基于證據(jù)推理與模型認知的硫元素專題復(fù)習(xí)教學(xué)設(shè)計

尚李靜 苗春雨 高敏 李冰

摘? 要? 基于新課標(biāo)五大核心素養(yǎng)中的“證據(jù)推理與模型認知”并結(jié)合多個板塊的知識，設(shè)計硫元素的專題復(fù)習(xí)教學(xué)，在硫元素的復(fù)習(xí)課堂中展現(xiàn)證據(jù)推理與模型認知的落實過程，幫助學(xué)生重構(gòu)知識體系，構(gòu)建認知模型，落實學(xué)科素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞? 高中化學(xué)；證據(jù)推理與模型認知；核心素養(yǎng)；硫元素；專題復(fù)習(xí)

中圖分類號：G633.8? ? 文獻標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2022）15-0094-04

0? 引言

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》中提出五大核心素養(yǎng)，其中證據(jù)推理與模型認知是學(xué)生形成完整嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)思維，掌握科學(xué)研究方法的重要體現(xiàn)[1]。在高中化學(xué)教學(xué)中，教師與學(xué)生在復(fù)習(xí)時注重知識的回顧與整合，但對證據(jù)推理與模型認知的培養(yǎng)不到位[2]。目前，基于證據(jù)推理與模型認知的落實研究多集中在新課的講授方面[3]，對專題復(fù)習(xí)的研究尚不深入。

本研究主要以硫元素的專題復(fù)習(xí)為例，探究如何更好地在元素化合物的復(fù)習(xí)課中提升學(xué)生的綜合能力，落實證據(jù)推理與模型認知，為一線教師提供借鑒參考。

1? 教學(xué)分析

高中化學(xué)人教版必修二中“硫及其化合物”是化學(xué)學(xué)習(xí)中十分重要的元素化合物知識，也是生產(chǎn)生活中常見的物質(zhì)。復(fù)習(xí)階段需要在掌握其主要性質(zhì)及應(yīng)用的基礎(chǔ)上，結(jié)合“物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)”“化學(xué)反應(yīng)原理”等模塊的知識對“硫及其化合物”的知識進行重構(gòu)，形成一個系統(tǒng)的知識體系。學(xué)生在本節(jié)課之前已經(jīng)學(xué)過硫及其化合物的相關(guān)知識，并能將一定的化學(xué)事實與理論模型進行匹配。

2? 教學(xué)重難點

2.1? 教學(xué)重點

熟練掌握硫及其化合物的物理、化學(xué)知識，形成認知模型并應(yīng)用模型解決問題。

2.2? 教學(xué)難點

根據(jù)已有知識設(shè)計探究不同價態(tài)硫元素之間的轉(zhuǎn)化實驗。

3? 教學(xué)目標(biāo)與教學(xué)流程

3.1? 教學(xué)目標(biāo)

1）結(jié)合微觀層面，回顧硫及其常見化合物的性質(zhì)，加深學(xué)生對結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)的理解，幫助學(xué)生形成認知模型。

2）通過不同硫元素之間的相互轉(zhuǎn)化，提高學(xué)生收集證據(jù)進行證實或證偽的能力。

3）通過硫的計算題實戰(zhàn)，讓學(xué)生在定性定量兩個層面上提取證據(jù)，并能在面對問題時及時調(diào)整模型，提高解決問題的能力。

3.2? 教學(xué)思路

關(guān)于硫元素專題復(fù)習(xí)的教學(xué)思路如表1所示。

4? 教學(xué)過程

4.1? 創(chuàng)設(shè)情境，聯(lián)系生活

【情境導(dǎo)入】制作火藥、煙花爆竹離不開硫，同樣，污染環(huán)境也是因為硫，但掌握了硫的相關(guān)性質(zhì)以及不同價態(tài)間的轉(zhuǎn)化，就能防治它帶來的污染。（播放PPT中的煙花與污染環(huán)境的圖片。）

【設(shè)計意圖】創(chuàng)設(shè)學(xué)習(xí)情境，與生活相聯(lián)系，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。

