基于變化觀念的元素化合物教學(xué)

曹旭琴

摘要：分析了變化觀念的內(nèi)涵及水平劃分，以“硫和含硫化合物的相互轉(zhuǎn)化”教學(xué)為例，指出元素化合物是培養(yǎng)學(xué)生變化觀念的良好載體，教學(xué)時(shí)要多創(chuàng)設(shè)真實(shí)問(wèn)題情境，讓學(xué)生在解決問(wèn)題過(guò)程中提升變化觀念的水平。

關(guān)鍵詞：變化觀念;元素化合物;硫和含硫化合物;相互轉(zhuǎn)化

文章編號(hào)：1008-0546（2020）10-0014-04

中圖分類號(hào)：G632.41

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi： 10.3969/j.issn.1008-0546.2020.10.003

一、變化觀念的內(nèi)涵及水平劃分

化學(xué)是在原子、分子水平上研究物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、轉(zhuǎn)化及其應(yīng)用的一門基礎(chǔ)學(xué)科?；瘜W(xué)的特征是從微觀層次認(rèn)識(shí)物質(zhì)，以符號(hào)形式描述物質(zhì)，在不同層面創(chuàng)造物質(zhì)[1]。從微觀層次認(rèn)識(shí)物質(zhì)可以更好地理解物質(zhì)及其變化的本質(zhì)，化學(xué)符號(hào)則可以便捷地表征物質(zhì)及其變化，在不同層面創(chuàng)造物質(zhì)是物質(zhì)變化的價(jià)值所在。

變化觀念是化學(xué)學(xué)科的核心素養(yǎng)之一，其內(nèi)涵為“能認(rèn)識(shí)物質(zhì)是運(yùn)動(dòng)和變化的，知道化學(xué)變化需要一定的條件，并遵循一定規(guī)律;認(rèn)識(shí)化學(xué)變化的本質(zhì)是有新物質(zhì)生成，并伴有能量的轉(zhuǎn)化;認(rèn)識(shí)化學(xué)變化有一定限度、速率，是可以調(diào)控的。能多角度、動(dòng)態(tài)地分析化學(xué)變化，運(yùn)用化學(xué)反應(yīng)原理解決簡(jiǎn)單的實(shí)際問(wèn)題?！弊兓^念大致可分為以下4個(gè)素養(yǎng)水平（從l到4，素養(yǎng)水平依次升高）[2]。

高中化學(xué)課程對(duì)學(xué)生變化觀念的培養(yǎng)是螺旋式上升的。以江蘇鳳凰教育出版社的高中化學(xué)教材為例，《化學(xué)l》專題2“從海水中獲得的化學(xué)物質(zhì)”介紹了鹵素、鈉和鎂及其化合物的相互轉(zhuǎn)化，讓學(xué)生建構(gòu)起以海水為資源，通過(guò)化學(xué)變化人類創(chuàng)造出豐富的化工產(chǎn)品，如鹵素單質(zhì)、燒堿、金屬鈉、鎂等，充分體現(xiàn)化學(xué)是研究物質(zhì)和創(chuàng)造物質(zhì)的學(xué)科。本專題還介紹從氧化還原和離子反應(yīng)的角度分析化學(xué)變化。專題3、4的設(shè)計(jì)思路與專題2相似，專題3從礦物資源中獲取和創(chuàng)造物質(zhì)，專題4研究自然界中的硫、氮循環(huán)[3]。《化學(xué)2》讓學(xué)生初步學(xué)會(huì)用動(dòng)態(tài)平衡的觀點(diǎn)看待化學(xué)變化，能定量分析化學(xué)變化伴隨的能量變化?！痘瘜W(xué)反應(yīng)原理》模塊詳細(xì)地介紹了化學(xué)變化應(yīng)遵循熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)的相關(guān)規(guī)律，能運(yùn)用相關(guān)原理分析影響化學(xué)變化的因素等，進(jìn)而可以解釋預(yù)測(cè)變化、評(píng)估變化應(yīng)用等。

