“元素化合物”的項目式教學
——以“探究火柴頭中的硫元素”為例

楊玉芬

（杭州市富陽區江南中學 浙江 杭州 311400）

《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》重視開展“素養為本”的教學，倡導真實問題情境的創設，開展以實驗為主的多種探究活動。［1］教師在開展元素化合物教學活動時，積極為學生創設真實、陌生、有價值的STSE 問題情境，開展項目式教學（project based learning），引導學生運用分類概括、證據與推理、模型與解釋、符號與表征等活動形式，把“情境”“問題”和“學生活動”融為一體。［2］在問題解決中彰顯化學知識的功能價值，促進學生化學核心素養的發展。

一、項目主題內容分析

1.項目內容分析和功能價值分析

火柴頭中成分的檢驗是蘇教版選擇性必修“實驗化學”中的重要實驗，新人教版中沒有涉及這塊內容，但火柴頭貼近生活，其中火柴頭中硫元素的檢驗與SO2的化學性質緊密相關。人教版高中化學必修二第五章第一節硫及其化合物涉及的硫元素又是典型的非金屬元素，S和SO2是重要的無機物，是幫助學生從物質類別、價態角度認識物質性質的重要載體，是幫助學生建構元素觀、分類觀、變化觀、轉化觀的重要媒介。SO2的化學性質探究是彰顯科學探究與創新意識，科學態度與社會責任等化學學科核心素養的重要素材。［3］項目以火柴頭為載體，引導學生設計方案，將SO2的化學性質核心知識與火柴頭中硫元素的檢驗真實情境相結合，注重認識思路的結構化和外顯化，形成元素化合物學習的認知模型。為后面硫酸、硫及其化合物相互轉化、氮及其化合物學習奠定基礎。

2.項目主體學情分析

在知識儲備上，學生已學習了Na、Cl、Fe、Al 等元素化合物內容，具備元素化合物學習的一般思路和方法的基礎，已經掌握了物質的分類、轉化、氧化還原反應等理論，具有一定的化學觀念和理論基礎。

在能力儲備上，通過問題式教學和探究式教學的開展，學生已具備了科學探究的基本思路和觀察分析能力，實驗操作能力。

學生雖具有一定的知識、能力、素養儲備，但在真實情境中缺乏對其復雜性做出全面合理的證實分析，故在項目式教學中需要教師引導，共同探討。

二、項目教學目標

（1）通過查閱火柴頭的主要成分，掌握收集資料和查找文獻的方法，學會自主學習。

（2）設計實驗檢驗火柴頭中的硫元素，了解科學探究的一般過程和方法。在檢驗火柴頭中的硫元素及探究SO2的主要化學性質項目任務中，建構元素化合物學習的認知模型。

（3）通過開展SO2和氯氣漂白性微型化對比實驗，了解不同的漂白原理，實現實驗綠色化設計。利用手持pH傳感器探究SO2的還原性，將信息技術與化學實驗有機融合。

三、項目設計思路、項目任務及教學流程

新課標對主題2：常見的無機物及其應用有明確的學業要求，本項目在落實該要求基礎上，以發展化學學科素養為導向，設計STSE 真實情境，通過實驗探究和拓展性活動，整體設計思路和框架見圖1。［4］

