滲透學科核心素質養育的元素化合物教學設計

許志勤

摘要：在元素及其化合物教學中，必須努力滲透科學素質的養育，體現化學學科的育人價值；要抓住重點，以有關的化學知識技能、過程方法等基礎要素和化學學科觀念等作為課堂中科學素質養育的核心內容。用問題驅動學生化學主動學習，避免簡單的知識灌輸；在真實的情境中教學，讓學生理解學習的意義和價值；積極地實行師生互動、促進生生互動等，是有效的滲透學科核心素質養育的教學策略。

關鍵詞：科學素質；學科核心素質養育；元素化合物教學；二氧化硫；課例研究

文章編號：1005–6629（2016）3–0055–06 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

2015年11月20日，筆者以“二氧化硫”為例探索如何基于學科素養、學科觀念進行元素化合物的教學。該課作為江蘇省“教學新時空·名師課堂”研討案例，由江蘇省教研室進行網上直播，得到了專家和同行的一致好評。近日，筆者進一步對該課的設計和實踐進行反思，深化了有關認識，現交流討論如下。

1 提升學生的科學素質，體現化學學科的育人價值

科學是一種文化，是人類文化的重要組成部分，科學素質是科學文化品性的核心內容，也是建設科學文化的基礎。科學教育要培養人的科學文化品性，要為科學文化建設服務，就必須著眼于科學素質的養育。化學是一門研究物質的性質、組成、結構、變化和應用的科學，化學教學自然是科學教育的一部分。因此，化學教學要服從科學教育的整體規定，要著眼于科學素質的養育。什么是科學素質呢？科學素質是指人在先天遺傳素質的基礎上，經過教育與實踐養成和發展的認識自然、利用自然和保護自然的內在、穩定、能長期發揮作用的基本品質。這種廣義的素質有著多方面的內容，包括智力、身體生理、活動技能、審美、思想品德、社會交往等方面，影響著人的思維、意識、行為、體質、文化品性、修養和成熟程度等等，能夠作為人進一步發展的基礎，蘊含著人發展的潛在可能性（潛能）[1]。以學生發展為本，是新課程改革的基本理念，為了促進學生發展，化學教學要努力提升學生的科學素質。只有這樣，才能體現化學學科的育人價值，才能全面地體現科學的社會功能和精神功能[2]。

2 抓住重點，以學科素養、學科觀念作為化學教學的核心內容

科學教育的內容包括不同的層次：在科學教育內容“金字塔”中，低層次的分科的科學活動、科學事實、科學概念、科學方法、科學理論和實踐技能既是目標內容的一部分，又是較高層次內容的承載體，是科學教育不可忽視的基礎；從結構、本質、過程、方法等角度認識科學是科學教育內容的中間層次；科學精神、科學思想、科學態度、科學倫理等因素是科學教育內容的“上層建筑”。科學素質對應著科學教育內容中那些影響人的內在的基本品質的成分，其核心要素是科學的精神、觀念和態度等[3]。

元素及其化合物知識是高中化學的重要內容，是化學學科觀念的載體，能具體地體現化學的學科價值和育人價值，必須給于充分的重視。另一方面，只有在科學精神、科學觀念的指導和科學態度的支撐下，學生才能真正學習好元素及其化合物知識。因此，在元素及其化合物教學中，必須努力滲透化學學科素質核心要素（簡稱化學學科核心素質）的養育。

在人教版必修一第四章第3節“硫和氮的氧化物”第一課時中，涉及二氧化硫的組成、結構、變化、性質和應用，在此基礎上可以、也應該開展科學探究活動，進行科學過程、科學方法以及物質“構-性-用關聯”、資源合理開發利用、積極作為和綠色化學等觀念的養育。

