“5E”教學模式下元素化合物教學的應(yīng)用與反思*
——以“二氧化硫性質(zhì)”教學為例

盧 珊

（杭州市富陽區(qū)江南中學 浙江 杭州 311421）

普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）強調(diào)以發(fā)展化學學科核心素養(yǎng)為主旨，倡導創(chuàng)設(shè)真實問題情境，開展以化學實驗為主的多種探究活動，以促進學生學習方式的轉(zhuǎn)變，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神和實踐能力。［1］受傳統(tǒng)應(yīng)試教育的影響，部分一線教師在教學上仍注重知識灌輸與考點講解，缺乏適應(yīng)發(fā)展學生核心素養(yǎng)的教學方法。“5E教學模式”是一種探究式的教學模式，由引入（Engagement）、探究（Exploration）、解釋（Explanation）、遷移（Elaboration）和評價（Evaluation）五個階段組成（見圖1），因五個學習階段都以字母“E”開頭，故稱“5E”教學法。

圖1 “5E教學模式”的教學結(jié)構(gòu)

一、“5E”教學模式在元素化合物教學中的可行性分析

“5E”教學模式最早起源于美國科學課程改善研究（Science Curriculum Improvement Study，簡稱SCIS）研發(fā)出的“學習環(huán)”，1989年美國生物科學課程研究（Biological Sciences Curriculum Study）項目對“學習環(huán)”進行修改和完善，將教學過程劃分為如今緊密相連的五個階段。［2］“5E”教學模式在元素化合物教學中，對學生獲取新知及培養(yǎng)學生交流、探究和創(chuàng)新能力等方面具有獨特的作用和價值（見圖2）。

圖2 “5E”教學模式在元素化合物教學中的可行性分析

在“5E”教學模式下，教師引領(lǐng)學生在真實的問題情境中從宏微結(jié)合和變化守恒的視角，運用證據(jù)推理和模型認知的思維方式，完成一系列學習任務(wù)和活動，使學生在掌握化學知識的同時，也形成了化學學科觀念與學科思維。

二、樹、建、遷、動——識教材，明目標

2020年秋，浙江普通高中化學教材正式由“蘇教版”變更為“人教版”，“二氧化硫性質(zhì)”內(nèi)容位于人教版高中化學必修二第五章第一節(jié)硫及其化合物，根據(jù)人教版教材和新課程標準，本節(jié)課可做如下理解：

樹：蘇教版教材以我國酸雨的成因、危害和防治為線索學習SO2的性質(zhì)，人教版教材調(diào)整了體系結(jié)構(gòu)，增加了“資料卡片”介紹了SO2可作為食品添加劑，引導學生科學辯證地認識化學品，樹立積極正面的化學價值觀。

建：目前學生已具有一定的知識、能力和素養(yǎng)儲備，但在陌生情境下解決實際的能力欠佳，教師應(yīng)引導學生建構(gòu)元素觀、微粒觀、變化觀等核心觀念，習得化學學科關(guān)鍵能力和思想方法。

遷：以二氧化硫為載體進行元素化合物教學，其目的是建構(gòu)二氧化硫的知識體系，并促進學生化學核心素養(yǎng)的形成，在“5E”教學模式下遷移新的問題情境能有效評價學生該學習目標是否達成，提升學生的預(yù)測力和解釋力。

動：葡萄酒中添加有毒氣體二氧化硫，二氧化硫性質(zhì)實驗探究，如何避免飲酒過程中二氧化硫中毒等環(huán)節(jié)設(shè)置，其目的都是激發(fā)學生的學習動機，引發(fā)與維持學生學習化學的行為，使學生能持之以恒地學好化學。

三、“5E”教學模式下“二氧化硫性質(zhì)”教學實錄

1.尋源葡萄酒的工藝——初識SO（2引入）

【材料鋪墊】中美考古學家在河南賈湖遺址對距今9000年的陶器進行分析，他們發(fā)現(xiàn)了野生葡萄籽和葡萄酒殘留物，將世界葡萄酒的起源向前推進了1000年。

【交流討論】釀造葡萄酒過程中經(jīng)常出現(xiàn)以下問題：

1.葡萄酒易污染雜菌而失去原有的風味；

2.葡萄酒稍不留神就被空氣氧化變成“葡萄醋”；

3.葡萄中的有機酸鹽難溶于水（有機酸較易溶于水）。

（師生互動）請從物質(zhì)類別和價態(tài)視角分析，應(yīng)向葡萄酒中添加具有怎樣性質(zhì)的物質(zhì)解決上述問題？

小組討論1：具有還原性、可殺菌；

小組討論2：易溶于水

小組討論3：水溶液有酸性，且比有機酸的酸性強；

［網(wǎng)絡(luò)檢索］二氧化硫應(yīng)用在葡萄酒中的歷史及作用（見圖3）。

圖3 二氧化硫應(yīng)用在葡萄酒中的歷史和現(xiàn)代工藝圖

【設(shè)疑激趣】二氧化硫是否真的如此神奇?二氧化硫有毒能否加入到葡萄酒中？

設(shè)計意圖：引入是“5E”教學模式的起始環(huán)節(jié)，課堂以葡萄酒最早發(fā)源地引入可激發(fā)學生的文化自信與民族自豪感。二氧化硫這種有毒氣體可解決釀造葡萄酒過程中的實際問題，引發(fā)學生的認知沖突，進而激發(fā)學生的學習興趣，驅(qū)動學生積極主動地進行學習和探究。

