從三維視角認識元素化合物的單元教學設計及實施

朱成東 夏建華 袁天祥

摘要： “硫及其化合物”單元教學打破所謂傳統的元素化合物的物理性質、化學性質以及用途的教學結構，提出基于“情境問題活動知識素養”的深度學習模式。以自然界中的硫循環為大情境，通過建構價類表三維圖，整體認識硫及其化合物，在活動中使其核心知識結構化。運用價類表三維圖及轉化的思路解決除去天然氣中的硫化氫、模擬酸雨的形成、酸雨的防治等陌生且復雜的實際問題。同時將評價任務及活動鑲嵌到整個單元學習中，通過實時的表現性評價，時刻關注學生化學學科核心素養的達成，

關鍵詞： 單元教學; 價類表三維圖; 評價; 硫及其化合物

文章編號： 10056629（2022）07003706

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

1 “硫及其化合物”教學現狀分析

“硫及其化合物”是《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱“新課標”）主題2“常見無機物及其應用”的重要內容，是非金屬元素化合物的典型代表，承載著提升學生高水平實驗探究能力和形成“綠色化學”觀念的功能[1，2]。隨著新課程的實施，教

師對元素化合物的教學逐漸從按物理性質、化學性質、用途的思路過渡到“以價類二維圖統領解決陌生情境中的真實問題”[3～5]，但很少以價態、類別、元素周期表三維視角進行元素化合物的教學。教師對元素化合物的教學評價也從以學生書寫出相應的化學方程式正確與否作為學習效果的評價內容過渡到以學生在活動中的表現作為證據來評價教學目標的達成度。新課標將化學定義為“化學是在原子、分子水平上研究物質的組成、結構、性質、轉化及其應用的一門基礎學科”，比原有定義多出“轉化”，在一定程度上說明了“物質轉化”的重要性及其對化學（尤其是元素化合物）學習的積極意義。通過“轉化”將其零星的碎片化的知識關聯起來形成整體，達到知識的結構化。

2 單元學習主題的確立

新課標中明確要求系統了解鈉、鐵、氯、氮、硫及其重要化合物的主要性質。新人教版教材將這五種元素及其化合物的學習分別安排在必修教材的第二章、第三章和第五章（見圖1）。

鈉及其化合物組成的物質類別較為豐富，可以引導學生從類別視角認識物質的轉化;氯元素有多變的價態，氯及其化合物的學習可以引導學生從元素價態的視角認識物質的轉化;鐵元素形成的物質不僅類別豐富，且有變價，鐵及其化合物的學習需引導學生既要從物質類別又要從元素價態的視角認識物質的轉化;硫、氮及其化合物的學習安排在第四章元素周期律之后，因而硫及其化合物的學習可從物質類別、價態、元素周期表三個維度認識其物質的轉化。結合情境確定本單元的學習主題——從三維視角認識自然界中硫的循環。前面有鈉、氯、鐵及其化合物的學習方法做鋪墊，故硫及其化合物的學習重點確定為： 提升學生在真實陌生的情境中解決實際問題的能力。

3 單元學習情境的創設

硫在自然界中的循環情境（如圖2）包含著豐富的含硫物質，有-2、 -1、 0、 +4、 +6等不同價態的含硫物質，也有氫化物、單質、氧化物、酸、鹽等不同類別的含硫物質;包含清晰的含硫物質轉化路徑，無機硫與有機硫間的相互轉化，不同價態間、不同類別間的相互轉化;包含豐富的情境素材，如情境中的“雨回降SO2”中含酸雨的形成、環境的保護;沉積物的轉化含工業制硫酸、資源的利用等情境素材。從這些情境中也容易挖掘出實際問題轉化成學習任務和學習活動，如“二氧化硫從哪兒來，到哪兒去了”“如果人類的生產生活破壞了自然界中硫循環的平衡狀態，會帶來哪些危害”等問題。

4 學習目標

（1） 能從化學及生物的視角描述自然界中的硫循環，描述主要含硫物質的狀態、溶解性等物理性質;能從物質類別和價態兩個維度對物質進行分類;能繪制元素及其化合物價類表三維圖。

（2） 能從類別、價態和律表的視角預測和分析含硫物質的化學性質和轉化;能描述S、 SO2和H2SO4的主要化學性質，說出H2SO4的工業制備與濃H2SO4的特性、SO2-4的檢驗方法。

（3） 能基于證據說明含硫化合物（如H2S、 SO2和H2SO4）的性質和轉化關系，并能設計實驗進行驗證;能運用硫的價類表三維圖解決復雜情境下學科和真實世界中的陌生問題。

