高中化學(xué)“含硫物質(zhì)及其轉(zhuǎn)化”的大單元教學(xué)
——以“是否有必要建設(shè)一座硫酸工廠”為例

王冰清 許欽賢 趙雨晴 李繼良

(1.河北省雄安容和第一高級(jí)中學(xué) 2.北京市第八十中學(xué))

依據(jù)教學(xué)主題和學(xué)科大觀念創(chuàng)建真實(shí)的問(wèn)題情境,通過(guò)大單元教學(xué)帶領(lǐng)學(xué)生進(jìn)行系列探究活動(dòng)以培養(yǎng)學(xué)生解決問(wèn)題的能力,是化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)落地的重要渠道.在元素化合物教學(xué)中,許多教師認(rèn)為元素化合物知識(shí)龐雜、瑣碎;學(xué)生普遍認(rèn)為元素化合物內(nèi)容描述性知識(shí)及化學(xué)反應(yīng)方程式繁多雜亂,碰到陌生物質(zhì)和真實(shí)復(fù)雜問(wèn)題時(shí),缺少解題角度和思路.其中非常重要的原因是,很多教師在教學(xué)過(guò)程中往往更關(guān)注知識(shí)的傳授而輕視模型建構(gòu)和能力的培養(yǎng),著眼于課時(shí)教學(xué),處于“就事論事”水平,很難發(fā)展學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng).發(fā)展學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的教學(xué)應(yīng)專注“一單元一得”,發(fā)展學(xué)生的學(xué)科大觀念.本文以“硫及其化合物”為例對(duì)元素化合物進(jìn)行大單元教學(xué),以真實(shí)情境“是否有必要建設(shè)一座硫酸工廠”為載體,并與社會(huì)性科學(xué)議題結(jié)合,完成“含硫物質(zhì)及其轉(zhuǎn)化”認(rèn)知模型的建構(gòu)與進(jìn)階,使化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)落地,發(fā)展學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng).

1 教學(xué)內(nèi)容及相關(guān)研究

“硫及其環(huán)境保護(hù)”位于蘇教版高中化學(xué)(2019年版)必修第一冊(cè)專題4,屬于必修課程中的專題2“常見(jiàn)的無(wú)機(jī)物及其應(yīng)用”,作為典型的非金屬及其化合物,要求學(xué)生結(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,了解其重要化合物的主要性質(zhì)及其相互轉(zhuǎn)化,主要包括硫單質(zhì)、二氧化硫、硫酸等,認(rèn)識(shí)這些物質(zhì)在生產(chǎn)、生活中的應(yīng)用和對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響.人教版、蘇教版和魯科版2019年版教材中,均將本專題分為“典型含硫物質(zhì)”“含硫物質(zhì)的相互轉(zhuǎn)化”“硫酸型酸雨的形成、危害和防治”三部分,構(gòu)建含硫物質(zhì)轉(zhuǎn)化模型后應(yīng)用該模型解決實(shí)際問(wèn)題.

硫及其化合物現(xiàn)有單元教學(xué)設(shè)計(jì)部分以實(shí)驗(yàn)探究為主,或通過(guò)創(chuàng)設(shè)真實(shí)問(wèn)題情境進(jìn)行大單元教學(xué).很多教學(xué)設(shè)計(jì)雖以建立一座硫酸工廠問(wèn)題入手,但留給學(xué)生思辨的空間較小,本設(shè)計(jì)以提出大任務(wù)——是否有必要建設(shè)一座硫酸工廠,并與社會(huì)性科學(xué)議題結(jié)合,給學(xué)生充分的思辨空間,更有利于提高學(xué)生的社會(huì)責(zé)任感,落實(shí)化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng).

2 大單元主題與創(chuàng)新點(diǎn)

本設(shè)計(jì)結(jié)合某公司欲建設(shè)一座硫酸工廠的真實(shí)情境,學(xué)生完成設(shè)計(jì)和驗(yàn)證轉(zhuǎn)化路徑后,結(jié)合實(shí)際情況探討“是否有必要建設(shè)一座硫酸工廠”.本大單元的大任務(wù)、次級(jí)任務(wù)、單元課時(shí)劃分、單元基本知識(shí)如圖1所示.

本大單元設(shè)計(jì)具有以下創(chuàng)新點(diǎn):

1)本大單元教學(xué)為學(xué)生創(chuàng)設(shè)真實(shí)情境,增強(qiáng)化學(xué)與生活、生產(chǎn)實(shí)際的聯(lián)系,讓學(xué)生深刻了解化學(xué)與社會(huì)之間的緊密聯(lián)系,讓學(xué)生活動(dòng)從“做題”轉(zhuǎn)化到“做事”,在解決問(wèn)題的過(guò)程中發(fā)展核心素養(yǎng),為教材中“含硫物質(zhì)及其轉(zhuǎn)化”相關(guān)內(nèi)容編排提出建議.