2.揭曉葡萄酒中的奧秘——探知SO2（探究、解釋）

【實驗探究】①SO2的溶解性；②SO2水溶液的酸堿性；見圖4。

圖4 二氧化硫水溶性及其水溶液酸堿性實驗探究

（學生實驗1）向集滿SO2的礦泉水瓶注入適量蒸餾水，振蕩。

（學生實驗2）取適量SO2水溶液于試管中（帶橡膠塞），用玻璃棒蘸取溶液于pH試紙上，與比色卡對照讀數(shù)（見圖5）。

圖5 二氧化硫溶解性實驗和二氧化硫水溶液酸堿性實驗

【解釋結(jié)論】二氧化硫易溶于水，是一種能與水發(fā)生可逆反應(yīng)生成酸的氣體。

【實驗探究】③SO2的還原性

【實驗探究】請選擇合適的試劑，設(shè)計實驗證明SO2具有還原性，見圖6。

圖6 二氧化硫的還原性實驗探究

【交流討論】如何判斷H2O2與SO2溶液混合之后是否發(fā)生反應(yīng)？

小組討論1：可能產(chǎn)物為H2SO4，可用稀鹽酸和Ba-Cl2溶液檢驗SO2-3；

小組討論2：可能產(chǎn)物為強酸H2SO4，可用pH試紙或pH傳感器檢驗H+；

小組討論3：可能產(chǎn)物為強酸H2SO4，可運用導電率傳感器檢驗離子濃度；

【數(shù)字化實驗】（演示實驗）取適量SO2水溶液于三頸燒瓶中，用酸式滴定管逐滴滴加H2O2溶液，pH傳感器和電導率傳感器分別測定溶液pH和電導率隨時間的變化圖像（見圖7）。

圖7 向SO2溶液逐滴滴加H2O2溶液過程中溶液pH和導電率隨時間變化曲線

（思考）從氧化還原反應(yīng)角度分析，SO2具有什么性質(zhì)，設(shè)計實驗驗證

【改進實驗】（學生實驗3）用針管吸取分別吸取適量SO2水溶液，通過三通閥注入到盛有Na2S溶液的針管中，觀察（見圖8）

圖8 盛有SO2溶液和Na2S溶液的針管在三通閥打開前（a）和混合后（b）圖

【文獻查找】二氧化硫與水作用生成亞硫酸，亞硫酸能進入菌體細胞壁奪取細胞中的氧，菌體細胞因脫氧致死。各種微生物抵抗二氧化硫的能力不同：細菌最敏感，其次是尖端酵母，而葡萄酒酵母抗二氧化硫的能力最強（25 mg/L）。因此，可通過二氧化硫的加入量選擇不同的發(fā)酵微生物。

【修正假設(shè)1】二氧化硫易溶于水，能與水發(fā)生可逆反應(yīng)，具有還原性和氧化性（見圖9）。

圖9 運用類-價二維視角準確辨析二氧化硫性質(zhì)

【材料鋪墊】古希臘人除了發(fā)現(xiàn)硫黃燃燒產(chǎn)生的氣體能保存葡萄酒，還發(fā)現(xiàn)該氣體能漂白布料。公元前九世紀，古羅馬詩人荷馬在他的著作里講述了該現(xiàn)象。

（學生實驗4）向試管中加入品紅溶液，再加入適量SO2水溶液，振蕩，觀察；將滴加紫色石蕊的棉花團置于試管口，加熱試管觀察。

結(jié)論：SO2的漂白原理：與某些有色物質(zhì)生成不穩(wěn)定的無色物質(zhì)。

【理論支撐】品紅結(jié)構(gòu)有一個“發(fā)色團”，該“發(fā)色團”遇到H2SO3之后（結(jié)合H2SO3電離出的HSO-3）生成不穩(wěn)定的無色物質(zhì)，無色物質(zhì)破壞了品紅中起發(fā)色作用的對醌式結(jié)構(gòu)。無色物質(zhì)不穩(wěn)定，遇熱又會分解，恢復(fù)到原來的顏色（見圖10）。

圖10 SO2漂白品紅微觀結(jié)構(gòu)過程

【修正假設(shè)2】二氧化硫易溶于水，能與水發(fā)生可逆反應(yīng)生成酸，且具有還原性和氧化性，還具有漂白特性。

設(shè)計意圖：探究是“5E”教學法的核心，解釋是“5E”教學法的關(guān)鍵。學生對二氧化硫溶解性、還原性等實驗方案進行設(shè)計、討論和評價，展示思維過程，建構(gòu)SO2性質(zhì)的認知模型。在存在污染的實驗或無明顯現(xiàn)象的實驗，教師引導學生改進實驗或借助傳感器解決問題，提升學生科學探究與創(chuàng)新意識的學科素養(yǎng)，養(yǎng)成學生嚴謹求實的學科態(tài)度。