元素化合物是培養(yǎng)學(xué)生變化觀念的良好載體，以下是基于變化觀念的“硫和含硫化合物的相互轉(zhuǎn)化”的設(shè)計(jì)思路和教學(xué)過(guò)程。

二、“硫和含硫化合物的相互轉(zhuǎn)化”的內(nèi)容分析及設(shè)計(jì)思路

1.課程標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求

2017版的《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》要求：結(jié)合真實(shí)情境中的應(yīng)用實(shí)例或通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究，了解硫及其重要化合物的主要性質(zhì)，認(rèn)識(shí)這些物質(zhì)在生產(chǎn)中的應(yīng)用和對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響。在教學(xué)策略上強(qiáng)調(diào)緊密聯(lián)系生產(chǎn)和生活實(shí)際，創(chuàng)設(shè)豐富多樣的真實(shí)問(wèn)題情境，發(fā)揮核心概念（氧化還原反應(yīng)、離子反應(yīng)等）對(duì)元素化合物學(xué)習(xí)的指導(dǎo)作用。在“情境素材建議”中給出了素材“火山噴發(fā)中含硫物質(zhì)的轉(zhuǎn)化”[4]。

2.教材分析

“硫和含硫化合物的相互轉(zhuǎn)化”是蘇教版《化學(xué)l》專題4《硫、氮和可持續(xù)發(fā)展》第一單元中的教學(xué)內(nèi)容[5]。在這之前教材已安排有“二氧化硫性質(zhì)和作用”“硫酸的制備和性質(zhì)”。本部分內(nèi)容的主要意圖是讓學(xué)生建構(gòu)硫及其化合物相互轉(zhuǎn)化的知識(shí)網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)建立起研究物質(zhì)轉(zhuǎn)化的一般方法：從價(jià)態(tài)和類別兩個(gè)角度理解含硫物質(zhì)的轉(zhuǎn)化，通過(guò)氧化還原反應(yīng)實(shí)現(xiàn)不同價(jià)態(tài)硫元素物質(zhì)間的轉(zhuǎn)化，通過(guò)溶液酸堿性的變化實(shí)現(xiàn)同價(jià)態(tài)硫元素物質(zhì)間的轉(zhuǎn)化，同時(shí)為氮等元素化合物的學(xué)習(xí)提供方法。教材所提供的物質(zhì)間的相互轉(zhuǎn)化均是有實(shí)際應(yīng)用背景的，體現(xiàn)化學(xué)學(xué)科的價(jià)值。

3.教學(xué)目標(biāo)

通過(guò)分析推理、交流討論等活動(dòng)，建構(gòu)硫及其化合物相互轉(zhuǎn)化的知識(shí)網(wǎng)絡(luò)。學(xué)習(xí)基于證據(jù)推理的思維方法（能基于證據(jù)對(duì)Na2SO3的性質(zhì)變化提出可能的假設(shè)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)加以證實(shí)或證偽）。運(yùn)用變化規(guī)律解決如何減少人類活動(dòng)對(duì)自然界硫循環(huán)的影響。

4.設(shè)計(jì)思路

如圖1所示。

三、基于變化觀念的“硫和含硫化合物的相互轉(zhuǎn)化”教學(xué)過(guò)程

1.認(rèn)識(shí)自然界中的含硫物質(zhì)

[展示]①各國(guó)硫元素儲(chǔ)量分布圖，②硫元素在地球外核的存在圖，③地下主要含硫物質(zhì)（黃鐵礦、辰砂、雄黃、雌黃等），④地表主要含硫物質(zhì)（石膏、芒硝、重晶石等）。自然界中常見(jiàn)含硫物質(zhì)如圖2所示[6]。

[討論]日本的硫元素儲(chǔ)量排所有國(guó)家的第7位，其可能原因是什么。處于地球外核（離地表3000 km左右）的硫元素是如何到地表或離地表較近的位置？地表和地下的含硫物質(zhì)存在形式有較大的差異，其可能原因是什么？

