楊玉芬

（杭州市富陽區(qū)江南中學(xué) 浙江 杭州 311400）

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》重視開展“素養(yǎng)為本”的教學(xué)，倡導(dǎo)真實(shí)問題情境的創(chuàng)設(shè)，開展以實(shí)驗(yàn)為主的多種探究活動(dòng)。［1］教師在開展元素化合物教學(xué)活動(dòng)時(shí)，積極為學(xué)生創(chuàng)設(shè)真實(shí)、陌生、有價(jià)值的STSE 問題情境，開展項(xiàng)目式教學(xué)（project based learning），引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用分類概括、證據(jù)與推理、模型與解釋、符號(hào)與表征等活動(dòng)形式，把“情境”“問題”和“學(xué)生活動(dòng)”融為一體。［2］在問題解決中彰顯化學(xué)知識(shí)的功能價(jià)值，促進(jìn)學(xué)生化學(xué)核心素養(yǎng)的發(fā)展。

一、項(xiàng)目主題內(nèi)容分析

1.項(xiàng)目?jī)?nèi)容分析和功能價(jià)值分析

火柴頭中成分的檢驗(yàn)是蘇教版選擇性必修“實(shí)驗(yàn)化學(xué)”中的重要實(shí)驗(yàn)，新人教版中沒有涉及這塊內(nèi)容，但火柴頭貼近生活，其中火柴頭中硫元素的檢驗(yàn)與SO2的化學(xué)性質(zhì)緊密相關(guān)。人教版高中化學(xué)必修二第五章第一節(jié)硫及其化合物涉及的硫元素又是典型的非金屬元素，S和SO2是重要的無機(jī)物，是幫助學(xué)生從物質(zhì)類別、價(jià)態(tài)角度認(rèn)識(shí)物質(zhì)性質(zhì)的重要載體，是幫助學(xué)生建構(gòu)元素觀、分類觀、變化觀、轉(zhuǎn)化觀的重要媒介。SO2的化學(xué)性質(zhì)探究是彰顯科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)，科學(xué)態(tài)度與社會(huì)責(zé)任等化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的重要素材。［3］項(xiàng)目以火柴頭為載體，引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)方案，將SO2的化學(xué)性質(zhì)核心知識(shí)與火柴頭中硫元素的檢驗(yàn)真實(shí)情境相結(jié)合，注重認(rèn)識(shí)思路的結(jié)構(gòu)化和外顯化，形成元素化合物學(xué)習(xí)的認(rèn)知模型。為后面硫酸、硫及其化合物相互轉(zhuǎn)化、氮及其化合物學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。

2.項(xiàng)目主體學(xué)情分析

在知識(shí)儲(chǔ)備上，學(xué)生已學(xué)習(xí)了Na、Cl、Fe、Al 等元素化合物內(nèi)容，具備元素化合物學(xué)習(xí)的一般思路和方法的基礎(chǔ)，已經(jīng)掌握了物質(zhì)的分類、轉(zhuǎn)化、氧化還原反應(yīng)等理論，具有一定的化學(xué)觀念和理論基礎(chǔ)。

在能力儲(chǔ)備上，通過問題式教學(xué)和探究式教學(xué)的開展，學(xué)生已具備了科學(xué)探究的基本思路和觀察分析能力，實(shí)驗(yàn)操作能力。

學(xué)生雖具有一定的知識(shí)、能力、素養(yǎng)儲(chǔ)備，但在真實(shí)情境中缺乏對(duì)其復(fù)雜性做出全面合理的證實(shí)分析，故在項(xiàng)目式教學(xué)中需要教師引導(dǎo)，共同探討。

二、項(xiàng)目教學(xué)目標(biāo)

（1）通過查閱火柴頭的主要成分，掌握收集資料和查找文獻(xiàn)的方法，學(xué)會(huì)自主學(xué)習(xí)。

（2）設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)火柴頭中的硫元素，了解科學(xué)探究的一般過程和方法。在檢驗(yàn)火柴頭中的硫元素及探究SO2的主要化學(xué)性質(zhì)項(xiàng)目任務(wù)中，建構(gòu)元素化合物學(xué)習(xí)的認(rèn)知模型。

（3）通過開展SO2和氯氣漂白性微型化對(duì)比實(shí)驗(yàn)，了解不同的漂白原理，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)綠色化設(shè)計(jì)。利用手持pH傳感器探究SO2的還原性，將信息技術(shù)與化學(xué)實(shí)驗(yàn)有機(jī)融合。

