加強實驗創(chuàng)新 提高學(xué)習(xí)興趣
--以“自然界中的硫”為例

山東省博興第一中學(xué)(256500) 沈金龍 山東省博興縣第三中學(xué)(256500) 李 娜

1 教學(xué)內(nèi)容分析

“硫的轉(zhuǎn)化”是魯科版必修1第3章第2節(jié)的內(nèi)容,第1課時“自然界中的硫”是硫的轉(zhuǎn)化知識的核心之一。通過鐵及其化合物內(nèi)容的探究,學(xué)生已初步建構(gòu)研究物質(zhì)性質(zhì)的價、類二維視角,已具備一定的價-類二維思想。本課時旨在通過自然界中硫的轉(zhuǎn)化,讓學(xué)生認識硫元素的家族,構(gòu)建含硫元素的價-類二維圖,從價-類二維的視角預(yù)測并驗證硫單質(zhì)的化學(xué)性質(zhì),總結(jié)研究含同一元素物質(zhì)間的轉(zhuǎn)化方法,為接下來“不同價態(tài)硫元素之間的轉(zhuǎn)化”“氮的循環(huán)”的學(xué)習(xí)做好鋪墊。

2 教學(xué)目標

(1)能從物質(zhì)類別和元素價態(tài)兩個角度,對自然界中含硫物質(zhì)進行歸類;能繪制價-類二維圖,建立認知模型,豐富研究物質(zhì)性質(zhì)的思路和方法,發(fā)展證據(jù)推理和模型認知的核心素養(yǎng)。

(2)能運用價-類二維圖,預(yù)測硫單質(zhì)的化學(xué)性質(zhì),設(shè)計、實施實驗并能分析、解釋有關(guān)實驗現(xiàn)象,體會實驗對認識和研究物質(zhì)性質(zhì)的重要作用,形成證據(jù)意識,發(fā)展證據(jù)推理與模型認知、科學(xué)態(tài)度與創(chuàng)新意識的核心素養(yǎng)。

(3)認識硫磺的用途,感受化學(xué)與生活的密切聯(lián)系,體會化學(xué)在生產(chǎn)生活中的學(xué)科價值。通過綠色化學(xué)實驗設(shè)計,增強環(huán)保意識,發(fā)展科學(xué)態(tài)度與社會責(zé)任的核心素養(yǎng)。

3 教學(xué)實錄

引入:(PPT展示圖片):我們在焚燒麥秸時會聞到輕微的刺激性氣味,在倒垃圾的時候會聞到惡臭味,大家知道這是什么元素在搞怪嗎?其實這是硫元素,在焚燒麥秸時硫元素會變成含有SO2的刺激性氣味的氣體,食物腐爛時,在微生物的作用下,硫元素轉(zhuǎn)化成H2S等氣體,在生命體還有人體中,硫元素是常量元素,是生命元素,是構(gòu)成細胞、蛋白質(zhì)、氨基酸的基本元素,沒有硫元素就沒有生命,那么自然界中有哪些含硫元素的物質(zhì)呢?這些物質(zhì)又是如何轉(zhuǎn)化的呢?

設(shè)計目的:通過學(xué)生熟悉的生活常識導(dǎo)入本節(jié)課的學(xué)習(xí),提高學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣,體現(xiàn)化學(xué)的學(xué)科價值。

3.1 任務(wù)1:構(gòu)建硫及其化合物的價-類二維圖

問題1:火山噴發(fā)時,大量的硫及其化合物噴涌而出,單質(zhì)硫主要存在于火山周圍的地域中,以化合態(tài)存在的硫多為礦物。不同價態(tài)硫元素之間是如何轉(zhuǎn)化的呢?

