基于物質轉化視角的元素化合物教學
——以“不同價態含硫物質的轉化”教學為例

諸佳丹 朱 康

（1.上海市南洋中學 上海 200032；2.上海市徐匯區教育學院 上海 200030）

一、問題背景

元素化合物是中學化學學習的重要組成部分，從知識類型上屬于事實性知識或陳述性知識。該部分內容具有物質種類多、性質瑣碎、反應龐雜等特點。

傳統的元素化合物教學注重對具體事實的記憶，師生活動大多圍繞某一具體的物質展開，從物質的組成、性質、制備、用途等方面進行全面的學習。雖然該種教學思路能讓學生在短時間內較全面地掌握某個具體物質的相關知識，但是面對如此繁多的物質種類，學生的記憶負擔重且容易遺忘。這種單向的線性教學思路不利于學生形成可遷移的學習元素化合物的基本思路與方法，難以將繁多的元素化合物知識進行有效整合。因此在解決復雜問題時，學生缺乏有效調取所學知識的能力，特別是面對陌生物質與情境，將更加束手無策。［1］

那如何打破目前元素化合物教學“重知識輕能力、重動手輕思維、重細節輕整合”［2］的教學困境，如何在教學中落實學習元素化合物的思路與方法呢？姜言霞、王磊等提出基于轉化的元素化合物教學策略不僅對學生核心物質性質的學習有很好的成效，而且在形成研究陌生物質的思維方法、培養轉化思想等方面都優越于基于具體物質的教學。［3］“物質的轉化觀”是化學學科觀念之一，元素化合物內容的核心問題是物質性質及其相互轉化，在一系列有目的的任務下，完成物質轉化，進而體現物質的化學性質。以“轉化觀”這一學科核心觀念為本的教學能幫助學生形成有效的思維方法，構建系統化、結構化的元素化合物知識框架。

二、基于轉化的元素化合物教學分析

元素化合物內容繁雜，為了避免逐條梳理的低效教學，我們首先要梳理出核心教學內容，然后根據核心內容設計基于轉化觀念的教學過程。

1.明晰核心內容

核心內容并不是簡單的具體知識，而是具有指導性、遷移性的概念與方法。

《普通高中化學課程標準（2017年版）》（后簡稱“課標”）在主題“常見無機物及其應用”中提出了元素與物質的關系、物質性質及其轉化的價值等方面的內容要求。此外，課標推出學業質量水平，為學生學習活動與教師教學活動的評價提出了指導性要求，其對學生學習常見無機物的板塊提出了6項學業要求。［4］概括來說，課標總體從研究對象、研究內容、認識角度三個方面明晰了元素化合物學習的核心內容，并且這些核心內容相互之間存在一定的邏輯關系，如圖1所示。

圖1 元素化合物核心內容分析

課標對元素化合物的要求不再是純粹的記憶物質性質，而是要求學生建立起從物質類別、元素價態、復分解反應以及氧化還原反應原理等方面來研究元素化合物的思維方法。

從研究對象看，以元素為中心認識物質，通過核心元素將單質及其化合物知識組織聯系起來。對于某一元素為核心的物質家族，教材的內容編排主要是對典型物質的介紹，而在課標有明確要求“能利用典型代表物的性質和反應，設計常見物質制備、分離、提純、檢驗等簡單任務的方案”。因此，教學中必要幫助學生構建可遷移的學習方法與思路，讓學生學會將典型物質的學習思維模式遷移到常見物質的學習。例如，以+4價含硫物質為例，教材編排了SO2的內容，并沒有呈現Na2SO3的學習模塊，但是評價中對Na2SO3的考察卻不在少數。如何習得Na2SO3的性質呢？就需要培養學生從典型物質到常見物質的遷移與應用的能力。

性質與轉化是元素化合物學習中最為主要的兩個研究內容。關于性質與轉化，課標明確指出“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，預測物質的化學性質和變化”。“物質類別”和“元素價態”是認識物質性質的兩個視角，復分解反應與氧化還原反應原理是實現物質轉化的兩個重要化學原理。轉化與性質并非孤立，存在一定的聯系，如圖2。