三、項(xiàng)目設(shè)計(jì)思路、項(xiàng)目任務(wù)及教學(xué)流程

新課標(biāo)對(duì)主題2：常見的無機(jī)物及其應(yīng)用有明確的學(xué)業(yè)要求，本項(xiàng)目在落實(shí)該要求基礎(chǔ)上，以發(fā)展化學(xué)學(xué)科素養(yǎng)為導(dǎo)向，設(shè)計(jì)STSE 真實(shí)情境，通過實(shí)驗(yàn)探究和拓展性活動(dòng)，整體設(shè)計(jì)思路和框架見圖1。［4］

圖1 火柴頭中硫元素（S和SO2）整體設(shè)計(jì)思路

為達(dá)成項(xiàng)目設(shè)計(jì)意圖和知識(shí)、能力、素養(yǎng)培養(yǎng)目標(biāo)，項(xiàng)目任務(wù)及教學(xué)流程見表1。［5］

表1 項(xiàng)目任務(wù)及教學(xué)流程

四、項(xiàng)目實(shí)施過程及學(xué)生學(xué)習(xí)成果

1.課前任務(wù)1：查閱資料，明確火柴頭的成分

【學(xué)生】通過上網(wǎng)查找資料。

2.課中任務(wù)2：設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，檢驗(yàn)火柴頭中硫元素

【教師】有哪些方法檢驗(yàn)火柴頭中含有硫元素？

請(qǐng)同學(xué)們點(diǎn)燃火柴，并結(jié)合煙花爆竹燃放過程的生活體驗(yàn)，歸納S單質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)及二氧化硫的物理性質(zhì)。

（1）硫單質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)見圖2

圖2 硫原子結(jié)構(gòu)、硫單質(zhì)性質(zhì)及應(yīng)用

【學(xué)生】S能被O2氧化，體現(xiàn)S單質(zhì)具有還原性，生成的SO2具有刺激性氣味。

（2）二氧化硫的物理性質(zhì)

【教師】SO2的物理性質(zhì)還有哪些？請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)探究SO2的溶解性。

【學(xué)生交流討論】

方案1：將收集滿二氧化硫氣體的試管倒扣在水槽中，觀察液面高度。

方案2：針筒中收集40 mL 二氧化硫氣體，吸入10 mL水。

方案3：礦泉水瓶中收集滿二氧化硫氣體，用注射器往礦泉水瓶中注水。

教師引導(dǎo)學(xué)生對(duì)上述實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行評(píng)價(jià)，方案3設(shè)計(jì)環(huán)保綠色化，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯可觀。按照實(shí)驗(yàn)3完成實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見圖3。

圖3 二氧化硫溶解性實(shí)驗(yàn)探究

【教師】由于火柴燃燒產(chǎn)生的SO2氣體中含有CO2等雜質(zhì)氣體，所以，上述實(shí)驗(yàn)只能部分證明SO2的溶解性。

（3）二氧化硫的化學(xué)性質(zhì)

【教師】結(jié)合已學(xué)內(nèi)容，從物質(zhì)類別、價(jià)態(tài)角度設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)證明火柴頭中含有硫元素？并畫出可能的實(shí)驗(yàn)裝置圖。

學(xué)生分組討論，教師進(jìn)行個(gè)別指導(dǎo)。

【學(xué)生匯報(bào)討論結(jié)果1】點(diǎn)燃火柴，收集產(chǎn)生的SO2進(jìn)行檢驗(yàn)。從物質(zhì)類別的角度分析SO2屬于酸性氧化物，可以用指示劑、pH 傳感器定量測(cè)定水溶液呈酸性。

【學(xué)生匯報(bào)討論結(jié)果2】點(diǎn)燃火柴，收集產(chǎn)生的SO2進(jìn)行檢驗(yàn)。從價(jià)態(tài)角度分析SO2具有氧化性，可以與強(qiáng)還原劑發(fā)生反應(yīng)。

【學(xué)生匯報(bào)討論結(jié)果3】點(diǎn)燃火柴，收集產(chǎn)生的SO2進(jìn)行檢驗(yàn)。從價(jià)態(tài)角度分析SO2具有還原性，可以用酸性高錳酸鉀溶液或氯水進(jìn)行檢驗(yàn)。

【教師】SO2能對(duì)食品進(jìn)行“化妝”，能美白紙張和草帽（見圖4），體現(xiàn)了什么性質(zhì)？

圖4 二氧化硫能對(duì)食品、草帽、紙漿進(jìn)行“美白化妝”