問題2:尋找自然界中含硫的物質(zhì)并根據(jù)物質(zhì)的類別和硫元素的化合價,標注在學(xué)案價-類二維圖上。

學(xué)生:通過閱讀課本第97-98頁,了解自然界中含硫物質(zhì)及含硫物質(zhì)之間的轉(zhuǎn)化,獨立構(gòu)建硫的價-類二維圖(如圖1)。

圖1 硫及其化合物的價-類二維圖[1]

交流研討1:利用硫的價-類二維圖分析推測,預(yù)測硫單質(zhì)有哪些化學(xué)性質(zhì)。

學(xué)生:首先獨立思考,根據(jù)價-類二維圖,從化合價的角度和物質(zhì)類別的角度,分析預(yù)測硫單質(zhì)的化學(xué)性質(zhì),獨立完成之后,小組之間互相交流,最后達成共識,完成硫單質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)的預(yù)測(見表1)。學(xué)生展示最想通過實驗驗證的反應(yīng)。

表1 學(xué)生預(yù)測硫單質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)

設(shè)計目的:學(xué)生根據(jù)建構(gòu)的價-類二維圖,提煉出研究物質(zhì)性質(zhì)的基本方法。

過渡:實踐是檢驗真理的唯一標準,下面我們就用實驗來驗證我們的預(yù)測。

3.2 任務(wù)2:探究硫單質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)

實驗探究1:操作臺上有本實驗的實驗藥品和器材、液封除毒氣集氣瓶(盛有氧氣),酒精燈,硫粉。根據(jù)實驗步驟完成實驗并記錄實驗現(xiàn)象(如圖2)。

圖2 液封除毒氣集氣瓶及硫在氧氣中燃燒的現(xiàn)象

實驗步驟:①在燃燒匙內(nèi)加入少量的硫粉,觀察硫粉的顏色和狀態(tài);②將燃燒匙放在酒精燈上加熱,觀察硫粉狀態(tài)的變化;③持續(xù)加熱至燃燒,觀察火焰的顏色,迅速打開液封除毒氣集氣瓶玻璃蓋,將燃燒匙伸入,觀察火焰顏色。

實驗現(xiàn)象:①淡黃色固體;②硫粉由固體熔化成液體,硫單質(zhì)的熔點低;③硫在空氣中燃燒,火焰呈淡藍色,在氧氣中燃燒,火焰呈藍紫色。

實驗探究2:操作臺上放有本實驗的實驗藥品和器材,其中,小試管中盛有鐵粉和硫粉混合物,根據(jù)實驗步驟完成實驗并記錄實驗現(xiàn)象(如圖3)。

圖3 鐵與硫粉反應(yīng)的現(xiàn)象

實驗步驟:①向小試管中的棉花上滴加4～5滴0.5 mol/L的NaOH溶液;②將小試管放在酒精燈上加熱,先預(yù)熱,試管底部出現(xiàn)紅熱狀態(tài)時,撤去酒精燈,觀察發(fā)生的現(xiàn)象。

實驗現(xiàn)象:固體混合物持續(xù)呈紅熱狀態(tài),劇烈反應(yīng),放出大量的熱。

學(xué)生:根據(jù)實驗步驟的提示,完成實驗,觀察實驗現(xiàn)象并記錄實驗現(xiàn)象,從而得到實驗結(jié)論,學(xué)生展示,其他同學(xué)補充,從而實現(xiàn)硫單質(zhì)性質(zhì)的驗證。

追問1:請同學(xué)們思考,對于硫單質(zhì)與鐵粉的反應(yīng),為何不能生成Fe2S3?

學(xué)生1:根據(jù)氧化性的強弱F2>Cl2>Br2>Fe3+>I2>S,硫單質(zhì)只能將鐵元素氧化為亞鐵離子。

學(xué)生2:根據(jù)氧氣與鐵反應(yīng),會生成二價的鐵,根據(jù)硫單質(zhì)與氧氣的反應(yīng),可得硫單質(zhì)的氧化性比氧氣氧化性要弱,所以鐵與硫單質(zhì)反應(yīng)生成的應(yīng)該是硫化亞鐵[2]。

追問2:Cu與S化合的產(chǎn)物呢?

