基于物質(zhì)轉化視角的元素化合物教學
——以“不同價態(tài)含硫物質(zhì)的轉化”教學為例

諸佳丹 朱 康

（1.上海市南洋中學 上海 200032；2.上海市徐匯區(qū)教育學院 上海 200030）

一、問題背景

元素化合物是中學化學學習的重要組成部分，從知識類型上屬于事實性知識或陳述性知識。該部分內(nèi)容具有物質(zhì)種類多、性質(zhì)瑣碎、反應龐雜等特點。

傳統(tǒng)的元素化合物教學注重對具體事實的記憶，師生活動大多圍繞某一具體的物質(zhì)展開，從物質(zhì)的組成、性質(zhì)、制備、用途等方面進行全面的學習。雖然該種教學思路能讓學生在短時間內(nèi)較全面地掌握某個具體物質(zhì)的相關知識，但是面對如此繁多的物質(zhì)種類，學生的記憶負擔重且容易遺忘。這種單向的線性教學思路不利于學生形成可遷移的學習元素化合物的基本思路與方法，難以將繁多的元素化合物知識進行有效整合。因此在解決復雜問題時，學生缺乏有效調(diào)取所學知識的能力，特別是面對陌生物質(zhì)與情境，將更加束手無策。［1］

那如何打破目前元素化合物教學“重知識輕能力、重動手輕思維、重細節(jié)輕整合”［2］的教學困境，如何在教學中落實學習元素化合物的思路與方法呢？姜言霞、王磊等提出基于轉化的元素化合物教學策略不僅對學生核心物質(zhì)性質(zhì)的學習有很好的成效，而且在形成研究陌生物質(zhì)的思維方法、培養(yǎng)轉化思想等方面都優(yōu)越于基于具體物質(zhì)的教學。［3］“物質(zhì)的轉化觀”是化學學科觀念之一，元素化合物內(nèi)容的核心問題是物質(zhì)性質(zhì)及其相互轉化，在一系列有目的的任務下，完成物質(zhì)轉化，進而體現(xiàn)物質(zhì)的化學性質(zhì)。以“轉化觀”這一學科核心觀念為本的教學能幫助學生形成有效的思維方法，構建系統(tǒng)化、結構化的元素化合物知識框架。

二、基于轉化的元素化合物教學分析

元素化合物內(nèi)容繁雜，為了避免逐條梳理的低效教學，我們首先要梳理出核心教學內(nèi)容，然后根據(jù)核心內(nèi)容設計基于轉化觀念的教學過程。

1.明晰核心內(nèi)容

核心內(nèi)容并不是簡單的具體知識，而是具有指導性、遷移性的概念與方法。

《普通高中化學課程標準（2017年版）》（后簡稱“課標”）在主題“常見無機物及其應用”中提出了元素與物質(zhì)的關系、物質(zhì)性質(zhì)及其轉化的價值等方面的內(nèi)容要求。此外，課標推出學業(yè)質(zhì)量水平，為學生學習活動與教師教學活動的評價提出了指導性要求，其對學生學習常見無機物的板塊提出了6項學業(yè)要求。［4］概括來說，課標總體從研究對象、研究內(nèi)容、認識角度三個方面明晰了元素化合物學習的核心內(nèi)容，并且這些核心內(nèi)容相互之間存在一定的邏輯關系，如圖1所示。

圖1 元素化合物核心內(nèi)容分析

課標對元素化合物的要求不再是純粹的記憶物質(zhì)性質(zhì)，而是要求學生建立起從物質(zhì)類別、元素價態(tài)、復分解反應以及氧化還原反應原理等方面來研究元素化合物的思維方法。