2)將大單元教學(xué)與社會(huì)性科學(xué)議題結(jié)合.社會(huì)性科學(xué)議題是指與科技相關(guān)的社會(huì)問(wèn)題,具有社會(huì)性、開(kāi)放性、倫理性、科學(xué)性等特點(diǎn),是發(fā)展學(xué)生終身受用的“功能性”科學(xué)素養(yǎng)的重要渠道,也是破解當(dāng)前教育中知識(shí)、能力、情感態(tài)度價(jià)值觀中“割裂的”“靜止的”科學(xué)素養(yǎng)教育的重要途徑.本課例第4課時(shí)探討“是否有必要建設(shè)一座硫酸工廠”讓學(xué)生直面復(fù)雜、開(kāi)放且充滿爭(zhēng)議的問(wèn)題,為學(xué)生創(chuàng)造開(kāi)放、自由的思考環(huán)境,通過(guò)真實(shí)情境將科學(xué)理解與應(yīng)用、科學(xué)思維與實(shí)踐和科學(xué)態(tài)度與責(zé)任有機(jī)融合.

3)“含硫物質(zhì)及其轉(zhuǎn)化”模型的建構(gòu)與進(jìn)階.學(xué)生在解決實(shí)際問(wèn)題過(guò)程中自主建構(gòu)指向硫元素“價(jià)—類”二維圖的典型含硫物質(zhì)性質(zhì)靜態(tài)模型、指向物質(zhì)變化與守恒的含硫物質(zhì)相互轉(zhuǎn)化動(dòng)態(tài)模型、指向科學(xué)態(tài)度與社會(huì)責(zé)任的應(yīng)用模型,并與社會(huì)性科學(xué)議題結(jié)合作出科學(xué)決策.認(rèn)知模型進(jìn)階過(guò)程符合記憶、理解、應(yīng)用、分析、評(píng)價(jià)、創(chuàng)造進(jìn)階過(guò)程,各課時(shí)建構(gòu)認(rèn)知模型如圖2所示.

圖2 大單元認(rèn)知模型進(jìn)階

3 學(xué)情分析

3.1 學(xué)生已有知識(shí)與能力

根據(jù)高中化學(xué)蘇教版(2019年版)教材編排順序,高一學(xué)生現(xiàn)階段已經(jīng)學(xué)習(xí)了典型的非金屬元素氯及其化合物,初步掌握了元素化合物的研究方法及離子反應(yīng)和氧化還原反應(yīng)兩大核心基本概念,對(duì)“價(jià)—類”二維圖在物質(zhì)元素學(xué)習(xí)中的應(yīng)用有了初步認(rèn)識(shí),為“含硫物質(zhì)及其相互轉(zhuǎn)化”的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ).

3.2 學(xué)生學(xué)習(xí)障礙點(diǎn)

學(xué)生在專題3中學(xué)習(xí)了典型的金屬元素鈉及其化合物和非金屬氯及其化合物,但對(duì)物質(zhì)的研究較少,沒(méi)有形成較為完整的模型.雖然氯同樣是多價(jià)態(tài)非金屬元素,但在生產(chǎn)、生活中缺少利用氧化還原反應(yīng)將氯元素由低價(jià)態(tài)逐步氧化到最高價(jià)態(tài)的應(yīng)用模型,因此在完成設(shè)計(jì)并驗(yàn)證制備硫酸轉(zhuǎn)化路徑任務(wù)時(shí)具有一定障礙.學(xué)生在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證轉(zhuǎn)化路徑和典型含硫物質(zhì)性質(zhì)時(shí),需要有較高的動(dòng)手能力、探究能力和證據(jù)意識(shí),尤其是在第一課時(shí)驗(yàn)證硫的弱氧化性時(shí),設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)操作對(duì)學(xué)生來(lái)說(shuō)有很大挑戰(zhàn).本大單元教學(xué)緊貼生產(chǎn)、生活實(shí)際,需要學(xué)生將實(shí)際問(wèn)題轉(zhuǎn)化為化學(xué)問(wèn)題,利用化學(xué)知識(shí)尋找并驗(yàn)證轉(zhuǎn)化路徑,再與實(shí)際生產(chǎn)、生活結(jié)合作出科學(xué)決策,但學(xué)生的遷移能力、解決實(shí)際問(wèn)題等能力不足.本大單元教學(xué)與社會(huì)性科學(xué)議題結(jié)合,探究過(guò)程非常開(kāi)放,尤其是在第3課時(shí)根據(jù)信息設(shè)計(jì)制備硫酸主要設(shè)備和流程、第4課時(shí)探討“是否有必要建設(shè)一座硫酸工廠”時(shí),學(xué)生的創(chuàng)新能力、質(zhì)疑能力有待提高.

