促進(jìn)“元素觀”發(fā)展的化學(xué)教學(xué)

丁玲 何彩霞

摘要：在必修1“二氧化硫的性質(zhì)和應(yīng)用”的教學(xué)中，基于對(duì)二氧化硫知識(shí)內(nèi)容、教學(xué)價(jià)值以及學(xué)情的分析，選取“葡萄酒中為什么要添加二氧化硫”為情境素材，通過微型實(shí)驗(yàn)現(xiàn)制二氧化硫進(jìn)行性質(zhì)探究。教學(xué)中注重從“元素觀”發(fā)展的角度，引導(dǎo)學(xué)生從物質(zhì)類別、核心元素價(jià)態(tài)兩個(gè)角度認(rèn)識(shí)二氧化硫的性質(zhì)，提升研究無機(jī)物化學(xué)性質(zhì)的基本思路和方法。

關(guān)鍵詞：二氧化硫性質(zhì);元素觀;微型實(shí)驗(yàn)

文章編號(hào)：1008-0546（2020）03-0074-04

中圖分類號(hào)：G632.41

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi： 10.3969/j .issn.1008-0546.2020.03.020

元素化合物知識(shí)是中學(xué)化學(xué)的基本知識(shí)，它具有內(nèi)容多、分布廣、瑣碎等特點(diǎn)，學(xué)生往往覺得易懂難記。而且2007版人教版必修教材中[1]，元素化合物知識(shí)被編排在原子結(jié)構(gòu)與元素周期律之前，關(guān)于物質(zhì)性質(zhì)的學(xué)習(xí)主要是基于實(shí)驗(yàn)事實(shí)的感性認(rèn)識(shí)，缺少從結(jié)構(gòu)角度出發(fā)來推斷或解釋的理性分析，學(xué)生對(duì)物質(zhì)性質(zhì)容易混淆且易忘，因此元素化合物的教學(xué)一直以來都是一個(gè)難點(diǎn)。如何使零散、孤立的知識(shí)變得結(jié)構(gòu)化、系統(tǒng)、有序呢？以“化學(xué)元素觀”為統(tǒng)領(lǐng)來組織教學(xué)，以事實(shí)性知識(shí)的教學(xué)為載體，建立研究物質(zhì)性質(zhì)的基本思路和方法，從元素視角提升學(xué)生對(duì)物質(zhì)性質(zhì)及轉(zhuǎn)化的深入認(rèn)識(shí)是解決上述問題的有效途徑之一。

