基于證據推理與模型認知的硫元素專題復習教學設計

尚李靜 苗春雨 高敏 李冰

摘? 要? 基于新課標五大核心素養中的“證據推理與模型認知”并結合多個板塊的知識，設計硫元素的專題復習教學，在硫元素的復習課堂中展現證據推理與模型認知的落實過程，幫助學生重構知識體系，構建認知模型，落實學科素養。

關鍵詞? 高中化學；證據推理與模型認知；核心素養；硫元素；專題復習

中圖分類號：G633.8? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2022）15-0094-04

0? 引言

《普通高中化學課程標準（2017年版）》中提出五大核心素養，其中證據推理與模型認知是學生形成完整嚴謹的科學思維，掌握科學研究方法的重要體現[1]。在高中化學教學中，教師與學生在復習時注重知識的回顧與整合，但對證據推理與模型認知的培養不到位[2]。目前，基于證據推理與模型認知的落實研究多集中在新課的講授方面[3]，對專題復習的研究尚不深入。

本研究主要以硫元素的專題復習為例，探究如何更好地在元素化合物的復習課中提升學生的綜合能力，落實證據推理與模型認知，為一線教師提供借鑒參考。

1? 教學分析

高中化學人教版必修二中“硫及其化合物”是化學學習中十分重要的元素化合物知識，也是生產生活中常見的物質。復習階段需要在掌握其主要性質及應用的基礎上，結合“物質結構與性質”“化學反應原理”等模塊的知識對“硫及其化合物”的知識進行重構，形成一個系統的知識體系。學生在本節課之前已經學過硫及其化合物的相關知識，并能將一定的化學事實與理論模型進行匹配。

2? 教學重難點

2.1? 教學重點

熟練掌握硫及其化合物的物理、化學知識，形成認知模型并應用模型解決問題。

2.2? 教學難點

根據已有知識設計探究不同價態硫元素之間的轉化實驗。

3? 教學目標與教學流程

3.1? 教學目標

1）結合微觀層面，回顧硫及其常見化合物的性質，加深學生對結構決定性質的理解，幫助學生形成認知模型。

2）通過不同硫元素之間的相互轉化，提高學生收集證據進行證實或證偽的能力。

3）通過硫的計算題實戰，讓學生在定性定量兩個層面上提取證據，并能在面對問題時及時調整模型，提高解決問題的能力。

3.2? 教學思路

關于硫元素專題復習的教學思路如表1所示。

4? 教學過程

4.1? 創設情境，聯系生活

【情境導入】制作火藥、煙花爆竹離不開硫，同樣，污染環境也是因為硫，但掌握了硫的相關性質以及不同價態間的轉化，就能防治它帶來的污染。（播放PPT中的煙花與污染環境的圖片。）

【設計意圖】創設學習情境，與生活相聯系，激發學生學習興趣。

4.2? 建立認知模型，形成科學思維

復習課的首要任務是幫助學生回憶知識要點，并加深印象增進理解。硫這一節的主要知識為：H2S、S、SO2、SO3、H2SO4的物理、化學性質，以及不同價態硫元素之間的轉化。

教師提出問題，讓學生回顧構造原理、電子排布規律，寫出硫的電子排布式。學生根據“原子結構與性質”的相關內容，回憶寫出硫的電子排布式。

【總結梳理】S：1S22S22P63S23P4。根據構造原理、電子排布規律等，從微觀角度對硫元素的性質以及空間構型等進行講解，幫助學生建構結構決定性質的認知模型。例如：硫的常見價態有-2、0、+4、+6，其中硫顯-2價是由于3P軌道有兩個空軌道；+4價是由于失去3P的四個電子，第三層S亞層的兩個電子為最外層，較穩定；+6價是由于失去3S、3P六個電子，最外層為第二層的八電子，較穩定。解釋之后，與學生一起回憶梳理不同價態下硫的化合物的性質。

【設計意圖】通過從微觀角度解釋宏觀性質、從本質考慮問題并提取證據，最后解釋推理得到結論的課堂教學過程，幫助學生養成透過現象看本質的解題習慣，培養學生形成嚴謹的科學思維，落實核心素養中對學生思維的培養要求。

