構(gòu)建“硫循環(huán)和氮循環(huán)”模型，發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)

胡樂萌

摘要：以“硫循環(huán)和氮循環(huán)”一課的教學(xué)設(shè)計為例，分析“元素循環(huán)模型”構(gòu)建過程中情境素材的選取原則、學(xué)生活動的設(shè)

計依據(jù)及其在發(fā)展學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)中的學(xué)科價值，在教學(xué)中落實“立德樹人”的根本任務(wù)。

關(guān)鍵詞：硫循環(huán)和氮循環(huán);教學(xué)設(shè)計;模型認(rèn)知;真實情境;核心素養(yǎng)

文章編號：1008-0546（2022）10x-0007-05中圖分類號：G632.41文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

“硫循環(huán)和氮循環(huán)”是滬科版普通高中化學(xué)教科書必修一第3章“硫、氮及其循環(huán)”的第3單元。自然界中的硫、氮循環(huán)是維持生態(tài)平衡的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，含硫、含氮物質(zhì)的使用在為人類帶來益處的同時，也造成了一些困擾。[1]在第2章氯、溴、碘相關(guān)物質(zhì)性質(zhì)及轉(zhuǎn)化學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，本章引領(lǐng)學(xué)生深入硫、氮及其重要化合物相關(guān)性質(zhì)的探究與學(xué)習(xí)，形成以氯、硫、氮三種元素為核心的非金屬元素性質(zhì)的認(rèn)知模型（見圖1）。

物質(zhì)的分類、氧化還原反應(yīng)和離子反應(yīng)等化學(xué)原理為學(xué)習(xí)元素化合物的性質(zhì)提供了理論指導(dǎo)。氯、溴、碘、硫、氮等元素性質(zhì)相似性與遞變性的探究又為第4章元素周期表和元素周期律的理論學(xué)習(xí)打下堅實的物質(zhì)基礎(chǔ)?！傲蜓h(huán)和氮循環(huán)”這一單元將硫、氮相關(guān)物質(zhì)的性質(zhì)整合應(yīng)用于元素循環(huán)模型的構(gòu)建之中，在必修一中起著承前啟后的重要作用。

一、課程標(biāo)準(zhǔn)及不同版本教材呈現(xiàn)形式的比較分析

元素化合物性質(zhì)在高中化學(xué)課程體系中占據(jù)基礎(chǔ)性地位，高中化學(xué)體系中的諸多基本概念和基本理論都要以元素化合物知識為基本生長點。[2]滬科版“硫循環(huán)和氮循環(huán)”這一單元包含4節(jié)內(nèi)容：自然界中的硫循環(huán)、自然界中的氮循環(huán)、酸雨和建立人與自然的和諧共生。這4節(jié)內(nèi)容在《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱《課程標(biāo)準(zhǔn)》）中對應(yīng)的內(nèi)容要求如表1所示。[3]

在《課程標(biāo)準(zhǔn)》必修課程主題2的情境素材建議中出現(xiàn)了“氮的循環(huán)”，但未出現(xiàn)“硫循環(huán)”的相關(guān)表述，只提到“火山噴發(fā)中含硫物質(zhì)的轉(zhuǎn)化”這一情境素材。針對《課程標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定的教學(xué)內(nèi)容，滬科版、人教版和魯科版三套化學(xué)教材在編寫時的處理方式有著顯著的差異。

滬科版教材設(shè)置“自然界中的硫循環(huán)”和“自然界中的氮循環(huán)”兩節(jié)內(nèi)容，旨在歸納總結(jié)之前所學(xué)不同價態(tài)、不同類別含硫、含氮物質(zhì)之間的相互轉(zhuǎn)化方式，并應(yīng)用于分析對生態(tài)環(huán)境和人類發(fā)展的重要意義。

人教版教材在必修第二冊第5章“化工生產(chǎn)中的重要非金屬元素”第1節(jié)“硫及其化合物”正文部分并未出現(xiàn)“硫循環(huán)”的說法，只在“不同價態(tài)含硫物質(zhì)的轉(zhuǎn)化”這一內(nèi)容下的“資料卡片”欄目中介紹了自然界中硫的存在和轉(zhuǎn)化。在本章第2節(jié)“氮及其化合物”開篇引言部分提出“氮是自然界各種生物體生命活動不可缺少的重要元素，自然界是怎樣通過氮的循環(huán)為生物體提供氮元素的呢？”的設(shè)問，雖附上“氮循環(huán)”示意圖，但僅將其作為情境素材引出各種固氮方式的教學(xué)內(nèi)容，并未像滬科版教材中那樣明確指出“硝化細(xì)菌”和“反硝化細(xì)菌”在氮循環(huán)中的作用，僅以“被細(xì)菌分解”概括。

