二氧化硫制備及性質(zhì)實(shí)驗(yàn)改進(jìn)教學(xué)設(shè)計(jì)

何翔

摘要： 針對當(dāng)前科學(xué)實(shí)踐教學(xué)存在的問題，基于科學(xué)實(shí)踐與科學(xué)認(rèn)識(shí)協(xié)同發(fā)展的模型，以“二氧化硫的制備及性質(zhì)的改進(jìn)”為例，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)及改進(jìn)。改進(jìn)后實(shí)驗(yàn)的裝置簡易、避免了氣體污染、更利于實(shí)驗(yàn)的推廣，使教學(xué)更能有效激發(fā)學(xué)生的思維，以及體驗(yàn)更有趣的學(xué)習(xí)過程。

關(guān)鍵詞： 二氧化硫制備； 二氧化硫性質(zhì)； 實(shí)驗(yàn)改進(jìn); 教學(xué)設(shè)計(jì)

文章編號： 1005-6629（2023）03-0066-03

中圖分類號： G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

1? 問題的提出

新版義務(wù)教育課程標(biāo)準(zhǔn)提出學(xué)科實(shí)踐的新概念［1， 2］。學(xué)科實(shí)踐在科學(xué)學(xué)科教學(xué)的體現(xiàn)就是科學(xué)實(shí)踐［3， 4］。科學(xué)實(shí)踐是在一般的科學(xué)探究要素的基礎(chǔ)上增加了模型建構(gòu)、評論與評價(jià)等高階思維活動(dòng)。元素化合物知識(shí)是科學(xué)實(shí)踐教學(xué)的重要載體，也承載發(fā)展學(xué)生科學(xué)認(rèn)識(shí)的重要功能。有關(guān)文獻(xiàn)表明，國內(nèi)外科學(xué)教育在科學(xué)實(shí)踐教學(xué)與科學(xué)認(rèn)識(shí)教學(xué)上存在以下三個(gè)方面的問題：第一，科學(xué)實(shí)踐教學(xué)強(qiáng)調(diào)根據(jù)探究的流程進(jìn)行機(jī)械化的操作，難以發(fā)展科學(xué)探究實(shí)踐能力；第二，科學(xué)認(rèn)識(shí)教學(xué)停留在具體知識(shí)上，沒有形成結(jié)構(gòu)化和功能化的學(xué)科核心概念；第三，科學(xué)實(shí)踐與科學(xué)認(rèn)識(shí)的教學(xué)割裂，單一強(qiáng)調(diào)動(dòng)手或動(dòng)腦［5］。

關(guān)于如何促進(jìn)科學(xué)實(shí)踐與科學(xué)認(rèn)識(shí)協(xié)同發(fā)展，孔思敏、王磊等人提出了促進(jìn)中學(xué)生科學(xué)實(shí)踐與科學(xué)認(rèn)識(shí)協(xié)同發(fā)展的思維教學(xué)模型，該模型由四個(gè)維度組成［6］。左維“學(xué)科認(rèn)識(shí)方式”與下維“學(xué)科核心知識(shí)”構(gòu)成科學(xué)認(rèn)識(shí)，上維“學(xué)科實(shí)驗(yàn)活動(dòng)及問題情境”、右維“一般科學(xué)實(shí)踐”和“學(xué)科能力活動(dòng)”組成“科學(xué)實(shí)踐”。四維協(xié)調(diào)運(yùn)作，能夠促進(jìn)學(xué)生科學(xué)實(shí)踐與科學(xué)認(rèn)識(shí)的協(xié)同發(fā)展。

基于四維模型，我們以“二氧化硫的制備及性質(zhì)改進(jìn)”為例，開展教學(xué)探索。普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2022年修訂）對于這部分內(nèi)容的要求是：通過實(shí)驗(yàn)了解掌握硫及其氧化物的主要性質(zhì)，認(rèn)識(shí)其在生產(chǎn)中的應(yīng)用和對生態(tài)環(huán)境的影響［7］。按照人教版（2019）化學(xué)教材必修二第五章實(shí)驗(yàn)［5-1］“二氧化硫溶于水”和［5-2］“二氧化硫的漂白作用”的方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)存在以下問題：

