基于生活情境的綠色化分組實(shí)驗(yàn)在化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

萬(wàn)社娟 岳慶先

摘要：以煙花燃放為生活情境，探究不同價(jià)態(tài)硫元素之間的轉(zhuǎn)化。通過(guò)驅(qū)動(dòng)性問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生用真空采血管等進(jìn)行綠色化分組實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和微型化實(shí)驗(yàn)探究，發(fā)展科學(xué)探究和創(chuàng)新意識(shí)的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。通過(guò)進(jìn)階式學(xué)習(xí)任務(wù)的驅(qū)動(dòng)逐漸生成“價(jià)一類”二維圖，總結(jié)不同價(jià)態(tài)硫元素之間的轉(zhuǎn)化，建構(gòu)探究元素不同價(jià)態(tài)之間轉(zhuǎn)化的認(rèn)知模型，實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)內(nèi)容的結(jié)構(gòu)化和認(rèn)識(shí)思路的模型化。最后運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解釋我國(guó)禁止燃放煙花爆竹的原因，增強(qiáng)學(xué)生的社會(huì)責(zé)任感。

關(guān)鍵詞：煙花燃放；二氧化硫；綠色化；分組實(shí)驗(yàn)；不同價(jià)態(tài)硫元素的轉(zhuǎn)化

文章編號(hào)：1008-0546（2023）09-0089-05

中圖分類號(hào)：G632.41

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi： 10.3969/j.issn.1008-0546.2023.09.018

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（20 1 7年版2020年修訂）》（以下簡(jiǎn)稱“2020修訂版課標(biāo)”）基本理念之一是重視開展“素養(yǎng)為本”的教學(xué)。該理念明確指出，倡導(dǎo)真實(shí)問(wèn)題情境的創(chuàng)設(shè)，開展以化學(xué)實(shí)驗(yàn)為主的多種探究活動(dòng)，重視教學(xué)內(nèi)容的結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)，促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)方式的轉(zhuǎn)變，培養(yǎng)他們的創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力。[1]實(shí)驗(yàn)教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神的主陣地，綠色化分組實(shí)驗(yàn)是發(fā)展學(xué)生科學(xué)探究和創(chuàng)新意識(shí)化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的有效途徑，以生活情境為載體的實(shí)驗(yàn)教學(xué)既是點(diǎn)燃學(xué)生學(xué)習(xí)熱情的助推器，又是學(xué)生體會(huì)化學(xué)學(xué)科社會(huì)價(jià)值的良好渠道。所以，基于生活情境開展綠色化分組實(shí)驗(yàn)教學(xué)值得探索?！安煌瑑r(jià)態(tài)硫元素之間的轉(zhuǎn)化”是高一學(xué)生化學(xué)學(xué)習(xí)中的核心知識(shí)。筆者以高中化學(xué)魯科（2019版）必修第一冊(cè)中“不同價(jià)態(tài)硫元素之間的轉(zhuǎn)化”為例，對(duì)“基于生活情境的綠色化分組實(shí)驗(yàn)在化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用”進(jìn)行研究。

一、教學(xué)現(xiàn)狀分析

2020修訂版課標(biāo)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。高中化學(xué)魯科版（2019版）必修第一冊(cè)第3章第2節(jié)將這部分內(nèi)容設(shè)置為硫的轉(zhuǎn)化，該主題既是第2章第3節(jié)“氧化還原反應(yīng)”的應(yīng)用，又為學(xué)習(xí)第3章第3節(jié)“氮的循環(huán)”提供方法指導(dǎo)。硫及其化合物的主要性質(zhì)是氧化性或還原性，不同價(jià)態(tài)硫元素之間的轉(zhuǎn)化恰好能體現(xiàn)含硫物質(zhì)氧化性或還原性的應(yīng)用。很多自然現(xiàn)象、工業(yè)生產(chǎn)或?qū)嶒?yàn)事實(shí)都是以不同價(jià)態(tài)硫元素之間的轉(zhuǎn)化為核心的，比如火山噴發(fā)、酸雨的形成、硫酸工業(yè)以及實(shí)驗(yàn)室對(duì)含硫化合物性質(zhì)的探究。

