促進“元素觀”發展的化學教學

丁玲 何彩霞

摘要：在必修1“二氧化硫的性質和應用”的教學中，基于對二氧化硫知識內容、教學價值以及學情的分析，選取“葡萄酒中為什么要添加二氧化硫”為情境素材，通過微型實驗現制二氧化硫進行性質探究。教學中注重從“元素觀”發展的角度，引導學生從物質類別、核心元素價態兩個角度認識二氧化硫的性質，提升研究無機物化學性質的基本思路和方法。

關鍵詞：二氧化硫性質;元素觀;微型實驗

文章編號：1008-0546（2020）03-0074-04

中圖分類號：G632.41

文獻標識碼：B

doi： 10.3969/j .issn.1008-0546.2020.03.020

元素化合物知識是中學化學的基本知識，它具有內容多、分布廣、瑣碎等特點，學生往往覺得易懂難記。而且2007版人教版必修教材中[1]，元素化合物知識被編排在原子結構與元素周期律之前，關于物質性質的學習主要是基于實驗事實的感性認識，缺少從結構角度出發來推斷或解釋的理性分析，學生對物質性質容易混淆且易忘，因此元素化合物的教學一直以來都是一個難點。如何使零散、孤立的知識變得結構化、系統、有序呢？以“化學元素觀”為統領來組織教學，以事實性知識的教學為載體，建立研究物質性質的基本思路和方法，從元素視角提升學生對物質性質及轉化的深入認識是解決上述問題的有效途徑之一。

《高中化學課程標準（2017年版）》在基本理念中提出“引導學生進一步學習化學的基本原理和方法，形成化學學科的核心觀念[2]”。“化學元素觀”是從元素視角對物質及其化學變化本質的深層次理解，作為化學學科的核心觀念之一，元素觀能為學生構建從元素視角認識物質及其轉化的思考框架，也是理解其他化學觀念的基礎[3][4]。對于元素觀的內涵，何彩霞提出“元素觀大致有三方面含義：一是對元素的認識，包括什么是元素、元素的種類、元素的性質等。就元素的性質而言，還涉及元素之間的差異、元素性質的周期性、一類元素性質的相似性等。二是從元素視角看物質，即元素與物質有什么關系，具體包括元素組成與物質的分類、性質有什么關系等。三是從元素角度看化學反應，即元素與化學反應有什么關系，在化學反應中元素種類是否發生變化、含有同種元素的不同物質之間的轉化存在什么規律等[5]”。從元素的視角認識物質，也要對元素與物質性質的關系有深入的了解。關于物質與元素，新課標中提出以下要求：（1）認識元素可以組成不同種類的物質，根據物質的組成和性質可以對物質進行分類。（2）同類物質具有相似的性質，一定條件下各類物質可以相互轉化。（3）認識元素在物質中可以具有不同價態，可通過氧化還原反應實現含有不同價態同種元素的物質的相互轉化[6]。學生對元素觀的認識是伴隨著具體事實的學習而逐漸發展的，具體事實的學習是化學元素觀形成和發展的基礎。因此在事實性知識的教學中要促進學生元素觀的發展，需要立足學科整體，以元素觀為統領來組織教學，思考具體知識的教學對物質組成及性質等學科基本問題的滲透、落實和具體化，而一定層次的化學元素觀又能指導物質組成及性質的學習[7]。為此，筆者以必修1“二氧化硫的性質和應用”教學為例展開討論。

一、教學內容分析及功能價值

在2007版人教版必修教材中，“二氧化硫的性質和應用”屬于化學1第四章第三節“硫和氮的氧化物”的學習內容。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為+4價，處于硫元素的中間價態，既能表現氧化性又能表現還原性;而且二氧化硫還具有它自身的特性一漂白性。從知識結構來看（如圖1），二氧化硫的教學可以促進學生主動應用元素觀，從物質類別、核心元素價態兩個維度來分析、預測物質性質，再設計實驗驗證得出結論，從而提升對于研究無機物性質的基本思路和方法的認識。

對于知識的學習，不能純粹地由教師講授，而是要精心設計教學活動，將化學知識（二氧化硫的性質）與真實情境結合，通過問題、實驗設計與驗證等學習任務，建立“分析角度一理論預測一實驗驗證”這樣的學習思路，并應用知識解決實際問題。《高中化學課程標準（2017年版）》關于必修課程“主題2：常見的無機物及其應用”中明確要求：“結合真實情境中的應用實例或通過實驗探究，了解硫及其重要化合物的主要性質，認識這些物質在生產中的應用和對生態環境的影響”。強調真實情境的創設，實驗探究以及應用（用途）。“重視開展高水平的實驗探究活動”，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。筆者結合“二氧化硫的性質探究”設計了一組微型創新實驗，促進學生主動學習，構建從元素觀認識無機物性質的基本思路和方法。

二、學情分析

做好學情分析，可以為教學內容和教學方法的選擇提供重要的參考依據。課前，對學生的前測情況見表1。

通過課堂前測發現，學生對硫元素的常見價態掌握良好，對含硫元素的物質類別大部分學生都能列舉出來，能正確合理地畫出二維圖。但是讓學生根據以上二維圖，從兩個角度獨立預測二氧化硫化學性質時，大部分學生難以有意識、主動地從類別、價態兩個角度清晰地進行預測，而是無意識地列舉，或者是類比了二氧化碳，推測二氧化硫可以與水反應、與堿溶液反應。只有個別學生能從物質類別、價態兩個角度有條理地進行預測。由此可見，學生對二維圖的認識偏于形式，沒有真正理解并運用物質類別、價態兩個角度去分析物質性質，實現二維圖在學習物質性質時的重要工具價值。所以本節課教師需要引導學生主動從物質類別、核心元素價態分析、預測性質、設計實驗驗證、歸納總結研究無機物化學性質的一般思路和方法。