從研究對象看，以元素為中心認識物質(zhì)，通過核心元素將單質(zhì)及其化合物知識組織聯(lián)系起來。對于某一元素為核心的物質(zhì)家族，教材的內(nèi)容編排主要是對典型物質(zhì)的介紹，而在課標有明確要求“能利用典型代表物的性質(zhì)和反應，設計常見物質(zhì)制備、分離、提純、檢驗等簡單任務的方案”。因此，教學中必要幫助學生構建可遷移的學習方法與思路，讓學生學會將典型物質(zhì)的學習思維模式遷移到常見物質(zhì)的學習。例如，以+4價含硫物質(zhì)為例，教材編排了SO2的內(nèi)容，并沒有呈現(xiàn)Na2SO3的學習模塊，但是評價中對Na2SO3的考察卻不在少數(shù)。如何習得Na2SO3的性質(zhì)呢？就需要培養(yǎng)學生從典型物質(zhì)到常見物質(zhì)的遷移與應用的能力。

性質(zhì)與轉化是元素化合物學習中最為主要的兩個研究內(nèi)容。關于性質(zhì)與轉化，課標明確指出“能從物質(zhì)類別、元素價態(tài)的角度，依據(jù)復分解反應和氧化還原反應原理，預測物質(zhì)的化學性質(zhì)和變化”?！拔镔|(zhì)類別”和“元素價態(tài)”是認識物質(zhì)性質(zhì)的兩個視角，復分解反應與氧化還原反應原理是實現(xiàn)物質(zhì)轉化的兩個重要化學原理。轉化與性質(zhì)并非孤立，存在一定的聯(lián)系，如圖2。

圖2 物質(zhì)性質(zhì)及其轉化的關聯(lián)

物質(zhì)的化學變化往往是以某一元素為核心發(fā)生的，轉化的一般路徑有兩條，分別是同種元素相同價態(tài)物質(zhì)間的轉化與同種元素不同價態(tài)物質(zhì)間的轉化。例如，Na2SO3可以轉化為相同價態(tài)的SO2，也可以轉化為不同價態(tài)的0價S單質(zhì)與+6價Na2SO4。Na2SO3與酸反應生成SO2這一過程實現(xiàn)了物質(zhì)類別的轉化，主要發(fā)生的是復分解反應，體現(xiàn)了亞硫酸鹽的物質(zhì)類別通性。Na2SO3與氧化劑或還原劑反應時，會生成不同價態(tài)的含硫物質(zhì)，發(fā)生了氧化還原反應。核心元素化合價的改變，體現(xiàn)了物質(zhì)的氧化性或還原性。

可見，從轉化路徑出發(fā)可以準確且有序地分析物質(zhì)的性質(zhì)，從變化過程中建構認識物質(zhì)性質(zhì)的視角，以關鍵的反應原理橋連轉化與性質(zhì)。掌握核心內(nèi)容可以幫助學生梳理出條理有序的學習思路，以應對多樣性的元素化合物問題。

2.形成教學程序

如前分析，認識角度的建構始于對轉化路徑的分析。如何讓學生直觀且有效地總結出規(guī)律性的轉化路徑呢？教學時需要設計合適的轉化任務，以便學生提煉與感知轉化路徑。

姜言霞、王磊等提出了基于轉化的元素化合物教學流程，［3］如圖3。從“給出轉化任務”→“設計轉化路徑”→“實現(xiàn)轉化方案”。學生完成這一轉化任務。學生在完成轉化任務的過程中，需要觀察起點和終點的類別變化和價態(tài)變化，根據(jù)復分解反應或氧化還原反應規(guī)律去選擇試劑。該程序下的教學基本路徑是從轉化到性質(zhì)，在每個轉化任務完成之后，設置反思環(huán)節(jié)。通過反思轉化過程，促使學生更加深入地認識和總結核心物質(zhì)的性質(zhì)及其研究方法。

圖3 基于轉化的元素化合物教學流程

與基于具體物質(zhì)的學習方式不同，基于轉化的學習方式實現(xiàn)了從整體來學習元素化合物。某一類元素化合物知識中包含著一個轉化系列，物質(zhì)之間存在著相互轉化的關系。教學不再拘囿于以某一具體代表物為核心，而是試圖建立起包含核心元素的多個物質(zhì)之間的相互關系。學生在開展轉化任務時，需要不斷挖掘其中內(nèi)含的性質(zhì)與知識，逐步掌握研究物質(zhì)性質(zhì)的一般思路與方法。

