基于元素觀的“二氧化硫性質(zhì)”的教學設計

苗亞寧

摘要：培養(yǎng)學生的科學素養(yǎng)是化學教育的核心目標。“元素觀”是化學教育的核心觀念之一，充分理解元素觀是培養(yǎng)學生科學素養(yǎng)的核心成分之一。以“二氧化硫性質(zhì)”這一教學內(nèi)容為基點，以元素觀為核心觀念，進行“二氧化硫性質(zhì)”的課堂教學設計。

關(guān)鍵詞：元素觀；二氧化硫；課堂教學設計

文章編號：1005–6629（2016）3–0053–04 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

培養(yǎng)學生的科學素養(yǎng)是化學教育的核心目標[1]。“元素觀”是化學教育的核心觀念之一，充分理解“元素觀”是科學素養(yǎng)的核心成分之一。我國《義務教育化學課程標準（2011年版）》指出“引導學生認識物質(zhì)世界的變化過程，形成基本化學的基本觀念”[2]。同時《普通高中化學課程標準（實驗）》也指出“認識常見的化學物質(zhì)，學習重要的化學概念，形成基本的化學觀念和科學探究能力”[3]。元素觀是對世界本原的回答，同時也體現(xiàn)了化學學科有別于其他學科的獨特視角。因此，在化學課堂教學中，應體現(xiàn)出“元素觀”的觀念，通過課堂教學，有意識地培養(yǎng)、發(fā)展和豐富學生的元素觀。“元素觀”的核心內(nèi)涵：物質(zhì)都是由元素組成的，物質(zhì)可以按照元素組成進行分類，組成相似的物質(zhì)，性質(zhì)上具有相似性。物質(zhì)間可以進行轉(zhuǎn)化，其轉(zhuǎn)化的本質(zhì)是元素原子間的重新組合，并具有守恒性[4]。物質(zhì)性質(zhì)研究一般從兩條線索進行：一是物質(zhì)類別，按照類別物質(zhì)具有相似性進行研究；二是物質(zhì)核心元素，分析核心元素價態(tài)、同價態(tài)核心元素所在物質(zhì)存在形式進行特性研究。本文將根據(jù)上述內(nèi)容，就“二氧化硫性質(zhì)”這一教學內(nèi)容，進行基于“元素觀”的課堂教學設計。

1 基于元素觀的“二氧化硫性質(zhì)”的內(nèi)容分析

二氧化硫性質(zhì)是蘇教版高中化學必修1中專題4“硫、氮和持續(xù)發(fā)展”的第一單元“含硫化合物的性質(zhì)和應用”中第一部分“二氧化硫的性質(zhì)和應用”的第一課時內(nèi)容。二氧化硫性質(zhì)與元素組成和核心元素硫元素形態(tài)（價態(tài)和所在物質(zhì)存在形式）有密切關(guān)系。據(jù)此可以形成：分析二氧化硫元素組成對其進行分類認識，得出二氧化硫作為酸性氧化物的一般性質(zhì)。例如：SO2+H2O H2SO3，SO2+2NaOH=Na2SO3+H2O（二氧化硫量少），SO2+NaOH=NaHSO3（二氧化硫量多），SO2+CaO=CaSO3等。分析二氧化硫的核心元素S元素價態(tài)（+4價既可以升高也可以降低）和對同價態(tài)S元素所在物質(zhì)存在形式轉(zhuǎn)化的認識，得出二氧化硫有還原性、氧化性、漂白性的特性。例如：SO2+H2O2=H2SO4，SO2+X2+2H2O=H2SO4+2HX，SO2+H2O H2SO3，5SO2+2KMnO4+2H2O=2MnSO4+K2SO4+2H2SO4等。

2 “二氧化硫性質(zhì)”的教學目標構(gòu)建

2.1 知識層面

在初中學完碳及其化合物、高中專題2、3學完鹵族元素、硅及其化合物性質(zhì)的事實基礎(chǔ)和氧化還原反應的理論基礎(chǔ)上，掌握二氧化硫作為酸性氧化物的一般性質(zhì)和二氧化硫的特殊性質(zhì)：還原性、氧化性、漂白性。由此確定知識層面的教學目標如下：