圖1 火柴頭中硫元素（S和SO2）整體設計思路

為達成項目設計意圖和知識、能力、素養培養目標，項目任務及教學流程見表1。［5］

表1 項目任務及教學流程

四、項目實施過程及學生學習成果

1.課前任務1：查閱資料，明確火柴頭的成分

【學生】通過上網查找資料。

2.課中任務2：設計實驗，檢驗火柴頭中硫元素

【教師】有哪些方法檢驗火柴頭中含有硫元素？

請同學們點燃火柴，并結合煙花爆竹燃放過程的生活體驗，歸納S單質的化學性質及二氧化硫的物理性質。

（1）硫單質的化學性質見圖2

圖2 硫原子結構、硫單質性質及應用

【學生】S能被O2氧化，體現S單質具有還原性，生成的SO2具有刺激性氣味。

（2）二氧化硫的物理性質

【教師】SO2的物理性質還有哪些？請設計實驗探究SO2的溶解性。

【學生交流討論】

方案1：將收集滿二氧化硫氣體的試管倒扣在水槽中，觀察液面高度。

方案2：針筒中收集40 mL 二氧化硫氣體，吸入10 mL水。

方案3：礦泉水瓶中收集滿二氧化硫氣體，用注射器往礦泉水瓶中注水。

教師引導學生對上述實驗方案進行評價，方案3設計環保綠色化，實驗現象明顯可觀。按照實驗3完成實驗，結果見圖3。

圖3 二氧化硫溶解性實驗探究

【教師】由于火柴燃燒產生的SO2氣體中含有CO2等雜質氣體，所以，上述實驗只能部分證明SO2的溶解性。

（3）二氧化硫的化學性質

【教師】結合已學內容，從物質類別、價態角度設計實驗證明火柴頭中含有硫元素？并畫出可能的實驗裝置圖。

學生分組討論，教師進行個別指導。

【學生匯報討論結果1】點燃火柴，收集產生的SO2進行檢驗。從物質類別的角度分析SO2屬于酸性氧化物，可以用指示劑、pH 傳感器定量測定水溶液呈酸性。

【學生匯報討論結果2】點燃火柴，收集產生的SO2進行檢驗。從價態角度分析SO2具有氧化性，可以與強還原劑發生反應。

【學生匯報討論結果3】點燃火柴，收集產生的SO2進行檢驗。從價態角度分析SO2具有還原性，可以用酸性高錳酸鉀溶液或氯水進行檢驗。

【教師】SO2能對食品進行“化妝”，能美白紙張和草帽（見圖4），體現了什么性質？

圖4 二氧化硫能對食品、草帽、紙漿進行“美白化妝”

【學生】SO2具有漂白性

【學生匯報討論結果4】點燃火柴，收集產生的SO2進行檢驗。SO2具有漂白性，用品紅溶液進行檢驗。

【教師評價】實驗方案都設計得不錯，如何將火柴燃燒后的SO2進行收集呢？畫出可能的裝置圖。

【學生交流討論】①可以把燃燒著的火柴伸到盛有高錳酸鉀的溶液中，塞緊橡膠塞。

②用兩個燒杯相扣，將點燃的火柴塞進兩只燒杯空隙處。

③將點燃的氣體用針筒抽到溶液中。

④用大小套管進行收集氣體。學生設計的實驗裝置匯總見圖5。

圖5 火柴燃燒產生的SO2氣體收集裝置和檢驗裝置

【教師提示與評價】上述裝置有何缺陷？能不能設計出操作簡便現象明顯，試劑用量較少的實驗裝置。

【教師和學生共同討論匯總】燃燒后的二氧化硫氣體可以收集在西林瓶里，實驗可以直接在西林瓶里完成或在注射器中完成，節約試劑，綠色環保。

3.課中任務3：動手實驗，探究SO2的化學性質

根據完善好的實驗方案和實驗裝置開展實驗，記錄實驗現象，做出合理解釋，得出結論見表2。

表2 學生動手實驗過程、實驗現象分析及實驗結論

【宏微結合】請用化學用語解釋反應現象背后的原因，寫出①中發生的化學方程式，②③中發生的離子方程式。

【學生活動】①SO2+H2OH2SO3

②SO2+2S2-+4H+=3S↓+2 H2O

③5SO2+2MnO-4+2H2O5SO24-+2Mn2++4H+

【教師提問】SO2具有還原性能使酸性高錳酸鉀溶液和氯水褪色，SO2能否被H2O2氧化？請設計實驗證明。

【學生活動】分組交流討論實驗方案，匯報結果。

【方案1】該反應沒有明顯現象，可以通過檢驗產生SO2-4，證明反應發生。用針筒取2 mL西林瓶中的二氧化硫水溶液，抽取1 mL H2O2溶液和1 mL 1 mol/L鹽酸，再取1 mL BaCl2，觀察現象。