（4） 能舉例說明硫循環和人類活動的平衡關系，結合克勞斯反應、工業制硫酸和尾氣中SO2處理等實例描述化學在生產生活中的應用，發展綠色化學觀念;能說明化學學科在促進人類發展和解決環境問題中的價值。

5 單元學習流程

挑戰性學習任務以真實情境為基礎，指向高階思維，體現學科核心素養的發展與進階，活動之間需要體現出一定的邏輯性。通常可以根據學生認識發展線索（學科觀念、角度思路、能力等發展），或者真實問題解決的線索來規劃單元中的挑戰性學習活動。

根據本單元學習內容和情境素材的特點，將“從三維視角認識自然界中硫的循環”分解為三個子任務（3課時），分別通過價類表三維圖自主構建低價態硫、中間價態硫、高價態硫的核心知識，再通過“轉化”使3課時緊密關聯，實現核心知識的結構化。具體流程見圖3。

6 單元教學實施片段

6.1 探索低價態硫的性質及轉化

[情境]自然界中的硫循環（圖2）及價類表三維圖（圖4）。

[問題1]請結合已有知識從自然界中的硫循環圖（圖2）中找出我們生活的大氣中H2S的來源？制作思維導圖，并簡要說明理由。

[活動1]學生展示、討論創作的作品（圖5為學生代表作）。學生圍繞自然界中的硫循環圖，分別從生物和化學的角度找出大氣中H2S的來源。教師展示學生創作的思維導圖，并引導學生交流搜索到的自然界中動物腐敗、硫酸鹽還原菌、化石燃料中H2S的來源等相關知識。

設計意圖： 引導學生從自然界、人類生產的視角運用化學、生物學知識歸納大氣中H2S的來源，培養學生運用跨學科知識綜合發現解決真實世界中問題的能力，發展學生的環境保護意識，提升信息素養。屬于跨學科的高通道遷移。

[問題2]如何除去從天然氣分離出來的酸性氣體H2S？（由大氣中的H2S來源——天然氣中含有H2S引出）

[活動2]學生分組討論，匯報交流。學生得出的結論有：

（1） 用燃燒的方法點火燒掉;

（2） 通入NaOH溶液中;

（3） 加熱讓其分解生成硫單質;

（4） 和氧化劑反應生成單質硫;

（5） 先氧化成二氧化硫，再和H2S反應：

2H2S+3O22SO2+2H2O，

2H2S+SO23S↓+2H2O。

教師引導學生從環境保護和資源利用的角度來分析這些方法的科學性、可行性、優點和缺點，最后學生獲得共識： 方法（5）為最合理的方法。

教師為學生的研究成果喝彩！并將此反應以該學生的姓名命名為“黃××反應”（激發學生學習動機）。然后呈現克勞斯反應、超優克勞斯反應和超級克勞斯反應，并指出方法（3）也是一條可行的路徑，鼓勵學生將來可選擇化學學習，繼續研究該反應的相關催化劑以攻克這一難題。

[評價1]根據學生設計方案的水平評價： （1）學生靈活運用價類表三維圖解決真實世界較復雜問題的能力;（2）學生對H2S、 S和SO2相互轉化關系的認識水平;（3）學生創新思維的發展水平。

設計意圖： 創設真實的問題情境，引導學生運用價類表三維圖和S、 H2S、 SO2的相互轉化關系，設計方案解決真實復雜的化工問題，讓學生在探索中獲得成功的體驗，激發學生的創新意識，培育學生的環境意識。

6.2 硫循環的核心物質——SO2

[情境]自然界中的硫循環（圖2）及價類表三維圖（圖4）。

[問題3]請同學們再根據硫的價類表三維圖預測，大氣中SO2在隨雨水回降過程中都發生了哪些轉化呢？

[活動3]學生分組討論，交流匯報： 結合SO2在三維圖中位置，我們推斷隨雨水回降過程中，有可能是SO2先與水生成H2SO3， H2SO3再被氧化成H2SO4。也可能是SO2先被氧化成SO3，再與水反應生成H2SO4，即： ①SO2→H2SO3→H2SO4，②SO2→SO3→H2SO4。