（1）掌握二氧化硫作為酸性氧化物的一般性質(zhì)；

（2）掌握二氧化硫的特殊性質(zhì)：氧化性、還原性、漂白性。

2.2 方法層面

很多中學生對元素化合物的學習都停留在對實驗事實感知和記憶水平上，缺乏認識和研究物質(zhì)性質(zhì)的思路和方法（物質(zhì)性質(zhì)研究模型）。物質(zhì)性質(zhì)研究一般從兩條線索進行：一是從物質(zhì)元素組成研究一般性，物質(zhì)按元素組成進行分類，通過具體物質(zhì)學習類別物質(zhì)的共性；二是從物質(zhì)核心元素研究特殊性，分析核心元素價態(tài)，判斷其氧化性和還原性，實現(xiàn)不同物質(zhì)間的轉(zhuǎn)化；其次分析同價態(tài)核心元素所在物質(zhì)的形式對物質(zhì)性質(zhì)的影響，完成特殊性質(zhì)學習。從元素視角研究物質(zhì)的一般思路和方法是元素化合物知識學習的重要方法，在“二氧化硫性質(zhì)”的學習中，學生進一步掌握并靈活運用物質(zhì)性質(zhì)的研究方法。由此確定方法層面的教學目標如下：

一是從元素組成進行分類，通過具體物質(zhì)演繹類別物質(zhì)的一般性質(zhì)，完成共性學習。

二是從核心元素看轉(zhuǎn)化，分析核心元素價態(tài)、分析同價態(tài)核心元素所在物質(zhì)的存在形式，完成特性學習。

2.3 觀念層面

元素化合物知識的學習中，教材編寫通常是以知識的傳承為主線，知識內(nèi)容呈現(xiàn)以螺旋上升為基本方式。而化學基本觀念往往是內(nèi)隱其中的，這就要以具體知識為載體，挖掘隱含的觀念。在“二氧化硫性質(zhì)”的學習中，應進一步加強“元素觀核心內(nèi)涵”中以下基本觀念：物質(zhì)的類別、性質(zhì)，由組成元素的類別決定，即進一步加強對“物質(zhì)按元素組成進行分類，組成相似，性質(zhì)相似”的理解；物質(zhì)的特殊性質(zhì)由核心元素決定，即進一步加強對“核心元素在物質(zhì)間可以相互轉(zhuǎn)化”、“物質(zhì)元素組成完全相同，其核心元素價態(tài)不同，性質(zhì)不同”、“同價態(tài)核心元素所在物質(zhì)的存在形式不同，性質(zhì)不同”的理解。由此確定觀念層面的教學目標如下：

進一步加強對元素觀核心內(nèi)涵的理解：（1）物質(zhì)按元素組成進行分類，組成相似，性質(zhì)具有相似性；（2）同一核心元素在不同物質(zhì)間可以相互轉(zhuǎn)化；（3）物質(zhì)元素組成完全相同，核心元素價態(tài)不同，其性質(zhì)不同；（4）同價態(tài)核心元素所在物質(zhì)存在形式不同，其性質(zhì)不同。

經(jīng)以上建構(gòu)，得出的教學目標如下：

（1）掌握二氧化硫的一般性和特殊性；

（2）進一步運用物質(zhì)性質(zhì)研究的兩條線索；

（3）進一步加強對元素觀核心內(nèi)涵四個方面的理解。

3 教學主題設計

圍繞“如何研究二氧化硫性質(zhì)”的認識展開，形成以下三個主題。

主題一：如何從元素組成研究二氧化硫的一般性質(zhì)？

在該主題的引導下，以元素組成為線索。以CO2為認知基礎(chǔ)，分析二氧化硫的元素組成，通過遷移類比，按元素組成進行分類，將二氧化硫分類為酸性氧化物。類別物質(zhì)，組成相似，性質(zhì)相似，則二氧化硫具有酸性氧化物的一般性質(zhì)。endprint

主題二：如何從核心元素研究二氧化硫的特殊性質(zhì)？

在該主題的引導下，以核心元素S元素為線索。利用氧化還原反應理論分析S的價態(tài)變化，得出二氧化硫既具有還原性又具有氧化性，并結(jié)合實驗探究，驗證其物質(zhì)間轉(zhuǎn)化；分析同價態(tài)核心元素所在物質(zhì)的存在形式，結(jié)合實驗探究，在實驗事實的基礎(chǔ)上，得出二氧化硫以水溶液形式存在具有漂白性的漂白機理。