（1） 需要課前制備二氧化硫收集并保存于試管中，制取過程中試劑用量大，二氧化硫易逸散，以致課堂演示實(shí)驗(yàn)或分組實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不明顯，甚至不能使品紅褪色。

（2） 由于制備與性質(zhì)探究實(shí)驗(yàn)均在敞開的環(huán)境中進(jìn)行，有毒的二氧化硫若逸散，將污染教室空氣。

（3） 教材實(shí)驗(yàn)只驗(yàn)證了二氧化硫水溶液的漂白性，酸性；對二氧化硫的氧化性、還原性并未涉及，而這些性質(zhì)又是高中化學(xué)教學(xué)的重點(diǎn)內(nèi)容。

基于上述分析，我們進(jìn)行了如下教學(xué)設(shè)計(jì)：（1）設(shè)計(jì)真實(shí)問題情境：改進(jìn)空氣報(bào)告，從化合價(jià)和物質(zhì)類別的分析角度認(rèn)識(shí)二氧化硫的性質(zhì)；（2）提出挑戰(zhàn)性任務(wù)：設(shè)計(jì)探究二氧化硫性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)方案；（3）分析實(shí)驗(yàn)方案，從生活化、避免氣體污染的角度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)改進(jìn)。

2? 教學(xué)目標(biāo)

（1） 掌握二氧化硫的化學(xué)性質(zhì)及其用途；

（2） 組織分組討論，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象得出物質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)；

（3） 通過STEAM原理、改造和創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)裝置，體驗(yàn)科學(xué)探究的過程；

（4） 通過聯(lián)系生活常見用品，改進(jìn)實(shí)驗(yàn)的探究活動(dòng)，培養(yǎng)創(chuàng)新精神和

社會(huì)責(zé)任等核心素養(yǎng)。

3? 教學(xué)方法

由空氣質(zhì)量報(bào)告情景引入，引導(dǎo)學(xué)生探究二氧化硫性質(zhì)，確定本實(shí)驗(yàn)裝置的改進(jìn)方向，教師引導(dǎo)學(xué)生共同討論出實(shí)驗(yàn)方案，小組合作實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)后交流、評價(jià)，然后對實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)再優(yōu)化，最后推廣應(yīng)用，總結(jié)并反思提煉。SO2的性質(zhì)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)中使用采氣袋、普通注射器、醫(yī)用輸液器等用品，使得學(xué)生感到驚奇——“原來實(shí)驗(yàn)也可這樣做”。課堂教學(xué)實(shí)驗(yàn)不應(yīng)一味遵循教材，而應(yīng)結(jié)合生活實(shí)際設(shè)計(jì)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，做到操作簡單，現(xiàn)象明顯，更重要的是能激發(fā)學(xué)習(xí)的興趣和熱情，提高學(xué)習(xí)效果。

4? 教學(xué)過程

4.1? 裝置改進(jìn)階段，分析認(rèn)識(shí)二氧化硫性質(zhì)的角度

從化合價(jià)和物質(zhì)類別分析來說，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)裝置若要同時(shí)進(jìn)行二氧化硫水溶液的酸性、漂白性、氧化性和還原性的實(shí)驗(yàn)，必須事先制備遠(yuǎn)超出實(shí)際反應(yīng)用量的二氧化硫氣體，不符合環(huán)保理念。

4.2? 裝置優(yōu)化階段，深化二氧化硫性質(zhì)的認(rèn)識(shí)角度

引導(dǎo)學(xué)生從生活中常見的器具入手，對二氧化硫的制備及性質(zhì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)，這樣不僅能隨時(shí)制取二氧化硫氣體，同時(shí)能驗(yàn)證高中化學(xué)要求掌握的二氧化硫氣體的所有性質(zhì)。此外，實(shí)驗(yàn)儀器易獲取，并且實(shí)驗(yàn)過程環(huán)保、安全、快捷、易操作，現(xiàn)象明顯，能感受二氧化硫的多種性質(zhì)，滿足了教師演示和學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)的要求，值得在中學(xué)推廣。

