基于生活情境的綠色化分組實驗在化學教學中的應用

萬社娟 岳慶先

摘要：以煙花燃放為生活情境，探究不同價態硫元素之間的轉化。通過驅動性問題，引導學生用真空采血管等進行綠色化分組實驗設計和微型化實驗探究，發展科學探究和創新意識的化學學科核心素養。通過進階式學習任務的驅動逐漸生成“價一類”二維圖，總結不同價態硫元素之間的轉化，建構探究元素不同價態之間轉化的認知模型，實現學習內容的結構化和認識思路的模型化。最后運用所學知識解釋我國禁止燃放煙花爆竹的原因，增強學生的社會責任感。

關鍵詞：煙花燃放；二氧化硫；綠色化；分組實驗；不同價態硫元素的轉化

文章編號：1008-0546（2023）09-0089-05

中圖分類號：G632.41

文獻標識碼：B

doi： 10.3969/j.issn.1008-0546.2023.09.018

《普通高中化學課程標準（20 1 7年版2020年修訂）》（以下簡稱“2020修訂版課標”）基本理念之一是重視開展“素養為本”的教學。該理念明確指出，倡導真實問題情境的創設，開展以化學實驗為主的多種探究活動，重視教學內容的結構化設計，促進學生學習方式的轉變，培養他們的創新精神和實踐能力。[1]實驗教學是培養學生創新精神的主陣地，綠色化分組實驗是發展學生科學探究和創新意識化學學科核心素養的有效途徑，以生活情境為載體的實驗教學既是點燃學生學習熱情的助推器，又是學生體會化學學科社會價值的良好渠道。所以，基于生活情境開展綠色化分組實驗教學值得探索?！安煌瑑r態硫元素之間的轉化”是高一學生化學學習中的核心知識。筆者以高中化學魯科（2019版）必修第一冊中“不同價態硫元素之間的轉化”為例，對“基于生活情境的綠色化分組實驗在化學教學中的應用”進行研究。

一、教學現狀分析

2020修訂版課標要求，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。高中化學魯科版（2019版）必修第一冊第3章第2節將這部分內容設置為硫的轉化，該主題既是第2章第3節“氧化還原反應”的應用，又為學習第3章第3節“氮的循環”提供方法指導。硫及其化合物的主要性質是氧化性或還原性，不同價態硫元素之間的轉化恰好能體現含硫物質氧化性或還原性的應用。很多自然現象、工業生產或實驗事實都是以不同價態硫元素之間的轉化為核心的，比如火山噴發、酸雨的形成、硫酸工業以及實驗室對含硫化合物性質的探究。

有許多文章研究硫及其化合物的教學，這些文章大體分為兩類：（1）教學設計類，如曹旭琴基于變化觀念設計硫及含硫化合物的相互轉化教學，讓學生在解決問題的過程中提升變化觀念的水平；[2]袁清磊以單元教學策略進行硫的轉化教學，引導學生構建知識體系；[3]法浩從培育學科關鍵能力的視角進行二氧化硫的性質及應用的教學實踐；[4]孫海濤以硫酸工廠生產為情境進行單元整體教學設計[5]等。（2）實驗創新類，如王晶等的不同價態含硫物質轉化的一體化綜合實驗；[6]劉家輝的SO2溶解性及+4價含硫物質性質實驗的整合改進[7]等。這些文章鮮有涉及分組實驗在實驗教學中的實施，而不同價態含硫物質的轉化是2020修訂版課標要求的學生必做實驗，所以分組實驗在實驗教學中的實施勢在必行。但二氧化硫有毒，對師生身體健康和環境危害大，而且很多學校實驗室都沒有配備通風櫥。魯科版、人教版和蘇教版教材在該實驗中都采用二氧化硫的水溶液代替，解決二氧化硫污染大的問題，可是這樣也會讓學生產生二氧化硫的水溶液中亞硫酸是否對實驗有影響的困擾。基于此，筆者對“不同價態硫元素之間轉化”的分組實驗進行了綠色化設計，并開展了教學實踐。