《高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》在基本理念中提出“引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步學(xué)習(xí)化學(xué)的基本原理和方法，形成化學(xué)學(xué)科的核心觀念[2]”?！盎瘜W(xué)元素觀”是從元素視角對(duì)物質(zhì)及其化學(xué)變化本質(zhì)的深層次理解，作為化學(xué)學(xué)科的核心觀念之一，元素觀能為學(xué)生構(gòu)建從元素視角認(rèn)識(shí)物質(zhì)及其轉(zhuǎn)化的思考框架，也是理解其他化學(xué)觀念的基礎(chǔ)[3][4]。對(duì)于元素觀的內(nèi)涵，何彩霞提出“元素觀大致有三方面含義：一是對(duì)元素的認(rèn)識(shí)，包括什么是元素、元素的種類、元素的性質(zhì)等。就元素的性質(zhì)而言，還涉及元素之間的差異、元素性質(zhì)的周期性、一類元素性質(zhì)的相似性等。二是從元素視角看物質(zhì)，即元素與物質(zhì)有什么關(guān)系，具體包括元素組成與物質(zhì)的分類、性質(zhì)有什么關(guān)系等。三是從元素角度看化學(xué)反應(yīng)，即元素與化學(xué)反應(yīng)有什么關(guān)系，在化學(xué)反應(yīng)中元素種類是否發(fā)生變化、含有同種元素的不同物質(zhì)之間的轉(zhuǎn)化存在什么規(guī)律等[5]”。從元素的視角認(rèn)識(shí)物質(zhì)，也要對(duì)元素與物質(zhì)性質(zhì)的關(guān)系有深入的了解。關(guān)于物質(zhì)與元素，新課標(biāo)中提出以下要求：（1）認(rèn)識(shí)元素可以組成不同種類的物質(zhì)，根據(jù)物質(zhì)的組成和性質(zhì)可以對(duì)物質(zhì)進(jìn)行分類。（2）同類物質(zhì)具有相似的性質(zhì)，一定條件下各類物質(zhì)可以相互轉(zhuǎn)化。（3）認(rèn)識(shí)元素在物質(zhì)中可以具有不同價(jià)態(tài)，可通過氧化還原反應(yīng)實(shí)現(xiàn)含有不同價(jià)態(tài)同種元素的物質(zhì)的相互轉(zhuǎn)化[6]。學(xué)生對(duì)元素觀的認(rèn)識(shí)是伴隨著具體事實(shí)的學(xué)習(xí)而逐漸發(fā)展的，具體事實(shí)的學(xué)習(xí)是化學(xué)元素觀形成和發(fā)展的基礎(chǔ)。因此在事實(shí)性知識(shí)的教學(xué)中要促進(jìn)學(xué)生元素觀的發(fā)展，需要立足學(xué)科整體，以元素觀為統(tǒng)領(lǐng)來組織教學(xué)，思考具體知識(shí)的教學(xué)對(duì)物質(zhì)組成及性質(zhì)等學(xué)科基本問題的滲透、落實(shí)和具體化，而一定層次的化學(xué)元素觀又能指導(dǎo)物質(zhì)組成及性質(zhì)的學(xué)習(xí)[7]。為此，筆者以必修1“二氧化硫的性質(zhì)和應(yīng)用”教學(xué)為例展開討論。

一、教學(xué)內(nèi)容分析及功能價(jià)值

在2007版人教版必修教材中，“二氧化硫的性質(zhì)和應(yīng)用”屬于化學(xué)1第四章第三節(jié)“硫和氮的氧化物”的學(xué)習(xí)內(nèi)容。二氧化硫是典型的酸性氧化物，具有酸性氧化物的通性;核心元素硫元素化合價(jià)為+4價(jià)，處于硫元素的中間價(jià)態(tài)，既能表現(xiàn)氧化性又能表現(xiàn)還原性;而且二氧化硫還具有它自身的特性一漂白性。從知識(shí)結(jié)構(gòu)來看（如圖1），二氧化硫的教學(xué)可以促進(jìn)學(xué)生主動(dòng)應(yīng)用元素觀，從物質(zhì)類別、核心元素價(jià)態(tài)兩個(gè)維度來分析、預(yù)測(cè)物質(zhì)性質(zhì)，再設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證得出結(jié)論，從而提升對(duì)于研究無機(jī)物性質(zhì)的基本思路和方法的認(rèn)識(shí)。

對(duì)于知識(shí)的學(xué)習(xí)，不能純粹地由教師講授，而是要精心設(shè)計(jì)教學(xué)活動(dòng)，將化學(xué)知識(shí)（二氧化硫的性質(zhì)）與真實(shí)情境結(jié)合，通過問題、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證等學(xué)習(xí)任務(wù)，建立“分析角度一理論預(yù)測(cè)一實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證”這樣的學(xué)習(xí)思路，并應(yīng)用知識(shí)解決實(shí)際問題?！陡咧谢瘜W(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》關(guān)于必修課程“主題2：常見的無機(jī)物及其應(yīng)用”中明確要求：“結(jié)合真實(shí)情境中的應(yīng)用實(shí)例或通過實(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”。強(qiáng)調(diào)真實(shí)情境的創(chuàng)設(shè)，實(shí)驗(yàn)探究以及應(yīng)用（用途）?！爸匾曢_展高水平的實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)”，并給出了“食品中適量添加二氧化硫的作用（去色、殺菌、抗氧化）”等情境素材建議。筆者結(jié)合“二氧化硫的性質(zhì)探究”設(shè)計(jì)了一組微型創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，促進(jìn)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)，構(gòu)建從元素觀認(rèn)識(shí)無機(jī)物性質(zhì)的基本思路和方法。