4.2.1? SO2的制備改進(jìn)實(shí)驗(yàn)

傳統(tǒng)教學(xué)常用亞硫酸鈉與70%的濃硫酸反應(yīng)，以制備二氧化硫［8］，但使用該原理制備二氧化硫，反應(yīng)比較劇烈，放出大量的熱。若使用市面上易得的焦亞硫酸鈉，只需要與50%硫酸即可發(fā)生反應(yīng)，反應(yīng)原理為：Na2S2O5+H2SO4Na2SO4+2SO2↑+H2O。而且反應(yīng)較為溫和，放熱較少。本實(shí)驗(yàn)選用2.5g焦亞硫酸鈉與4mL 50%硫酸反應(yīng)，采用固液不加熱的氣體發(fā)生裝置，制備約250mL二氧化硫氣體，最終利用50mL分液漏斗和生活中的20mL注射器的構(gòu)造對比［9］，設(shè)計(jì)了上述氣體發(fā)生裝置。應(yīng)用注射器，便于隨時(shí)控制反應(yīng)速率和反應(yīng)進(jìn)程，更能充分地利用實(shí)驗(yàn)藥品，然后用帶軟管的輸液器作為導(dǎo)氣管，將產(chǎn)生的SO2氣體導(dǎo)入并封存于500mL的采氣袋中［10］。本設(shè)計(jì)環(huán)保，取用方便，很好地克服了二氧化硫的逸散污染問題。

4.2.2? SO2的性質(zhì)改進(jìn)實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)1? SO2的水溶性

展示預(yù)先收集有約250mL SO2氣體的無色透明的密封采氣袋，讓學(xué)生觀察氣體顏色，然后取一支注射器，抽取約10mL水（常溫下1體積水大約能溶解40體積SO2），并通過注射器針頭注入盛有SO2的采氣袋內(nèi)，搖晃采氣袋，觀察現(xiàn)象。

充有SO2氣體的采氣袋遇水振蕩后迅速變癟，很好地展現(xiàn)了SO2的水溶性，現(xiàn)象明顯、操作簡單，且所得到的SO2水溶液可供后續(xù)幾個(gè)實(shí)驗(yàn)使用，一舉多得。

實(shí)驗(yàn)2? SO2的酸性

用注射器抽取9mL上一步實(shí)驗(yàn)所得的SO2水溶液，現(xiàn)配現(xiàn)用，將2mL該溶液注入20mL規(guī)格的試管中，注入溶液后注意用蓋子密封注射器，防止二氧化硫逸散。向試管中滴加石蕊試液，并用橡膠塞塞緊試管，觀察到溶液變紅。

證明SO2水溶液呈酸性，也可用注射器滴一滴SO2水溶液在pH試紙或藍(lán)色石蕊試紙上觀察，判斷SO2水溶液的酸堿性。

實(shí)驗(yàn)3? SO2的漂白性

另將2mL SO2水溶液注入到20mL規(guī)格的試管中，滴入一滴品紅溶液，振蕩發(fā)現(xiàn)品紅褪色；然后用酒精燈加熱試管，觀察到品紅恢復(fù)原色。

二氧化硫漂白過程具有可逆性、不穩(wěn)定性等特點(diǎn)，是學(xué)習(xí)重點(diǎn)，也是難點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)3有效地解開了留存在學(xué)生心頭的疑慮，使得學(xué)生豁然開朗。

實(shí)驗(yàn)4? SO2的氧化性

用注射器向預(yù)先收集有150mL H2S氣體的密封采氣袋中注入3mL SO2水溶液，搖晃采氣袋，觀察到采氣袋變癟，有淡黃色沉淀生成。

反應(yīng)原理為：SO2+2H2S3S↓+2H2O，按照化學(xué)計(jì)量比使用H2S氣體和SO2水溶液，裝置安全環(huán)保，操作簡單，現(xiàn)象明顯，趣味性強(qiáng)，使學(xué)生既獲得了SO2具有氧化性的相關(guān)知識(shí)，又在自主實(shí)驗(yàn)中體驗(yàn)到探究的樂趣。