3.以“不同價態(tài)含硫物質(zhì)的轉化”為例設計教學思路

以硫元素為核心元素的物質(zhì)眾多，教學中要著重建立物質(zhì)之間的聯(lián)系，途徑就是依靠建構基本思路與觀念。本節(jié)課意在借助一些常見的含硫鹽設計陌生任務情境，在情境中激發(fā)與活化學生已學的典型物質(zhì)的知識，在遷移的過程中深化研究物質(zhì)性質(zhì)的思路與方法，教學思路如圖4。

圖4 “不同價態(tài)含硫物質(zhì)的轉化”的教學思路

教學中選取CuSO4、Na2S、Na2SO3三種常見物質(zhì)，它們是不同價態(tài)含硫鹽的代表物。任務1以CuSO4的制備為任務載體，基于學生的設計方案分析相應的物質(zhì)轉化路徑（相同價態(tài)、不同價態(tài)轉化）。通過CuSO4廢液的處理問題引出對Na2S的分析（任務2），Na2S與CuSO4反應是相同價態(tài)的轉化，再從不同價態(tài)轉化的視角引導學生思考可能的價態(tài)轉化。在此設計并開展不同量Na2S與Cl2反應的實驗，一種現(xiàn)象為產(chǎn)生沉淀即可判斷成功轉化為S；另一種現(xiàn)象則是溶液仍保持無色，“到底轉化為了Na2SO3還是Na2SO4”成為了課堂焦點。順理成章地促發(fā)了物質(zhì)檢驗的任務。物質(zhì)檢驗的關鍵是要對物質(zhì)的性質(zhì)有清晰的認識，學生已有S檢驗的知識基礎，但對S相對陌生。因此，在任務3中讓學生應用習得的路徑與視角預測并驗證S的性質(zhì)，從而用以檢驗任務2中的實驗產(chǎn)物。可見，3個環(huán)環(huán)相扣的任務環(huán)節(jié)關聯(lián)起了3種含硫鹽的性質(zhì)。

在整個教與學的過程中，以處理廢液、性質(zhì)預測、物質(zhì)檢驗為任務載體，有序利用轉化路徑，在實現(xiàn)轉化的過程中分析物質(zhì)性質(zhì)，并提煉出“物質(zhì)類別”和“元素價態(tài)”兩個認識物質(zhì)性質(zhì)的視角。此外，充分借助實驗取證。學生研究物質(zhì)轉化的過程中，會根據(jù)一定的視角產(chǎn)生對物質(zhì)性質(zhì)的猜測，繼而需要進行實驗設計，選擇正確的試劑進行驗證。在科學探究的過程中，課堂活動從低水平認知活動轉向了高水平思維的訓練，學生的思考也由靜態(tài)思考轉化為了動態(tài)思考。

三、基于轉化的“不同價態(tài)含硫物質(zhì)的轉化”教學過程

教學中圍繞三種常見含硫鹽，設計任務載體，滲透科學探究的思維方式以完成轉化，從而提煉思路、建立視角，最終達成物質(zhì)轉化與性質(zhì)學習的融合。

1.任務一：制備物質(zhì)，歸納轉化路徑

【任務】請利用已學典型含硫物質(zhì)的知識，嘗試以銅為原料，設計制備CuSO4的方案。

【學生】設計方案。

【展示分析】方案分為兩類，一是Cu與濃H2SO4直接反應，二是先將Cu轉化為CuO，再與稀H2SO4反應。如果以銅元素為中心來看，涉及三種含銅物質(zhì)的轉化；如果以硫元素為中心來看，涉及三種含硫物質(zhì)的轉化，如圖5。不管是含銅物質(zhì)還是含硫物質(zhì)都存在兩種轉化路徑：同種元素相同價態(tài)物質(zhì)間的轉化與同種元素不同價態(tài)物質(zhì)間的轉化。

圖5 物質(zhì)轉化的路徑分析

【進一步分析】CuO與稀H2SO4反應主要發(fā)生了類別轉化，利用的是物質(zhì)類別通性，這個過程主要依靠復分解反應。此外Cu與濃H2SO4的反應除類別之外更重要的有元素價態(tài)的變化，依靠氧化還原反應原理實現(xiàn)了不同價態(tài)物質(zhì)間的轉化。