魯科版教材在必修第一冊第3章“物質(zhì)的性質(zhì)與轉(zhuǎn)化”第2節(jié)“硫的轉(zhuǎn)化”開篇介紹自然界中的硫，以火山爆發(fā)為起點，簡介了含硫物質(zhì)從巖石圈到大氣圈、水圈和生物圈的單向轉(zhuǎn)化途徑及所涉物質(zhì)，指出硫元素廣泛存在于自然界中，但并未形成“元素循環(huán)”的認(rèn)知模型。“自然界中的含硫物質(zhì)轉(zhuǎn)化”和“氮循環(huán)”在魯科版教材中的功能同樣定位于情境素材，驅(qū)動學(xué)生通過對含硫、含氮物質(zhì)性質(zhì)和化學(xué)反應(yīng)的學(xué)習(xí)，構(gòu)建“價-類二維圖”，形成元素性質(zhì)學(xué)習(xí)中的“物質(zhì)觀”和“轉(zhuǎn)化觀”。

綜上所述，只有滬科版教材將“硫循環(huán)和氮循環(huán)”置于章節(jié)標(biāo)題之中，而且作為單獨(dú)的單元教學(xué)內(nèi)容呈現(xiàn)，不滿足于僅將其作為情境素材，而是在完成所有含硫、含氮物質(zhì)性質(zhì)及轉(zhuǎn)化學(xué)習(xí)之后，助力學(xué)生形成自然界元素循環(huán)的觀念。本節(jié)課基于《課程標(biāo)準(zhǔn)》和滬科版教材的編制特色進(jìn)行教學(xué)設(shè)計，旨在通過元素循環(huán)模型的構(gòu)建與認(rèn)知，將看似零碎且獨(dú)立的物質(zhì)性質(zhì)生動地串聯(lián)起來，形成一個整體。本設(shè)計不滿足于僅讓學(xué)生停留在了解硫、氮及其重要化合物的性質(zhì)層面，而是要令其認(rèn)識到元素循環(huán)轉(zhuǎn)化在促進(jìn)地球生態(tài)平衡和社會文明進(jìn)步中的重要價值，由學(xué)科知識掌握層面上升到形成學(xué)科核心素養(yǎng)和理解學(xué)科價值的層面。

二、學(xué)習(xí)活動與教學(xué)過程分析

《課程標(biāo)準(zhǔn)》倡導(dǎo)以真實情境為基礎(chǔ)開展教學(xué)與學(xué)生活動。含硫、含氮物質(zhì)在日常生產(chǎn)、生活中有著廣泛的分布和應(yīng)用，因此相關(guān)情境的選擇面較廣?！墩n程標(biāo)準(zhǔn)》建議以“火山噴發(fā)中含硫物質(zhì)的轉(zhuǎn)化”“雷雨發(fā)莊稼”“氮的循環(huán)與氮的固定”“氮肥的生產(chǎn)與合理使用”和“酸雨的成因與防治”等情境，開展調(diào)查與交流討論式的學(xué)習(xí)活動。

《課程標(biāo)準(zhǔn)》提出“實驗及探究活動”和“調(diào)查與交流討論”兩大類學(xué)習(xí)活動的建議。在本章前兩單元硫、氮及重要化合物具體性質(zhì)的學(xué)習(xí)中適合開展以性質(zhì)探究為導(dǎo)向的實驗探究活動，而本單元則更適合開展以元素模型構(gòu)建探究為導(dǎo)向的調(diào)查與討論活動。

本節(jié)課以我國“人工合成結(jié)晶牛胰島素”為情境素材引入;以教材中對自然界中硫元素在巖石圈、水圈、大氣圈、生物圈以及各種地質(zhì)系統(tǒng)之間遷移演化過程的介紹作為閱讀資料，創(chuàng)設(shè)文獻(xiàn)閱讀與分析的學(xué)生活動;引導(dǎo)學(xué)生在討論與歸納中構(gòu)建“自然界中的硫循環(huán)”認(rèn)知模型（見圖2），形成自然界中元素循環(huán)的觀念;以硫酸型酸雨和硝酸型酸雨的成因承上啟下，驅(qū)動課堂教學(xué)從“硫循環(huán)”模型進(jìn)入“氮循環(huán)”模型的構(gòu)建探究;引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合已學(xué)含氮化合物的性質(zhì)及相互轉(zhuǎn)化方式從元素循環(huán)的角度構(gòu)建“自然界中的氮循環(huán)”模型（見圖3），從物質(zhì)分類和氧化還原反應(yīng)的角度認(rèn)識“氮循環(huán)”的化學(xué)原理，并以“價-類二維圖”認(rèn)知模型（見圖4）進(jìn)行總結(jié);從自然界含硫、含氮物質(zhì)的重要性和其過度開發(fā)消耗的危害性兩個角度構(gòu)建“人與自然和諧共生”的觀念，明確社會主義生態(tài)文明建設(shè)的重要性（見圖5）。