主題三：通過二氧化硫性質(zhì)學習，你掌握了哪些知識和方法？

在該主題的引導下，通過總結(jié)二氧化硫性質(zhì)知識學習的過程，梳理研究元素化合物性質(zhì)的方法，使學生對潛在的元素觀念“元素觀”核心內(nèi)涵有了進一步深化認識。

4 教學過程設計

主題一：如何從元素組成研究二氧化硫的一般性質(zhì)？

[問題引導]組成二氧化硫的元素是什么？該物質(zhì)的類別是什么？作為類別物質(zhì)之一，有哪些性質(zhì)？之前學過類似的物質(zhì)嗎？

[聯(lián)系舊知] CO2元素組成、物質(zhì)類別，類別性質(zhì)。

[遷移類比]二氧化硫與CO2都由非金屬元素組成，則類別相同，二氧化硫為酸性氧化物；組成相似，性質(zhì)相似，二氧化硫也具有酸性氧化物的一般性質(zhì)，以表格形式呈現(xiàn)。

[實驗事實]二氧化硫的水溶液使紫色石蕊試液變紅。

[小結(jié)歸納]二氧化硫具有酸性氧化物的一般性質(zhì)：可以與水、堿、堿性氧化物反應。

[顯性話語]物質(zhì)由元素組成，按元素組成進行分類，同類別物質(zhì)，性質(zhì)相似。這種分析物質(zhì)元素組成進行分類并聯(lián)系已學元素組成相似的類別物質(zhì)，遷移類比，分析具體物質(zhì)性質(zhì)得出共性，這種學習方法就是我們研究元素化合物一般性質(zhì)的方法。

主題二：如何從核心元素研究二氧化硫的特殊性質(zhì)？

[問題引導]二氧化硫的核心元素是什么？該元素的可能價態(tài)有哪些？

[理論分析]二氧化硫中S元素價態(tài)為+4價，S元素可能具有的價態(tài)有：-2、0、+6，則二氧化硫中S元素價態(tài)既可以升高也可以降低；說明二氧化硫應該既具有還原性又具有氧化性。

[實驗探究]

（1）進行實驗：

（2）交流討論：兩個實驗現(xiàn)象分別表明發(fā)生了哪些反應，分析核心元素S元素的價態(tài)變化（H2O2起什么作用？），得出二氧化硫具有哪個特性？

（3）得出結(jié)論：SO2+H2O H2SO3（+4→+4），H2SO3不與BaCl2反應；SO2+H2O2=H2SO4（+4→+6），H2SO4+BaCl2=BaSO4↓+2HCl，H2O2起氧化作用，那么二氧化硫起還原作用。

[推論得出]二氧化硫具有還原性，在一定條件下，還可以與其他氧化劑發(fā)生反應（酸性高錳酸鉀溶液、溴水、氧氣等）。

[實驗事實]二氧化硫可以使酸性高錳酸鉀溶液褪色，也可以使溴水褪色。

[小結(jié)歸納]一定條件下，二氧化硫與具有氧化性的有色物質(zhì)發(fā)生氧化還原反應，使之褪色。

[問題引導]二氧化硫中S元素價態(tài)為+4價，那么二氧化硫會發(fā)生S元素化合價降低的反應嗎？

[觀察實驗事實]常溫常壓下，二氧化硫氣體與H2S氣體發(fā)生反應生成黃色物質(zhì)S。

[交流討論]分析反應中二氧化硫與H2S核心元素S元素的價態(tài)變化，得出二氧化硫具有哪個特性？

[得出結(jié)論] 2H2S+SO2=3S↓+2H2O（二氧化硫+4→0，H2S-2→0）二氧化硫具有氧化性。

[顯性話語]二氧化硫中核心元素S元素為+4價，既可以升高又可以降低，使二氧化硫表現(xiàn)為既具有還原性又具有氧化性。那么同一核心元素價態(tài)不同可以在不同物質(zhì)間實現(xiàn)相互轉(zhuǎn)化，這種從核心元素價態(tài)判斷物質(zhì)是否具有還原性和氧化性的方法是學習元素化合物特殊性質(zhì)的方法之一。