4.2? 建立認知模型，形成科學(xué)思維

復(fù)習(xí)課的首要任務(wù)是幫助學(xué)生回憶知識要點，并加深印象增進理解。硫這一節(jié)的主要知識為：H2S、S、SO2、SO3、H2SO4的物理、化學(xué)性質(zhì)，以及不同價態(tài)硫元素之間的轉(zhuǎn)化。

教師提出問題，讓學(xué)生回顧構(gòu)造原理、電子排布規(guī)律，寫出硫的電子排布式。學(xué)生根據(jù)“原子結(jié)構(gòu)與性質(zhì)”的相關(guān)內(nèi)容，回憶寫出硫的電子排布式。

【總結(jié)梳理】S：1S22S22P63S23P4。根據(jù)構(gòu)造原理、電子排布規(guī)律等，從微觀角度對硫元素的性質(zhì)以及空間構(gòu)型等進行講解，幫助學(xué)生建構(gòu)結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)的認知模型。例如：硫的常見價態(tài)有-2、0、+4、+6，其中硫顯-2價是由于3P軌道有兩個空軌道；+4價是由于失去3P的四個電子，第三層S亞層的兩個電子為最外層，較穩(wěn)定；+6價是由于失去3S、3P六個電子，最外層為第二層的八電子，較穩(wěn)定。解釋之后，與學(xué)生一起回憶梳理不同價態(tài)下硫的化合物的性質(zhì)。

【設(shè)計意圖】通過從微觀角度解釋宏觀性質(zhì)、從本質(zhì)考慮問題并提取證據(jù)，最后解釋推理得到結(jié)論的課堂教學(xué)過程，幫助學(xué)生養(yǎng)成透過現(xiàn)象看本質(zhì)的解題習(xí)慣，培養(yǎng)學(xué)生形成嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)思維，落實核心素養(yǎng)中對學(xué)生思維的培養(yǎng)要求。

4.3? 回顧知識，重構(gòu)體系

教師提出問題，讓學(xué)生回顧H2S、S、SO2和H2SO4的性質(zhì)。學(xué)生跟隨教師回顧知識，以硫的常見價態(tài)-2、0、+4、+6價為主題線，將零散的知識串聯(lián)形成一個體系。

1）-2價的S，H2S。

①物理性質(zhì)：無色，劇毒，臭雞蛋味，溶于水（1∶2.6）。

②化學(xué)性質(zhì)。還原性：

2H2S+SO2 === 3S↓+2H2O

【解釋說明】H2S中的S元素為-2價，根據(jù)S2-電子排布，推斷在高中階段其可能變化的價態(tài)有0、+4、+6，那么可以推斷-2價的硫可以失去電子，價態(tài)升高為0、+4、+6，化合物顯還原性。

2）0價的S。

①物理性質(zhì)：淡黃色固體，難溶于水，微溶于酒精，易溶于CS2。

②化學(xué)性質(zhì)。

弱氧化性：

硫化亞銅，銅為+1價。

還原性：

與堿反應(yīng)：

【解釋說明】單質(zhì)硫的價態(tài)為0價，根據(jù)硫的電子排布規(guī)律推斷硫在高中階段可能具有的價態(tài)有-2、0、+4、+6，則硫單質(zhì)既可以得到電子呈-2價，顯弱氧化性；也可以失去電子呈+4、+6價，顯還原性。

3）+4價的S，SO2。

①物理性質(zhì)：無色，有刺激性氣味，有毒，易液化（沸點-10 ℃），易溶于水（1∶40），密度大于空氣。

②化學(xué)性質(zhì)。

氧化性：

2H2S+SO2 === 3S↓+2H2O

還原性：

漂白性：反應(yīng)生成化合物，屬于暫時性漂白。

酸性氧化物：能與堿反應(yīng)生成鹽和水，與水反應(yīng)生成酸，與堿性氧化物反應(yīng)生成鹽。

【解釋說明】SO2中硫元素為+4價，根據(jù)常見價態(tài)分布，推斷SO2中硫的價態(tài)既有升高的可能性，也有降低的可能性，即同時具有還原性與氧化性；SO2的暫時性漂白是由于與反應(yīng)物生成不穩(wěn)定的無色化合物導(dǎo)致；與高錳酸鉀等氧化物反應(yīng)褪色是由于其還原性；SO2是典型的酸性氧化物。