【評價方案】實驗室制備CuSO4，你會選擇哪一方案呢，請說明理由。

【學生】從原子利用率、產(chǎn)物環(huán)保等有關綠色化學的角度分析。

設計意圖：通過一個物質(zhì)制備任務，充分調(diào)動學生的已有知識，感受物質(zhì)轉化的過程。然后分別以銅元素、硫元素為核心元素分析制備方案中出現(xiàn)的物質(zhì)轉化，總結共性轉化路徑與規(guī)律。任務1中的制備任務，重在方案設計，強調(diào)相關反應原理的目的是為后續(xù)任務2與任務3中實際完成轉化任務提供指導。

2.任務二：分析轉化，提煉性質(zhì)視角

【任務】銅離子是一種重金屬離子，有毒。實驗室通常采用“Na2S沉淀法”處理CuSO4廢液，該方法的原理是利用Na2S將銅離子轉化為難溶于水、難溶于酸的CuS沉淀以除去銅離子。請寫出Na2S處理CuSO4廢液的化學方程式。判斷反應類型，分析轉化路徑。

【學生】根據(jù)信息，用化學符號表達反應過程（Na2S+CuSO4=CuS↓+Na2SO4），分析反應類型為復分解反應，實現(xiàn)了相同價態(tài)含硫物質(zhì)間的轉化（Na2S→CuS）。

【強調(diào)】鹽和鹽發(fā)生了復分解反應，利用物質(zhì)類別通性實現(xiàn)了相同價態(tài)含硫物質(zhì)的轉化。

【提問】從另外一條轉化路徑（不同價態(tài)含硫物質(zhì)的轉化），Na2S中-2價硫元素還可以轉化到何價態(tài)？體現(xiàn)了Na2S的什么性質(zhì)？

【學生】分析-2價的硫元素處于最低價，可以轉化為更高價態(tài)（0價、+4價、+6價）。此轉化中體現(xiàn)了Na2S的還原性。

【實驗設計】如何證明Na2S具有還原性？構建思考模型，如圖6。確定反應原理，選擇合適的氧化劑，預測產(chǎn)物及現(xiàn)象，最終完成轉化與驗證。

圖6 基于轉化的實驗設計模型

【實驗驗證】實驗方案選擇Cl2與Na2S溶液反應。分小組進行實驗，具體操作為向盛有10mLCl2的采集管中，注入0.5mLNa2S溶液（3組濃度為0.04mol/L，3組濃度為0.01mol/L）。充分振蕩溶液，觀察實驗現(xiàn)象。

【小組匯報】有沉淀、沒有出現(xiàn)沉淀…

【逐個分析】部分小組的實驗現(xiàn)象為產(chǎn)生沉淀，說明生成了硫單質(zhì)。-2價的硫元素被氧化，證明了Na2S具有還原性。

但部分小組的實驗現(xiàn)象為沒有沉淀，說明硫元素進一步被氧化，根據(jù)前面分析，可能被氧化成+4價或+6價。由于含硫元素的反應物是鈉鹽，產(chǎn)物很有可能是Na2SO3、Na2SO4。

【任務】進行產(chǎn)物檢驗。首先檢驗Na2SO4，如何檢驗？

【學生】先加HCl酸化，無明顯現(xiàn)象，再加BaCl2，若產(chǎn)生白色沉淀，則說明有。

【明晰原理】在可能存在Na2SO3情況下，檢驗時加酸的目的是什么？發(fā)生了什么反應？

【學生】排除Na2SO3的干擾。Na2SO3與HCl發(fā)生反應生成SO2氣體。

【強調(diào)】亞硫酸鹽和酸反應，硫元素由+4價的亞硫酸鹽轉化為+4價的二氧化硫，利用的是物質(zhì)類別通性實現(xiàn)相同價態(tài)物質(zhì)間的轉化。