【學生匯報討論結果2】可以取反應后的溶液測定pH。

【學生1評價】方案二有問題，SO2水溶液和H2O2、H2SO4都顯酸性。

【學生2提出新方案】可以測定前后酸性變化來證明反應發生。

【方案2】可用pH傳感器定量測定整個過程pH變化情況，實驗過程及現象見圖6。

圖6 用pH傳感器定量測定SO2水溶液中滴加H2O2的pH變化

【教師】SO2能使品紅溶液褪色是體現SO2具有漂白性，前面我們學習過濕潤的氯氣具有漂白性，兩者漂白原理是否一致？請設計實驗對比說明。

【教師與學生共同討論實驗方案】

用針筒分別取2 mL 二氧化硫水溶液和氯水，注入到盛有1 mL 品紅溶液的西林瓶中。加熱西林瓶，觀察現象（見圖7）。

圖7 二氧化硫水溶液和氯水分別與品紅溶液反應的實驗現象

【根據現象，得出結論】氯氣與水生成HClO，具有強氧化性，使品紅褪色，加熱，不恢復紅色。

【SO2漂白原理】SO2與某些有色物質結合生成了不穩定的無色物質，這種無色物質受熱容易分解而使有色物質恢復原來的顏色。

（4）課后任務4：繪制手抄報或思維導圖，構建元素化合物認知模型

結合對二氧化硫的探究，繪制手抄報或思維導圖，整理歸納學習元素化合物內容的角度。學生作品見圖8。

圖8 學生作品

創設火柴頭中硫元素檢驗為真實生活情境，從S元素結構出發，SO2的化學性質為主線展開深度探究，構建元素化合物認知思維模型見圖9，并建構基于證據—推理—實驗—驗證的學習模型。為后續第五章第二節氮及其化合物和陌生物質的學習提供學習模型和思維方法。

圖9 元素化合物認知思維模型

五、項目教學反思及改進措施

1.項目式教學，有利于化學學科核心素養的培育

實踐證明，“項目式學習”是一種有利于化學學科核心素養的培育的行動模式［6］。本項目選擇火柴頭為真實情境，采用項目式學習對火柴頭中的硫元素進行檢驗，通過設計實驗，從結構、類別、價態、特性等角度探究二氧化硫的化學性質，最后通過梳理歸納元素化合物學習的認識角度和認知模型。學生在完成一系列項目任務活動后：從知識獲取層面來看，知道S元素從結構角度具有得電子能力，能與金屬反應，SO2具有酸性氧化物的性質、氧化性、還原性和漂白性等性質。從能力培養角度來看，通過SO2和HClO漂白性實驗的對比，知道設計實驗是要控制變量和對照實驗，形成科學的實驗思維和研究方法；通過設計實驗檢驗火柴頭中的硫元素并優化實驗方案，培養了運用所學知識解決生活中實際問題的學科關鍵能力［7］。從素養發展層面來看，利用西林瓶、針筒、礦泉水瓶、pH傳感器等實驗儀器的改進，培育了勇于創新的科學精神，實踐了基于實驗證據進行定性或定量推理的過程。項目式教學相比傳統教學更具有開放性和實踐性，有利于發展遷移創新能力，有利于發展“證據推理”和“科學態度與社會責任”等學科素養。今后常規教學中要開發與教材相關，緊密聯系生產生活的項目，幫助學生從真實情境中發現化學問題，在解決實際問題中提升化學學科核心素養。

2.項目實施過程存在的改進建議

本項目對學生能力和知識儲備要求較高，較適宜高一選考學生參與。高一選考學生基礎較差，化學興趣不高，實驗探究能力參差不齊，在項目進展中遇到較大困難，需要教師細化項目任務和角色分工，盡量讓人人參與。本項目可結合使用Na2SO3與濃H2SO4反應制備的SO2進行SO2物理性質和化學性質的探究實驗，并與火柴燃燒產生的SO2氣體開展實驗的現象和結果比較。說明火柴頭燃燒產生的SO2氣體中雜質對實驗結果的影響程度，從而更好地培養學生辯證、客觀、全面地分析問題和解決問題的能力。本項目注重科學探究過程，教學過程中要強化實驗原理、實驗儀器、實驗操作、實驗報告等方面的指導，鼓勵項目小組組內要團結協作，組間競爭，有效保障學習效率。