二、學(xué)情分析

做好學(xué)情分析，可以為教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法的選擇提供重要的參考依據(jù)。課前，對(duì)學(xué)生的前測(cè)情況見表1。

通過課堂前測(cè)發(fā)現(xiàn)，學(xué)生對(duì)硫元素的常見價(jià)態(tài)掌握良好，對(duì)含硫元素的物質(zhì)類別大部分學(xué)生都能列舉出來，能正確合理地畫出二維圖。但是讓學(xué)生根據(jù)以上二維圖，從兩個(gè)角度獨(dú)立預(yù)測(cè)二氧化硫化學(xué)性質(zhì)時(shí)，大部分學(xué)生難以有意識(shí)、主動(dòng)地從類別、價(jià)態(tài)兩個(gè)角度清晰地進(jìn)行預(yù)測(cè)，而是無意識(shí)地列舉，或者是類比了二氧化碳，推測(cè)二氧化硫可以與水反應(yīng)、與堿溶液反應(yīng)。只有個(gè)別學(xué)生能從物質(zhì)類別、價(jià)態(tài)兩個(gè)角度有條理地進(jìn)行預(yù)測(cè)。由此可見，學(xué)生對(duì)二維圖的認(rèn)識(shí)偏于形式，沒有真正理解并運(yùn)用物質(zhì)類別、價(jià)態(tài)兩個(gè)角度去分析物質(zhì)性質(zhì)，實(shí)現(xiàn)二維圖在學(xué)習(xí)物質(zhì)性質(zhì)時(shí)的重要工具價(jià)值。所以本節(jié)課教師需要引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)從物質(zhì)類別、核心元素價(jià)態(tài)分析、預(yù)測(cè)性質(zhì)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證、歸納總結(jié)研究無機(jī)物化學(xué)性質(zhì)的一般思路和方法。

三、教學(xué)目標(biāo)及教學(xué)活動(dòng)設(shè)計(jì)

1.教學(xué)目標(biāo)

基于上述分析，本節(jié)課的教學(xué)目標(biāo)確定為：（1）能從物質(zhì)類別、元素價(jià)態(tài)的角度，依據(jù)復(fù)分解反應(yīng)和氧化還原反應(yīng)原理，預(yù)測(cè)二氧化硫的化學(xué)性質(zhì)，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行初步驗(yàn)證，并能分析、解釋有關(guān)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。（2）能列舉、描述、辨識(shí)二氧化硫重要的化學(xué)性質(zhì)及實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。能用化學(xué)方程式、離子方程式正確表示二氧化硫的主要化學(xué)性質(zhì)。（3）通過對(duì)二氧化硫的學(xué)習(xí)，形成研究無機(jī)物化學(xué)性質(zhì)的基本思路和方法，關(guān)注從化學(xué)視角解決生活問題。其中，從物質(zhì)類別、元素價(jià)態(tài)的角度，認(rèn)識(shí)二氧化硫的化學(xué)性質(zhì)是教學(xué)重點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與二氧化硫性質(zhì)的對(duì)應(yīng)關(guān)系是教學(xué)難點(diǎn)。

2.主要教學(xué)活動(dòng)設(shè)計(jì)與教學(xué)策略

（1）利用真實(shí)情境素材，基于學(xué)生已有認(rèn)知，通過連續(xù)性問題為驅(qū)動(dòng)構(gòu)建教學(xué)內(nèi)容主線