3.3 學(xué)生學(xué)習(xí)發(fā)展點(diǎn)

本專題的核心知識(shí)為重要含硫物質(zhì)的性質(zhì)及相互轉(zhuǎn)化,進(jìn)一步完善非金屬元素研究模型,并在探究過(guò)程中發(fā)展學(xué)生的證據(jù)意識(shí)和嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的科學(xué)態(tài)度.通過(guò)完成“是否有必要建設(shè)一座硫酸工廠”這一大項(xiàng)目,讓學(xué)生將化學(xué)知識(shí)與實(shí)際情境結(jié)合解決實(shí)際問(wèn)題,發(fā)展學(xué)生的探索能力、質(zhì)疑精神和社會(huì)責(zé)任感,認(rèn)識(shí)到化學(xué)對(duì)人類生存發(fā)展的重大意義.

4 單元教學(xué)目標(biāo)

4.1 變化觀念與平衡思想

硫元素是制備硫酸過(guò)程中的中心元素,轉(zhuǎn)化過(guò)程中硫元素守恒,但化合價(jià)和存在形式發(fā)生變化.引導(dǎo)學(xué)生在硫酸制備過(guò)程中感受化學(xué)變化中物質(zhì)的變化與守恒.

4.2 證據(jù)推理與模型認(rèn)知

1)完善從物質(zhì)類別和元素化合價(jià)角度預(yù)測(cè)物質(zhì)性質(zhì)的思維模型和元素化合物轉(zhuǎn)化模型;能根據(jù)對(duì)物質(zhì)性質(zhì)猜測(cè)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證猜想,發(fā)展學(xué)生的證據(jù)推理能力.

2)基于硫元素的“價(jià)—類”二維圖和實(shí)驗(yàn)探究,掌握典型含硫物質(zhì)的性質(zhì),建構(gòu)靜態(tài)模型并實(shí)現(xiàn)模型進(jìn)階,建構(gòu)相互轉(zhuǎn)化的動(dòng)態(tài)模型,并在解決問(wèn)題的過(guò)程中建構(gòu)應(yīng)用模型.

4.3 科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)

在教學(xué)中滲透化工技術(shù)思維,激發(fā)學(xué)生的科學(xué)探索精神,鼓勵(lì)學(xué)生探究硫酸制備工藝,培養(yǎng)學(xué)生敢于質(zhì)疑的精神和創(chuàng)新意識(shí).

4.4 科學(xué)態(tài)度與社會(huì)責(zé)任

通過(guò)本單元的學(xué)習(xí),了解化學(xué)和生產(chǎn)、生活之間的密切聯(lián)系,加強(qiáng)學(xué)生對(duì)化學(xué)造福人類的理解.與社會(huì)性科學(xué)議題結(jié)合,發(fā)展學(xué)生可持續(xù)發(fā)展、綠色化學(xué)等觀念.

5 教學(xué)流程

課時(shí)1 尋找原料

[創(chuàng)設(shè)情境]提出大單元總?cè)蝿?wù):是否有必要建設(shè)一座硫酸工廠?

[資料1]某公司主要采用火法和電解法煉銅,現(xiàn)公司需擴(kuò)大規(guī)模,硫酸作為電解法精煉銅的重要原料,為節(jié)省硫酸的購(gòu)買(mǎi)和運(yùn)輸成本,“是否有必要建設(shè)一座硫酸工廠”被董事會(huì)提上日程.現(xiàn)需根據(jù)尋找合適原料、設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化路徑、減少污染等方面進(jìn)行合理規(guī)劃,并廣泛征集當(dāng)?shù)馗飨嚓P(guān)部門(mén)和行業(yè)的意見(jiàn).

學(xué)生活動(dòng):閱讀資料,了解本單元的任務(wù)——結(jié)合實(shí)際情況探討“是否有必要建設(shè)一座硫酸工廠”,將實(shí)際問(wèn)題轉(zhuǎn)化為化學(xué)問(wèn)題.

[任務(wù)1]尋找制備硫酸的原料并設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化路徑.

[資料2]自然界的硫循環(huán).