3 用問題驅動學生主動學習，避免簡單的知識灌輸

上述基礎知識和觀念等多屬于知識/認識范疇，簡單地用直接灌輸的方法似乎很快就能夠讓學生了解和記住它們。然而許多事實證明這樣做的效果只是暫時的、虛假的、不可靠和脫離實踐的：學生理解不深，難于應用，也很難長期保持記憶，需要另找有效的方法。哪些方法是有效的方法？在實踐中不難發現，若干年后，學生很可能會忘了具體的化學知識，但他們卻可能依舊記得一些化學事實，再現內化的化學基本觀念以及用化學思想方法認識事物、處理問題的意識或思維習慣。這個事實表明，讓學生有機會親歷親為化學探究的科學過程可能取得更好的、有效的教學效果。然而這只是一種“可能”，要使可能變成現實，筆者認為，首先需要教師不做簡單的知識灌輸、不越俎代庖學生的思維活動。為此，筆者以“二氧化硫是怎么產生的？”“空氣中二氧化硫產生哪些危害？”“如何防治二氧化硫污染空氣？”“如何治理已經進入尾氣中的二氧化硫？”“如何綜合利用吸收二氧化硫產生的生成物？”5個問題作為新課內容各個環節的標題，以它們構成的問題鏈作為本節課的基本邏輯主線，引導學生逐步深入地展開思考、探究和討論活動。

4 在真實的情境中教學，讓學生理解學習的意義和價值

為了驅動學生主動學習，取得更好的、有效的教學效果，還要在真實的情境中教學，讓學生理解學習的意義和價值。為此，要精心選擇情境題材。經過搜索，筆者決定利用一家金屬冶煉企業副產硫酸和二氧化硫設置情境，因為以該企業的副產品為切入口，可以引起學生的好奇心和學習興趣，可以聯系關于大氣中二氧化硫的污染問題，涉及二氧化硫的組成、結構、變化、性質和回收利用，讓學生體會到知識的價值，也有利于進行資源合理開發利用、積極作為和綠色化學等觀念的養育，將學生帶入我國目前所面臨的能源問題、環境問題、資源和可持續發展問題的研究挑戰中，并且經受發現問題、解決問題的科學過程熏陶。

5 積極地實行師生互動、促進生生互動

為了驅動學生主動學習，取得更好的、有效的教學效果，還要積極地實行師生互動、促進生生互動。

本節課的授課班級是我校高一創新人才培養實驗班，該班執行的是獨立的課程計劃，其中化學必修課程模塊與部分選修模塊的內容進行了重新組合。該班學生學習能力較強，化學學科基礎較扎實。在本節課學習之前，學生已從物質分類角度認識到二氧化硫是酸性氧化物，具有酸性氧化物的通性；從結構的角度能分析S元素處于中間價態，既有氧化性又有還原性；同樣也認識到“二氧化硫是大氣污染物”。通過本節課的學習，學生可以清晰地了解到二氧化硫的產生、用途、對環境的危害和防治及資源綜合利用等，既能從更高層次辯證地認識二氧化硫，又能掌握認識元素及其化合物的化學方法。在該班有望通過師-生互動促進生-生互動，引導學生通過對二氧化硫的研究感受系統思維方式，體驗如何解決實際問題，同時認識科學、技術和社會之間的相互關系，逐步樹立可持續發展的思想，讓學生形成社會責任感、參與意識和決策能力。有關知識的支撐和路徑的選擇都有關鍵的作用。

概而言之，引導學生通過自主學習、探究學習獲取二氧化硫的結構化知識，培養具有化學特征的思維方式，在真實問題解決中認同和應用有關的化學學科觀念，是本節課的主要目標。

5 附錄：教學過程實錄及效果檢測

[閱讀思考]山東恒邦冶煉股份創建于1988年，以焙燒氰化法冶煉生產黃金，副產硫酸。近十年來逐漸發展成國家重點黃金冶煉企業公司，目前年產黃金8噸、白銀40噸、電解銅2000噸、硫酸40萬噸、液體二氧化硫15000噸……冶煉金屬為主的工廠，為什么產品中會有硫酸和二氧化硫？