4）+6價的S，濃硫酸。

①物理性質(zhì)：無色，油狀，與水任意比例互溶（酸入水，并不停攪拌）。

②化學(xué)性質(zhì)。

強氧化性：能與金屬單質(zhì)（Cu、Zn等）、非金屬單質(zhì)（C、S等）和Br－、I－等發(fā)生氧化還原反應(yīng)，濃度低于9 mol/L則不具有強氧化性。

脫水性：在制備非堿性或非還原性氣體時可用于干燥。

酸的通性：可以與酸堿指示劑反應(yīng)顯色；與活潑的金屬發(fā)生置換反應(yīng)；與堿發(fā)生酸堿中和反應(yīng)；與部分鹽和堿性氧化物發(fā)生反應(yīng)。

【解釋說明】其中硫元素的價態(tài)為+6價，硫高中階段常見價態(tài)有-2、0、+4、+6，則推斷+6價的硫具有強氧化性，可以得到電子，價態(tài)降低為-2、0、+4，故該化合物顯強氧化性。同時，硫酸是四大強酸之一，具有酸的所有通性。

【設(shè)計意圖】以硫在高中階段常見的價態(tài)為主線，為學(xué)生回憶不同價態(tài)硫化合物的性質(zhì)，重新建構(gòu)關(guān)于硫的知識體系。利用元素價層電子結(jié)構(gòu)及排布規(guī)律，推斷元素可能具有的價態(tài)，進而根據(jù)價態(tài)推斷各類元素及化合物的性質(zhì)（得電子，化合價降低，顯氧化性；失去電子，化合價升高，顯還原性），幫助學(xué)生建造自己的記憶宮殿，形成邏輯思維，對不同價態(tài)下硫化合物的性質(zhì)進行理解記憶，避免死記硬背。

4.4? 合理猜想，設(shè)計實驗

【提出問題】了解了不同價態(tài)下硫的化合物及其性質(zhì)，那這四種價態(tài)下的化合物是否可以利用自身的性質(zhì)相互反應(yīng)而轉(zhuǎn)化？

教師將學(xué)生分為九個水平相當(dāng)?shù)男〗M，布置不同價態(tài)硫元素之間的轉(zhuǎn)化任務(wù)，引導(dǎo)學(xué)生每組至少設(shè)計一個轉(zhuǎn)化實驗。九個學(xué)習(xí)小組根據(jù)已有的知識儲備，設(shè)計化學(xué)實驗。小組學(xué)生集思廣益，根據(jù)得失電子以及相關(guān)化合物的性質(zhì)設(shè)計實驗，并向同學(xué)、老師說明可行性或者不可行性，培養(yǎng)應(yīng)用已有知識進行創(chuàng)新和表達想法的能力。教師在學(xué)生討論過程中點撥思路，解答疑問。學(xué)生在收集好理論證據(jù)之后，分組派代表闡述實驗方案、注意事項以及實驗原理。

【驗證總結(jié)】教師將課堂交給學(xué)生，傾聽學(xué)生的實驗方案，充分體現(xiàn)學(xué)生的主體性，利用實驗視頻驗證學(xué)生的各個轉(zhuǎn)化實驗。并在黑板上整理不同化合價之間的轉(zhuǎn)化，如圖1所示。

【設(shè)計意圖】教師鼓勵學(xué)生根據(jù)已有認知模型和理論知識進行合理大膽推測，并為自己的推測提供理論依據(jù)，這個過程既可以提升學(xué)生對知識整體的調(diào)動能力，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新應(yīng)用能力，也可以幫助學(xué)生提升從理論知識體系中提取證據(jù)的能力，并能夠依據(jù)提取的證據(jù)對原本的預(yù)測進行證實或證偽。

