高中化學“含硫物質及其轉化”的大單元教學
——以“是否有必要建設一座硫酸工廠”為例

王冰清 許欽賢 趙雨晴 李繼良

(1.河北省雄安容和第一高級中學 2.北京市第八十中學)

依據教學主題和學科大觀念創建真實的問題情境,通過大單元教學帶領學生進行系列探究活動以培養學生解決問題的能力,是化學學科核心素養落地的重要渠道.在元素化合物教學中,許多教師認為元素化合物知識龐雜、瑣碎;學生普遍認為元素化合物內容描述性知識及化學反應方程式繁多雜亂,碰到陌生物質和真實復雜問題時,缺少解題角度和思路.其中非常重要的原因是,很多教師在教學過程中往往更關注知識的傳授而輕視模型建構和能力的培養,著眼于課時教學,處于“就事論事”水平,很難發展學生的科學素養.發展學生科學素養的教學應專注“一單元一得”,發展學生的學科大觀念.本文以“硫及其化合物”為例對元素化合物進行大單元教學,以真實情境“是否有必要建設一座硫酸工廠”為載體,并與社會性科學議題結合,完成“含硫物質及其轉化”認知模型的建構與進階,使化學學科核心素養落地,發展學生的科學素養.

1 教學內容及相關研究

“硫及其環境保護”位于蘇教版高中化學(2019年版)必修第一冊專題4,屬于必修課程中的專題2“常見的無機物及其應用”,作為典型的非金屬及其化合物,要求學生結合真實情境中的應用實例或通過實驗探究,了解其重要化合物的主要性質及其相互轉化,主要包括硫單質、二氧化硫、硫酸等,認識這些物質在生產、生活中的應用和對生態環境的影響.人教版、蘇教版和魯科版2019年版教材中,均將本專題分為“典型含硫物質”“含硫物質的相互轉化”“硫酸型酸雨的形成、危害和防治”三部分,構建含硫物質轉化模型后應用該模型解決實際問題.

硫及其化合物現有單元教學設計部分以實驗探究為主,或通過創設真實問題情境進行大單元教學.很多教學設計雖以建立一座硫酸工廠問題入手,但留給學生思辨的空間較小,本設計以提出大任務——是否有必要建設一座硫酸工廠,并與社會性科學議題結合,給學生充分的思辨空間,更有利于提高學生的社會責任感,落實化學學科核心素養.

2 大單元主題與創新點

本設計結合某公司欲建設一座硫酸工廠的真實情境,學生完成設計和驗證轉化路徑后,結合實際情況探討“是否有必要建設一座硫酸工廠”.本大單元的大任務、次級任務、單元課時劃分、單元基本知識如圖1所示.

本大單元設計具有以下創新點:

1)本大單元教學為學生創設真實情境,增強化學與生活、生產實際的聯系,讓學生深刻了解化學與社會之間的緊密聯系,讓學生活動從“做題”轉化到“做事”,在解決問題的過程中發展核心素養,為教材中“含硫物質及其轉化”相關內容編排提出建議.

2)將大單元教學與社會性科學議題結合.社會性科學議題是指與科技相關的社會問題,具有社會性、開放性、倫理性、科學性等特點,是發展學生終身受用的“功能性”科學素養的重要渠道,也是破解當前教育中知識、能力、情感態度價值觀中“割裂的”“靜止的”科學素養教育的重要途徑.本課例第4課時探討“是否有必要建設一座硫酸工廠”讓學生直面復雜、開放且充滿爭議的問題,為學生創造開放、自由的思考環境,通過真實情境將科學理解與應用、科學思維與實踐和科學態度與責任有機融合.

3)“含硫物質及其轉化”模型的建構與進階.學生在解決實際問題過程中自主建構指向硫元素“價—類”二維圖的典型含硫物質性質靜態模型、指向物質變化與守恒的含硫物質相互轉化動態模型、指向科學態度與社會責任的應用模型,并與社會性科學議題結合作出科學決策.認知模型進階過程符合記憶、理解、應用、分析、評價、創造進階過程,各課時建構認知模型如圖2所示.

圖2 大單元認知模型進階

3 學情分析

3.1 學生已有知識與能力

根據高中化學蘇教版(2019年版)教材編排順序,高一學生現階段已經學習了典型的非金屬元素氯及其化合物,初步掌握了元素化合物的研究方法及離子反應和氧化還原反應兩大核心基本概念,對“價—類”二維圖在物質元素學習中的應用有了初步認識,為“含硫物質及其相互轉化”的學習打下基礎.

