模型認知視角下必修化學微項目教學實踐研究*
——以“硫與環境保護復習”為例

史培艷 郭紅彩 劉 翠

（1.睢寧縣凌城中學 江蘇 徐州 221200；2.睢寧縣教師發展中心 江蘇 徐州 221200；3.江蘇師范大學 化學與材料科學學院 江蘇 徐州 221200）

一、研究背景

《普通高中化學課程標準（2017 年版2020 年修訂）》（簡稱“新課標”）提出開展“素養為本”的教學。“模型認知”是化學學科核心素養之一，是可以通過分析、推理等方法認識研究對象的本質特征、構成要素及其相互關系，建立認知模型，運用模型解釋化學現象，揭示現象的本質和規律［1］。楊玉琴教授提出：“模型認知”即運用模型認識研究對象、解釋化學現象和規律，并建構模型展示對化學事實的理解［2］。吳星教授提出：“模型認知”是運用模型思想認識事物和解決問題的思維方法［3］。“模型認知”共分為4 個水平，從低到高分別為能識別化學中常見模型并能將化學事實與模型之間進行關聯和匹配，能理解、描述、表示常見的認知模型并用模型解釋，能評價、改進模型并說明模型使用的條件和適用范圍，能對復雜的化學問題情境中的關鍵要素進行分析以建構相應的模型并選擇不同模型綜合解釋或解決復雜的化學問題［1］。

依據新課標的要求，根據魯科版微項目特點，對蘇教版專題4“硫與環境保護”采用微項目教學，創設真實情境、設計驅動問題、進行合作探究、運用模型思想展示交流成果。

二、內容分析

“硫與環境保護”是蘇教版高中化學必修課程的重要專題之一，是高一學生學習的重點內容之一。“硫與環境保護”專題共三單元，分別為含硫化合物的性質、硫及其化合物的相互轉化、防治二氧化硫對環境的污染［4］。以硫鐵礦燒渣酸浸還原制備硫酸亞鐵為主線，串聯三個單元的內容進行專題復習。

三、教學與評價目標

1.教學目標

（1）通過以硫鐵礦燒渣酸浸還原制備硫酸亞鐵為載體，基于元素觀、轉化觀，建構硫鐵礦到硫酸亞鐵的工藝流程圖，發展變化觀念、模型認知素養、化學工程思維能力。

（2）通過實驗探究酸浸還原過程和實踐二氧化硫制備、性質驗證的綜合實驗，深化對濃硫酸、二氧化硫性質的認知，建構物質性質對比、物質性質和化學反應、氣體制備及性質驗證的綜合實驗認知模型，發展科學探究、模型認知素養。

（3）通過實驗中含硫物質類別、價態及轉化關系，建構價類二維認知模型，發展模型認知素養和化學學科思維能力。

2.評價目標

（1）通過建構工藝流程圖，初步診斷學生變化觀念和化學工程思維能力。

（2）通過實驗探究，診斷并發展學生實驗設計、操作、觀察、分析、建模水平。

（3）通過交流展示，診斷并發展學生對含硫物質之間轉化關系的認識水平。

四、教學思路

根據學生對“硫與環境保護”的已有認知、最近發展區、認知發展規律，以硫鐵礦（FeS2）燒渣為原料通過酸浸還原法制備硫酸亞鐵為載體，從整體觀角度引導學生建構認知模型，化學工程思維和化學學科思維。“硫與環境保護”專題微項目復習教學思路如圖1。

圖1 “硫與環境保護復習”教學思路示意圖

五、教學實錄

任務1：基于元認知，建構含硫物質之間轉化的工藝流程圖

學習氯、鈉及其化合物、海水資源綜合利用之后，學生已經認識并內化工藝流程認知模型，了解前后物質的邏輯關系，能設計簡單的物質制備流程圖。

【問題】硫酸亞鐵是一種重要的化工原料，工業上以硫鐵礦（FeS2）燒渣為原料通過酸浸還原法制備硫酸亞鐵［4］。如何實現由硫鐵礦（FeS2）向FeSO4的轉化？

【學生活動并展示成果】回顧舊知，從含硫物質類別、硫元素的化合價、硫酸的工業制備、氧化還原反應角度，結合原料到目標產物的制備過程，外顯思維，建構原料到目標產物的工藝流程圖，如圖2。

圖2 硫鐵礦到硫酸亞鐵的工藝流程圖

【學生評價】根據硫酸的工業制備、性質、稀釋方法，用稀硫酸酸浸燒渣，選擇合適還原劑還原硫酸鐵溶液得硫酸亞鐵溶液，能合理、高效利用硫鐵礦燒渣制備有價值的工業原料硫酸亞鐵。該流程將孤立的物質借助內在邏輯關系聯系起來，形成完整的工藝流程。