學(xué)生活動(dòng):

以小組為單位,展示硫元素“價(jià)—類”二維圖,并應(yīng)用氧化還原反應(yīng)設(shè)計(jì)制備硫酸的轉(zhuǎn)化路徑.

[任務(wù)2]通過(guò)探究硫和硫化氫的性質(zhì),討論低價(jià)態(tài)的硫元素是否可以轉(zhuǎn)化為SO2.

學(xué)生活動(dòng):從化合價(jià)和物質(zhì)類別等角度預(yù)測(cè)硫的性質(zhì),并設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,探究硫黃、黃銅礦是否可以作為制備硫酸的原料.

學(xué)習(xí)反饋:通過(guò)所學(xué)知識(shí)和方法對(duì)二者性質(zhì)作出以下推測(cè).

1)通過(guò)對(duì)硫元素化合價(jià)分析可以得出:硫具有氧化性和還原性,硫化氫只有還原性.

2)通過(guò)物質(zhì)類別進(jìn)行預(yù)測(cè),硫?qū)儆诜墙饘賳钨|(zhì),類比氯氣的性質(zhì);硫化氫屬于二元弱酸,類比碳酸的性質(zhì).

3)設(shè)計(jì)方案并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證.

[任務(wù)3]閱讀資料了解各種礦產(chǎn)情況,了解常見(jiàn)的制硫酸原料.

[資料3]常見(jiàn)含硫礦石分布及主要用途.

學(xué)生活動(dòng):從含硫礦藏的分布、價(jià)格、工藝流程、設(shè)備等實(shí)際角度,了解工業(yè)上制硫酸應(yīng)如何選擇原料.以小組為單位匯報(bào)本組選取的制硫酸原料,并說(shuō)明理由.

課時(shí)2 揭秘SO2

[任務(wù)1]閱讀資料了解銅冶煉煙氣中的SO2可以制備硫酸.

[資料1]有色金屬冶煉產(chǎn)生的煙氣多含SO2.

[資料2]某集團(tuán)利用脫硫煙氣制硫酸的項(xiàng)目.

學(xué)生活動(dòng):閱讀資料,了解SO2可作為制備硫酸的原料.推測(cè)用SO2制硫酸的原理.

[任務(wù)2]閱讀資料了解SO2在紅酒中的作用,對(duì)其性質(zhì)進(jìn)行預(yù)測(cè).

[資料3]紅酒中的SO2有殺菌消毒、抗氧化、穩(wěn)定色澤、調(diào)節(jié)酸度、與硫化氫反應(yīng)調(diào)節(jié)口感等作用.

學(xué)生活動(dòng):預(yù)測(cè)SO2的性質(zhì).

學(xué)習(xí)反饋:通過(guò)SO2在紅酒中的作用對(duì)其性質(zhì)進(jìn)行如下推測(cè):

1)殺菌消毒:水溶性、調(diào)節(jié)酸性.

2)抗氧化性:還原性.

3)漂白有色花色素苷:暫時(shí)漂白性.

4)與H2S反應(yīng)調(diào)節(jié)口感:氧化性.

[任務(wù)3]設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證SO2的性質(zhì).

[實(shí)驗(yàn)器材及藥品]SO2、pH 計(jì)、酸性高錳酸鉀溶液、溴水、品紅溶液、酒精燈、水槽、盛滿H2S 的集氣瓶.

學(xué)生活動(dòng):設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證SO2的性質(zhì).

學(xué)習(xí)反饋:1)將盛滿SO2的試管倒扣在盛滿水的水槽中,水位上升,證明SO2易溶于水.

2)用pH 計(jì)測(cè)量,SO2溶于水后顯酸性,且溶液的pH 隨時(shí)間變化逐漸降低.

3)將SO2通入酸性高錳酸鉀溶液中,溶液紫色褪去,證明SO2有還原性.

4)將SO2持續(xù)通入品紅溶液中,溶液褪色后使用酒精燈加熱,品紅顏色恢復(fù).

5)將盛滿SO2的集氣瓶倒扣在盛滿H2S的集氣瓶中,觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象.

課時(shí)3 探秘硫酸工廠

[任務(wù)1]探究濃硫酸的特質(zhì).

[演示實(shí)驗(yàn)1]“黑面包”實(shí)驗(yàn).

[演示實(shí)驗(yàn)2]將濃硫酸滴加到膽礬中,觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象.

學(xué)生活動(dòng):掌握濃硫酸的特性.

學(xué)習(xí)反饋:根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象總結(jié)濃硫酸具有強(qiáng)氧化性、脫水性、吸水性.