二、教學設計思路

文以燃放煙花爆竹過程中含硫物質對空氣的污染為情境，利用綠色化的分組實驗探究不同價態含硫物質的轉化。具體設計如圖1所示。

三、教學過程

【演示實驗】燃放小煙花

【引入】同學們在觀看絢麗煙花的同時聞到了什么味道？

學生：刺激性的氣味，有點像二氧化硫的味道。

教師：那么我們怎樣驗證燃放煙花會生成二氧化硫？

1．二氧化硫的漂白性

【學習任務1】設計簡單實驗證明燃放煙花生成SO2。

【引導】請設計簡單易行的實驗方案進行驗證。

【學生A】把品紅溶液浸潤的濾紙放在小煙花燃放的煙霧中，若濾紙紅色變淺，則說明煙霧中含SO2。

【學生B】收集一瓶煙霧，在瓶中放人紅色鮮花花瓣，若花瓣紅的變淺，則說明煙霧中含SO2。

設計意圖：引導學生不拘泥于課本實驗，進行實驗創新；從多個角度為結論提供證據，培養發散思維能力，發展證據推理素養。

2．二氧化硫（+4價硫元素）的還原性

【學習任務2-1】分析燃放煙花導致酸雨形成的原因。

【引導】閱讀魯科版（2019版）高中化學必修第一冊（以下簡稱教材）P101頁，描述二氧化硫引發酸雨的原因，并用“價—類”二維圖表示硫元素由+4→+6的轉化。

【學習任務2-2】設計驗證SO2還原性的綠色化實驗方案。

【引導】請大家回答下列問題，并分組討論，設計綠色化分組實驗方案。

問題1：如何根據教材P97頁【方法導引】選擇適當的含硫物質及氧化劑，設計實驗方案？

問題2：課本實驗有哪些優點和不足？

問題3：針對課本實驗的不足，根據提供實驗改進思路和實驗儀器，如何對實驗裝置進行改進，實現實驗的綠色化？

【學生】教材中的二氧化硫實驗室制取及其性質實驗存在的優點與不足：

優點：操作簡單、現象明顯、實驗精準。

不足：（1）開放體系導致S02溢出。（2）拆卸裝置時有SO2泄漏。（3）試劑用量大。

【方法導引】

實驗改進思路：操作簡單、現象明顯、無毒氣泄漏、尾氣處理較為徹底、藥品用量少。

實驗用品：SO2水溶液、氯水、BaC12溶液、Na2SO3粉末、70%硫酸、酸性KMnO4溶液、NaOH溶液。

空礦泉水瓶、小試管（5mL）、真空采血管（紅蓋、無添加）、一次性采血針、注射器（5 mL）、導氣管、橡皮塞、膠頭滴管。

【資料在線】真空采血管的原理是將有頭蓋的采血管試管預先抽成不同的真空度，利用其負壓自動定量采集靜脈血樣。真空采血管多為普通玻璃管或塑料管。普通血清管紅色頭蓋的真空采血管不含添加劑，不含抗凝、促凝成分，只有真空。

【引導】請根據你們設計的綠色化實驗方案完成表1。

【展示學生設計的方案】見表2。

【學習任務2-3】選擇最優實驗方案，進行分組實驗驗證SO2還原性。

經過討論確定實驗方案3最優，運用此方案進行分組實驗，實驗裝置（見圖2、圖3）。

【引導】請根據實驗完成表3。

實驗步驟：

【教師】按照圖2裝置及藥品用量制備并收集SO2（一般通氣35 s左右收集一真空采血管SO2）。

備注：每組分配三支充有SO2的真空采血管。

說明：圖2中由于真空采血管內處于負壓狀態，所以35 s左右就能收集一管SO2氣體。

【學生】（1）將1 mL KMnO4溶液加入SO2中（如圖3所示），記錄實驗現象。

（2）用注射器向反應后的真空采血管中加入2 mL NaOH溶液。

設計意圖：采用進階式驅動性問題，引導學生從價態層面選擇試劑，從綠色化角度改進實驗裝置，并且說明選擇依據，外顯學生的思維進階過程。這樣設計不僅讓學生在實驗探究中體會+4價硫元素到+6價硫元素的轉化，還培養了學生科學探究和創新意識的化學學科核心素養。實驗后加入NaOH溶液對未反應完的S02進行尾氣處理，深化綠色化學意識。

