)計

教學(xué)目標(biāo)：（1）元素觀的建構(gòu)：能夠認(rèn)識硫元素在自然界以多種物質(zhì)形式存在，從元素視角對含硫物質(zhì)進(jìn)行分類；（2）轉(zhuǎn)化觀的建構(gòu)：從物質(zhì)類別和價態(tài)變化2個視角建構(gòu)物質(zhì)性質(zhì)的研究模型，在學(xué)生頭腦中建構(gòu)以類別和價態(tài)為坐標(biāo)的二維轉(zhuǎn)化關(guān)系概念圖，依據(jù)轉(zhuǎn)化關(guān)系分析重要物質(zhì)的性質(zhì)；（3）轉(zhuǎn)化觀的應(yīng)用：能夠?qū)⑥D(zhuǎn)化關(guān)系概念圖工具化，解決生產(chǎn)生活中的實際問題。

教學(xué)策略：一是以價態(tài)變化為線索，如自然界中硫循環(huán)、酸雨形成、硫酸工業(yè)生產(chǎn)中不同價態(tài)硫元素間的轉(zhuǎn)化，建構(gòu)的轉(zhuǎn)化關(guān)系；二是以物質(zhì)類別轉(zhuǎn)化為線索，如“氫化物或氧化物→酸→鹽”的轉(zhuǎn)化關(guān)系。

教學(xué)過程：凸顯硫和含硫化合物間“轉(zhuǎn)化觀”的建構(gòu)與應(yīng)用。

（1）硫和含硫化合物間“轉(zhuǎn)化觀”的建構(gòu)

事實材料一：自然界中的硫

展示自然界中含硫物質(zhì)的圖片或?qū)嵨飿?biāo)本，如天然硫單質(zhì)、辰砂、雄黃、雌黃、黃鐵礦、芒硝、重晶石、石膏等，并對其進(jìn)行分類。

展示“自然界中硫循環(huán)”的圖片。大氣中的H2S、SO2主要來自巖石的風(fēng)化、有機(jī)物的分解、礦物燃料的燃燒，SO2在大氣中受O2、H2O（g）、陽光等影響被氧化成SO3，SO2和SO3溶解于水，分別生成H2SO3或H2SO4，隨雨水降落地面，與地表的礦物質(zhì)反應(yīng)生成可溶性硫酸鹽和亞硫酸鹽進(jìn)入土壤，經(jīng)過土壤微生物作用，含硫化合物轉(zhuǎn)化成能被植物根系所吸收的可溶性鹽類，再經(jīng)過動物、微生物的傳遞，最后又返回到土壤和大氣中?；鹕絿姲l(fā)的熔硫在地下形成黃鐵礦（FeS2）、辰砂（HgS）等含硫礦物和化石燃料。認(rèn)識自然界中不同價態(tài)硫元素間的轉(zhuǎn)化。

事實材料二：酸雨的形成與防治

再現(xiàn)教材中“硫酸型酸雨的形成”圖片，化石燃料（含S）燃燒→SO2→SO3→H2SO4，或化石燃料燃燒→SO2→H2SO3→H2SO4，再次認(rèn)識酸雨形成的反應(yīng)過程，建構(gòu)的轉(zhuǎn)化關(guān)系。

再現(xiàn)教材中“用化學(xué)方法減輕酸雨對樹木和土壤的危害”的圖片，再次認(rèn)識酸雨水中的二氧化硫、亞硫酸和硫酸與石灰的反應(yīng)，建構(gòu)“酸性氧化物→酸→鹽”或“酸性氧化物→鹽”轉(zhuǎn)化關(guān)系。

事實材料三：硫酸工業(yè)生產(chǎn)中不同價態(tài)硫元素間的轉(zhuǎn)化

再現(xiàn)教材中“硫酸制備流程”圖片，再次認(rèn)識FeS2或S→SO2→SO3→H2SO4的轉(zhuǎn)化過程，建構(gòu)的轉(zhuǎn)化關(guān)系。

事實材料四：實驗室中不同價態(tài)硫元素間的轉(zhuǎn)化

再現(xiàn)教材中“銅與濃硫酸反應(yīng)實驗裝置”圖片，回顧SO2被H2O2水溶液氧化的實驗，補(bǔ)充SO2與H2S反應(yīng)生成硫的實驗，進(jìn)一步認(rèn)識H2SO4→SO2→S轉(zhuǎn)化過程。

根據(jù)“自然界中硫的循環(huán)”、“酸雨的形成與防治”、“硫酸工業(yè)生產(chǎn)”和“實驗室中”等不同價態(tài)含硫物質(zhì)間轉(zhuǎn)化的事實材料，組織學(xué)生討論、總結(jié)硫和含硫化合物間的轉(zhuǎn)化關(guān)系，如圖6所示。