教師總結(jié):教師首先肯定學(xué)生的回答,由于硫單質(zhì)具有弱氧化性,與變價的金屬單質(zhì)反應(yīng)時,會生成低價態(tài)的硫化物。

設(shè)計目的:通過預(yù)測性質(zhì)、實施實驗、觀察現(xiàn)象、得到結(jié)論、解釋現(xiàn)象,學(xué)生構(gòu)建完整的研究物質(zhì)性質(zhì)的基本方法和價-類二維圖,學(xué)習(xí)鞏固硫單質(zhì)的化學(xué)性質(zhì),發(fā)展證據(jù)推理和模型認知、微觀辨識和宏觀探析、科學(xué)探究和創(chuàng)新意識的化學(xué)核心素養(yǎng)。

追問3:與金屬單質(zhì)化合體現(xiàn)了硫單質(zhì)的氧化性,與活潑金屬鈉研磨就可實現(xiàn); 如果不小心將水銀溫度計打碎了,可以用硫粉覆蓋處理,請同學(xué)們寫出相關(guān)方程式。

設(shè)計目的:化學(xué)與生活密切聯(lián)系,生活中處處有化學(xué),發(fā)現(xiàn)化學(xué)的美,使更多的學(xué)生喜歡上化學(xué)。

學(xué)生:歸納總結(jié)硫單質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)。

追問4:通過對硫單質(zhì)化學(xué)性質(zhì)的探究,請總結(jié)研究物質(zhì)化學(xué)性質(zhì)可以從什么角度著手?

設(shè)計目的:鞏固研究物質(zhì)性質(zhì)價-類二維視角的方法,幫助學(xué)生厘清思路和方法,總結(jié)提升,使學(xué)生的思路清晰化,最終達到能力的進階,發(fā)展學(xué)生的模型認知、科學(xué)態(tài)度和社會責(zé)任的化學(xué)核心素養(yǎng)。

追問5:同學(xué)們完成實驗后,教師在清洗試管時,遇到了一個問題,請同學(xué)們思考如何將試管壁上的硫清洗掉?

學(xué)生:用水清洗,發(fā)現(xiàn)硫不溶于水。

過渡:水是大家非常熟悉的溶劑,它可以包容萬物,但是我們實驗后,發(fā)現(xiàn)硫單質(zhì)是不溶于水的,現(xiàn)在我給大家提供了乙醇和二硫化碳這兩種有機溶劑,請同學(xué)們根據(jù)實驗步驟完成實驗。

設(shè)計目的:知識問題化、問題情景化、情景生活化,基于真實問題的解決,激發(fā)學(xué)生的思考,解決現(xiàn)實問題。

3.3 任務(wù)三:認識硫單質(zhì)的物理性質(zhì)

實驗步驟:觀察試管中硫磺的顏色、狀態(tài);然后分別向1號、2號、3號試管中加入2 mL水、乙醇、二硫化碳,振蕩試管,觀察硫固體是否溶解。

學(xué)生:完成實驗,觀察實驗現(xiàn)象,記錄實驗現(xiàn)象。

實驗結(jié)論:硫不溶于酒精,易溶于二硫化碳。

追問6:硫真的不溶于酒精嗎?下面請同學(xué)們再完成這個實驗,從2號試管中取出上清液于試管4中,向其中滴加3～4滴蒸餾水,觀察現(xiàn)象。

學(xué)生:開展實驗,分析實驗現(xiàn)象,得出結(jié)論:硫單質(zhì)難溶于水,微溶于酒精,易溶于二硫化碳,清洗試管上的硫可以用二硫化碳。

設(shè)計目的:學(xué)生通過用酒精洗滌硫磺,無法從定性和定量的角度判斷出硫磺是否溶解,設(shè)計滴加到2號試管的上清液中,激發(fā)學(xué)生的認知沖突,加深學(xué)生對硫溶解性的再認識。

教師總結(jié):由于二硫化碳有毒,在實驗室中常用氫氧化鈉溶液清洗試管壁上的硫磺,其原理是什么呢?