圖2 物質性質及其轉化的關聯

物質的化學變化往往是以某一元素為核心發生的，轉化的一般路徑有兩條，分別是同種元素相同價態物質間的轉化與同種元素不同價態物質間的轉化。例如，Na2SO3可以轉化為相同價態的SO2，也可以轉化為不同價態的0價S單質與+6價Na2SO4。Na2SO3與酸反應生成SO2這一過程實現了物質類別的轉化，主要發生的是復分解反應，體現了亞硫酸鹽的物質類別通性。Na2SO3與氧化劑或還原劑反應時，會生成不同價態的含硫物質，發生了氧化還原反應。核心元素化合價的改變，體現了物質的氧化性或還原性。

可見，從轉化路徑出發可以準確且有序地分析物質的性質，從變化過程中建構認識物質性質的視角，以關鍵的反應原理橋連轉化與性質。掌握核心內容可以幫助學生梳理出條理有序的學習思路，以應對多樣性的元素化合物問題。

2.形成教學程序

如前分析，認識角度的建構始于對轉化路徑的分析。如何讓學生直觀且有效地總結出規律性的轉化路徑呢？教學時需要設計合適的轉化任務，以便學生提煉與感知轉化路徑。

姜言霞、王磊等提出了基于轉化的元素化合物教學流程，［3］如圖3。從“給出轉化任務”→“設計轉化路徑”→“實現轉化方案”。學生完成這一轉化任務。學生在完成轉化任務的過程中，需要觀察起點和終點的類別變化和價態變化，根據復分解反應或氧化還原反應規律去選擇試劑。該程序下的教學基本路徑是從轉化到性質，在每個轉化任務完成之后，設置反思環節。通過反思轉化過程，促使學生更加深入地認識和總結核心物質的性質及其研究方法。

圖3 基于轉化的元素化合物教學流程

與基于具體物質的學習方式不同，基于轉化的學習方式實現了從整體來學習元素化合物。某一類元素化合物知識中包含著一個轉化系列，物質之間存在著相互轉化的關系。教學不再拘囿于以某一具體代表物為核心，而是試圖建立起包含核心元素的多個物質之間的相互關系。學生在開展轉化任務時，需要不斷挖掘其中內含的性質與知識，逐步掌握研究物質性質的一般思路與方法。

3.以“不同價態含硫物質的轉化”為例設計教學思路

以硫元素為核心元素的物質眾多，教學中要著重建立物質之間的聯系，途徑就是依靠建構基本思路與觀念。本節課意在借助一些常見的含硫鹽設計陌生任務情境，在情境中激發與活化學生已學的典型物質的知識，在遷移的過程中深化研究物質性質的思路與方法，教學思路如圖4。

圖4 “不同價態含硫物質的轉化”的教學思路

教學中選取CuSO4、Na2S、Na2SO3三種常見物質，它們是不同價態含硫鹽的代表物。任務1以CuSO4的制備為任務載體，基于學生的設計方案分析相應的物質轉化路徑（相同價態、不同價態轉化）。通過CuSO4廢液的處理問題引出對Na2S的分析（任務2），Na2S與CuSO4反應是相同價態的轉化，再從不同價態轉化的視角引導學生思考可能的價態轉化。在此設計并開展不同量Na2S與Cl2反應的實驗，一種現象為產生沉淀即可判斷成功轉化為S；另一種現象則是溶液仍保持無色，“到底轉化為了Na2SO3還是Na2SO4”成為了課堂焦點。順理成章地促發了物質檢驗的任務。物質檢驗的關鍵是要對物質的性質有清晰的認識，學生已有S檢驗的知識基礎，但對S相對陌生。因此，在任務3中讓學生應用習得的路徑與視角預測并驗證S的性質，從而用以檢驗任務2中的實驗產物。可見，3個環環相扣的任務環節關聯起了3種含硫鹽的性質。

