構建“硫循環和氮循環”模型，發展學生核心素養

胡樂萌

摘要：以“硫循環和氮循環”一課的教學設計為例，分析“元素循環模型”構建過程中情境素材的選取原則、學生活動的設

計依據及其在發展學生化學學科核心素養中的學科價值，在教學中落實“立德樹人”的根本任務。

關鍵詞：硫循環和氮循環;教學設計;模型認知;真實情境;核心素養

文章編號：1008-0546（2022）10x-0007-05中圖分類號：G632.41文獻標識碼：B

“硫循環和氮循環”是滬科版普通高中化學教科書必修一第3章“硫、氮及其循環”的第3單元。自然界中的硫、氮循環是維持生態平衡的重要物質基礎，含硫、含氮物質的使用在為人類帶來益處的同時，也造成了一些困擾。[1]在第2章氯、溴、碘相關物質性質及轉化學習的基礎上，本章引領學生深入硫、氮及其重要化合物相關性質的探究與學習，形成以氯、硫、氮三種元素為核心的非金屬元素性質的認知模型（見圖1）。

物質的分類、氧化還原反應和離子反應等化學原理為學習元素化合物的性質提供了理論指導。氯、溴、碘、硫、氮等元素性質相似性與遞變性的探究又為第4章元素周期表和元素周期律的理論學習打下堅實的物質基礎。“硫循環和氮循環”這一單元將硫、氮相關物質的性質整合應用于元素循環模型的構建之中，在必修一中起著承前啟后的重要作用。

一、課程標準及不同版本教材呈現形式的比較分析

元素化合物性質在高中化學課程體系中占據基礎性地位，高中化學體系中的諸多基本概念和基本理論都要以元素化合物知識為基本生長點。[2]滬科版“硫循環和氮循環”這一單元包含4節內容：自然界中的硫循環、自然界中的氮循環、酸雨和建立人與自然的和諧共生。這4節內容在《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱《課程標準》）中對應的內容要求如表1所示。[3]

在《課程標準》必修課程主題2的情境素材建議中出現了“氮的循環”，但未出現“硫循環”的相關表述，只提到“火山噴發中含硫物質的轉化”這一情境素材。針對《課程標準》中規定的教學內容，滬科版、人教版和魯科版三套化學教材在編寫時的處理方式有著顯著的差異。

滬科版教材設置“自然界中的硫循環”和“自然界中的氮循環”兩節內容，旨在歸納總結之前所學不同價態、不同類別含硫、含氮物質之間的相互轉化方式，并應用于分析對生態環境和人類發展的重要意義。

人教版教材在必修第二冊第5章“化工生產中的重要非金屬元素”第1節“硫及其化合物”正文部分并未出現“硫循環”的說法，只在“不同價態含硫物質的轉化”這一內容下的“資料卡片”欄目中介紹了自然界中硫的存在和轉化。在本章第2節“氮及其化合物”開篇引言部分提出“氮是自然界各種生物體生命活動不可缺少的重要元素，自然界是怎樣通過氮的循環為生物體提供氮元素的呢？”的設問，雖附上“氮循環”示意圖，但僅將其作為情境素材引出各種固氮方式的教學內容，并未像滬科版教材中那樣明確指出“硝化細菌”和“反硝化細菌”在氮循環中的作用，僅以“被細菌分解”概括。

魯科版教材在必修第一冊第3章“物質的性質與轉化”第2節“硫的轉化”開篇介紹自然界中的硫，以火山爆發為起點，簡介了含硫物質從巖石圈到大氣圈、水圈和生物圈的單向轉化途徑及所涉物質，指出硫元素廣泛存在于自然界中，但并未形成“元素循環”的認知模型。“自然界中的含硫物質轉化”和“氮循環”在魯科版教材中的功能同樣定位于情境素材，驅動學生通過對含硫、含氮物質性質和化學反應的學習，構建“價-類二維圖”，形成元素性質學習中的“物質觀”和“轉化觀”。

綜上所述，只有滬科版教材將“硫循環和氮循環”置于章節標題之中，而且作為單獨的單元教學內容呈現，不滿足于僅將其作為情境素材，而是在完成所有含硫、含氮物質性質及轉化學習之后，助力學生形成自然界元素循環的觀念。本節課基于《課程標準》和滬科版教材的編制特色進行教學設計，旨在通過元素循環模型的構建與認知，將看似零碎且獨立的物質性質生動地串聯起來，形成一個整體。本設計不滿足于僅讓學生停留在了解硫、氮及其重要化合物的性質層面，而是要令其認識到元素循環轉化在促進地球生態平衡和社會文明進步中的重要價值，由學科知識掌握層面上升到形成學科核心素養和理解學科價值的層面。