實(shí)驗(yàn)5? SO2的還原性

將2mL SO2水溶液注入到20mL規(guī)格的試管中，滴加幾滴BaCl2溶液，振蕩，無明顯現(xiàn)象；打開輸液閥門，向試管中連續(xù)充入密封在采氣袋中的氧氣（或滴加雙氧水），觀察溶液出現(xiàn)白色渾濁。

對SO2與BaCl2溶液反應(yīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證前，可設(shè)置探究問題讓學(xué)生判斷分析：“SO2與BaCl2溶液能否反應(yīng)，若能，其現(xiàn)象將如何，并試寫出其中的反應(yīng)的化學(xué)方程式；若不能，試說明理由。［11］”設(shè)置這一問題的原因是不少學(xué)生認(rèn)為SO2與BaCl2溶液能反應(yīng)并生成BaSO3沉淀，甚至寫出了錯(cuò)誤的化學(xué)方程式：“SO2＋BaCl2＋H2OBaSO3↓＋2HCl”；但結(jié)合實(shí)驗(yàn)“將SO2水溶液注入少量BaCl2溶液中”，發(fā)現(xiàn)該實(shí)驗(yàn)并未出現(xiàn)預(yù)期的沉淀現(xiàn)象，那么原因是什么？實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與預(yù)期結(jié)果產(chǎn)生了矛盾，這將促使學(xué)生進(jìn)行積極的深入思考，以尋找問題的根本；學(xué)生的思維處于興奮狀態(tài)，一旦找到問題的答案，就能遷移解決長期困擾的諸如“CO2與CaCl2溶液不能反應(yīng)”等類似問題。之后，再進(jìn)行SO2與氧氣、氯氣、雙氧水的氧化實(shí)驗(yàn)，通過觀察白色沉淀，驗(yàn)證了BaSO4生成，有效解決了學(xué)習(xí)難點(diǎn)。

5? 效果評價(jià)

課堂學(xué)習(xí)重點(diǎn)的落實(shí)、難點(diǎn)的突破需要有效的學(xué)習(xí)情境與激發(fā)學(xué)生思維，筆者結(jié)合“二氧化硫的制備和性質(zhì)”教學(xué)，設(shè)計(jì)了一系列改進(jìn)實(shí)驗(yàn)，以促進(jìn)學(xué)生的深度學(xué)習(xí)。將課外無目標(biāo)的低效預(yù)習(xí)和復(fù)習(xí)，替換成發(fā)現(xiàn)問題、假設(shè)、尋證、交流、初步結(jié)論、評價(jià)、完善結(jié)論等學(xué)習(xí)過程，學(xué)生經(jīng)由深度加工而主動(dòng)學(xué)習(xí)且學(xué)會(huì)學(xué)習(xí)?；仡櫛竟?jié)課的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，有如下亮點(diǎn)：

（1） 裝置簡易。整個(gè)裝置安裝簡易，操作簡便，一般能在3min內(nèi)用這套氣體發(fā)生裝置完成二氧化硫的制取，裝置透明，便于觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

（2） 無污染氣體排放。在準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)階段，采氣袋能較好地封存有毒氣體，防止逸散。性質(zhì)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的裝置密閉，反應(yīng)過程中最大程度地避免了污染氣體排放。且反應(yīng)結(jié)束后，向采氣袋內(nèi)注射少量NaOH溶液，即可處理尾氣，全程實(shí)現(xiàn)無污染氣體排放，保護(hù)教室和實(shí)驗(yàn)室環(huán)境。

（3） 可推廣到多種氣體。該裝置也可以推廣到多種氣體，特別是有毒氣體的制備及性質(zhì)實(shí)驗(yàn)中，如氯氣、氨氣、硫化氫等。該裝置的成本低廉，有利于推廣。

總之，基于創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)改進(jìn)下的課堂學(xué)習(xí)使學(xué)生既獲得了SO2性質(zhì)的相關(guān)知識(shí)，又體驗(yàn)了解決疑難問題的不同方法，更是有效激發(fā)了學(xué)生的思維，體驗(yàn)到有趣的學(xué)習(xí)過程。

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