在整個教與學的過程中，以處理廢液、性質預測、物質檢驗為任務載體，有序利用轉化路徑，在實現轉化的過程中分析物質性質，并提煉出“物質類別”和“元素價態”兩個認識物質性質的視角。此外，充分借助實驗取證。學生研究物質轉化的過程中，會根據一定的視角產生對物質性質的猜測，繼而需要進行實驗設計，選擇正確的試劑進行驗證。在科學探究的過程中，課堂活動從低水平認知活動轉向了高水平思維的訓練，學生的思考也由靜態思考轉化為了動態思考。

三、基于轉化的“不同價態含硫物質的轉化”教學過程

教學中圍繞三種常見含硫鹽，設計任務載體，滲透科學探究的思維方式以完成轉化，從而提煉思路、建立視角，最終達成物質轉化與性質學習的融合。

1.任務一：制備物質，歸納轉化路徑

【任務】請利用已學典型含硫物質的知識，嘗試以銅為原料，設計制備CuSO4的方案。

【學生】設計方案。

【展示分析】方案分為兩類，一是Cu與濃H2SO4直接反應，二是先將Cu轉化為CuO，再與稀H2SO4反應。如果以銅元素為中心來看，涉及三種含銅物質的轉化；如果以硫元素為中心來看，涉及三種含硫物質的轉化，如圖5。不管是含銅物質還是含硫物質都存在兩種轉化路徑：同種元素相同價態物質間的轉化與同種元素不同價態物質間的轉化。

圖5 物質轉化的路徑分析

【進一步分析】CuO與稀H2SO4反應主要發生了類別轉化，利用的是物質類別通性，這個過程主要依靠復分解反應。此外Cu與濃H2SO4的反應除類別之外更重要的有元素價態的變化，依靠氧化還原反應原理實現了不同價態物質間的轉化。

【評價方案】實驗室制備CuSO4，你會選擇哪一方案呢，請說明理由。

【學生】從原子利用率、產物環保等有關綠色化學的角度分析。

設計意圖：通過一個物質制備任務，充分調動學生的已有知識，感受物質轉化的過程。然后分別以銅元素、硫元素為核心元素分析制備方案中出現的物質轉化，總結共性轉化路徑與規律。任務1中的制備任務，重在方案設計，強調相關反應原理的目的是為后續任務2與任務3中實際完成轉化任務提供指導。

2.任務二：分析轉化，提煉性質視角

【任務】銅離子是一種重金屬離子，有毒。實驗室通常采用“Na2S沉淀法”處理CuSO4廢液，該方法的原理是利用Na2S將銅離子轉化為難溶于水、難溶于酸的CuS沉淀以除去銅離子。請寫出Na2S處理CuSO4廢液的化學方程式。判斷反應類型，分析轉化路徑。

【學生】根據信息，用化學符號表達反應過程（Na2S+CuSO4=CuS↓+Na2SO4），分析反應類型為復分解反應，實現了相同價態含硫物質間的轉化（Na2S→CuS）。

【強調】鹽和鹽發生了復分解反應，利用物質類別通性實現了相同價態含硫物質的轉化。

【提問】從另外一條轉化路徑（不同價態含硫物質的轉化），Na2S中-2價硫元素還可以轉化到何價態？體現了Na2S的什么性質？

【學生】分析-2價的硫元素處于最低價，可以轉化為更高價態（0價、+4價、+6價）。此轉化中體現了Na2S的還原性。

【實驗設計】如何證明Na2S具有還原性？構建思考模型，如圖6。確定反應原理，選擇合適的氧化劑，預測產物及現象，最終完成轉化與驗證。

圖6 基于轉化的實驗設計模型

【實驗驗證】實驗方案選擇Cl2與Na2S溶液反應。分小組進行實驗，具體操作為向盛有10mLCl2的采集管中，注入0.5mLNa2S溶液（3組濃度為0.04mol/L，3組濃度為0.01mol/L）。充分振蕩溶液，觀察實驗現象。

