基于“物質分類與轉化”觀念的教學

魏樟慶　楊益強

摘要：“物質分類與轉化”是化學的核心問題，以“硫和含硫化合物的相互轉化”為例，建立“物質是可以相互轉化的、物質之間的相互轉化是有一定規律的”基本認識，從元素的視角看物質的分類與轉化，構建物質類別轉化和元素價態轉化的二維概念圖，整體設計了硫和含硫物質相互轉化的教學案例。

關鍵詞：物質分類與轉化；觀念建構；元素觀；轉化觀；硫和含硫化合物

文章編號：1008-0546（2014）05-0005-03 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2014.05.002

一、 從元素的視角看物質的分類與轉化

《普通高中化學課程標準（實驗）》中指出，高中生應認識分類思想對化學研究的作用，并能根據物質的組成和性質對物質進行分類。物質分類與轉化是化學的核心問題，對物質進行分類和研究物質轉化的規律，既符合化學科學的發展規律，也符合學生認知規律。

1. 化學的核心問題——物質及其轉化

化學的核心問題是物質及其相互轉化，化學科學認識活動對其基本問題“物質及其轉化”的認識有2大基本任務：一是探尋“物質及其轉化”基本規律，二是建構“物質及其轉化”的科學理論。

為了認識豐富多彩的化學物質及其轉化規律，化學學科采取了獨特的認識視角——元素視角。物質是由元素組成的，物質按照元素組成可以進行分類；組成相似的物質，其化學性質也相似，各類物質的相似性，就是各類物質的性質研究模型。

為了解釋“物質及其轉化”的事實和規律性，化學科學在認同分子、原子等微觀粒子存在的基礎上建構相關的化學科學理論。從內容上說，化學科學理論有分子論、原子論、原子結構理論、化學鍵理論、有效碰撞理論和碳共價鍵理論等。如圖1所示。

2. 物質的分類

在自然界中，100多種元素形成了數千萬種組成、形態、性質各異的單質和化合物。面對種類繁多、變化復雜的物質世界，化學家需要將眾多的物質進行分類，需要探索各類物質間轉化的條件和轉化所遵循的規律。從元素的視角看物質的分類。如圖2所示。

3. 物質性質的研究模型

同一類物質在組成和性質方面往往具有一定的相似性，對物質進行合理的分類，有助于我們按物質的類別進一步研究物質的組成、結構和性質。高中無機物性質研究的2個重要視角，一是物質的類別；二是核心元素的化合價。如圖2所示。

金屬單質、非金屬單質、酸堿鹽各類物質都有其相似的性質，如酸性氧化物的化學通性，如圖4所示。

二、 “硫和含硫化合物間的相互轉化”教學內容分析

“硫和含硫化合物相互轉化”是蘇教版《化學1》專題4的教學內容，從教科書的編排來看，這一內容安排在“二氧化硫性質和作用”、“硫酸的制備和性質”之后，是對硫和常見含硫化合物知識的一次歸納和整理，初步形成硫和含硫化合物間相互轉化的知識網絡關系。其教學價值在于：一是為了印證專題1中“物質的分類與轉化”的化學家研究視角，二是為了建構“物質是可以相互轉化的、物質之間的相互轉化是有一定規律的”基本觀念。

“含硫物質多種多樣，它們在一定條件下可以相互轉化。通過氧化還原反應可以實現含有不同價態硫元素的物質之間的轉化。通過非氧化還原反應可以實現含有相同價態硫元素的物質之間的轉化。”教材已經為我們揭示了物質間相互轉化的基本思想、以及研究或學習的方法，從無機物性質研究的2個視角（物質類別和核心元素價態）認識“物質轉化”的內在規律，建構“物質轉化”的基本觀念。