有許多文章研究硫及其化合物的教學(xué)，這些文章大體分為兩類：（1）教學(xué)設(shè)計(jì)類，如曹旭琴基于變化觀念設(shè)計(jì)硫及含硫化合物的相互轉(zhuǎn)化教學(xué)，讓學(xué)生在解決問(wèn)題的過(guò)程中提升變化觀念的水平；[2]袁清磊以單元教學(xué)策略進(jìn)行硫的轉(zhuǎn)化教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建知識(shí)體系；[3]法浩從培育學(xué)科關(guān)鍵能力的視角進(jìn)行二氧化硫的性質(zhì)及應(yīng)用的教學(xué)實(shí)踐；[4]孫海濤以硫酸工廠生產(chǎn)為情境進(jìn)行單元整體教學(xué)設(shè)計(jì)[5]等。（2）實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新類，如王晶等的不同價(jià)態(tài)含硫物質(zhì)轉(zhuǎn)化的一體化綜合實(shí)驗(yàn)；[6]劉家輝的SO2溶解性及+4價(jià)含硫物質(zhì)性質(zhì)實(shí)驗(yàn)的整合改進(jìn)[7]等。這些文章鮮有涉及分組實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的實(shí)施，而不同價(jià)態(tài)含硫物質(zhì)的轉(zhuǎn)化是2020修訂版課標(biāo)要求的學(xué)生必做實(shí)驗(yàn)，所以分組實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的實(shí)施勢(shì)在必行。但二氧化硫有毒，對(duì)師生身體健康和環(huán)境危害大，而且很多學(xué)校實(shí)驗(yàn)室都沒(méi)有配備通風(fēng)櫥。魯科版、人教版和蘇教版教材在該實(shí)驗(yàn)中都采用二氧化硫的水溶液代替，解決二氧化硫污染大的問(wèn)題，可是這樣也會(huì)讓學(xué)生產(chǎn)生二氧化硫的水溶液中亞硫酸是否對(duì)實(shí)驗(yàn)有影響的困擾。基于此，筆者對(duì)“不同價(jià)態(tài)硫元素之間轉(zhuǎn)化”的分組實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了綠色化設(shè)計(jì)，并開展了教學(xué)實(shí)踐。

二、教學(xué)設(shè)計(jì)思路

文以燃放煙花爆竹過(guò)程中含硫物質(zhì)對(duì)空氣的污染為情境，利用綠色化的分組實(shí)驗(yàn)探究不同價(jià)態(tài)含硫物質(zhì)的轉(zhuǎn)化。具體設(shè)計(jì)如圖1所示。

三、教學(xué)過(guò)程

【演示實(shí)驗(yàn)】燃放小煙花

【引入】同學(xué)們?cè)谟^看絢麗煙花的同時(shí)聞到了什么味道？

學(xué)生：刺激性的氣味，有點(diǎn)像二氧化硫的味道。

教師：那么我們?cè)鯓域?yàn)證燃放煙花會(huì)生成二氧化硫？

1．二氧化硫的漂白性

【學(xué)習(xí)任務(wù)1】設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單實(shí)驗(yàn)證明燃放煙花生成SO2。

【引導(dǎo)】請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)簡(jiǎn)單易行的實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行驗(yàn)證。

【學(xué)生A】把品紅溶液浸潤(rùn)的濾紙放在小煙花燃放的煙霧中，若濾紙紅色變淺，則說(shuō)明煙霧中含SO2。

【學(xué)生B】收集一瓶煙霧，在瓶中放人紅色鮮花花瓣，若花瓣紅的變淺，則說(shuō)明煙霧中含SO2。

設(shè)計(jì)意圖：引導(dǎo)學(xué)生不拘泥于課本實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新；從多個(gè)角度為結(jié)論提供證據(jù)，培養(yǎng)發(fā)散思維能力，發(fā)展證據(jù)推理素養(yǎng)。