[評價2]評價學生運用價類表三維圖推理物質轉化的途徑，即運用價類表三維圖解決實際問題的能力;評價學生先定價態再定途徑的思維方式。

設計意圖： 引導學生多角度分析思考問題，從化學視角認識硫酸型酸雨的形成過程，認識物質及其變化對環境的影響。

[問題4]如何設計實驗模擬酸雨的形成過程？

[活動4]學生討論形成方案： 模擬途徑①分二步，第一步SO2溶于水，即向含有SO2的針筒里吸取少量水;第二步SO2水溶液被氧化，即將SO2水溶液擠到小燒杯里與空氣充分接觸。學生用教師提供的實驗儀器（含有SO2的針筒、蒸餾水、小燒杯、紫色石蕊溶液、pH試紙）進行實驗。

[評價3]通過方案的設計評價學生的思路是否清晰，分析、推理是否合理，實驗方案中安全性、可操作性如何等;在動手實驗中評價學生的實驗操作是否規范。

設計意圖： 通過觀察實驗現象總結SO2的核心知識;通過設計實驗、動手實驗培養學生嚴謹求實的科學態度與探究意識。

[問題5]如何證明模擬液中的H2SO3已經被氧化成H2SO4？

[活動5]學生討論后給出設計方案并進行實驗：

（1） 加入（鹽酸酸化的）BaCl2溶液，溶液變渾濁。（學生分組實驗）

（2） pH傳感器測定模擬液被氧化前后的pH變化。（演示數字化實驗）

[評價4]通過設計測定SO2-4或H+生成的實驗來證明H2SO3是否被氧化，以判斷學生思維的嚴謹性和求實的態度。

設計意圖： 發展學生對化學實驗探究活動的好奇心和興趣，運用硫酸根離子的檢驗知識解決實際問題。依據H2SO3氧化成H2SO4后溶液中微粒發生的變化進行多角度實驗設計，培養學生定性、定量設計實驗的意識。

[問題6]如何證明靜置一段時間后的模擬液中還存在有H2SO3？

[活動6]學生討論后給出設計方案并進行實驗。

方案1： 先加Ba（OH）2溶液，再加鹽酸，觀察溶液的渾濁度變化。（引出濁度傳感器）

方案2： 加入酸性KMnO4溶液（或溴水），觀察溶液顏色變化。（學生分組實驗）

方案3： 加入H2O2或通入O2，pH傳感器測定pH的變化。（演示實驗）

[評價5]通過學生方案的設計，使學生思維外顯，對學生面對復雜體系中分類解決實際問題的能力進行評價。

設計意圖： 進一步發展學生對化學實驗探究活動的好奇心和興趣，運用SO2-4檢驗知識解決實際問題，依據H2SO3氧化成H2SO4后溶液中微粒發生的變化進行多角度實驗設計，培養學生定性、定量設計實驗的意識;運用還原性進行H2SO3的檢驗，引入傳感器技術讓學生了解現代技術對化學實驗的支撐作用，讓學生更易從定性的思維轉向定量的思考。

6.3 高價態硫向低價態硫轉化

[情境]自然界中的硫循環、硫元素的價類表三維圖

[問題7]請從三維圖預測硫酸有哪些化學性質？

[活動7]學生分組討論總結交流。從物質類別推出稀硫酸具有酸的通性;從價態推出濃硫酸具有強氧化性;從律表推出濃硫酸是強酸，比磷酸強。

[評價6]能否從三維視角推出物質的化學性質。

設計意圖： 再一次運用價類表三維圖完成硫酸化學性質的推斷。

[問題8]如何設計實驗實現濃H2SO4中高價硫向低價硫轉化呢？

[活動8]學生分組討論交總結流。

方案1： 加還原劑銅，從化合價角度預測濃H2SO4的還原產物為SO2，用酸性KMnO4或品紅溶液檢驗SO2的生成，證明濃H2SO4中高價硫向低價硫轉化。（學生分組實驗）

方案2： 加還原劑碳（木炭），從化合價角度預測濃H2SO4與碳的反應產物為CO2和SO2。

[追問]如何用實驗證明濃H2SO4氧化木炭的產物？

這是一個挑戰性的任務，學生設計了多種方案，其中一種為： 先通入品紅溶液，再通入酸性KMnO4溶液，再通入品紅溶液，最后通入澄清石灰水中。

鼓勵學生對不同的方案進行評價。

[教師小結]演示用酸性KMnO4或品紅溶液檢驗SO2的生成，用CO2傳感器檢驗CO2。

[評價7]評價方案的完整性、可行性、安全性和創新性以及實驗操作的規范性，通過CO2與SO2混合氣體的檢驗判斷學生的思維是多點結構水平還是關聯結構水平。

設計意圖： 根據實驗目的設計實驗方案，培養學生的證據意識。讓學生建立觀點、結論和證據之間的關系;讓學生體會現代技術給化學實驗帶來的便利，讓學生通過物質核心元素價態、物質類別的對比分析學習新物質。