“通過氧化還原反應可以實現含有不同價態硫元素的物質之間的轉化”。學生對“不同價態硫元素間轉化”已有3個角度的認識：一是實驗室中（二氧化硫被雙氧水氧化、濃硫酸被銅還原）不同價態硫元素間的轉化；二是酸雨形成及其防治中不同價態硫元素間的轉化；三是硫酸工業生產中不同價態硫元素間的轉化。教學是將這些已有的知識提高到觀念建構的認識上來，使學生的學習不再停留在僅僅關注物質的性質，而是要利用氧化還原反應的知識，認識元素價態變化與含硫物質轉化的關系。

“通過非氧化還原反應可以實現含有相同價態硫元素的物質之間的轉化”。學生從“物質類別變化”和“復分解反應”的角度認識了二氧化硫、亞硫酸和硫酸性質，如SO2是酸性氧化物，具有酸性氧化物的通性；亞硫酸是一種較強酸、硫酸是一種強酸，具有酸的通性。教學是將研究各類物質之間的相互反應關系，提升到研究它們之間的相互轉化的意義，從“物質類別變化”的高度認識物質類別與含硫物質轉化的關系。

從上述2個角度對硫及其化合物進行分類，以物質類別和價態變化為坐標的二維轉化關系如下圖5所示。

三、基于物質分類與轉化的教學設計

教學目標：（1）元素觀的建構：能夠認識硫元素在自然界以多種物質形式存在，從元素視角對含硫物質進行分類；（2）轉化觀的建構：從物質類別和價態變化2個視角建構物質性質的研究模型，在學生頭腦中建構以類別和價態為坐標的二維轉化關系概念圖，依據轉化關系分析重要物質的性質；（3）轉化觀的應用：能夠將轉化關系概念圖工具化，解決生產生活中的實際問題。

教學策略：一是以價態變化為線索，如自然界中硫循環、酸雨形成、硫酸工業生產中不同價態硫元素間的轉化，建構的轉化關系；二是以物質類別轉化為線索，如“氫化物或氧化物→酸→鹽”的轉化關系。

教學過程：凸顯硫和含硫化合物間“轉化觀”的建構與應用。

（1）硫和含硫化合物間“轉化觀”的建構

事實材料一：自然界中的硫

展示自然界中含硫物質的圖片或實物標本，如天然硫單質、辰砂、雄黃、雌黃、黃鐵礦、芒硝、重晶石、石膏等，并對其進行分類。

展示“自然界中硫循環”的圖片。大氣中的H2S、SO2主要來自巖石的風化、有機物的分解、礦物燃料的燃燒，SO2在大氣中受O2、H2O（g）、陽光等影響被氧化成SO3，SO2和SO3溶解于水，分別生成H2SO3或H2SO4，隨雨水降落地面，與地表的礦物質反應生成可溶性硫酸鹽和亞硫酸鹽進入土壤，經過土壤微生物作用，含硫化合物轉化成能被植物根系所吸收的可溶性鹽類，再經過動物、微生物的傳遞，最后又返回到土壤和大氣中。火山噴發的熔硫在地下形成黃鐵礦（FeS2）、辰砂（HgS）等含硫礦物和化石燃料。認識自然界中不同價態硫元素間的轉化。

事實材料二：酸雨的形成與防治

再現教材中“硫酸型酸雨的形成”圖片，化石燃料（含S）燃燒→SO2→SO3→H2SO4，或化石燃料燃燒→SO2→H2SO3→H2SO4，再次認識酸雨形成的反應過程，建構的轉化關系。

再現教材中“用化學方法減輕酸雨對樹木和土壤的危害”的圖片，再次認識酸雨水中的二氧化硫、亞硫酸和硫酸與石灰的反應，建構“酸性氧化物→酸→鹽”或“酸性氧化物→鹽”轉化關系。