3.品味葡萄酒中的浪漫——轉(zhuǎn)化SO2（遷移）

【新問題情境】SO2有毒，那么在葡萄酒中添加SO2是否合理？

【網(wǎng)絡(luò)檢索】有毒是相對的，計量決定一種成分是否有毒。我國食品添加劑使用標準規(guī)定葡萄酒中SO2的最高含量250 mg/L。世界衛(wèi)生組織規(guī)定：每人依體重算，每天攝入SO2的最大量應(yīng)控制在0.7 mg/kg。

【交流討論】人們?nèi)绾螠p少飲酒時SO2的攝入呢？

小組討論1：適量飲酒；體重為50 kg的人每日飲酒最大量為140 mL。

小組討論2：把酒倒進醒酒器里醒酒；

小組討論3：喝前在杯子里搖一搖；

【文獻檢索】葡萄酒開瓶后醒酒或搖杯的時間里，葡萄酒中有30%-40%的二氧化硫或亞硫酸鹽會與氧氣結(jié)合而消失。

【修正計算】剔除葡萄酒中與氧氣反應(yīng)的SO2，計算體重為50 kg的人每日的最大飲酒體積為：

50 kg×0.7 mg/kg÷［（1-40%）×250 mg/L］=233 mL（安全范圍）

【實驗探究】取用注射器吸取適量SO2水溶液，再吸取BaCl2溶液，觀察，抽入適當空氣，振蕩（見圖11）。

圖11 用SO2溶液模擬醒酒過程實驗圖

【符號表征】寫出相關(guān)的化學反應(yīng)方程式。

設(shè)計意圖：遷移是新概念學習的延伸環(huán)節(jié)。圍繞如何減少飲酒時SO2的攝入展開學生活動，比起傳統(tǒng)設(shè)計更加開放，該環(huán)節(jié)設(shè)置強化了學生推理、預(yù)測、分析、解釋和應(yīng)用能力，學生參與度高，真正意義上促進了學生學習方式的轉(zhuǎn)變，體現(xiàn)了學生在課堂學習中的主體地位。

4.與自然和諧共生——合理使用SO2（遷移）

【交流討論1】根據(jù)SO2性質(zhì)預(yù)測SO2在生活生產(chǎn)中還有哪些用途？

小組討論1：漂白布匹紙張；

小組討論2：SO2對食品進行“化妝”（見表1），為它們保鮮和殺菌等；

表1 幾種常見食品二氧化硫國標限量

小組討論3：用SO2制硫酸……

【交流討論2】SO2在古代常被君主用來鎮(zhèn)壓奴隸反抗，在現(xiàn)代也是造成酸雨的罪魁禍首。我們應(yīng)如何看待SO2這種化學物質(zhì)？

小組討論1：我們應(yīng)合理使用化學物質(zhì)，與自然和諧共生。

小組討論2：任何物質(zhì)都有兩面性，我們應(yīng)發(fā)揚優(yōu)點，規(guī)避風險……

設(shè)計意圖：“科學精神與社會責任”揭示了化學學習更高層次的價值追求。在教學中要注重培養(yǎng)學生要崇尚真理、嚴謹求實的科學態(tài)度，如SO2只有達到一定量的時候才體現(xiàn)它的毒性，滲透量變引起質(zhì)變的哲學思想；SO2在生活中有重要應(yīng)用，同時也有很多負面影響，化學物質(zhì)都有兩面性，樹立一分為二的哲學觀點等。

5.課后任務(wù)，深化認識

【課后微項目】SO2常添加到食品中起到增色保鮮的作用，請查閱資料了解SO2在食品中過量使用的危害，尋找檢測食品中二氧化硫殘留量的方法，繪制手抄報交流展示（見圖12）。

圖12 學生作品

四、教學模式應(yīng)用的教學反思

“5E”教學模式是一種以學生為中心的建構(gòu)主義教學模式，在元素化合物教學中有重要的應(yīng)用。“探究”和“解釋”是“5E”教學法的核心和關(guān)鍵，在這兩個環(huán)節(jié)中，應(yīng)避免學生出現(xiàn)偽探究、偽問題解決的情況，教師要根據(jù)課堂教學中對學生過程性和總結(jié)性評價，不斷反思、調(diào)試課堂的節(jié)奏，以適應(yīng)學生認知的發(fā)展。在“遷移”環(huán)節(jié)避免用既有習題來鞏固所學新知，教師需要創(chuàng)設(shè)新的問題情境，加深學生對新知模型的理解和運用。

著名的教育家葉圣陶說過，教學有法，教無定法，貴在得法。教學中我們會碰到多種模式，單一模式雖有其特有的獨立性，但綜合模式卻集聚了各種模式的精華，更顯風采。教師在運用“5E”教學模式進行教學時，可靈活多變，容納一切對教學有利、對學生學法有益的教學行為。在新教材、新課標的背景下，化學課堂教學改革之路，道阻且長，行而不輟，則未來可期！