[交流討論]因為很多金屬礦物中含硫及硫的化合物，因此燃燒或冶煉時，往往會生成二氧化硫，二氧化硫進一步轉化為硫酸。

[教師]二氧化硫是一種應用廣泛的化工原料，但如果二氧化硫進入大氣就成了污染物。我國重點城市近年來已發布的“空氣質量日報”中，二氧化硫都被列入首要污染物之一。那么二氧化硫是如何產生的？大氣中的二氧化硫有什么危害？我們應該如何防治二氧化硫污染？這些是我們今天需要討論的問題。

[問題解決1]二氧化硫是怎么產生的？

[學生1]煤燃燒時放出二氧化硫。

[學生2]火山噴發時產生二氧化硫。

[學生3]燃放煙花爆竹時產生二氧化硫。

[教師]概括起來說，二氧化硫的產生主要有兩個途徑：（1）天然污染源：如火山噴發、陸地和海洋生物殘體的腐敗分解等；（2）人為污染源：硫燃料（主要是由煤和石油等）的燃燒產生的廢氣；冶金工業和硫酸廠等排放的尾氣。

[問題解決2]空氣中二氧化硫產生哪些危害？

[教師]二氧化硫是大氣首要污染物之一，那么空氣中二氧化硫會產生哪些危害呢，請大家討論，并進行交流匯報。

[學生4]二氧化硫刺激人的呼吸道。

[學生5]形成酸雨。

[學生6]酸雨影響農作物生長。

[教師]進入大氣的二氧化硫的危害主要有兩個方面：（1）二氧化硫是一種有毒氣體，對動植物的生長和健康造成危害，特別是患有心臟病和呼吸道疾病的人群對二氧化硫更為敏感。（2）空氣中二氧化硫形成酸雨，酸雨對農作物、森林生態、土壤、水體、鋼結構建筑以及歷史文物古跡帶來眾多不利的影響，對社會造成巨大的經濟損失。

由二氧化硫形成的酸雨為硫酸型酸雨，二氧化硫形成的酸雨的途徑主要有兩種：

（1）二氧化硫與水反應生成亞硫酸，亞硫酸與氧氣作用生成硫酸。

（2）在陽光照射下，尤其在空氣中一些含有金屬元素物質的催化作用下，大氣中的二氧化硫被氧氣氧化為三氧化硫，三氧化硫與水作用生成硫酸。

[教師]我國是世界上最大的煤炭生產國和消費國，二氧化硫的排放量居高不下，二氧化硫污染已成為制約我國經濟、社會可持續發展的重要因素。面對二氧化硫產生的如此嚴重的危害，我們該怎么辦？

[問題解決3]如何防治二氧化硫污染空氣？

[教師]防治二氧化硫污染空氣，我們可以從兩方面考慮，首先是考慮不讓二氧化硫進入需要排放的尾氣中，二是治理已經進入尾氣中的二氧化硫。對于“不讓二氧化硫進入需要排放的尾氣”，大家有什么好的建議？

[問題解決3-1]如何不讓二氧化硫進入需要排放的尾氣中？

[學生7]可以開發清潔能源，避免產生二氧化硫。

[學生8]可以用氫氧化鈉吸收二氧化硫。

[教師]同學們提出了很好的思路，總結如下：

（1）利用清潔能源。調整能源結構，發展清潔能源，如太陽能、風能、地熱、氫能等。

（2）煤炭燃燒前脫硫。我國目前仍然是以煤為主要能源的國家，并且大概70%～80%的煤直接燃燒，將煤氣化、液化后再使用，可有效避免生成二氧化硫。

（3）煤炭燃燒過程中“鎖住”二氧化硫。不讓其直接排空。煤炭燃燒中“鎖住”二氧化硫，工業中叫做鈣基固硫。其基本原理是將生石灰和含硫的煤混合后燃燒，氧化鈣吸收二氧化硫并被氧氣氧化為硫酸鈣2CaO+2SO2+O2=2CaSO4。其脫硫率高達87%。