事實材料三：硫酸工業生產中不同價態硫元素間的轉化

再現教材中“硫酸制備流程”圖片，再次認識FeS2或S→SO2→SO3→H2SO4的轉化過程，建構的轉化關系。

事實材料四：實驗室中不同價態硫元素間的轉化

再現教材中“銅與濃硫酸反應實驗裝置”圖片，回顧SO2被H2O2水溶液氧化的實驗，補充SO2與H2S反應生成硫的實驗，進一步認識H2SO4→SO2→S轉化過程。

根據“自然界中硫的循環”、“酸雨的形成與防治”、“硫酸工業生產”和“實驗室中”等不同價態含硫物質間轉化的事實材料，組織學生討論、總結硫和含硫化合物間的轉化關系，如圖6所示。

（2）硫和含硫化合物間“轉化觀”的應用

設計將硫酸廠尾氣中的SO2轉化為石膏（CaSO4·2H2O）的反應，并說明思維過程。從二氧化硫到石膏的轉化涉及價態和物質類別變化，因此該轉化過程既要用到氧化劑又要用到堿。至少有3條途徑：SO2→H2SO3→CaSO3→CaSO4·2H2O；SO2→SO3→H2SO4→CaSO4→CaSO4·2H2O；SO2→CaSO4→CaSO4·2H2O；如圖7所示。工業上選擇最合適的反應途徑，并寫出有關的化學方程式。

四、教學反思

教學設計的基本觀點是能有效幫助學生建立“物質分類與轉化”的基本思想、一般研究方法和思路，認識物質及其轉化的兩大基本任務，從“元素觀”認識物質的分類，從“轉化觀”認識物質性質的研究模型。教學的關鍵是有效地幫助學生建立結構化的物質轉化關系，“通過氧化還原反應可以實現含有不同價態硫元素的物質之間的轉化；通過非氧化還原反應可以實現含有相同價態硫元素的物質之間的轉化”兩條線索，幫助學生在頭腦中建構物質類別轉化和元素價態轉化二維轉化的概念圖式，并利用概念圖解決實際問題。

參考文獻

[1] 王祖浩. 普通高中課程標準實驗教科書：化學1 [M]. 南京：江蘇教育出版社，2011：93-94

[2] 梁永平. 化學科學理解的基本視角及其核心觀念 [J]. 化學教育，2011，（6）：4-7

[3] 支瑤，王磊等. “物質的分類”促進高中生無機物性質學習的功能價值分析及其教學實現[J]. 化學教育，2012，（4）：28-35

事實材料二：酸雨的形成與防治

再現教材中“硫酸型酸雨的形成”圖片，化石燃料（含S）燃燒→SO2→SO3→H2SO4，或化石燃料燃燒→SO2→H2SO3→H2SO4，再次認識酸雨形成的反應過程，建構的轉化關系。

再現教材中“用化學方法減輕酸雨對樹木和土壤的危害”的圖片，再次認識酸雨水中的二氧化硫、亞硫酸和硫酸與石灰的反應，建構“酸性氧化物→酸→鹽”或“酸性氧化物→鹽”轉化關系。

事實材料三：硫酸工業生產中不同價態硫元素間的轉化

再現教材中“硫酸制備流程”圖片，再次認識FeS2或S→SO2→SO3→H2SO4的轉化過程，建構的轉化關系。

事實材料四：實驗室中不同價態硫元素間的轉化

再現教材中“銅與濃硫酸反應實驗裝置”圖片，回顧SO2被H2O2水溶液氧化的實驗，補充SO2與H2S反應生成硫的實驗，進一步認識H2SO4→SO2→S轉化過程。

根據“自然界中硫的循環”、“酸雨的形成與防治”、“硫酸工業生產”和“實驗室中”等不同價態含硫物質間轉化的事實材料，組織學生討論、總結硫和含硫化合物間的轉化關系，如圖6所示。

（2）硫和含硫化合物間“轉化觀”的應用

設計將硫酸廠尾氣中的SO2轉化為石膏（CaSO4·2H2O）的反應，并說明思維過程。從二氧化硫到石膏的轉化涉及價態和物質類別變化，因此該轉化過程既要用到氧化劑又要用到堿。至少有3條途徑：SO2→H2SO3→CaSO3→CaSO4·2H2O；SO2→SO3→H2SO4→CaSO4→CaSO4·2H2O；SO2→CaSO4→CaSO4·2H2O；如圖7所示。工業上選擇最合適的反應途徑，并寫出有關的化學方程式。