【學(xué)生】SO2具有漂白性

【學(xué)生匯報(bào)討論結(jié)果4】點(diǎn)燃火柴，收集產(chǎn)生的SO2進(jìn)行檢驗(yàn)。SO2具有漂白性，用品紅溶液進(jìn)行檢驗(yàn)。

【教師評(píng)價(jià)】實(shí)驗(yàn)方案都設(shè)計(jì)得不錯(cuò)，如何將火柴燃燒后的SO2進(jìn)行收集呢？畫出可能的裝置圖。

【學(xué)生交流討論】①可以把燃燒著的火柴伸到盛有高錳酸鉀的溶液中，塞緊橡膠塞。

②用兩個(gè)燒杯相扣，將點(diǎn)燃的火柴塞進(jìn)兩只燒杯空隙處。

③將點(diǎn)燃的氣體用針筒抽到溶液中。

④用大小套管進(jìn)行收集氣體。學(xué)生設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)裝置匯總見圖5。

圖5 火柴燃燒產(chǎn)生的SO2氣體收集裝置和檢驗(yàn)裝置

【教師提示與評(píng)價(jià)】上述裝置有何缺陷？能不能設(shè)計(jì)出操作簡(jiǎn)便現(xiàn)象明顯，試劑用量較少的實(shí)驗(yàn)裝置。

【教師和學(xué)生共同討論匯總】燃燒后的二氧化硫氣體可以收集在西林瓶里，實(shí)驗(yàn)可以直接在西林瓶里完成或在注射器中完成，節(jié)約試劑，綠色環(huán)保。

3.課中任務(wù)3：動(dòng)手實(shí)驗(yàn)，探究SO2的化學(xué)性質(zhì)

根據(jù)完善好的實(shí)驗(yàn)方案和實(shí)驗(yàn)裝置開展實(shí)驗(yàn)，記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，做出合理解釋，得出結(jié)論見表2。

表2 學(xué)生動(dòng)手實(shí)驗(yàn)過程、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象分析及實(shí)驗(yàn)結(jié)論

【宏微結(jié)合】請(qǐng)用化學(xué)用語解釋反應(yīng)現(xiàn)象背后的原因，寫出①中發(fā)生的化學(xué)方程式，②③中發(fā)生的離子方程式。

【學(xué)生活動(dòng)】①SO2+H2OH2SO3

②SO2+2S2-+4H+=3S↓+2 H2O

③5SO2+2MnO-4+2H2O5SO24-+2Mn2++4H+

【教師提問】SO2具有還原性能使酸性高錳酸鉀溶液和氯水褪色，SO2能否被H2O2氧化？請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)證明。

【學(xué)生活動(dòng)】分組交流討論實(shí)驗(yàn)方案，匯報(bào)結(jié)果。

【方案1】該反應(yīng)沒有明顯現(xiàn)象，可以通過檢驗(yàn)產(chǎn)生SO2-4，證明反應(yīng)發(fā)生。用針筒取2 mL西林瓶中的二氧化硫水溶液，抽取1 mL H2O2溶液和1 mL 1 mol/L鹽酸，再取1 mL BaCl2，觀察現(xiàn)象。

【學(xué)生匯報(bào)討論結(jié)果2】可以取反應(yīng)后的溶液測(cè)定pH。

【學(xué)生1評(píng)價(jià)】方案二有問題，SO2水溶液和H2O2、H2SO4都顯酸性。

【學(xué)生2提出新方案】可以測(cè)定前后酸性變化來證明反應(yīng)發(fā)生。

【方案2】可用pH傳感器定量測(cè)定整個(gè)過程pH變化情況，實(shí)驗(yàn)過程及現(xiàn)象見圖6。

圖6 用pH傳感器定量測(cè)定SO2水溶液中滴加H2O2的pH變化

【教師】SO2能使品紅溶液褪色是體現(xiàn)SO2具有漂白性，前面我們學(xué)習(xí)過濕潤(rùn)的氯氣具有漂白性，兩者漂白原理是否一致？請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)對(duì)比說明。