3．二氧化硫（+4價硫元素）的氧化性

【學習任務3】運用綠色化實驗裝置驗證S02的氧化性。

問題1：選擇什么試劑驗證S02的氧化性？你能說出選擇依據嗎？

問題2：如何用“價一類”二維圖表示硫元素由+4←O、-2→0的轉化？

實驗用品：SO2、Na2S粉末、稀硫酸、Na2S溶液、淀粉KI溶液、NaOH溶液。真空采血管（紅蓋、無添加）、一次性采血針、注射器（5 mL）。

學生實驗方案展示（見圖4、圖5、圖6）：

三個實驗方案都符合操作簡單、現象明顯的原則，所以把學生分成三大組，每個大組用一種方案進行分組實驗，并且完成表4。

實驗步驟：

（1）根據所選實驗方案將對應試劑加入收集有S02的真空采血管中（如圖4、5、6），記錄實驗現象。

（2）用注射器向反應后的真空采血管中加入2 mLNaOH溶液。

說明：方案三的實驗現象為溶液變黃。此時學生產生疑問：溶液變黃是因為生成了S單質嗎？那么為什么淀粉KI溶液不變藍呢？由于課堂時間有限，對于這些問題的處理是：告訴學生根據實驗現象判斷S02與Ⅺ溶液確實反應了，由實驗現象引起的認知沖突知反應較為復雜，說明方案三不是檢驗SO2（+4價硫元素）氧化性的最佳方案。但是實驗出現超出認知的現象就是認知增長的機遇，若想了解SO2與KI溶液反應的實質，感興趣的同學可以課后在實驗室進一步探究，并將探究過程與同學們分享。同時為學生提供一篇文章做參考——陳彩霞老師的“對二氧化硫與碘化鉀溶液反應的探究”。[11]

設計意圖：采用綠色化實驗裝置，進行分組實驗，讓學生領會實驗創新的價值，培養學生的創新意識；用不同的實驗方案為+4→0、-2→0的轉化提供證據，引導學生體會從不同的角度尋找證據都可以證明同一個轉化，達到殊途同歸的效果，為學生建立認知模型搭建了思維階梯。

4．二氧化硫酸性氧化物的通性

【引導】學習任務2和學習任務3最后都用NaOH溶液處理SO2尾氣，說明了SO2的什么性質？

【學生】SO2與NaOH溶液反應生成亞硫酸鈉和水，說明S02具有酸性氧化物的通性。

5．梳理總結模型構建

【學習任務4】利用“價一類”二維圖總結以SO2為中心的不同價態硫元素之間的轉化。

【板書】

【學習任務5】結合本節課的內容，總結探究不同價態某元素之間轉化的認知模型（見圖7）。

6．遷移應用

（1）結合本節所學知識談談我國限制燃放煙花的原因。

（2）實驗驗證Na2SO3固體是否變質。

（3）解釋葡萄酒中添加二氧化硫的作用。

設計意圖：通過完成驅動性學習任務，逐漸生成“價一類”二維圖，總結不同價態硫元素之間的轉化，并且總結探究不同價態某元素之間轉化的認知模型，實現知識內容的結構化和認識思路的模型化。

四、教學設計策略

以二氧化硫為代表物，通過驅動性問題，結合方法，引導學生進行綠色化分組實驗設計，外顯學生的思維進階過程。用生活用品改進化學實驗，開拓學生進行實驗改進創新的認識角度，進行高水平的實驗探究活動，發展科學探究與創新意識的化學學科核心素養。改進后的實驗裝置可以使像二氧化硫一樣的有毒氣體實驗搬到教室做，解決了薄弱學校實驗設備不足的難題。實驗裝置創新設計環節讓學生收獲了學習的成就感，激發了學生學習化學的熱情。

以煙花燃放引入，探究該過程中不同價態硫元素之間的轉化。該問題情境貼近生活，學生容易融人情境，符合學生學習的最近發展區理論。最后學以致用，用本節課知識分析我國限制燃放煙花的原因，有利于學生從化學的角度認同國家的政策，從而規范自己的行為，增強社會責任感。

參考文獻

[1] 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．

[2] 曹旭琴．基于變化觀念的元素化合物教學——以“硫和含硫化合物的相互轉化”為例[J]．化學教與學，2020（10）：14-17．

[3] 袁清磊，基于化學核心素養的單元教學實踐——以“硫的轉化”為例[J]．化學教與學，2021（8）：44-46，32.

[4] 法浩．物質及轉化教學中培育學科關鍵能力的實踐研究一以“二氧化硫的性質和應用”為例[J].化學教與學，2021（3）：8-13．

[5] 孫海濤．基于硫酸工廠項目的“硫的轉化”單元整體教學設計[J]．新課程，2021（4）：122-123．

[6] 王晶，倪剛，陳偉，不同價態含硫物質轉化的一體化綜合實驗[J]．實驗教學與儀器，2021，38（1）：42-43．

[7] 劉軍輝．S02溶解性及+4價含硫物質性質實驗的整合改進[J].中國現代教育裝備，2021（16）：36-37.

[8] 陳彩霞．對二氧化硫與碘化鉀溶液反應的探究[J]．中學化學教學參考，2018（4）：49-50．