【實驗驗證】開展實驗，觀察到白色沉淀，證明產(chǎn)物有Na2SO4。

【差異現(xiàn)象解釋】為什么小組間的現(xiàn)象不一樣呢？這是因為各小組使用的Na2S濃度不同。在Na2S溶液體積相同時，Na2S濃度高，則氯氣量不足，Na2S轉化為硫單質(zhì)。Na2S濃度低，則氯氣過量，因而硫元素進一步被氧化。

【小結】回看Na2S的轉化，Na2S與CuSO4反應，利用物質(zhì)類別通性實現(xiàn)了相同價態(tài)含硫鹽之間的轉化。另外Na2S與Cl2反應，利用氧化還原反應原理實現(xiàn)不同價態(tài)的轉化?！拔镔|(zhì)類別”和“元素價態(tài)”的視角幫助我們認識了Na2S的性質(zhì)。可以通過構建以“物質(zhì)類別”和“元素價態(tài)”為兩軸的價-類二維圖來認識物質(zhì)性質(zhì)。

設計意圖：借助前一環(huán)節(jié)中提煉的轉化路徑，引導學生依據(jù)“物質(zhì)類別通性”與“氧化還原反應”原理分析Na2S發(fā)生的轉化過程。在分析轉化的過程中，逐步剖析Na2S具有的化學性質(zhì)，建立轉化與性質(zhì)的聯(lián)系，并形成認識物質(zhì)性質(zhì)的兩個視角，一個是物質(zhì)類別，一個是元素價態(tài)。最終，將認識視角以價-類二維圖的形式呈現(xiàn)出來，為下一環(huán)節(jié)中預測物質(zhì)性質(zhì)做好鋪墊。

3.任務三：確定性質(zhì)，實現(xiàn)物質(zhì)轉化

【任務】Na2S進一步氧化是否生成Na2SO3，我們還沒解決。想檢驗其中有沒有Na2SO3，首先要知道Na2SO3的性質(zhì)。請同學們嘗試利用價-類二維圖，來預測Na2SO3的性質(zhì)。

【學生】從物質(zhì)類別角度，Na2SO3可以與酸反應生成SO2。從元素化合價角度思考，Na2SO3既有還原性，又有氧化性。

【實驗設計】確定反應原理（氧化還原反應原理），選擇合適的反應試劑，并預測產(chǎn)物及實驗現(xiàn)象。

【實驗驗證】選擇具有明顯實驗現(xiàn)象且試劑易獲取的方案，如下表1。

表1 Na2SO3的性質(zhì)預測與檢驗方案設計

【小組匯報】酸性高錳酸鉀溶液的紫色褪去，證明Na2SO3具有還原性。但是Na2S與Na2SO3反應無明顯現(xiàn)象。

【異?，F(xiàn)象分析】難道+4價的硫元素無法與-2價的硫元素反應？但是以前學過+4價的S元素和-2價的S元素可以發(fā)生反應，例如SO2會與H2S反應。這里是怎么回事呢？

【學生】反應可能需要酸性環(huán)境。

【實驗驗證】在Na2S與Na2SO3的混合液中滴加鹽酸，產(chǎn)生淡黃色沉淀。

【現(xiàn)象解釋】雖然在原理上分析出了-2價的硫元素與+4價的硫元素能反應，但是這個反應是要在酸性環(huán)境下才可進行。所以說，物質(zhì)的轉化是需要條件的。例如銅和濃硫酸的反應需要加熱，溫度和濃度也是重要的反應條件。

【小結】于此，我們認識了Na2SO3的性質(zhì)，并選擇了相應的試劑實現(xiàn)了轉化。Na2SO3的性質(zhì)及其轉化關系可以利用如圖7這樣的價-類二維圖進行表征。