3.2 學生學習障礙點

學生在專題3中學習了典型的金屬元素鈉及其化合物和非金屬氯及其化合物,但對物質的研究較少,沒有形成較為完整的模型.雖然氯同樣是多價態非金屬元素,但在生產、生活中缺少利用氧化還原反應將氯元素由低價態逐步氧化到最高價態的應用模型,因此在完成設計并驗證制備硫酸轉化路徑任務時具有一定障礙.學生在設計實驗驗證轉化路徑和典型含硫物質性質時,需要有較高的動手能力、探究能力和證據意識,尤其是在第一課時驗證硫的弱氧化性時,設計實驗和實驗操作對學生來說有很大挑戰.本大單元教學緊貼生產、生活實際,需要學生將實際問題轉化為化學問題,利用化學知識尋找并驗證轉化路徑,再與實際生產、生活結合作出科學決策,但學生的遷移能力、解決實際問題等能力不足.本大單元教學與社會性科學議題結合,探究過程非常開放,尤其是在第3課時根據信息設計制備硫酸主要設備和流程、第4課時探討“是否有必要建設一座硫酸工廠”時,學生的創新能力、質疑能力有待提高.

3.3 學生學習發展點

本專題的核心知識為重要含硫物質的性質及相互轉化,進一步完善非金屬元素研究模型,并在探究過程中發展學生的證據意識和嚴謹求實的科學態度.通過完成“是否有必要建設一座硫酸工廠”這一大項目,讓學生將化學知識與實際情境結合解決實際問題,發展學生的探索能力、質疑精神和社會責任感,認識到化學對人類生存發展的重大意義.

4 單元教學目標

4.1 變化觀念與平衡思想

硫元素是制備硫酸過程中的中心元素,轉化過程中硫元素守恒,但化合價和存在形式發生變化.引導學生在硫酸制備過程中感受化學變化中物質的變化與守恒.

4.2 證據推理與模型認知

1)完善從物質類別和元素化合價角度預測物質性質的思維模型和元素化合物轉化模型;能根據對物質性質猜測設計實驗驗證猜想,發展學生的證據推理能力.

2)基于硫元素的“價—類”二維圖和實驗探究,掌握典型含硫物質的性質,建構靜態模型并實現模型進階,建構相互轉化的動態模型,并在解決問題的過程中建構應用模型.

4.3 科學探究與創新意識

在教學中滲透化工技術思維,激發學生的科學探索精神,鼓勵學生探究硫酸制備工藝,培養學生敢于質疑的精神和創新意識.

4.4 科學態度與社會責任

通過本單元的學習,了解化學和生產、生活之間的密切聯系,加強學生對化學造福人類的理解.與社會性科學議題結合,發展學生可持續發展、綠色化學等觀念.

5 教學流程

課時1 尋找原料

[創設情境]提出大單元總任務:是否有必要建設一座硫酸工廠?

[資料1]某公司主要采用火法和電解法煉銅,現公司需擴大規模,硫酸作為電解法精煉銅的重要原料,為節省硫酸的購買和運輸成本,“是否有必要建設一座硫酸工廠”被董事會提上日程.現需根據尋找合適原料、設計轉化路徑、減少污染等方面進行合理規劃,并廣泛征集當地各相關部門和行業的意見.

學生活動:閱讀資料,了解本單元的任務——結合實際情況探討“是否有必要建設一座硫酸工廠”,將實際問題轉化為化學問題.

[任務1]尋找制備硫酸的原料并設計轉化路徑.

[資料2]自然界的硫循環.

學生活動:

以小組為單位,展示硫元素“價—類”二維圖,并應用氧化還原反應設計制備硫酸的轉化路徑.

[任務2]通過探究硫和硫化氫的性質,討論低價態的硫元素是否可以轉化為SO2.

學生活動:從化合價和物質類別等角度預測硫的性質,并設計實驗驗證,探究硫黃、黃銅礦是否可以作為制備硫酸的原料.

學習反饋:通過所學知識和方法對二者性質作出以下推測.

1)通過對硫元素化合價分析可以得出:硫具有氧化性和還原性,硫化氫只有還原性.

2)通過物質類別進行預測,硫屬于非金屬單質,類比氯氣的性質;硫化氫屬于二元弱酸,類比碳酸的性質.

3)設計方案并進行實驗驗證.

[任務3]閱讀資料了解各種礦產情況,了解常見的制硫酸原料.

[資料3]常見含硫礦石分布及主要用途.

學生活動:從含硫礦藏的分布、價格、工藝流程、設備等實際角度,了解工業上制硫酸應如何選擇原料.以小組為單位匯報本組選取的制硫酸原料,并說明理由.

課時2 揭秘SO2

[任務1]閱讀資料了解銅冶煉煙氣中的SO2可以制備硫酸.

[資料1]有色金屬冶煉產生的煙氣多含SO2.

[資料2]某集團利用脫硫煙氣制硫酸的項目.