環(huán)節(jié)一：情境引入——自釀葡萄酒，飲用需謹(jǐn)慎。教師展示市售葡萄酒說明書，提出問題1“葡萄酒中為什么要添加二氧化硫？”，多數(shù)學(xué)生在學(xué)本課之前知道二氧化硫有毒，但有毒的二氧化硫?yàn)槭裁催€能加人飲用酒里？此問題情境引發(fā)學(xué)生認(rèn)知沖突，極大地引發(fā)了學(xué)生的好奇心。通過生活中的實(shí)際問題走向化學(xué)課堂，讓學(xué)生關(guān)注性質(zhì)決定了用途，由用途關(guān)注性質(zhì)的化學(xué)思想，聚焦到二氧化硫的性質(zhì)。

環(huán)節(jié)二：預(yù)測(cè)二氧化硫性質(zhì)

[問題2]要預(yù)測(cè)SO2化學(xué)性質(zhì)，應(yīng)該從什么角度分析？

[學(xué)生]從物質(zhì)類別、化合價(jià)分析。

[問題2.1]從物質(zhì)類別角度預(yù)測(cè)，S02具有哪些性質(zhì)？

[學(xué)生]從物質(zhì)類別上看，SO2和CO2都屬于酸性氧化物，SO2應(yīng)該與CO2性質(zhì)相似，可以與水、與NaOH等堿、與Na20等堿性氧化物反應(yīng)。

[問題2.2]從元素價(jià)態(tài)分析，S02具有哪些性質(zhì)？

[學(xué)生] S02中S元素為+4價(jià)，處于中間價(jià)，既可表現(xiàn)出氧化性、又可表現(xiàn)出還原性。

在此環(huán)節(jié)中，根據(jù)元素組成找到二氧化硫所屬的物質(zhì)類別，進(jìn)而類比二氧化碳分析其酸性氧化物的通性;根據(jù)核心元素硫的化合價(jià)，可判斷二氧化硫的氧化性和還原性，這種具體化的元素觀——類別、價(jià)態(tài)觀能直觀地引導(dǎo)學(xué)生體會(huì)和預(yù)測(cè)物質(zhì)的性質(zhì)，搭建分析無機(jī)物化學(xué)性質(zhì)的思維框架，促進(jìn)對(duì)化學(xué)元素觀的深層次理解。

（2）以微型實(shí)驗(yàn)為手段，通過理論分析、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、觀察、證據(jù)推理能力，深入認(rèn)識(shí)二氧化硫的性質(zhì)，并滲透綠色化學(xué)思想。

如何通過實(shí)驗(yàn)證明以上對(duì)SO：性質(zhì)的預(yù)測(cè)？讓學(xué)生了解到實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)要關(guān)注：試劑選擇、產(chǎn)物預(yù)測(cè)、可觀測(cè)證據(jù)的尋找、有毒氣體的尾氣處理等。此環(huán)節(jié)主要的問題及教學(xué)活動(dòng)如下。

環(huán)節(jié)三：實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

[問題3]如何通過實(shí)驗(yàn)證明以上對(duì)SO2性質(zhì)的預(yù)測(cè)？從所提供的的試劑（S02、石蕊、NaOH溶液、酚酞、酸性KMn04溶液、H：S溶液、品紅溶液）中選擇合適的試劑、預(yù)測(cè)產(chǎn)物、尋找可觀測(cè)的證據(jù)。

[學(xué)生]討論，選擇常見的氧化劑、還原劑，梳理實(shí)驗(yàn)方案如表2。

[問題4] SO2有毒，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，若SO2沒有反應(yīng)完，如何避免它進(jìn)入環(huán)境中？

[學(xué)生]討論得出用NaOH溶液吸收未反應(yīng)完的S02。

根據(jù)資料卡片（圖3），利用井穴板和培養(yǎng)皿作為微型實(shí)驗(yàn)裝置，現(xiàn)制S02并一次性完成對(duì)S02性質(zhì)的驗(yàn)證（由于H：S有毒，且有臭雞蛋氣味，實(shí)驗(yàn)時(shí)改用硫元素化合價(jià)相同的Na2S代替，并利用浸了NaOH溶液的棉花以吸收過量的S02）。