四、教學反思

教學設計的基本觀點是能有效幫助學生建立“物質分類與轉化”的基本思想、一般研究方法和思路，認識物質及其轉化的兩大基本任務，從“元素觀”認識物質的分類，從“轉化觀”認識物質性質的研究模型。教學的關鍵是有效地幫助學生建立結構化的物質轉化關系，“通過氧化還原反應可以實現含有不同價態硫元素的物質之間的轉化；通過非氧化還原反應可以實現含有相同價態硫元素的物質之間的轉化”兩條線索，幫助學生在頭腦中建構物質類別轉化和元素價態轉化二維轉化的概念圖式，并利用概念圖解決實際問題。

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[3] 支瑤，王磊等. “物質的分類”促進高中生無機物性質學習的功能價值分析及其教學實現[J]. 化學教育，2012，（4）：28-35

事實材料二：酸雨的形成與防治

再現教材中“硫酸型酸雨的形成”圖片，化石燃料（含S）燃燒→SO2→SO3→H2SO4，或化石燃料燃燒→SO2→H2SO3→H2SO4，再次認識酸雨形成的反應過程，建構的轉化關系。

再現教材中“用化學方法減輕酸雨對樹木和土壤的危害”的圖片，再次認識酸雨水中的二氧化硫、亞硫酸和硫酸與石灰的反應，建構“酸性氧化物→酸→鹽”或“酸性氧化物→鹽”轉化關系。

事實材料三：硫酸工業生產中不同價態硫元素間的轉化

再現教材中“硫酸制備流程”圖片，再次認識FeS2或S→SO2→SO3→H2SO4的轉化過程，建構的轉化關系。

事實材料四：實驗室中不同價態硫元素間的轉化

再現教材中“銅與濃硫酸反應實驗裝置”圖片，回顧SO2被H2O2水溶液氧化的實驗，補充SO2與H2S反應生成硫的實驗，進一步認識H2SO4→SO2→S轉化過程。

根據“自然界中硫的循環”、“酸雨的形成與防治”、“硫酸工業生產”和“實驗室中”等不同價態含硫物質間轉化的事實材料，組織學生討論、總結硫和含硫化合物間的轉化關系，如圖6所示。

（2）硫和含硫化合物間“轉化觀”的應用

設計將硫酸廠尾氣中的SO2轉化為石膏（CaSO4·2H2O）的反應，并說明思維過程。從二氧化硫到石膏的轉化涉及價態和物質類別變化，因此該轉化過程既要用到氧化劑又要用到堿。至少有3條途徑：SO2→H2SO3→CaSO3→CaSO4·2H2O；SO2→SO3→H2SO4→CaSO4→CaSO4·2H2O；SO2→CaSO4→CaSO4·2H2O；如圖7所示。工業上選擇最合適的反應途徑，并寫出有關的化學方程式。

四、教學反思

教學設計的基本觀點是能有效幫助學生建立“物質分類與轉化”的基本思想、一般研究方法和思路，認識物質及其轉化的兩大基本任務，從“元素觀”認識物質的分類，從“轉化觀”認識物質性質的研究模型。教學的關鍵是有效地幫助學生建立結構化的物質轉化關系，“通過氧化還原反應可以實現含有不同價態硫元素的物質之間的轉化；通過非氧化還原反應可以實現含有相同價態硫元素的物質之間的轉化”兩條線索，幫助學生在頭腦中建構物質類別轉化和元素價態轉化二維轉化的概念圖式，并利用概念圖解決實際問題。

參考文獻

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[3] 支瑤，王磊等. “物質的分類”促進高中生無機物性質學習的功能價值分析及其教學實現[J]. 化學教育，2012，（4）：28-35