（2）硫和含硫化合物間“轉(zhuǎn)化觀”的應(yīng)用

設(shè)計將硫酸廠尾氣中的SO2轉(zhuǎn)化為石膏（CaSO4·2H2O）的反應(yīng)，并說明思維過程。從二氧化硫到石膏的轉(zhuǎn)化涉及價態(tài)和物質(zhì)類別變化，因此該轉(zhuǎn)化過程既要用到氧化劑又要用到堿。至少有3條途徑：SO2→H2SO3→CaSO3→CaSO4·2H2O；SO2→SO3→H2SO4→CaSO4→CaSO4·2H2O；SO2→CaSO4→CaSO4·2H2O；如圖7所示。工業(yè)上選擇最合適的反應(yīng)途徑，并寫出有關(guān)的化學(xué)方程式。

四、教學(xué)反思

教學(xué)設(shè)計的基本觀點是能有效幫助學(xué)生建立“物質(zhì)分類與轉(zhuǎn)化”的基本思想、一般研究方法和思路，認(rèn)識物質(zhì)及其轉(zhuǎn)化的兩大基本任務(wù)，從“元素觀”認(rèn)識物質(zhì)的分類，從“轉(zhuǎn)化觀”認(rèn)識物質(zhì)性質(zhì)的研究模型。教學(xué)的關(guān)鍵是有效地幫助學(xué)生建立結(jié)構(gòu)化的物質(zhì)轉(zhuǎn)化關(guān)系，“通過氧化還原反應(yīng)可以實現(xiàn)含有不同價態(tài)硫元素的物質(zhì)之間的轉(zhuǎn)化；通過非氧化還原反應(yīng)可以實現(xiàn)含有相同價態(tài)硫元素的物質(zhì)之間的轉(zhuǎn)化”兩條線索，幫助學(xué)生在頭腦中建構(gòu)物質(zhì)類別轉(zhuǎn)化和元素價態(tài)轉(zhuǎn)化二維轉(zhuǎn)化的概念圖式，并利用概念圖解決實際問題。

參考文獻(xiàn)

[1] 王祖浩. 普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實驗教科書：化學(xué)1 [M]. 南京：江蘇教育出版社，2011：93-94

[2] 梁永平. 化學(xué)科學(xué)理解的基本視角及其核心觀念 [J]. 化學(xué)教育，2011，（6）：4-7

[3] 支瑤，王磊等. “物質(zhì)的分類”促進(jìn)高中生無機(jī)物性質(zhì)學(xué)習(xí)的功能價值分析及其教學(xué)實現(xiàn)[J]. 化學(xué)教育，2012，（4）：28-35

事實材料二：酸雨的形成與防治

再現(xiàn)教材中“硫酸型酸雨的形成”圖片，化石燃料（含S）燃燒→SO2→SO3→H2SO4，或化石燃料燃燒→SO2→H2SO3→H2SO4，再次認(rèn)識酸雨形成的反應(yīng)過程，建構(gòu)的轉(zhuǎn)化關(guān)系。

再現(xiàn)教材中“用化學(xué)方法減輕酸雨對樹木和土壤的危害”的圖片，再次認(rèn)識酸雨水中的二氧化硫、亞硫酸和硫酸與石灰的反應(yīng)，建構(gòu)“酸性氧化物→酸→鹽”或“酸性氧化物→鹽”轉(zhuǎn)化關(guān)系。

事實材料三：硫酸工業(yè)生產(chǎn)中不同價態(tài)硫元素間的轉(zhuǎn)化

再現(xiàn)教材中“硫酸制備流程”圖片，再次認(rèn)識FeS2或S→SO2→SO3→H2SO4的轉(zhuǎn)化過程，建構(gòu)的轉(zhuǎn)化關(guān)系。

事實材料四：實驗室中不同價態(tài)硫元素間的轉(zhuǎn)化

再現(xiàn)教材中“銅與濃硫酸反應(yīng)實驗裝置”圖片，回顧SO2被H2O2水溶液氧化的實驗，補(bǔ)充SO2與H2S反應(yīng)生成硫的實驗，進(jìn)一步認(rèn)識H2SO4→SO2→S轉(zhuǎn)化過程。

根據(jù)“自然界中硫的循環(huán)”、“酸雨的形成與防治”、“硫酸工業(yè)生產(chǎn)”和“實驗室中”等不同價態(tài)含硫物質(zhì)間轉(zhuǎn)化的事實材料，組織學(xué)生討論、總結(jié)硫和含硫化合物間的轉(zhuǎn)化關(guān)系，如圖6所示。

（2）硫和含硫化合物間“轉(zhuǎn)化觀”的應(yīng)用

設(shè)計將硫酸廠尾氣中的SO2轉(zhuǎn)化為石膏（CaSO4·2H2O）的反應(yīng)，并說明思維過程。從二氧化硫到石膏的轉(zhuǎn)化涉及價態(tài)和物質(zhì)類別變化，因此該轉(zhuǎn)化過程既要用到氧化劑又要用到堿。至少有3條途徑：SO2→H2SO3→CaSO3→CaSO4·2H2O；SO2→SO3→H2SO4→CaSO4→CaSO4·2H2O；SO2→CaSO4→CaSO4·2H2O；如圖7所示。工業(yè)上選擇最合適的反應(yīng)途徑，并寫出有關(guān)的化學(xué)方程式。