[教師]在生產和生活中，二氧化硫進入需要排放的尾氣中是不可避免的。如冶金工業和硫酸廠等排放的尾氣中含有大量的二氧化硫，煤炭燃燒產生的煙氣中也含有大量的二氧化硫。這就需要我們對尾氣中的二氧化硫進行治理。所謂“治理尾氣中的二氧化硫”就是將產生的二氧化硫想辦法吸收掉。充分利用二氧化硫的化學性質能有效吸收二氧化硫。

[問題解決3-2]如何治理已經進入尾氣中的二氧化硫？

[教師]大家知道二氧化硫是酸性氧化物，首先考慮用堿液吸收。大家想一下，我們可用哪些堿？

[教師]在實際生產中這些堿液都能用于吸收尾氣和煙氣中的二氧化硫，常會得到亞硫酸氫鹽，如SO2+Na2SO3+H2O=2NaHSO3，大家想想為什么？

[學生11]生成亞硫酸氫鹽，可以充分利用吸收劑。

[教師]太棒了，我們可以從總方程式（SO2+ NaOH=NaHSO3）的化學計量數中觀察到剛才同學的結論。

[教師]從二氧化硫中硫元素的化合價看，二氧化硫中硫為+4價，處于中間價態既有還原性，又有氧化性，以還原性為主。通過恰當的氧化劑也可以氧化吸收二氧化硫。下面，我們通過實驗模擬二氧化硫的氧化吸收。

[演示實驗1]二氧化硫和酸性高錳酸鉀溶液的反應。

5SO2+2KMnO4+2H2O=2H2SO4+K2SO4+2MnSO4

[教師]實際工業中常選用更經濟的氧化劑如氧氣、臭氧、低品位的軟錳礦（MnO2）做氧化劑。通常是氧化、堿液吸收聯合使用[5]，如氨水-氧氣氧化吸收：

2SO2+4NH3·H2O+O2=2（NH4）2SO4+2H2O

[教師]通過剛才的討論，我們了解了吸收尾氣和煙氣中二氧化硫的主要化學方法。無論是堿液吸收，還是氧化-堿液吸收，都存在吸收后的生成物的綜合利用的問題。

[問題解決4]如何綜合利用吸收二氧化硫產生的生成物？

[教師]合理利用吸收得到的副產品，可以產生良好的經濟效益，也符合國家倡導的循環經濟理念，科研部門和相關企業都非常關注并著力解決這一問題。氧化-堿液吸收二氧化硫得到的硫酸鹽，如CaSO4、Na2SO4、（NH4）2SO4可以直接使用；亞硫酸鹽及亞硫酸氫鹽既可以直接作為化學原料利用，也可以轉化后再利用。

以亞硫酸氫鈉為例分析：

（1）NaHSO3可以加酸放出二氧化硫。二氧化硫可直接作為化學原料利用，也可以用于生產硫酸。

二氧化硫在適當溫度并有催化劑存在的條件下，可以被氧氣氧化成三氧化硫，三氧化硫是一種酸性氧化物，溶于水生產硫酸。工業上利用這一原理生產硫酸。

（2）二氧化硫具有漂白性，能漂白某些有色物質。

[演示實驗2] SO2與品紅的反應及花瓣的褪色實驗。

[教師]二氧化硫的漂白是由于它和水反應，H2SO3和某些有色物質生成不穩定的無色物質。從剛才的實驗中同學們觀察到這種無色物質容易分解而使無色物質恢復原來的顏色。所以這種漂白容易“返黃”。