【小組匯報】有沉淀、沒有出現沉淀…

【逐個分析】部分小組的實驗現象為產生沉淀，說明生成了硫單質。-2價的硫元素被氧化，證明了Na2S具有還原性。

但部分小組的實驗現象為沒有沉淀，說明硫元素進一步被氧化，根據前面分析，可能被氧化成+4價或+6價。由于含硫元素的反應物是鈉鹽，產物很有可能是Na2SO3、Na2SO4。

【任務】進行產物檢驗。首先檢驗Na2SO4，如何檢驗？

【學生】先加HCl酸化，無明顯現象，再加BaCl2，若產生白色沉淀，則說明有。

【明晰原理】在可能存在Na2SO3情況下，檢驗時加酸的目的是什么？發生了什么反應？

【學生】排除Na2SO3的干擾。Na2SO3與HCl發生反應生成SO2氣體。

【強調】亞硫酸鹽和酸反應，硫元素由+4價的亞硫酸鹽轉化為+4價的二氧化硫，利用的是物質類別通性實現相同價態物質間的轉化。

【實驗驗證】開展實驗，觀察到白色沉淀，證明產物有Na2SO4。

【差異現象解釋】為什么小組間的現象不一樣呢？這是因為各小組使用的Na2S濃度不同。在Na2S溶液體積相同時，Na2S濃度高，則氯氣量不足，Na2S轉化為硫單質。Na2S濃度低，則氯氣過量，因而硫元素進一步被氧化。

【小結】回看Na2S的轉化，Na2S與CuSO4反應，利用物質類別通性實現了相同價態含硫鹽之間的轉化。另外Na2S與Cl2反應，利用氧化還原反應原理實現不同價態的轉化。“物質類別”和“元素價態”的視角幫助我們認識了Na2S的性質。可以通過構建以“物質類別”和“元素價態”為兩軸的價-類二維圖來認識物質性質。

設計意圖：借助前一環節中提煉的轉化路徑，引導學生依據“物質類別通性”與“氧化還原反應”原理分析Na2S發生的轉化過程。在分析轉化的過程中，逐步剖析Na2S具有的化學性質，建立轉化與性質的聯系，并形成認識物質性質的兩個視角，一個是物質類別，一個是元素價態。最終，將認識視角以價-類二維圖的形式呈現出來，為下一環節中預測物質性質做好鋪墊。

3.任務三：確定性質，實現物質轉化

【任務】Na2S進一步氧化是否生成Na2SO3，我們還沒解決。想檢驗其中有沒有Na2SO3，首先要知道Na2SO3的性質。請同學們嘗試利用價-類二維圖，來預測Na2SO3的性質。

【學生】從物質類別角度，Na2SO3可以與酸反應生成SO2。從元素化合價角度思考，Na2SO3既有還原性，又有氧化性。

【實驗設計】確定反應原理（氧化還原反應原理），選擇合適的反應試劑，并預測產物及實驗現象。

【實驗驗證】選擇具有明顯實驗現象且試劑易獲取的方案，如下表1。

表1 Na2SO3的性質預測與檢驗方案設計

【小組匯報】酸性高錳酸鉀溶液的紫色褪去，證明Na2SO3具有還原性。但是Na2S與Na2SO3反應無明顯現象。

【異常現象分析】難道+4價的硫元素無法與-2價的硫元素反應？但是以前學過+4價的S元素和-2價的S元素可以發生反應，例如SO2會與H2S反應。這里是怎么回事呢？

【學生】反應可能需要酸性環境。

【實驗驗證】在Na2S與Na2SO3的混合液中滴加鹽酸，產生淡黃色沉淀。

【現象解釋】雖然在原理上分析出了-2價的硫元素與+4價的硫元素能反應，但是這個反應是要在酸性環境下才可進行。所以說，物質的轉化是需要條件的。例如銅和濃硫酸的反應需要加熱，溫度和濃度也是重要的反應條件。