[問題引導]按物質(zhì)元素組成進行分類，二氧化硫和SO3都屬于酸性氧化物，但從還原性、氧化性角度分析兩者，性質(zhì)相同嗎？

[推論基礎(chǔ)]二氧化硫和SO3都為酸性氧化物，但二氧化硫既具有還原性又具有氧化性，SO3只具有氧化性。

[推論得出]二氧化硫和SO3元素組成完全相同，唯一不同的是核心元素S元素價態(tài)，分別為+4和+6。核心元素價態(tài)對元素組成相同、價態(tài)不相同的物質(zhì)而言，也有性質(zhì)影響。

[顯性話語]物質(zhì)元素組成完全相同，核心元素價態(tài)不同，其性質(zhì)不同。

[問題引導]生活中常接觸二氧化硫漂白的物品，那么二氧化硫以哪種形式存在，有漂白作用嗎？

[實驗探究]

（1）進行實驗：向少量二氧化硫水溶液中加入適量品紅溶液，振蕩，品紅溶液褪色，然后加熱該混合溶液，又變回原色（品紅是有機色素）。

（2）預測：二氧化硫水溶液漂白了有機色素物質(zhì)。

（3）質(zhì)疑：干燥的二氧化硫氣體能漂白含有機色素物質(zhì)嗎？

（4）設計實驗：

a.干燥的二氧化硫氣體與干燥的含有機色素有色布條反應

b.二氧化硫水溶液與干燥的含有機色素有色布條反應

（5）交流討論：干燥的二氧化硫氣體不能漂白含有機色素物質(zhì)，那么二氧化硫水溶液中有哪些物質(zhì)，到底哪種物質(zhì)能漂白含有機色素物質(zhì)？

（6）得出結(jié)論：二氧化硫水溶液中有二氧化硫、H2O、H2SO3。H2SO3能漂白含有機色素物質(zhì)，但這種漂白作用不穩(wěn)定。

[顯性話語]同價態(tài)核心元素所在物質(zhì)的存在形式不同，使反應機理不同，則性質(zhì)表現(xiàn)不同。分析同價態(tài)核心元素所在物質(zhì)的存在形式，探究反應本質(zhì)，得出物質(zhì)特殊性質(zhì)的方法是學習元素化合物特殊性質(zhì)的方法之二。

[小結(jié)歸納]從二氧化硫的還原性、氧化性，漂白性完成了以S元素為核心元素的特殊性質(zhì)學習。

[問題引導]與二氧化硫作用能使之褪色的物質(zhì)，褪色原理都相同嗎？

[交流討論]褪色原理不同的話，從褪色原理和褪色穩(wěn)定性兩方面進行比較。

[得出結(jié)論]對比與二氧化硫作用褪色的物質(zhì)。

二氧化硫與不同類別的有色物質(zhì)發(fā)生褪色反應，褪色機理和褪色穩(wěn)定性不同。

主題三：通過二氧化硫性質(zhì)學習，你掌握了哪些知識和方法？

[總結(jié)歸納]

（1）二氧化硫的性質(zhì)：

一般性質(zhì)：具有酸性氧化物的共性

特殊性質(zhì)：還原性、氧化性、漂白性

（2）學習元素化合物一般性質(zhì)的方法是：分析元素組成分類。

學習元素化合物特殊性質(zhì)的方法是：分析核心元素價態(tài)、分析同價態(tài)核心元素所在物質(zhì)存在形式。

[顯性話語]通過本節(jié)課“二氧化硫性質(zhì)”的學習，我們有以下認識：元素組成相似的物質(zhì)，性質(zhì)具有相似性；物質(zhì)之間可以進行轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)化的本質(zhì)是元素原子間的重新組合。那么學習元素化合物是以元素組成和核心元素為線索，進一步鞏固以元素為主導思想研究物質(zhì)性質(zhì)的方法。

5 作業(yè)設計

參考文獻：

[1]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，2011，32（6）：4～6.

[2]中華人民共和國教育部制定.義務教育化學課程標準（2011年版）[S].北京：北京師范大學出版社，2011.

[3]中華人民共和國教育部制定.普通高中化學課程標準（實驗）[S].北京：人民教育出版社，2003.

[4]梁永平.論中學生化學元素觀的建構(gòu)[J].化學教育，2007，（11）：10～14.endprint