4.3? 回顧知識，重構體系

教師提出問題，讓學生回顧H2S、S、SO2和H2SO4的性質。學生跟隨教師回顧知識，以硫的常見價態-2、0、+4、+6價為主題線，將零散的知識串聯形成一個體系。

1）-2價的S，H2S。

①物理性質：無色，劇毒，臭雞蛋味，溶于水（1∶2.6）。

②化學性質。還原性：

2H2S+SO2 === 3S↓+2H2O

【解釋說明】H2S中的S元素為-2價，根據S2-電子排布，推斷在高中階段其可能變化的價態有0、+4、+6，那么可以推斷-2價的硫可以失去電子，價態升高為0、+4、+6，化合物顯還原性。

2）0價的S。

①物理性質：淡黃色固體，難溶于水，微溶于酒精，易溶于CS2。

②化學性質。

弱氧化性：

硫化亞銅，銅為+1價。

還原性：

與堿反應：

【解釋說明】單質硫的價態為0價，根據硫的電子排布規律推斷硫在高中階段可能具有的價態有-2、0、+4、+6，則硫單質既可以得到電子呈-2價，顯弱氧化性；也可以失去電子呈+4、+6價，顯還原性。

3）+4價的S，SO2。

①物理性質：無色，有刺激性氣味，有毒，易液化（沸點-10 ℃），易溶于水（1∶40），密度大于空氣。

②化學性質。

氧化性：

2H2S+SO2 === 3S↓+2H2O

還原性：

漂白性：反應生成化合物，屬于暫時性漂白。

酸性氧化物：能與堿反應生成鹽和水，與水反應生成酸，與堿性氧化物反應生成鹽。

【解釋說明】SO2中硫元素為+4價，根據常見價態分布，推斷SO2中硫的價態既有升高的可能性，也有降低的可能性，即同時具有還原性與氧化性；SO2的暫時性漂白是由于與反應物生成不穩定的無色化合物導致；與高錳酸鉀等氧化物反應褪色是由于其還原性；SO2是典型的酸性氧化物。

4）+6價的S，濃硫酸。

①物理性質：無色，油狀，與水任意比例互溶（酸入水，并不停攪拌）。

②化學性質。

強氧化性：能與金屬單質（Cu、Zn等）、非金屬單質（C、S等）和Br－、I－等發生氧化還原反應，濃度低于9 mol/L則不具有強氧化性。

脫水性：在制備非堿性或非還原性氣體時可用于干燥。

酸的通性：可以與酸堿指示劑反應顯色；與活潑的金屬發生置換反應；與堿發生酸堿中和反應；與部分鹽和堿性氧化物發生反應。

【解釋說明】其中硫元素的價態為+6價，硫高中階段常見價態有-2、0、+4、+6，則推斷+6價的硫具有強氧化性，可以得到電子，價態降低為-2、0、+4，故該化合物顯強氧化性。同時，硫酸是四大強酸之一，具有酸的所有通性。

【設計意圖】以硫在高中階段常見的價態為主線，為學生回憶不同價態硫化合物的性質，重新建構關于硫的知識體系。利用元素價層電子結構及排布規律，推斷元素可能具有的價態，進而根據價態推斷各類元素及化合物的性質（得電子，化合價降低，顯氧化性；失去電子，化合價升高，顯還原性），幫助學生建造自己的記憶宮殿，形成邏輯思維，對不同價態下硫化合物的性質進行理解記憶，避免死記硬背。

4.4? 合理猜想，設計實驗

【提出問題】了解了不同價態下硫的化合物及其性質，那這四種價態下的化合物是否可以利用自身的性質相互反應而轉化？

教師將學生分為九個水平相當的小組，布置不同價態硫元素之間的轉化任務，引導學生每組至少設計一個轉化實驗。九個學習小組根據已有的知識儲備，設計化學實驗。小組學生集思廣益，根據得失電子以及相關化合物的性質設計實驗，并向同學、老師說明可行性或者不可行性，培養應用已有知識進行創新和表達想法的能力。教師在學生討論過程中點撥思路，解答疑問。學生在收集好理論證據之后，分組派代表闡述實驗方案、注意事項以及實驗原理。