2．二氧化硫（+4價(jià)硫元素）的還原性

【學(xué)習(xí)任務(wù)2-1】分析燃放煙花導(dǎo)致酸雨形成的原因。

【引導(dǎo)】閱讀魯科版（2019版）高中化學(xué)必修第一冊(cè)（以下簡(jiǎn)稱教材）P101頁(yè)，描述二氧化硫引發(fā)酸雨的原因，并用“價(jià)—類”二維圖表示硫元素由+4→+6的轉(zhuǎn)化。

【學(xué)習(xí)任務(wù)2-2】設(shè)計(jì)驗(yàn)證SO2還原性的綠色化實(shí)驗(yàn)方案。

【引導(dǎo)】請(qǐng)大家回答下列問(wèn)題，并分組討論，設(shè)計(jì)綠色化分組實(shí)驗(yàn)方案。

問(wèn)題1：如何根據(jù)教材P97頁(yè)【方法導(dǎo)引】選擇適當(dāng)?shù)暮蛭镔|(zhì)及氧化劑，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案？

問(wèn)題2：課本實(shí)驗(yàn)有哪些優(yōu)點(diǎn)和不足？

問(wèn)題3：針對(duì)課本實(shí)驗(yàn)的不足，根據(jù)提供實(shí)驗(yàn)改進(jìn)思路和實(shí)驗(yàn)儀器，如何對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)的綠色化？

【學(xué)生】教材中的二氧化硫?qū)嶒?yàn)室制取及其性質(zhì)實(shí)驗(yàn)存在的優(yōu)點(diǎn)與不足：

優(yōu)點(diǎn)：操作簡(jiǎn)單、現(xiàn)象明顯、實(shí)驗(yàn)精準(zhǔn)。

不足：（1）開放體系導(dǎo)致S02溢出。（2）拆卸裝置時(shí)有SO2泄漏。（3）試劑用量大。

【方法導(dǎo)引】

實(shí)驗(yàn)改進(jìn)思路：操作簡(jiǎn)單、現(xiàn)象明顯、無(wú)毒氣泄漏、尾氣處理較為徹底、藥品用量少。

實(shí)驗(yàn)用品：SO2水溶液、氯水、BaC12溶液、Na2SO3粉末、70%硫酸、酸性KMnO4溶液、NaOH溶液。

空礦泉水瓶、小試管（5mL）、真空采血管（紅蓋、無(wú)添加）、一次性采血針、注射器（5 mL）、導(dǎo)氣管、橡皮塞、膠頭滴管。

【資料在線】真空采血管的原理是將有頭蓋的采血管試管預(yù)先抽成不同的真空度，利用其負(fù)壓自動(dòng)定量采集靜脈血樣。真空采血管多為普通玻璃管或塑料管。普通血清管紅色頭蓋的真空采血管不含添加劑，不含抗凝、促凝成分，只有真空。

【引導(dǎo)】請(qǐng)根據(jù)你們?cè)O(shè)計(jì)的綠色化實(shí)驗(yàn)方案完成表1。

【展示學(xué)生設(shè)計(jì)的方案】見(jiàn)表2。

【學(xué)習(xí)任務(wù)2-3】選擇最優(yōu)實(shí)驗(yàn)方案，進(jìn)行分組實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證SO2還原性。

經(jīng)過(guò)討論確定實(shí)驗(yàn)方案3最優(yōu)，運(yùn)用此方案進(jìn)行分組實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)裝置（見(jiàn)圖2、圖3）。