[任務(wù)2]閱讀資料,結(jié)合濃硫酸的性質(zhì),根據(jù)轉(zhuǎn)化路徑掌握制取硫酸的流程、設(shè)備、要點(diǎn).

[資料1]SO2和O2的反應(yīng)通常在常壓、以五氧化二釩(V2O5)作催化劑的條件下進(jìn)行,此反應(yīng)為可逆反應(yīng),增大氧氣濃度有利于提高SO2的轉(zhuǎn)化率.V2O5在450 ℃時(shí)活性最高,且反應(yīng)放出大量熱.

[資料2]熱交換器的作用.

[資料3]直接用水吸收SO3會(huì)放出大量熱,產(chǎn)生酸霧.

學(xué)生活動(dòng):根據(jù)濃硫酸的性質(zhì)和資料設(shè)計(jì)工業(yè)制硫酸的流程.

課時(shí)4 探討“是否有必要建設(shè)一座硫酸工廠”

[資料1]某公司所在的地理位置,現(xiàn)有自然資源和歷史資源.

[資料2]該公司制精銅工藝.

[資料3]環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中環(huán)境空氣功能區(qū)分類及SO2質(zhì)量要求.

[資料4]含硫礦石加工過(guò)程中常見(jiàn)的幾類脫硫工藝技術(shù)及優(yōu)缺點(diǎn).

[資料5]電化學(xué)脫硫方法和裝置.

[資料6]硫酸工廠生產(chǎn)污水處理站“零”排放工藝設(shè)計(jì)應(yīng)用.

[任務(wù)1]確定角色,收集資料.

學(xué)生活動(dòng):根據(jù)興趣讓學(xué)生分為環(huán)保部門(mén)、文化和旅游部門(mén)、食品藥品行業(yè)、公司相關(guān)項(xiàng)目負(fù)責(zé)人、政府及當(dāng)?shù)厝罕?選擇5名學(xué)生成立“專家”小組,在論證過(guò)程中進(jìn)行科學(xué)信息引導(dǎo),把控論證方向.

學(xué)習(xí)反饋:根據(jù)興趣自行結(jié)組,從所在組角色出發(fā)收集資料,形成觀點(diǎn).

[任務(wù)2]立論陳詞,亮明觀點(diǎn).

學(xué)生活動(dòng):每小組選出代表對(duì)本組觀點(diǎn)進(jìn)行陳述,給出支持本組觀點(diǎn)的證據(jù).

[任務(wù)3]深入論證,分析利弊.

學(xué)生活動(dòng):深入探討如何避免或降低建設(shè)硫酸工廠產(chǎn)生的危害,利用化學(xué)知識(shí)解決問(wèn)題.

[任務(wù)4]權(quán)衡利弊,科學(xué)決策.

學(xué)生活動(dòng):綜合分析利弊和改進(jìn)措施,權(quán)衡利弊,作出科學(xué)決策.

[總結(jié)]邀請(qǐng)相關(guān)部門(mén)和行業(yè)人員為學(xué)生進(jìn)行點(diǎn)評(píng).

6 教學(xué)效果及反思

學(xué)生在“是否建設(shè)一座硫酸工廠”大單元的學(xué)習(xí)過(guò)程中產(chǎn)生了較高的學(xué)習(xí)興趣,以“價(jià)—類”二維圖為載體形成了含硫物質(zhì)及其轉(zhuǎn)化完整的知識(shí)結(jié)構(gòu),并應(yīng)用硫及其化合物模型解決實(shí)際問(wèn)題,讓化學(xué)更“接地氣”.在籌備和參與“是否建設(shè)一座硫酸工廠”會(huì)議過(guò)程中,學(xué)生之間合作能力較強(qiáng),準(zhǔn)備充足,論點(diǎn)充分,能較好地將化學(xué)知識(shí)和實(shí)際情況結(jié)合,利用化學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題,辯證思維、表達(dá)能力等均有所發(fā)展,可持續(xù)發(fā)展理念和綠色化學(xué)理念均有提升.本課例將大單元教學(xué)與社會(huì)性科學(xué)議題結(jié)合,幫助學(xué)生自主建構(gòu)含硫物質(zhì)及其相互轉(zhuǎn)化認(rèn)知進(jìn)階模型,讓學(xué)生直面相關(guān)社會(huì)復(fù)雜問(wèn)題.化學(xué)教學(xué)在讓學(xué)生“學(xué)有所長(zhǎng)”的同時(shí)更要“學(xué)有所用”,培養(yǎng)新一代勇?lián)鷼v史使命、用化學(xué)創(chuàng)造美麗中國(guó)的“化學(xué)人”.

(完)