其實造紙廠、印染廠中對紙漿、毛、麻、絲等是直接將亞硫酸氫鈉溶液調節到一定的pH漂白的。

（3）二氧化硫可以殺菌消毒。

[教師]我們怎么經常看到新聞報道里都是有關二氧化硫在食品安全中的負面新聞，其實食品工業中應用亞硫酸鹽歷史悠久，比如，二氧化硫是葡萄酒中的“護花使者”。世界上絕大多數的葡萄酒在釀造時都會使用二氧化硫來進行防腐和保鮮。有了它，葡萄酒才能長期存放，保持鮮美怡人的口感。

但是不法廠商利用二氧化硫的漂白和殺菌消毒作用，在食品加工過程中過量使用二氧化硫或亞硫酸鹽，食用這類產品對人體的肝臟、腎臟有嚴重損害，并有致癌作用，曝光的毒銀耳、毒蜜餞事件不勝枚舉。所以人們才會對二氧化硫聞而色變，退避三舍。其實食品加工過程中，在合理范圍內使用二氧化硫是安全的。我國《食品添加劑使用衛生標準》嚴格規定了各類食品中亞硫酸鹽的允許用量，國際食品添加劑聯合專家委員會（JECFA）制定的二氧化硫安全攝入限量是每天每公斤體重0.7毫克[6]。

[鞏固提升]本節課，我們研究了二氧化硫的性質、用途和空氣中二氧化硫的防治及脫硫產物資源再利用，體會了化學知識在社會生產與環境保護的和諧發展中的重要應用。

請大家課后完成兩個任務：

（1）討論中涉及到SO2、SO3、H2SO3、H2SO4、Na2SO3、CaSO4、NH4HSO3等物質，請以SO2為中心整理這些物質之間相關轉化的途徑，并用化學方程式表示。

（2）結合研究性學習，調研我國或本地區酸雨的分布、影響、危害和采取了哪些防治措施，形成科普小論文或調研報告提交。

[訓練與檢測]

一、基礎部分

1.判斷下列說法的正誤，并在選項后的括號內打“√”或“×”

①由于地殼的巖層里含硫及其化合物，因此火山噴出物中含有H2S、SO2等硫的化合物（ ）

②化石燃料直接燃燒會產生對大氣有嚴重污染的SO2氣體（ ）

③CaO能與SO2反應，可作工業廢氣的脫硫劑（ ）

④SO2具有氧化性，可用于漂白紙漿（ ）

⑤除去干燥CO2中混有的少量SO2，可將混合氣體依次通過盛有酸性KMnO4溶液、濃硫酸的洗氣瓶（ ）

請回答下列問題：

①上述流程脫硫實現了（選填下列字母編號）。

A.廢棄物的綜合利用

B.白色污染的減少

C.酸雨的減少

2.將SO2分別通入：①石蕊試液，②澄清石灰水，③溴水，④品紅溶液中，填寫下表：

二、拓展部分

3.污染物的有效去除和資源的充分利用是化學造福人類的重要研究課題。某研究小組利用軟錳礦（主要成分為MnO2，另含少量鐵、鋁、銅、鎳等金屬化合物）作脫硫劑，通過如下簡化流程，既脫除燃煤尾氣中的SO2，又制得電池材料MnO2（反應條件已省略）。

②上述流程中哪幾步實現軟錳礦的提純（填步驟編號），并分析用到哪些除雜試劑？

4.三位同學設計了下述三個實驗方案，并都認為如果觀察到的現象和自己設計的方案一致，即可以確認混合氣體中含CO2和SO2。

[檢測結果統計]（統計人數49人）

參考文獻：

[1][2][3]吳俊明.化學教學與科學素質教育[J].化學教學，2009，（8）：29.

[4]吳俊明等.科學教育基礎[M].北京：科學出版社，2008：44～60.

[5]王榮杰等.化石能源轉換過程中硫資源的綜合利用與開發[J].河北化工，2012，（7）：63.

[6]黃鎂.食品中二氧化硫殘留量的控制及檢測[J].中國高新技術企業，2010，（25）：38～39.