[設(shè)計(jì)意圖]了解自然界中含硫物質(zhì)的主要分布情況，產(chǎn)生情境問(wèn)題，引發(fā)學(xué)生思考。

2.學(xué)習(xí)任務(wù)1——利用“價(jià)態(tài)一類別二維圖”排列常見(jiàn)含硫物質(zhì)

[引導(dǎo)]火山噴發(fā)出來(lái)的硫元素處于地下、地表或空氣中發(fā)生不同的轉(zhuǎn)化，最終形成不同的含硫物質(zhì)。常見(jiàn)的含硫物質(zhì)有哪些，如何快速有序地寫(xiě)出？從物質(zhì)類別和硫元素價(jià)態(tài)兩個(gè)維度思考。

[解決問(wèn)題]學(xué)生運(yùn)用在專題1中已學(xué)的價(jià)態(tài)一類別二維圖的方法寫(xiě)出圖3所示的含硫物質(zhì)的框架。

[設(shè)計(jì)意圖]構(gòu)建硫元素價(jià)態(tài)一類別二維圖，使其成為學(xué)生思考問(wèn)題的模型。

3.學(xué)習(xí)任務(wù)2——含硫物質(zhì)的橫向轉(zhuǎn)化

[引導(dǎo)]從學(xué)生熟悉的物質(zhì)轉(zhuǎn)化關(guān)系SO2→H2SO3→Na2SO3出發(fā)，認(rèn)識(shí)橫向轉(zhuǎn)化的特點(diǎn)是硫元素價(jià)態(tài)不變，發(fā)生的是非氧化還原反應(yīng)，改變?nèi)芤旱乃釅A性即可達(dá)成。

[解決問(wèn)題]類比上述轉(zhuǎn)化，學(xué)生完成S03一H2SO4→ Na2SO4、H2S=Na2S間的相互轉(zhuǎn)化。如圖4所示。

4.學(xué)習(xí)任務(wù)3-含硫物質(zhì)的縱（斜）向轉(zhuǎn)化

[引導(dǎo)]分析縱（斜）向物質(zhì)所含硫元素化合價(jià)的差異，結(jié)合已學(xué)SO2的還原性、濃H2SO4的強(qiáng)氧化性和H2SO4的工業(yè)制法、酸雨的形成等知識(shí)，感受縱（斜）向含硫物質(zhì)間的轉(zhuǎn)化可通過(guò)氧化還原反應(yīng)實(shí)現(xiàn)。

[解決問(wèn)題]學(xué)生結(jié)合已有知識(shí)基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)圖5所示的轉(zhuǎn)化。同時(shí)解釋為何地表和地下含硫物質(zhì)存在形式不同（思考兩者存在環(huán)境上的差異）。

[設(shè)計(jì)意圖]無(wú)機(jī)反應(yīng)大致可通過(guò)4種方式實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)化：一是改變?nèi)芤旱乃釅A性，二是通過(guò)氧化還原反應(yīng)，三是通過(guò)沉淀反應(yīng)（非本節(jié)課重點(diǎn)），四是通過(guò)形成配合物（選修模塊中學(xué)習(xí)）。讓學(xué)生體會(huì)到物質(zhì)的轉(zhuǎn)化是遵循一定規(guī)律的，在學(xué)習(xí)時(shí)可歸納變化共性，概括變化規(guī)律，并逐步以此為模型解決類似的問(wèn)題。

5.學(xué)習(xí)任務(wù)4——含硫物質(zhì)轉(zhuǎn)化的應(yīng)用（預(yù)測(cè)未知物質(zhì)的性質(zhì)）

[引導(dǎo)]運(yùn)用已學(xué)的含硫化合物相互轉(zhuǎn)化的規(guī)律，預(yù)測(cè)Na2SO3可能有哪些性質(zhì)？請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)證實(shí)你的預(yù)測(cè)。