【小結】于此，我們認識了Na2SO3的性質，并選擇了相應的試劑實現了轉化。Na2SO3的性質及其轉化關系可以利用如圖7這樣的價-類二維圖進行表征。

圖7 融合性質視角與轉化路徑的價-類二維圖

【解決問題】檢驗前面Na2S與Cl2反應，產物中是否有Na2SO3？

【學生】選擇酸性KMnO4溶液，若紫色褪去，說明有Na2SO3，反之則沒有Na2SO3。

【實驗驗證】重新取反應液，滴加酸性KMnO4溶液，沒有褪色說明過量Cl2與Na2S反應沒有生成Na2SO3，反應生成的是Na2SO4。

設計意圖：該環節承載了鞏固和檢驗學生“物質轉化路徑”與“認識性質視角”學習效果的任務。因此，讓學生自主根據前一環節建立的“物質類別”與“元素價態”的視角來預測Na2SO3的性質，重點放在元素化合價的角度。通過讓學生設計“Na2SO3還原性與氧化性”的驗證實驗，完成Na2SO3的相關轉化，達成轉化與性質的匹配與融合。同時，在轉化中設置異常現象，讓學生體會在物質轉化的過程中，原理分析之后還需要注意反應條件。

【課堂總結】這節課學習了三種含硫鹽，通過三個任務得到了他們之間的轉化關系與相關性質。可以借助以物質類別為橫軸、元素化合價為縱軸的價-類二維圖來表征轉化關系，利用物質類別通性，通過復分解反應可以實現相同價態含硫物質的轉化；利用氧化還原反應的原理可以完成不同價態含硫物質的轉化。在相互的轉化中，可以分析、解讀這些鹽類物質的性質。

四、教學反思

1.圍繞核心內容設計教學任務

元素化合物的內容眾多，如若每一個細枝末節都要涉及，對教與學都是極大的負擔，教學時需把握元素化合物的核心內容。元素化合物中最重要的對象就是元素，從核心元素出發可以串聯起一個物質家族，物質的轉化規律與認識物質性質的視角是重點學習內容。

教學實施的過程中要將核心內容具體化到相應的教學任務中，明確各個任務承載的教學目的與功能，建立任務之間的邏輯關系。本節課中由任務一（制備CuSO4）提煉兩種轉化路徑。在任務二中應用轉化路徑，通過Na2S的轉化認識其性質，構建“物質類別”和“元素價態”這兩個認識物質性質的視角，形成價-類二維圖表征轉化關系。最后，在任務三中，引導學生利用前面學習的轉化路徑與認識物質的視角，預測Na2SO3的性質，并設計實驗實現物質的轉化，達成性質與轉化的融合。

2.基于物質轉化構建價-類二維圖

價-類二維認知模型是高中學習元素化合物知識的重要方式之一。［5］價-類二維圖的兩個維度分別是“物質類別”與“元素價態”，其中蘊含著“分類的方法”和“研究物質性質的思想與方法”，這些都可以幫助學生建構一個系統、有序的轉化框架。［6］本節課中利用價-類二維圖（圖7）呈現了不同價態含硫物質及其轉化，有Na2SO3到SO2價態不變的類別轉化，也有Na2S到S、Na2SO4的相鄰價態、跨價態的轉化，清楚地展現了物質轉化的脈絡，有助于幫助學生明晰物質的性質與轉化關系。

基于轉化框架與轉化關系，學生不僅可以有效梳理已學過的化學反應，也可以推理出許多“應然”的結果，得到實驗證實后可轉化為“實然”的結果。

認識模型不能當作純知識傳授，而是要依靠諸多任務情境逐步建構而成。教學中可通過設置陌生的問題情境，引導學生自主思考，尋找轉化路徑，確定轉化關系，如此學生才可真正體會價-類二維圖于元素化合物學習的真正意義。