學(xué)生:從物質(zhì)的類別角度,結(jié)合氯氣的化學(xué)性質(zhì),展示硫單質(zhì)與氫氧化鈉的反應(yīng):

設(shè)計目的:從類維和價維的角度,解釋硫與氫氧化鈉反應(yīng)的原理,凸顯價-類二維研究方法的價值。

學(xué)生活動11:結(jié)合實驗探究和課本內(nèi)容,歸納總結(jié)硫單質(zhì)的物理性質(zhì)和用途,學(xué)生展示硫單質(zhì)的物理性質(zhì)(見表2)。

表2 學(xué)生總結(jié)硫單質(zhì)的物理性質(zhì)

設(shè)計目的:幫助學(xué)生整理硫單質(zhì)的物理性質(zhì),從物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)2個方面認識硫單質(zhì),通過認識硫磺的用途,感受化學(xué)與生活的密切聯(lián)系,體會化學(xué)在生產(chǎn)生活中的學(xué)科價值。

總之,通過3個實驗任務(wù),幫助學(xué)生構(gòu)建、應(yīng)用研究物質(zhì)性質(zhì)的思維模型。基于價態(tài)、類別兩個視角預(yù)測物質(zhì)的性質(zhì),實驗驗證預(yù)測,得出結(jié)論,形成研究元素化合物的基本方法。從重視講授知識的完整性,上升為知識學(xué)習(xí)中重視學(xué)生化學(xué)觀念的建立和學(xué)科素養(yǎng)的培養(yǎng),強化從價、類兩個視角學(xué)習(xí)物質(zhì)性質(zhì)的化學(xué)觀念培養(yǎng)。

4 教學(xué)反思

4.1 應(yīng)用價、類視角,建構(gòu)物質(zhì)轉(zhuǎn)化的思路方法

學(xué)生能夠形成基于物質(zhì)類別、元素化合價認識物質(zhì)性質(zhì)的角度和思路,即價類二維系統(tǒng)的元素觀,建立含硫元素的物質(zhì)家族,建立含硫元素的物質(zhì)之間轉(zhuǎn)化關(guān)系,應(yīng)用轉(zhuǎn)化關(guān)系分析實際問題,形成知識結(jié)構(gòu)和認識模型,從注重具體物質(zhì)的性質(zhì)和方程式的歸納總結(jié)到注重核心素養(yǎng)和能力的發(fā)展進階。

4.2 改進教材實驗,實現(xiàn)學(xué)生分組實驗

化學(xué)是一門自然科學(xué),實踐是檢驗真理的唯一標準,學(xué)生通過設(shè)計實驗,完成實驗,觀察實驗現(xiàn)象,得出結(jié)論,符合學(xué)生的認知規(guī)律,加深學(xué)生對物質(zhì)性質(zhì)的理解。筆者就課本上的實驗進行改進,將課本中敞開的實驗環(huán)境改成相對密封的實驗條件,筆者就實驗的改進如下:①硫單質(zhì)還原性實驗,裝置使用液封除毒氣集氣瓶,將硫的燃燒置于相對密封的環(huán)境中,該集氣瓶還可以防止二氧化硫有毒氣體外溢,保護師生安全;②硫單質(zhì)氧化性的實驗,將硫粉和鐵粉放置于10 mm×100 mm的小試管內(nèi)(防止在大試管內(nèi)進行實驗,由于放熱多,試管受熱不均勻,試管炸裂),并且用玻璃棒將混合物壓實,盡可能減少硫單質(zhì)與氧氣反應(yīng)生成有毒的二氧化硫。

4.3 設(shè)計問題精準化、情景生活化

王祖浩教授認為:知識只是素養(yǎng)的媒介和手段,知識轉(zhuǎn)化為素養(yǎng)的重要途徑是情境,教師需要幫助學(xué)生構(gòu)建從真實問題情境中學(xué)習(xí)的認識路徑。筆者在本節(jié)課的設(shè)計中,秉承“知識問題化,問題情境化,情境生活化”設(shè)計理念[3],如:垃圾桶附近為何會有惡臭味、水銀溫度計打碎之后的處理、試管內(nèi)壁上的硫如何清理,讓學(xué)生感受到化學(xué)與生活的密切聯(lián)系,體會化學(xué)在生產(chǎn)生活中的學(xué)科價值。