【引導(dǎo)】請(qǐng)根據(jù)實(shí)驗(yàn)完成表3。

實(shí)驗(yàn)步驟：

【教師】按照?qǐng)D2裝置及藥品用量制備并收集SO2（一般通氣35 s左右收集一真空采血管SO2）。

備注：每組分配三支充有SO2的真空采血管。

說(shuō)明：圖2中由于真空采血管內(nèi)處于負(fù)壓狀態(tài)，所以35 s左右就能收集一管SO2氣體。

【學(xué)生】（1）將1 mL KMnO4溶液加入SO2中（如圖3所示），記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

（2）用注射器向反應(yīng)后的真空采血管中加入2 mL NaOH溶液。

設(shè)計(jì)意圖：采用進(jìn)階式驅(qū)動(dòng)性問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生從價(jià)態(tài)層面選擇試劑，從綠色化角度改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置，并且說(shuō)明選擇依據(jù)，外顯學(xué)生的思維進(jìn)階過(guò)程。這樣設(shè)計(jì)不僅讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)探究中體會(huì)+4價(jià)硫元素到+6價(jià)硫元素的轉(zhuǎn)化，還培養(yǎng)了學(xué)生科學(xué)探究和創(chuàng)新意識(shí)的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。實(shí)驗(yàn)后加入NaOH溶液對(duì)未反應(yīng)完的S02進(jìn)行尾氣處理，深化綠色化學(xué)意識(shí)。

3．二氧化硫（+4價(jià)硫元素）的氧化性

【學(xué)習(xí)任務(wù)3】運(yùn)用綠色化實(shí)驗(yàn)裝置驗(yàn)證S02的氧化性。

問(wèn)題1：選擇什么試劑驗(yàn)證S02的氧化性？你能說(shuō)出選擇依據(jù)嗎？

問(wèn)題2：如何用“價(jià)一類”二維圖表示硫元素由+4←O、-2→0的轉(zhuǎn)化？

實(shí)驗(yàn)用品：SO2、Na2S粉末、稀硫酸、Na2S溶液、淀粉KI溶液、NaOH溶液。真空采血管（紅蓋、無(wú)添加）、一次性采血針、注射器（5 mL）。

學(xué)生實(shí)驗(yàn)方案展示（見(jiàn)圖4、圖5、圖6）：

三個(gè)實(shí)驗(yàn)方案都符合操作簡(jiǎn)單、現(xiàn)象明顯的原則，所以把學(xué)生分成三大組，每個(gè)大組用一種方案進(jìn)行分組實(shí)驗(yàn)，并且完成表4。

實(shí)驗(yàn)步驟：

（1）根據(jù)所選實(shí)驗(yàn)方案將對(duì)應(yīng)試劑加入收集有S02的真空采血管中（如圖4、5、6），記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

（2）用注射器向反應(yīng)后的真空采血管中加入2 mLNaOH溶液。

說(shuō)明：方案三的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象為溶液變黃。此時(shí)學(xué)生產(chǎn)生疑問(wèn)：溶液變黃是因?yàn)樯闪薙單質(zhì)嗎？那么為什么淀粉KI溶液不變藍(lán)呢？由于課堂時(shí)間有限，對(duì)于這些問(wèn)題的處理是：告訴學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象判斷S02與Ⅺ溶液確實(shí)反應(yīng)了，由實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象引起的認(rèn)知沖突知反應(yīng)較為復(fù)雜，說(shuō)明方案三不是檢驗(yàn)SO2（+4價(jià)硫元素）氧化性的最佳方案。但是實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)超出認(rèn)知的現(xiàn)象就是認(rèn)知增長(zhǎng)的機(jī)遇，若想了解SO2與KI溶液反應(yīng)的實(shí)質(zhì)，感興趣的同學(xué)可以課后在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)一步探究，并將探究過(guò)程與同學(xué)們分享。同時(shí)為學(xué)生提供一篇文章做參考——陳彩霞老師的“對(duì)二氧化硫與碘化鉀溶液反應(yīng)的探究”。[11]