[問題9]如何證明濃H2SO4的脫水性和吸水性呢？請觀察實驗，解釋現象，得出結論。

教師演示濃H2SO4的脫水性實驗，并用濕度傳感器演示吸水性實驗。

[活動9]學生仔細觀察教師演示實驗產生的現象，思考解釋產生現象的原因。

[評價8]對現象解釋的合理性，能基于證據提出可能的假設，通過分析推理加以證實或證偽。

設計意圖： 巧妙地將濃H2SO4的脫水性與碳和濃H2SO4的反應結合起來，并用濕度傳感器演示吸水性，培養學生節約資源、保護環境、注意安全的意識，完善濃硫酸的核心知識。

[布置任務]查閱資料，從化學和生物學結合的角度了解圖2中自然界中硫循環的機理，完善硫循環圖。

以師生互動方式完成自然界中硫循環的每個環節的轉化過程。

最后，教師用硫元素代言人華東師范大學姜雪峰教授結課，滲透愛國主義教育，體現化學學科對人類社會進步和科技發展的價值。

7 單元教學的總結與反思

本單元從設計到實施，經過多次修改完善，并在不同層次的學校進行實踐。結合本單元設計修改過程及實踐進行總結反思如下。

7.1 拓寬思維角度，促進認識思路的結構化。

在新人教版必修教材中，元素周期表之前安排鈉、氯、鐵三種元素及其化合物的學習，通過這三種元素及其化合物的學習，學生基本能夠建構、運用價類二維圖。元素周期表之后緊接著安排硫、氮兩種元素及其化合物的學習，如何在硫及其化合物的學習中發揮“律表”規律對元素化合物學習的指導作用、如何使學生認識到化學的學習不僅僅是某些知識點的學習，更多的是學科方法的學習，是教學思考的關鍵。以往經驗是，如果直接讓學生建構價類表三維圖不僅難度大而且耗時長。為解決這一難點，讓學生先自主建構價類二維圖，在此基礎上教師再引導學生從同周期、同主族的遞變規律認識物質，進而建構三維圖，即讓學生在學習物質性質時可以在熟悉的價態、類別兩個維度的基礎上再加上“律表”維度，從而使其認識思路、方法更加立體、豐富。如具體到硫化氫物質學習時，從價態認識其還原性、從類別認識其水溶液的酸性，從律表規律認識其不穩定性，再將其認識方法共同作用于解決天然氣中如何除去硫化氫的問題，讓認識思路結構化。

7.2 合理設置問題，促進知識關聯的結構化。

本單元教學過程中運用價類表三維圖預測某具體物質的性質，學生基本上沒有遇到障礙，但將含硫物質的知識關聯起來使其結構化還是有一定難度的。由于學生還不習慣從轉化的視角認識物質，較難主動思考怎樣關聯，因而如何使學生能主動地建立知識關聯是本單元教學設計改進的重點。經多次嘗試，采用先“轉化”后“運用”的方式取得較好的教學效果，即先根據情境設置驅動性問題，促使學生從轉化的視角認識含硫物質的轉化，在轉化的過程中思考物質類別、價態的變化，從而達到知識的結構化。硫在自然界中的循環設置了“二氧化硫從哪兒來”“二氧化硫去哪兒了”等問題，學生要想解決這些問題，必然要以硫元素為中心，在自然界中硫循環的情境中尋找、認識含硫物質的轉化，這樣學生就主動地將含硫物質的知識關聯起來，在轉化的同時思考硫元素的價態及含硫物質類別的變化，最后再運用價類表三維圖解決問題。因而促進知識的結構化，問題的設置是關鍵。設置的問題一是要依托真實的情境，二是設問直指轉化的視角引導學生先思考轉化的特點。類似的教學處理可以遷移到其他單元學習中去，比如氮的循環中，可以設置以氮氣為原料怎樣制備氮肥（硝酸銨）為問題，促進學生將氮元素及其化合物的知識點進行結構化。

本單元的學習設置為3課時，對于基礎較好的學生可以快速建構二維圖，進而完成三維圖的建構，為達成目標留有充足的學生活動時間;基礎較為薄弱的學生，可以先運用價類二維圖完成轉化及元素化合物的學習，然后再從元素周期表的視角總結其性質并建構三維圖，從而為氮及其化合物三維視角的學習打下基礎。

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