4.5? 應(yīng)用模型，解決問題

【提出問題】硫酸鋅在工業(yè)上的用途極其廣泛，如生產(chǎn)化纖、殺蟲劑、保護劑等。早期生產(chǎn)硫酸鋅是通過鋅在硫酸中溶解反應(yīng)進行生產(chǎn)，但其產(chǎn)生的尾氣中含有SO2。為了合理吸收SO2，需要計算出每一次生產(chǎn)產(chǎn)生的氣體中SO2所占的比例。為簡化計算，現(xiàn)將一個生產(chǎn)車間按比例縮小，將100 ml，18 mol/L的濃硫酸置于反應(yīng)容器中，逐漸加入Zn至不再溶解充分反應(yīng)后，剛好生成33.6 L氣體。求：SO2在生成氣體中占比為多少？（標(biāo)準(zhǔn)狀況）

學(xué)生應(yīng)用模型，通過“標(biāo)準(zhǔn)狀況”，確認n=V/Vm在本題中成立，進而計算得到反應(yīng)產(chǎn)生氣體的物質(zhì)的量為1.5 mol。教師肯定學(xué)生對模型的應(yīng)用，并提供思路，繼續(xù)解決問題。學(xué)生根據(jù)題意，列出反應(yīng)式，并根據(jù)電子得失配平：

Zn+2H2SO4 === ZnSO4+SO2↑+2H2O

Zn+H2SO4 === ZnSO4+H2↑

學(xué)生通過模型計算，得到硫酸的物質(zhì)的量：n=cV=1.8 mol。假設(shè)鋅與濃硫酸全部按照1∶2反應(yīng)產(chǎn)生SO2，則SO2的物質(zhì)的量應(yīng)為1.5 mol，硫酸為3 mol。

學(xué)生根據(jù)假設(shè)計算得到的答案，與原題目內(nèi)容進行對比：3 mol＞1.8 mol。證明假設(shè)不成立，說明鋅與濃硫酸反應(yīng)后有水生成，并稀釋了濃硫酸，反應(yīng)中包含第二種反應(yīng)。截至Zn不再溶解，反應(yīng)共用去1.8 mol硫酸。

設(shè)反應(yīng)結(jié)束生成SO2有X mol，H2有Y mol，根據(jù)氣體總物質(zhì)的量為1.5 mol，列方程：

解得：

得出結(jié)論：SO2在生成的氣體中占比為1/5。

【設(shè)計意圖】通過應(yīng)用模型解決問題，培養(yǎng)學(xué)生通過定性定量結(jié)合收集證據(jù)的能力，從復(fù)雜問題中提取關(guān)鍵信息的能力，以及應(yīng)用、調(diào)整和改進模型的能力，進而提升學(xué)生的解題能力，培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力。

5? 結(jié)論

綜上，基于證據(jù)推理與模型認知，以硫元素及其化合物為例，從初步認知到建構(gòu)模型，最后到模型的應(yīng)用，融合了多個板塊的知識（如價電子排布、原子軌道、氧化還原反應(yīng)等）進行復(fù)習(xí)回顧，并融入探究實驗，使學(xué)生多角度建構(gòu)知識，完善了學(xué)生的知識系統(tǒng)，提高了學(xué)生綜合應(yīng)用化學(xué)知識解決復(fù)雜化學(xué)問題的能力，促進了證據(jù)推理與模型認知核心素養(yǎng)的落實，為學(xué)生進行后續(xù)的化學(xué)學(xué)習(xí)打下良好基礎(chǔ)。

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作者：尚李靜、苗春雨、高敏，寧夏大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院學(xué)科教學(xué)（化學(xué)）在讀碩士，研究方向為中學(xué)化學(xué)教學(xué)改革與實踐；李冰，通信作者，寧夏大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，教授，研究方向為中學(xué)化學(xué)教學(xué)改革與實踐（750021）。