[問題5]你觀察到什么現(xiàn)象？這些現(xiàn)象分別體現(xiàn)了S02什么性質(zhì)？

[學(xué)生]回答現(xiàn)象并解釋：石蕊溶液由紫色變紅，酚酞溶液紅色褪去體現(xiàn)S02具有酸性氧化物的通性;Na2S溶液中有黃色渾濁，體現(xiàn)S02具有氧化性;KMri04溶液紫色褪去體現(xiàn)S02具有還原性。

結(jié)合工業(yè)上常用SO2來漂白紙漿、毛、絲、草帽，且這些物品時(shí)間長久后會(huì)發(fā)黃，讓學(xué)生猜測(cè)S02對(duì)品紅不是永久漂白。教師演示將品紅溶液加入盛有S02氣體的試管中，然后通過加熱加快反應(yīng)速率，模擬SO2的漂白作用不長久（在試管口套一個(gè)氣球，防止受熱時(shí)S02污染環(huán)境），從而認(rèn)識(shí)二氧化硫的漂白原理和漂白效果。

以上環(huán)節(jié)中，通過討論、梳理實(shí)驗(yàn)方案，現(xiàn)制二氧化硫進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了理論為指導(dǎo)下的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。通過實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了之前從類別、價(jià)態(tài)二維角度理論分析的正確性，從學(xué)科本質(zhì)深入認(rèn)識(shí)了二氧化硫的性質(zhì)，也培養(yǎng)了學(xué)生實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的能力，建立了觀點(diǎn)、證據(jù)、結(jié)論之間的邏輯關(guān)系，并滲透了綠色化學(xué)思想。

最后總結(jié)提升，由本節(jié)課對(duì)二氧化硫性質(zhì)的學(xué)習(xí)方法提升到研究無機(jī)物化學(xué)性質(zhì)的一般思路：預(yù)測(cè)（基于元素觀，具體到物質(zhì)類別、核心元素化合價(jià)、特性三個(gè)角度），再實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證.找到可觀測(cè)的證據(jù)，得出結(jié)論。通過對(duì)二氧化硫性質(zhì)的學(xué)習(xí)，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到葡萄酒中二氧化硫可以起到選擇性殺菌、澄清、抗氧化、增酸等作用。整節(jié)課學(xué)生通過微型實(shí)驗(yàn)在完成事實(shí)性知識(shí)的學(xué)習(xí)過程中，搭建、總結(jié)、外顯認(rèn)識(shí)思路和方法，促進(jìn)了化學(xué)元素觀的核心觀念的發(fā)展。

四、結(jié)束語

元素化合物知識(shí)內(nèi)容多、瑣碎，在有限的課堂時(shí)間里教師傳授給學(xué)生的學(xué)科知識(shí)是有限的。那么元素化合物知識(shí)的教學(xué)到底要教給學(xué)生什么？本節(jié)課圍繞“二氧化硫的性質(zhì)和應(yīng)用”這一具體的事實(shí)性知識(shí)，通過真實(shí)情境、連續(xù)性問題驅(qū)動(dòng)、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證等教學(xué)策略，發(fā)展學(xué)生的深層思維，建立分析無機(jī)物性質(zhì)的基本思路和方法，以物質(zhì)類別、核心元素價(jià)態(tài)兩個(gè)角度作為具體化的元素觀，讓學(xué)生關(guān)注點(diǎn)由知識(shí)向知識(shí)的獲得過程轉(zhuǎn)變，提升對(duì)學(xué)科本質(zhì)的理解，教學(xué)板書如圖4所示。

參考文獻(xiàn)

[l]宋心琦主編.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書，化學(xué)1，第三版[M].北京：人民教育出版社，2007

[2][6]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）[M].北京：人民教育出版社，2018

[3][5]何彩霞.圍繞“化學(xué)元素觀”展開深入學(xué)習(xí)——以水的組成教學(xué)為例[J].化學(xué)教育，2013，34（4）：36-39

[4][7]梁永平，論中學(xué)生化學(xué)元素觀的建構(gòu)[J].化學(xué)教育，2007，28（11）：10-15