四、教學(xué)反思

教學(xué)設(shè)計的基本觀點是能有效幫助學(xué)生建立“物質(zhì)分類與轉(zhuǎn)化”的基本思想、一般研究方法和思路，認(rèn)識物質(zhì)及其轉(zhuǎn)化的兩大基本任務(wù)，從“元素觀”認(rèn)識物質(zhì)的分類，從“轉(zhuǎn)化觀”認(rèn)識物質(zhì)性質(zhì)的研究模型。教學(xué)的關(guān)鍵是有效地幫助學(xué)生建立結(jié)構(gòu)化的物質(zhì)轉(zhuǎn)化關(guān)系，“通過氧化還原反應(yīng)可以實現(xiàn)含有不同價態(tài)硫元素的物質(zhì)之間的轉(zhuǎn)化；通過非氧化還原反應(yīng)可以實現(xiàn)含有相同價態(tài)硫元素的物質(zhì)之間的轉(zhuǎn)化”兩條線索，幫助學(xué)生在頭腦中建構(gòu)物質(zhì)類別轉(zhuǎn)化和元素價態(tài)轉(zhuǎn)化二維轉(zhuǎn)化的概念圖式，并利用概念圖解決實際問題。

參考文獻(xiàn)

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事實材料二：酸雨的形成與防治

再現(xiàn)教材中“硫酸型酸雨的形成”圖片，化石燃料（含S）燃燒→SO2→SO3→H2SO4，或化石燃料燃燒→SO2→H2SO3→H2SO4，再次認(rèn)識酸雨形成的反應(yīng)過程，建構(gòu)的轉(zhuǎn)化關(guān)系。

再現(xiàn)教材中“用化學(xué)方法減輕酸雨對樹木和土壤的危害”的圖片，再次認(rèn)識酸雨水中的二氧化硫、亞硫酸和硫酸與石灰的反應(yīng)，建構(gòu)“酸性氧化物→酸→鹽”或“酸性氧化物→鹽”轉(zhuǎn)化關(guān)系。

事實材料三：硫酸工業(yè)生產(chǎn)中不同價態(tài)硫元素間的轉(zhuǎn)化

再現(xiàn)教材中“硫酸制備流程”圖片，再次認(rèn)識FeS2或S→SO2→SO3→H2SO4的轉(zhuǎn)化過程，建構(gòu)的轉(zhuǎn)化關(guān)系。

事實材料四：實驗室中不同價態(tài)硫元素間的轉(zhuǎn)化

再現(xiàn)教材中“銅與濃硫酸反應(yīng)實驗裝置”圖片，回顧SO2被H2O2水溶液氧化的實驗，補(bǔ)充SO2與H2S反應(yīng)生成硫的實驗，進(jìn)一步認(rèn)識H2SO4→SO2→S轉(zhuǎn)化過程。

根據(jù)“自然界中硫的循環(huán)”、“酸雨的形成與防治”、“硫酸工業(yè)生產(chǎn)”和“實驗室中”等不同價態(tài)含硫物質(zhì)間轉(zhuǎn)化的事實材料，組織學(xué)生討論、總結(jié)硫和含硫化合物間的轉(zhuǎn)化關(guān)系，如圖6所示。

（2）硫和含硫化合物間“轉(zhuǎn)化觀”的應(yīng)用

設(shè)計將硫酸廠尾氣中的SO2轉(zhuǎn)化為石膏（CaSO4·2H2O）的反應(yīng)，并說明思維過程。從二氧化硫到石膏的轉(zhuǎn)化涉及價態(tài)和物質(zhì)類別變化，因此該轉(zhuǎn)化過程既要用到氧化劑又要用到堿。至少有3條途徑：SO2→H2SO3→CaSO3→CaSO4·2H2O；SO2→SO3→H2SO4→CaSO4→CaSO4·2H2O；SO2→CaSO4→CaSO4·2H2O；如圖7所示。工業(yè)上選擇最合適的反應(yīng)途徑，并寫出有關(guān)的化學(xué)方程式。

四、教學(xué)反思

教學(xué)設(shè)計的基本觀點是能有效幫助學(xué)生建立“物質(zhì)分類與轉(zhuǎn)化”的基本思想、一般研究方法和思路，認(rèn)識物質(zhì)及其轉(zhuǎn)化的兩大基本任務(wù)，從“元素觀”認(rèn)識物質(zhì)的分類，從“轉(zhuǎn)化觀”認(rèn)識物質(zhì)性質(zhì)的研究模型。教學(xué)的關(guān)鍵是有效地幫助學(xué)生建立結(jié)構(gòu)化的物質(zhì)轉(zhuǎn)化關(guān)系，“通過氧化還原反應(yīng)可以實現(xiàn)含有不同價態(tài)硫元素的物質(zhì)之間的轉(zhuǎn)化；通過非氧化還原反應(yīng)可以實現(xiàn)含有相同價態(tài)硫元素的物質(zhì)之間的轉(zhuǎn)化”兩條線索，幫助學(xué)生在頭腦中建構(gòu)物質(zhì)類別轉(zhuǎn)化和元素價態(tài)轉(zhuǎn)化二維轉(zhuǎn)化的概念圖式，并利用概念圖解決實際問題。

參考文獻(xiàn)

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