二、學習活動與教學過程分析

《課程標準》倡導以真實情境為基礎開展教學與學生活動。含硫、含氮物質在日常生產、生活中有著廣泛的分布和應用，因此相關情境的選擇面較廣。《課程標準》建議以“火山噴發中含硫物質的轉化”“雷雨發莊稼”“氮的循環與氮的固定”“氮肥的生產與合理使用”和“酸雨的成因與防治”等情境，開展調查與交流討論式的學習活動。

《課程標準》提出“實驗及探究活動”和“調查與交流討論”兩大類學習活動的建議。在本章前兩單元硫、氮及重要化合物具體性質的學習中適合開展以性質探究為導向的實驗探究活動，而本單元則更適合開展以元素模型構建探究為導向的調查與討論活動。

本節課以我國“人工合成結晶牛胰島素”為情境素材引入;以教材中對自然界中硫元素在巖石圈、水圈、大氣圈、生物圈以及各種地質系統之間遷移演化過程的介紹作為閱讀資料，創設文獻閱讀與分析的學生活動;引導學生在討論與歸納中構建“自然界中的硫循環”認知模型（見圖2），形成自然界中元素循環的觀念;以硫酸型酸雨和硝酸型酸雨的成因承上啟下，驅動課堂教學從“硫循環”模型進入“氮循環”模型的構建探究;引導學生結合已學含氮化合物的性質及相互轉化方式從元素循環的角度構建“自然界中的氮循環”模型（見圖3），從物質分類和氧化還原反應的角度認識“氮循環”的化學原理，并以“價-類二維圖”認知模型（見圖4）進行總結;從自然界含硫、含氮物質的重要性和其過度開發消耗的危害性兩個角度構建“人與自然和諧共生”的觀念，明確社會主義生態文明建設的重要性（見圖5）。

基于以上分析設計本節課的教學流程，如表2所示。

三、教學反思

1.“硫循環和氮循環”的模型構建對發展學科核心素養的作用

《課程標準》中提出學科核心素養是學科育人價值的集中體現，是學生通過學科學習而逐步形成的正確價值觀、必備品格和關鍵能力。本節課在教學設計中牢牢把握立德樹人的教育目標，以發展學生學科核心素養為指導思想，具體對應情況如表3所示：

2.利用真實情境弘揚學科價值，落實“立德樹人”的根本任務

“酸雨的危害”是在含硫物質性質和轉化教學中常用的情境素材，通過分析課堂反饋發現，學生對酸雨這一情境并不像我們想象中的那么有帶入感，因為隨著近年來國家對環境保護的重視和對環保治理與監管的加強，我國城市的整潔度和空氣的清潔度都特別好，酸雨只是學生在初中化學課上所學的一個概念而已，他們沒有見過、經歷過酸雨，可以說酸雨只存在于傳說之中，所以酸雨談不上是一個學生認知中的真實情境。

同時，若以酸雨為情境引入，過分強調含硫物質對環境造成的危害，會使學生產生“化學只會制造麻煩，對我們一點用都沒有”的錯誤思想。教師在課堂教學中應盡量減少以化學所造成危害的素材來吸引學生的眼球，應多以化學學科在人類文明的發展和地球生態的保護中的重要作用引導學生認識化學發展的利遠遠大于弊，關鍵是如何用好化學。

因此，本節課并未在情境引入部分使用“酸雨”素材，而是將其作為反思人類活動對硫循環的破壞的案例，并以酸雨形成過程中硫元素從+4價到+6價的兩種轉化途徑補全不同價態硫元素相互轉化的知識體系。

本節課選取“人工合成結晶牛胰島素”的史實作為情境引入，一方面，這是中國科學家在世界科學史上濃墨重彩的一筆，可以在教學中落實“立德樹人”的根本任務，提升學生的民族自豪感;另一方面，利用這一在生命科學學科上的重大事件作為情境線索，能夠很好地讓學生認識到含硫物質不僅僅是書本上的一些有味有毒的物質，其實很多含硫物質都與生產生活息息相關，硫是生命活動不可或缺的重要元素，體現化學學科的發展對于人類文明進步的重要價值。通過這樣一個認知沖突，激發學生的探究興趣。

同時不難發現，在滬科版、人教版和魯科版三個版本教材的硫、氮元素性質的相關章節中，都以強調硫、氮元素在化工生產和生命活動中的重要作用為導語展開相關內容的介紹，目的是弘揚化學的學科價值，落實“立德樹人”的根本任務。

參考文獻

[1]麻生明，陳寅.普通高中教科書（化學必修第一冊）[M].上海：上海科學技術出版社，2021.

[2]上官慶景，阮雪丹.基于元素化合物認識模型的單元教學設計實踐探索——以“鐵及其化合物”單元教學為例[J].化學教育（中英文）.2021，42（19）：69-74.

[3]中華人民共和國教育部.普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）[S].北京：人民教育出版社，2020.