三、教學目標及教學活動設計

1.教學目標

基于上述分析，本節課的教學目標確定為：（1）能從物質類別、元素價態的角度，依據復分解反應和氧化還原反應原理，預測二氧化硫的化學性質，設計實驗進行初步驗證，并能分析、解釋有關實驗現象。（2）能列舉、描述、辨識二氧化硫重要的化學性質及實驗現象。能用化學方程式、離子方程式正確表示二氧化硫的主要化學性質。（3）通過對二氧化硫的學習，形成研究無機物化學性質的基本思路和方法，關注從化學視角解決生活問題。其中，從物質類別、元素價態的角度，認識二氧化硫的化學性質是教學重點，實驗現象與二氧化硫性質的對應關系是教學難點。

2.主要教學活動設計與教學策略

（1）利用真實情境素材，基于學生已有認知，通過連續性問題為驅動構建教學內容主線

環節一：情境引入——自釀葡萄酒，飲用需謹慎。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？”，多數學生在學本課之前知道二氧化硫有毒，但有毒的二氧化硫為什么還能加人飲用酒里？此問題情境引發學生認知沖突，極大地引發了學生的好奇心。通過生活中的實際問題走向化學課堂，讓學生關注性質決定了用途，由用途關注性質的化學思想，聚焦到二氧化硫的性質。

環節二：預測二氧化硫性質

[問題2]要預測SO2化學性質，應該從什么角度分析？

[學生]從物質類別、化合價分析。

[問題2.1]從物質類別角度預測，S02具有哪些性質？

[學生]從物質類別上看，SO2和CO2都屬于酸性氧化物，SO2應該與CO2性質相似，可以與水、與NaOH等堿、與Na20等堿性氧化物反應。

[問題2.2]從元素價態分析，S02具有哪些性質？

[學生] S02中S元素為+4價，處于中間價，既可表現出氧化性、又可表現出還原性。

在此環節中，根據元素組成找到二氧化硫所屬的物質類別，進而類比二氧化碳分析其酸性氧化物的通性;根據核心元素硫的化合價，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、價態觀能直觀地引導學生體會和預測物質的性質，搭建分析無機物化學性質的思維框架，促進對化學元素觀的深層次理解。

（2）以微型實驗為手段，通過理論分析、實驗驗證，培養學生實驗設計、觀察、證據推理能力，深入認識二氧化硫的性質，并滲透綠色化學思想。

如何通過實驗證明以上對SO：性質的預測？讓學生了解到實驗方案的設計要關注：試劑選擇、產物預測、可觀測證據的尋找、有毒氣體的尾氣處理等。此環節主要的問題及教學活動如下。

環節三：實驗驗證

[問題3]如何通過實驗證明以上對SO2性質的預測？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、預測產物、尋找可觀測的證據。

[學生]討論，選擇常見的氧化劑、還原劑，梳理實驗方案如表2。

[問題4] SO2有毒，實驗結束后，若SO2沒有反應完，如何避免它進入環境中？

[學生]討論得出用NaOH溶液吸收未反應完的S02。

根據資料卡片（圖3），利用井穴板和培養皿作為微型實驗裝置，現制S02并一次性完成對S02性質的驗證（由于H：S有毒，且有臭雞蛋氣味，實驗時改用硫元素化合價相同的Na2S代替，并利用浸了NaOH溶液的棉花以吸收過量的S02）。

[問題5]你觀察到什么現象？這些現象分別體現了S02什么性質？

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

結合工業上常用SO2來漂白紙漿、毛、絲、草帽，且這些物品時間長久后會發黃，讓學生猜測S02對品紅不是永久漂白。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速率，模擬SO2的漂白作用不長久（在試管口套一個氣球，防止受熱時S02污染環境），從而認識二氧化硫的漂白原理和漂白效果。

以上環節中，通過討論、梳理實驗方案，現制二氧化硫進行實驗，實現了理論為指導下的實驗驗證。通過實驗，驗證了之前從類別、價態二維角度理論分析的正確性，從學科本質深入認識了二氧化硫的性質，也培養了學生實驗設計的能力，建立了觀點、證據、結論之間的邏輯關系，并滲透了綠色化學思想。

最后總結提升，由本節課對二氧化硫性質的學習方法提升到研究無機物化學性質的一般思路：預測（基于元素觀，具體到物質類別、核心元素化合價、特性三個角度），再實驗驗證.找到可觀測的證據，得出結論。通過對二氧化硫性質的學習，讓學生認識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。整節課學生通過微型實驗在完成事實性知識的學習過程中，搭建、總結、外顯認識思路和方法，促進了化學元素觀的核心觀念的發展。

四、結束語

元素化合物知識內容多、瑣碎，在有限的課堂時間里教師傳授給學生的學科知識是有限的。那么元素化合物知識的教學到底要教給學生什么？本節課圍繞“二氧化硫的性質和應用”這一具體的事實性知識，通過真實情境、連續性問題驅動、實驗設計與驗證等教學策略，發展學生的深層思維，建立分析無機物性質的基本思路和方法，以物質類別、核心元素價態兩個角度作為具體化的元素觀，讓學生關注點由知識向知識的獲得過程轉變，提升對學科本質的理解，教學板書如圖4所示。

參考文獻

[l]宋心琦主編.普通高中課程標準實驗教科書，化學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.普通高中化學課程標準（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2018

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

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