【驗證總結】教師將課堂交給學生，傾聽學生的實驗方案，充分體現學生的主體性，利用實驗視頻驗證學生的各個轉化實驗。并在黑板上整理不同化合價之間的轉化，如圖1所示。

【設計意圖】教師鼓勵學生根據已有認知模型和理論知識進行合理大膽推測，并為自己的推測提供理論依據，這個過程既可以提升學生對知識整體的調動能力，培養學生的創新應用能力，也可以幫助學生提升從理論知識體系中提取證據的能力，并能夠依據提取的證據對原本的預測進行證實或證偽。

4.5? 應用模型，解決問題

【提出問題】硫酸鋅在工業上的用途極其廣泛，如生產化纖、殺蟲劑、保護劑等。早期生產硫酸鋅是通過鋅在硫酸中溶解反應進行生產，但其產生的尾氣中含有SO2。為了合理吸收SO2，需要計算出每一次生產產生的氣體中SO2所占的比例。為簡化計算，現將一個生產車間按比例縮小，將100 ml，18 mol/L的濃硫酸置于反應容器中，逐漸加入Zn至不再溶解充分反應后，剛好生成33.6 L氣體。求：SO2在生成氣體中占比為多少？（標準狀況）

學生應用模型，通過“標準狀況”，確認n=V/Vm在本題中成立，進而計算得到反應產生氣體的物質的量為1.5 mol。教師肯定學生對模型的應用，并提供思路，繼續解決問題。學生根據題意，列出反應式，并根據電子得失配平：

Zn+2H2SO4 === ZnSO4+SO2↑+2H2O

Zn+H2SO4 === ZnSO4+H2↑

學生通過模型計算，得到硫酸的物質的量：n=cV=1.8 mol。假設鋅與濃硫酸全部按照1∶2反應產生SO2，則SO2的物質的量應為1.5 mol，硫酸為3 mol。

學生根據假設計算得到的答案，與原題目內容進行對比：3 mol＞1.8 mol。證明假設不成立，說明鋅與濃硫酸反應后有水生成，并稀釋了濃硫酸，反應中包含第二種反應。截至Zn不再溶解，反應共用去1.8 mol硫酸。

設反應結束生成SO2有X mol，H2有Y mol，根據氣體總物質的量為1.5 mol，列方程：

解得：

得出結論：SO2在生成的氣體中占比為1/5。

【設計意圖】通過應用模型解決問題，培養學生通過定性定量結合收集證據的能力，從復雜問題中提取關鍵信息的能力，以及應用、調整和改進模型的能力，進而提升學生的解題能力，培養學生的綜合能力。

5? 結論

綜上，基于證據推理與模型認知，以硫元素及其化合物為例，從初步認知到建構模型，最后到模型的應用，融合了多個板塊的知識（如價電子排布、原子軌道、氧化還原反應等）進行復習回顧，并融入探究實驗，使學生多角度建構知識，完善了學生的知識系統，提高了學生綜合應用化學知識解決復雜化學問題的能力，促進了證據推理與模型認知核心素養的落實，為學生進行后續的化學學習打下良好基礎。

參考文獻

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[3] 李斌，李繼良.從化學學科核心素養到學生學習活動：基于證據推理與模型認知的“空氣”教學[J].化學教育（中英文），2020，41（3）：52-60.

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[6] 朱如琴.基于證據推理與模型認知的主題式復習：以“水的主題式復習”為例[J].化學教育（中英文），2021，42（21）：41-46.

作者：尚李靜、苗春雨、高敏，寧夏大學化學化工學院學科教學（化學）在讀碩士，研究方向為中學化學教學改革與實踐；李冰，通信作者，寧夏大學化學化工學院，教授，研究方向為中學化學教學改革與實踐（750021）。