[解決問(wèn)題]預(yù)測(cè)Na2SO3可能的性質(zhì)，并基于推理尋找證據(jù)。

①與酸反應(yīng)可生成S02：Na2SO3+H2SO=Na2SO4+H2O+SO2↑，可通過(guò)品紅溶液等檢驗(yàn)。該轉(zhuǎn)化可用于實(shí)驗(yàn)室制備SO2，結(jié)合SO2在水中的溶解度，可用較濃的硫酸來(lái)制備。

②具有還原性，可被氧化劑氧化：2Na2SO3+O2=2Na2SO4，可通過(guò)檢測(cè)SO42-來(lái)確定Na2S03是否被氧化?？杀讳逅ǖ馑?、酸性KMnO4溶液等氧化，可通過(guò)溴水（碘水）、酸性KMnO4溶液是否褪色等證明。同時(shí)可分析亞硫酸鹽的保存方法，在工業(yè)中的應(yīng)用等。

③具有氧化性，可被還原劑還原（此性質(zhì)要求偏高，可在課外活動(dòng)中解決）。

[設(shè)計(jì)意圖]能基于證據(jù)對(duì)Na2S03的性質(zhì)提出可能的假設(shè)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)加以證實(shí)或證偽。通過(guò)此環(huán)節(jié)，學(xué)生逐步可以解釋并預(yù)測(cè)變化。

6.學(xué)習(xí)任務(wù)5——如何減少人類活動(dòng)對(duì)自然界硫循環(huán)的影響

[引導(dǎo)]硫酸的生產(chǎn)、含硫礦物的冶煉、煤的燃燒等均會(huì)產(chǎn)生SO2，造成空氣污染和酸雨等一系列的危害。如何通過(guò)今天所學(xué)的知識(shí)減少人類活動(dòng)對(duì)自然界硫循環(huán)的影響。

[解決問(wèn)題]解決該類問(wèn)題的主要思路應(yīng)是：第一種固硫，如燃煤或金屬礦物中加生石灰，直接將燃燒或冶煉產(chǎn)生的SO2吸收轉(zhuǎn)化為硫酸鹽留在殘?jiān)小５诙N堿液吸收法，堿液吸收了SO2后產(chǎn)生亞硫酸鹽，再與酸反應(yīng)生成較純的SO2（富集）運(yùn)用于工業(yè)制硫酸。

[設(shè)計(jì)意圖]通過(guò)對(duì)SO2尾氣的處理和綜合利用，學(xué)生運(yùn)用所學(xué)的知識(shí)解決與之相關(guān)的實(shí)際問(wèn)題，體會(huì)化學(xué)學(xué)科的價(jià)值。學(xué)生逐步學(xué)會(huì)運(yùn)用變化規(guī)律，評(píng)估變化應(yīng)用。

[展望]硫元素在人體中的含量排第7位，遠(yuǎn)超其在地殼中含量的排名（第17位），對(duì)含硫物質(zhì)在人類健康中的研究有廣闊前景。中國(guó)早期對(duì)含硫物質(zhì)研究處于較為領(lǐng)先的地位，但近代研究卻略顯滯后，如圖6所示。值得高興的是2018年華東師范大學(xué)的姜雪峰由于他提出的綠色硫化學(xué)理論已經(jīng)在國(guó)際上引起反響，被國(guó)際純粹與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì)（簡(jiǎn)稱“IUPAC”）選為化學(xué)元素周期表上“硫”的代言人。