設計意圖：創設真實情境，根據原料和產物的類別、硫元素價態，在工業制備硫酸基礎上，建構硫鐵礦到硫酸亞鐵的工藝流程圖，發展變化觀念、模型認知素養、化學工程思維能力。

任務2：酸浸硫鐵礦燒渣，建構物質性質對比思維模型

【問題】為什么不使用濃硫酸酸浸？濃、稀硫酸性質差異的本質原因？

【信息卡】KSCN溶液遇Fe3+變為血紅色，該反應可用于Fe3+的檢驗，KSCN溶液遇Fe2+不變色；KSCN能被濃硫酸氧化。

【學生分組實驗活動】對比濃、稀硫酸酸浸氧化鐵，觀察實驗現象。

儀器與藥品：井穴板、鑷子、膠頭滴管、生銹鐵絲、濃、稀硫酸、KSCN溶液。

實驗操作：用鑷子取生銹鐵絲分別置于井穴板的2 個井穴中，分別滴加1 滴管濃、稀硫酸，再滴加1 滴KSCN 溶液，觀察、記錄、分析實驗現象，得出實驗結論。酸浸及檢驗過程如圖3。

圖3 酸浸及檢驗過程圖

實驗現象：鐵銹在稀硫酸中溶解，在濃硫酸中未溶解；滴加稀硫酸的井穴中滴加1 滴KSCN 溶液后呈血紅色，滴加濃硫酸的井穴中滴加1 滴KSCN 溶液無變化。

實驗結論：稀硫酸具有酸性，溶解鐵銹，以氫離子、硫酸根離子形式存在；濃硫酸具有強氧化性，主要以分子形式存在。

［展示成果］根據實驗現象分析反應原理，總結濃、稀硫酸性質差異的原因，建構濃、稀硫酸性質對比模型如圖4。

圖4 濃、稀硫酸性質對比認知模型

【學生評價】通過實驗和性質對比認知模型，直觀比較濃、稀硫酸性質及性質差異的本質原因，利于快速掌握濃、稀硫酸的性質及微觀構成。

設計意圖：通過實驗對比分析濃、稀硫酸的性質，培養宏觀辨識、微觀探析素養；通過建構性質對比認知模型，比較性質差異，思維外顯，提升建模能力。

任務3：還原硫酸鐵溶液，建構物質性質及化學變化認知模型

【問題】用什么還原劑還原硫酸鐵溶液？

【學生分組實驗活動】選擇還原劑還原硫酸鐵溶液。

儀器與藥品：井穴板、鑷子、鐵絲絨、激光筆、二氧化硫、硫酸鐵溶液。

實驗操作：向血紅色溶液中加入一小團鐵絲絨（見圖5），觀察現象；向盛有硫酸鐵溶液的注射器中推入二氧化硫氣體（見圖6），振蕩，觀察現象；分別寫出相關反應的離子方程式。

圖5 鐵絲絨還原硫酸鐵溶液過程

圖6 SO2還原硫酸鐵溶液過程

實驗現象：加入鐵絲絨后，溶液由血紅色變為淺綠色；推入二氧化硫氣體，溶液由黃色迅速變為紅褐色。紅褐色溶液放置一段時間后溶液顏色變為淺綠色（課前實驗，課中對比）。

實驗結論：鐵、二氧化硫均能還原硫酸鐵溶液。

【交流并展示成果】根據實驗現象分析反應原理，用離子方程式表征化學反應，建構物質性質及化學變化認知模型如圖7。

圖7 物質性質及化學變化認知模型

【信息卡】工業上用硫鐵礦還原硫酸鐵溶液。

【學生評價】通過對比實驗，能深入認知SO2的還原性，但疑惑于SO2通入硫酸鐵溶液后，溶液瞬間變為紅褐色，一段時間后變為淺綠色。

設計意圖：通過分組實驗，對比鐵、SO2還原硫酸鐵溶液，深化對SO2還原性的認知，提升符號表征能力。

任務4：制備并驗證SO2的性質，建構物質制備及性質驗證的實驗模型

基于以上建構模型的遞進關系，引導學生創新實驗，設計實驗方案，實施SO2制備及性質驗證的綜合實驗。SO2分別通入氯化鐵溶液、硫酸鐵溶液，對比觀察現象，并檢驗SO2被三價鐵氧化的產物。

【問題】SO2的化學性質有哪些？SO2被氧化成什么？如何檢驗？多余的SO2如何處理？

【師生共同實驗】利用課前搭建好的實驗裝置進行實驗，實驗裝置如圖8。為了排除硫酸根離子的干擾，檢驗SO2與三價鐵離子反應的產物，用氯化鐵溶液和硫酸鐵溶液做對比實驗，取通入SO2后的溶液，先做丁達爾效應實驗，再滴加稀鹽酸酸化，后滴加氯化鋇溶液；觀察、記錄實驗現象如圖9，得出實驗結論。