學生活動:閱讀資料,了解SO2可作為制備硫酸的原料.推測用SO2制硫酸的原理.

[任務2]閱讀資料了解SO2在紅酒中的作用,對其性質進行預測.

[資料3]紅酒中的SO2有殺菌消毒、抗氧化、穩定色澤、調節酸度、與硫化氫反應調節口感等作用.

學生活動:預測SO2的性質.

學習反饋:通過SO2在紅酒中的作用對其性質進行如下推測:

1)殺菌消毒:水溶性、調節酸性.

2)抗氧化性:還原性.

3)漂白有色花色素苷:暫時漂白性.

4)與H2S反應調節口感:氧化性.

[任務3]設計實驗驗證SO2的性質.

[實驗器材及藥品]SO2、pH 計、酸性高錳酸鉀溶液、溴水、品紅溶液、酒精燈、水槽、盛滿H2S 的集氣瓶.

學生活動:設計實驗驗證SO2的性質.

學習反饋:1)將盛滿SO2的試管倒扣在盛滿水的水槽中,水位上升,證明SO2易溶于水.

2)用pH 計測量,SO2溶于水后顯酸性,且溶液的pH 隨時間變化逐漸降低.

3)將SO2通入酸性高錳酸鉀溶液中,溶液紫色褪去,證明SO2有還原性.

4)將SO2持續通入品紅溶液中,溶液褪色后使用酒精燈加熱,品紅顏色恢復.

5)將盛滿SO2的集氣瓶倒扣在盛滿H2S的集氣瓶中,觀察實驗現象.

課時3 探秘硫酸工廠

[任務1]探究濃硫酸的特質.

[演示實驗1]“黑面包”實驗.

[演示實驗2]將濃硫酸滴加到膽礬中,觀察實驗現象.

學生活動:掌握濃硫酸的特性.

學習反饋:根據實驗現象總結濃硫酸具有強氧化性、脫水性、吸水性.

[任務2]閱讀資料,結合濃硫酸的性質,根據轉化路徑掌握制取硫酸的流程、設備、要點.

[資料1]SO2和O2的反應通常在常壓、以五氧化二釩(V2O5)作催化劑的條件下進行,此反應為可逆反應,增大氧氣濃度有利于提高SO2的轉化率.V2O5在450 ℃時活性最高,且反應放出大量熱.

[資料2]熱交換器的作用.

[資料3]直接用水吸收SO3會放出大量熱,產生酸霧.

學生活動:根據濃硫酸的性質和資料設計工業制硫酸的流程.

課時4 探討“是否有必要建設一座硫酸工廠”

[資料1]某公司所在的地理位置,現有自然資源和歷史資源.

[資料2]該公司制精銅工藝.

[資料3]環境空氣質量標準中環境空氣功能區分類及SO2質量要求.

[資料4]含硫礦石加工過程中常見的幾類脫硫工藝技術及優缺點.

[資料5]電化學脫硫方法和裝置.

[資料6]硫酸工廠生產污水處理站“零”排放工藝設計應用.

[任務1]確定角色,收集資料.

學生活動:根據興趣讓學生分為環保部門、文化和旅游部門、食品藥品行業、公司相關項目負責人、政府及當地群眾;選擇5名學生成立“專家”小組,在論證過程中進行科學信息引導,把控論證方向.

學習反饋:根據興趣自行結組,從所在組角色出發收集資料,形成觀點.

[任務2]立論陳詞,亮明觀點.

學生活動:每小組選出代表對本組觀點進行陳述,給出支持本組觀點的證據.

[任務3]深入論證,分析利弊.

學生活動:深入探討如何避免或降低建設硫酸工廠產生的危害,利用化學知識解決問題.

[任務4]權衡利弊,科學決策.

學生活動:綜合分析利弊和改進措施,權衡利弊,作出科學決策.

[總結]邀請相關部門和行業人員為學生進行點評.

6 教學效果及反思

學生在“是否建設一座硫酸工廠”大單元的學習過程中產生了較高的學習興趣,以“價—類”二維圖為載體形成了含硫物質及其轉化完整的知識結構,并應用硫及其化合物模型解決實際問題,讓化學更“接地氣”.在籌備和參與“是否建設一座硫酸工廠”會議過程中,學生之間合作能力較強,準備充足,論點充分,能較好地將化學知識和實際情況結合,利用化學知識解決實際問題,辯證思維、表達能力等均有所發展,可持續發展理念和綠色化學理念均有提升.本課例將大單元教學與社會性科學議題結合,幫助學生自主建構含硫物質及其相互轉化認知進階模型,讓學生直面相關社會復雜問題.化學教學在讓學生“學有所長”的同時更要“學有所用”,培養新一代勇擔歷史使命、用化學創造美麗中國的“化學人”.

(完)