四、基于變化觀念的元素化合物教學(xué)的思考

1.元素化合物是培養(yǎng)學(xué)生變化觀念的良好載體

變化觀念是研究物質(zhì)變化及其遵循規(guī)律的，需要元素化合物作支撐。在典型元素化合物教學(xué)時(shí)逐步讓學(xué)生從物質(zhì)的個(gè)性認(rèn)識(shí)上升到一類物質(zhì)共性的認(rèn)識(shí)，充分發(fā)揮核心概念在物質(zhì)轉(zhuǎn)化學(xué)習(xí)中的指導(dǎo)作用，慢慢形成同價(jià)態(tài)物質(zhì)轉(zhuǎn)化和不同物質(zhì)價(jià)態(tài)轉(zhuǎn)化的一般規(guī)律。同時(shí)有意識(shí)地為選修教學(xué)中研究化學(xué)變化的限度和速率等問(wèn)題積累好足夠的事實(shí)性知識(shí)。選修課程的學(xué)習(xí)則可以充分利用高一時(shí)學(xué)過(guò)的元素化合物的知識(shí)作為載體，深入地理解這些變化的本質(zhì)。如對(duì)氯水成分、合成氨、SO2的接觸氧化、汽車尾氣的處理等問(wèn)題的再研究。做好必修和選修教學(xué)的融合。

2.教學(xué)時(shí)應(yīng)充分創(chuàng)設(shè)真實(shí)問(wèn)題情境

徐光憲先生提出化學(xué)家要認(rèn)識(shí)世界、改造世界和保護(hù)世界。蘇教版化學(xué)必修教材在元素化合物部分的編寫(xiě)充分考慮以上思想。認(rèn)識(shí)自然界中的相關(guān)資源（如海水、礦物和空氣等）;利用已有資源將物質(zhì)向我們需要的方向轉(zhuǎn)化，如創(chuàng)造有用的物質(zhì)（如氯堿工業(yè)、硫酸工業(yè)等）、消除污染物（氮氧化物的產(chǎn)生及轉(zhuǎn)化等）、利用好物質(zhì)轉(zhuǎn)化過(guò)程中的能量（燃燒反應(yīng)等）。

在真實(shí)問(wèn)題的解決過(guò)程中，學(xué)生除了掌握知識(shí)，還形成了相關(guān)的學(xué)科觀念和學(xué)科特有的思維方式[7，8]。教師在教學(xué)時(shí)應(yīng)多創(chuàng)設(shè)一些真實(shí)的問(wèn)題情境?！镀胀ǜ咧谢瘜W(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》中提供了豐富的情境素材，如關(guān)于“鐵及其化合物”給出了如下情境素材：補(bǔ)鐵劑;實(shí)驗(yàn)室中硫酸亞鐵的保存與使用;打印機(jī)使用的墨粉中鐵的氧化物;菠菜中鐵元素的檢驗(yàn)等。“鐵及其化合物”生活生產(chǎn)中也有相關(guān)情境，如“補(bǔ)鐵劑”可以是人體補(bǔ)鐵劑，也可以是植物補(bǔ)鐵劑;印刷電路板的制作;鐵系凈水劑;藍(lán)黑墨水等等。社會(huì)熱點(diǎn)問(wèn)題或社會(huì)性科學(xué)議題等等也可作為教學(xué)的情境，如“頁(yè)巖氣的開(kāi)采”“化工廠事故”“諾貝爾獎(jiǎng)”等等。在真實(shí)情境下解決問(wèn)題，化學(xué)在學(xué)生的眼中不再是沒(méi)有溫度的方程式，而是生動(dòng)、豐富、有用的物質(zhì)世界，用他們的智慧可以認(rèn)識(shí)世界、改造世界和保護(hù)世界。

參考文獻(xiàn)

[1][2][4]中華人民共和國(guó)教育部，普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2018

[3][5]王祖浩.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書(shū)·化學(xué)1[M].南京：江蘇鳳凰教育出版社，2014：93-94

[6]王磊.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書(shū)·化學(xué)1[M].濟(jì)南：山東科學(xué)技術(shù)出版社，2013：85-91

[7]吳星，對(duì)高中化學(xué)核心素養(yǎng)的認(rèn)識(shí)[J].化學(xué)教學(xué)，2017（5）：3-7

[8] 吳星.高中化學(xué)核心素養(yǎng)的建構(gòu)視角[J].化學(xué)教學(xué)，2017（2）：3-7

*本文系江蘇省教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃課題（ D/2016/02/24）研究成果。