圖8 SO2制備、性質驗證綜合裝置

圖9 SO2與氯化鐵溶液反應過程及產物檢驗過程

儀器與藥品：具支試管、注射器、導管、乳膠管、止水夾、干燥管、燒杯、濾紙條、硫粉、濃硫酸、品紅溶液、紫色石蕊試紙、氫氧化鈉溶液、酚酞、溴百里香酚藍、酸性高錳酸鉀溶液、硫化鈉溶液、稀鹽酸、氯化鋇溶液。

【信息卡】溴百里香酚藍指示劑變色范圍的pH是6.2～7.6，即黃6.2綠7.6藍。根據含溴百里香酚藍的氫氧化鈉溶液顏色的變化判斷尾氣SO2的量。

實驗現象：在加熱下，硫粉先焙化，后與濃硫酸反應產生無色氣體，濕潤紫色石蕊試紙變紅，含酚酞氫氧化鈉溶液的濾紙紅色褪去，含酸性高錳酸鉀溶液的濾紙紫紅色褪去，含品紅溶液的濾紙紅色褪去，氯化鐵溶液和硫酸鐵溶液由黃色變為紅褐色，硫化鈉溶液中產生乳白色沉淀，含溴百里香酚藍的氫氧化鈉溶液依然呈藍色。

實驗結論：濃硫酸具有強氧化性，氧化單質硫，生成SO2氣體；SO2是一種酸性氧化物，具有還原性、漂白性、弱氧化性。

實驗現象：黃色溶液先變為紅褐色，滴加鹽酸后呈淺綠色，滴加氯化鋇溶液后產生白色沉淀，因原溶液中存在Fe3＋或部分Fe2＋被氧化為Fe3＋使沉淀呈黃色。

【查閱文獻】根據氯化鐵、硫酸鐵溶液中通入SO2后呈紅褐色的異常現象，化學興趣小組查閱文獻，收集相關證據。Fe3＋在弱酸性下水解生成膠體Fe（OH）3，溶液由黃棕色變為紅棕色［5］；Fe（OH）3膠粒帶正電荷聚沉SO24-能力強于Cl-［6］；Fe3+與SO2的反應為配位催化氧化自由基反應，生成亞硫酸鐵配合物，該配合物快速發生電子轉移，分解為Fe2+、SO24-［7］；1 mol/L溶液中通入足量SO2，溶液迅速由黃色變為紅褐色，該紅褐色物質為不穩定的中間產物Fe（HSO3）2＋［8］。

實驗結論：氯化鐵和硫酸鐵溶液中Fe3＋會水解，通入SO2后，溶液中溶質含有多種成分，最終Fe3＋被還原為Fe2+，SO2被氧化為SO24-，相關離子方程式為2Fe3＋＋SO2＋2H2O====2Fe2＋＋SO24-＋4H＋。

根據SO2是一種酸性氧化物，可用氫氧化鈉溶液、氨水、純堿溶液吸收；根據SO2具有還原性，可用酸性高錳酸鉀溶液、硫酸鐵溶液吸收；根據SO2具有弱氧化性，可用硫化鈉溶液吸收；綜合考慮綠色化、經濟性、吸收率等，一般選擇堿性溶液吸收SO2。

根據實驗過程、現象，分析與解釋，得出實驗結論過程，建構氣體制備、性質驗證流程認知模型如圖10。

設計意圖：本實驗的目的是加深對SO2性質的認知。在特殊現象基礎上培養學生查閱文獻查找相關證據的能力，發展學生建構氣體制備及性質驗證認知模型的能力。

任務5：基于含硫物質之間轉化關系，建構價類二維認知模型

【學生活動并展示成果】基于硫鐵礦燒渣酸浸還原制備硫酸亞鐵和含硫物質之間轉化的綜合實驗，根據含硫物質中硫元素的價態和物質類別，建構常見含硫物質的價類二維認知模型如圖11。

圖11 含硫物質轉化價類二維認知模型

設計意圖：建立價類二維認知模型，能從類別角度認識同類物質具有相似的化學性質，從價態角度加深理解氧化還原反應的規律，發展學生化學學科思維能力。

六、教學反思

以真實工業生產硫鐵礦燒渣酸浸還原制備硫酸亞鐵為主線，借助驅動性問題，對比學習濃、稀硫酸性質、二氧化硫性質。基于實驗證據，建構含硫物質之間的轉化關系認知模型，培養“模型認知”的化學學科核心素養。在建構認知模型過程中，深度理解物質的性質，學會利用二氧化硫性質進行脫硫，形成性質決定用途的觀念，認識環境保護的重要性，養成學習化學正確的價值觀，進而發展“社會責任”意識，落實立德樹人。