基于以上分析設(shè)計本節(jié)課的教學(xué)流程，如表2所示。

三、教學(xué)反思

1.“硫循環(huán)和氮循環(huán)”的模型構(gòu)建對發(fā)展學(xué)科核心素養(yǎng)的作用

《課程標(biāo)準(zhǔn)》中提出學(xué)科核心素養(yǎng)是學(xué)科育人價值的集中體現(xiàn)，是學(xué)生通過學(xué)科學(xué)習(xí)而逐步形成的正確價值觀、必備品格和關(guān)鍵能力。本節(jié)課在教學(xué)設(shè)計中牢牢把握立德樹人的教育目標(biāo)，以發(fā)展學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)為指導(dǎo)思想，具體對應(yīng)情況如表3所示：

2.利用真實情境弘揚(yáng)學(xué)科價值，落實“立德樹人”的根本任務(wù)

“酸雨的危害”是在含硫物質(zhì)性質(zhì)和轉(zhuǎn)化教學(xué)中常用的情境素材，通過分析課堂反饋發(fā)現(xiàn)，學(xué)生對酸雨這一情境并不像我們想象中的那么有帶入感，因為隨著近年來國家對環(huán)境保護(hù)的重視和對環(huán)保治理與監(jiān)管的加強(qiáng)，我國城市的整潔度和空氣的清潔度都特別好，酸雨只是學(xué)生在初中化學(xué)課上所學(xué)的一個概念而已，他們沒有見過、經(jīng)歷過酸雨，可以說酸雨只存在于傳說之中，所以酸雨談不上是一個學(xué)生認(rèn)知中的真實情境。

同時，若以酸雨為情境引入，過分強(qiáng)調(diào)含硫物質(zhì)對環(huán)境造成的危害，會使學(xué)生產(chǎn)生“化學(xué)只會制造麻煩，對我們一點用都沒有”的錯誤思想。教師在課堂教學(xué)中應(yīng)盡量減少以化學(xué)所造成危害的素材來吸引學(xué)生的眼球，應(yīng)多以化學(xué)學(xué)科在人類文明的發(fā)展和地球生態(tài)的保護(hù)中的重要作用引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識化學(xué)發(fā)展的利遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于弊，關(guān)鍵是如何用好化學(xué)。

因此，本節(jié)課并未在情境引入部分使用“酸雨”素材，而是將其作為反思人類活動對硫循環(huán)的破壞的案例，并以酸雨形成過程中硫元素從+4價到+6價的兩種轉(zhuǎn)化途徑補(bǔ)全不同價態(tài)硫元素相互轉(zhuǎn)化的知識體系。

本節(jié)課選取“人工合成結(jié)晶牛胰島素”的史實作為情境引入，一方面，這是中國科學(xué)家在世界科學(xué)史上濃墨重彩的一筆，可以在教學(xué)中落實“立德樹人”的根本任務(wù)，提升學(xué)生的民族自豪感;另一方面，利用這一在生命科學(xué)學(xué)科上的重大事件作為情境線索，能夠很好地讓學(xué)生認(rèn)識到含硫物質(zhì)不僅僅是書本上的一些有味有毒的物質(zhì)，其實很多含硫物質(zhì)都與生產(chǎn)生活息息相關(guān)，硫是生命活動不可或缺的重要元素，體現(xiàn)化學(xué)學(xué)科的發(fā)展對于人類文明進(jìn)步的重要價值。通過這樣一個認(rèn)知沖突，激發(fā)學(xué)生的探究興趣。

同時不難發(fā)現(xiàn)，在滬科版、人教版和魯科版三個版本教材的硫、氮元素性質(zhì)的相關(guān)章節(jié)中，都以強(qiáng)調(diào)硫、氮元素在化工生產(chǎn)和生命活動中的重要作用為導(dǎo)語展開相關(guān)內(nèi)容的介紹，目的是弘揚(yáng)化學(xué)的學(xué)科價值，落實“立德樹人”的根本任務(wù)。

參考文獻(xiàn)

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[3]中華人民共和國教育部.普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）[S].北京：人民教育出版社，2020.