圖7 融合性質(zhì)視角與轉化路徑的價-類二維圖

【解決問題】檢驗前面Na2S與Cl2反應，產(chǎn)物中是否有Na2SO3？

【學生】選擇酸性KMnO4溶液，若紫色褪去，說明有Na2SO3，反之則沒有Na2SO3。

【實驗驗證】重新取反應液，滴加酸性KMnO4溶液，沒有褪色說明過量Cl2與Na2S反應沒有生成Na2SO3，反應生成的是Na2SO4。

設計意圖：該環(huán)節(jié)承載了鞏固和檢驗學生“物質(zhì)轉化路徑”與“認識性質(zhì)視角”學習效果的任務。因此，讓學生自主根據(jù)前一環(huán)節(jié)建立的“物質(zhì)類別”與“元素價態(tài)”的視角來預測Na2SO3的性質(zhì)，重點放在元素化合價的角度。通過讓學生設計“Na2SO3還原性與氧化性”的驗證實驗，完成Na2SO3的相關轉化，達成轉化與性質(zhì)的匹配與融合。同時，在轉化中設置異常現(xiàn)象，讓學生體會在物質(zhì)轉化的過程中，原理分析之后還需要注意反應條件。

【課堂總結】這節(jié)課學習了三種含硫鹽，通過三個任務得到了他們之間的轉化關系與相關性質(zhì)。可以借助以物質(zhì)類別為橫軸、元素化合價為縱軸的價-類二維圖來表征轉化關系，利用物質(zhì)類別通性，通過復分解反應可以實現(xiàn)相同價態(tài)含硫物質(zhì)的轉化；利用氧化還原反應的原理可以完成不同價態(tài)含硫物質(zhì)的轉化。在相互的轉化中，可以分析、解讀這些鹽類物質(zhì)的性質(zhì)。

四、教學反思

1.圍繞核心內(nèi)容設計教學任務

元素化合物的內(nèi)容眾多，如若每一個細枝末節(jié)都要涉及，對教與學都是極大的負擔，教學時需把握元素化合物的核心內(nèi)容。元素化合物中最重要的對象就是元素，從核心元素出發(fā)可以串聯(lián)起一個物質(zhì)家族，物質(zhì)的轉化規(guī)律與認識物質(zhì)性質(zhì)的視角是重點學習內(nèi)容。

教學實施的過程中要將核心內(nèi)容具體化到相應的教學任務中，明確各個任務承載的教學目的與功能，建立任務之間的邏輯關系。本節(jié)課中由任務一（制備CuSO4）提煉兩種轉化路徑。在任務二中應用轉化路徑，通過Na2S的轉化認識其性質(zhì)，構建“物質(zhì)類別”和“元素價態(tài)”這兩個認識物質(zhì)性質(zhì)的視角，形成價-類二維圖表征轉化關系。最后，在任務三中，引導學生利用前面學習的轉化路徑與認識物質(zhì)的視角，預測Na2SO3的性質(zhì)，并設計實驗實現(xiàn)物質(zhì)的轉化，達成性質(zhì)與轉化的融合。

2.基于物質(zhì)轉化構建價-類二維圖

價-類二維認知模型是高中學習元素化合物知識的重要方式之一。［5］價-類二維圖的兩個維度分別是“物質(zhì)類別”與“元素價態(tài)”，其中蘊含著“分類的方法”和“研究物質(zhì)性質(zhì)的思想與方法”，這些都可以幫助學生建構一個系統(tǒng)、有序的轉化框架。［6］本節(jié)課中利用價-類二維圖（圖7）呈現(xiàn)了不同價態(tài)含硫物質(zhì)及其轉化，有Na2SO3到SO2價態(tài)不變的類別轉化，也有Na2S到S、Na2SO4的相鄰價態(tài)、跨價態(tài)的轉化，清楚地展現(xiàn)了物質(zhì)轉化的脈絡，有助于幫助學生明晰物質(zhì)的性質(zhì)與轉化關系。

基于轉化框架與轉化關系，學生不僅可以有效梳理已學過的化學反應，也可以推理出許多“應然”的結果，得到實驗證實后可轉化為“實然”的結果。

認識模型不能當作純知識傳授，而是要依靠諸多任務情境逐步建構而成。教學中可通過設置陌生的問題情境，引導學生自主思考，尋找轉化路徑，確定轉化關系，如此學生才可真正體會價-類二維圖于元素化合物學習的真正意義。