設(shè)計(jì)意圖：采用綠色化實(shí)驗(yàn)裝置，進(jìn)行分組實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生領(lǐng)會(huì)實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新的價(jià)值，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)；用不同的實(shí)驗(yàn)方案為+4→0、-2→0的轉(zhuǎn)化提供證據(jù)，引導(dǎo)學(xué)生體會(huì)從不同的角度尋找證據(jù)都可以證明同一個(gè)轉(zhuǎn)化，達(dá)到殊途同歸的效果，為學(xué)生建立認(rèn)知模型搭建了思維階梯。

4．二氧化硫酸性氧化物的通性

【引導(dǎo)】學(xué)習(xí)任務(wù)2和學(xué)習(xí)任務(wù)3最后都用NaOH溶液處理SO2尾氣，說(shuō)明了SO2的什么性質(zhì)？

【學(xué)生】SO2與NaOH溶液反應(yīng)生成亞硫酸鈉和水，說(shuō)明S02具有酸性氧化物的通性。

5．梳理總結(jié)模型構(gòu)建

【學(xué)習(xí)任務(wù)4】利用“價(jià)一類”二維圖總結(jié)以SO2為中心的不同價(jià)態(tài)硫元素之間的轉(zhuǎn)化。

【板書】

【學(xué)習(xí)任務(wù)5】結(jié)合本節(jié)課的內(nèi)容，總結(jié)探究不同價(jià)態(tài)某元素之間轉(zhuǎn)化的認(rèn)知模型（見(jiàn)圖7）。

6．遷移應(yīng)用

（1）結(jié)合本節(jié)所學(xué)知識(shí)談?wù)勎覈?guó)限制燃放煙花的原因。

（2）實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證Na2SO3固體是否變質(zhì)。

（3）解釋葡萄酒中添加二氧化硫的作用。

設(shè)計(jì)意圖：通過(guò)完成驅(qū)動(dòng)性學(xué)習(xí)任務(wù)，逐漸生成“價(jià)一類”二維圖，總結(jié)不同價(jià)態(tài)硫元素之間的轉(zhuǎn)化，并且總結(jié)探究不同價(jià)態(tài)某元素之間轉(zhuǎn)化的認(rèn)知模型，實(shí)現(xiàn)知識(shí)內(nèi)容的結(jié)構(gòu)化和認(rèn)識(shí)思路的模型化。

四、教學(xué)設(shè)計(jì)策略

以二氧化硫?yàn)榇砦?，通過(guò)驅(qū)動(dòng)性問(wèn)題，結(jié)合方法，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行綠色化分組實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，外顯學(xué)生的思維進(jìn)階過(guò)程。用生活用品改進(jìn)化學(xué)實(shí)驗(yàn)，開拓學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)改進(jìn)創(chuàng)新的認(rèn)識(shí)角度，進(jìn)行高水平的實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)，發(fā)展科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置可以使像二氧化硫一樣的有毒氣體實(shí)驗(yàn)搬到教室做，解決了薄弱學(xué)校實(shí)驗(yàn)設(shè)備不足的難題。實(shí)驗(yàn)裝置創(chuàng)新設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)讓學(xué)生收獲了學(xué)習(xí)的成就感，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的熱情。

以煙花燃放引入，探究該過(guò)程中不同價(jià)態(tài)硫元素之間的轉(zhuǎn)化。該問(wèn)題情境貼近生活，學(xué)生容易融人情境，符合學(xué)生學(xué)習(xí)的最近發(fā)展區(qū)理論。最后學(xué)以致用，用本節(jié)課知識(shí)分析我國(guó)限制燃放煙花的原因，有利于學(xué)生從化學(xué)的角度認(rèn)同國(guó)家的政策，從而規(guī)范自己的行為，增強(qiáng)社會(huì)責(zé)任感。

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