【教師與學(xué)生共同討論實(shí)驗(yàn)方案】

用針筒分別取2 mL 二氧化硫水溶液和氯水，注入到盛有1 mL 品紅溶液的西林瓶中。加熱西林瓶，觀察現(xiàn)象（見圖7）。

圖7 二氧化硫水溶液和氯水分別與品紅溶液反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

【根據(jù)現(xiàn)象，得出結(jié)論】氯氣與水生成HClO，具有強(qiáng)氧化性，使品紅褪色，加熱，不恢復(fù)紅色。

【SO2漂白原理】SO2與某些有色物質(zhì)結(jié)合生成了不穩(wěn)定的無色物質(zhì)，這種無色物質(zhì)受熱容易分解而使有色物質(zhì)恢復(fù)原來的顏色。

（4）課后任務(wù)4：繪制手抄報(bào)或思維導(dǎo)圖，構(gòu)建元素化合物認(rèn)知模型

結(jié)合對(duì)二氧化硫的探究，繪制手抄報(bào)或思維導(dǎo)圖，整理歸納學(xué)習(xí)元素化合物內(nèi)容的角度。學(xué)生作品見圖8。

圖8 學(xué)生作品

創(chuàng)設(shè)火柴頭中硫元素檢驗(yàn)為真實(shí)生活情境，從S元素結(jié)構(gòu)出發(fā)，SO2的化學(xué)性質(zhì)為主線展開深度探究，構(gòu)建元素化合物認(rèn)知思維模型見圖9，并建構(gòu)基于證據(jù)—推理—實(shí)驗(yàn)—驗(yàn)證的學(xué)習(xí)模型。為后續(xù)第五章第二節(jié)氮及其化合物和陌生物質(zhì)的學(xué)習(xí)提供學(xué)習(xí)模型和思維方法。

圖9 元素化合物認(rèn)知思維模型

五、項(xiàng)目教學(xué)反思及改進(jìn)措施

1.項(xiàng)目式教學(xué)，有利于化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的培育

實(shí)踐證明，“項(xiàng)目式學(xué)習(xí)”是一種有利于化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的培育的行動(dòng)模式［6］。本項(xiàng)目選擇火柴頭為真實(shí)情境，采用項(xiàng)目式學(xué)習(xí)對(duì)火柴頭中的硫元素進(jìn)行檢驗(yàn)，通過設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，從結(jié)構(gòu)、類別、價(jià)態(tài)、特性等角度探究二氧化硫的化學(xué)性質(zhì)，最后通過梳理歸納元素化合物學(xué)習(xí)的認(rèn)識(shí)角度和認(rèn)知模型。學(xué)生在完成一系列項(xiàng)目任務(wù)活動(dòng)后：從知識(shí)獲取層面來看，知道S元素從結(jié)構(gòu)角度具有得電子能力，能與金屬反應(yīng)，SO2具有酸性氧化物的性質(zhì)、氧化性、還原性和漂白性等性質(zhì)。從能力培養(yǎng)角度來看，通過SO2和HClO漂白性實(shí)驗(yàn)的對(duì)比，知道設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)是要控制變量和對(duì)照實(shí)驗(yàn)，形成科學(xué)的實(shí)驗(yàn)思維和研究方法；通過設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)火柴頭中的硫元素并優(yōu)化實(shí)驗(yàn)方案，培養(yǎng)了運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決生活中實(shí)際問題的學(xué)科關(guān)鍵能力［7］。從素養(yǎng)發(fā)展層面來看，利用西林瓶、針筒、礦泉水瓶、pH傳感器等實(shí)驗(yàn)儀器的改進(jìn)，培育了勇于創(chuàng)新的科學(xué)精神，實(shí)踐了基于實(shí)驗(yàn)證據(jù)進(jìn)行定性或定量推理的過程。項(xiàng)目式教學(xué)相比傳統(tǒng)教學(xué)更具有開放性和實(shí)踐性，有利于發(fā)展遷移創(chuàng)新能力，有利于發(fā)展“證據(jù)推理”和“科學(xué)態(tài)度與社會(huì)責(zé)任”等學(xué)科素養(yǎng)。今后常規(guī)教學(xué)中要開發(fā)與教材相關(guān)，緊密聯(lián)系生產(chǎn)生活的項(xiàng)目，幫助學(xué)生從真實(shí)情境中發(fā)現(xiàn)化學(xué)問題，在解決實(shí)際問題中提升化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

2.項(xiàng)目實(shí)施過程存在的改進(jìn)建議

本項(xiàng)目對(duì)學(xué)生能力和知識(shí)儲(chǔ)備要求較高，較適宜高一選考學(xué)生參與。高一選考學(xué)生基礎(chǔ)較差，化學(xué)興趣不高，實(shí)驗(yàn)探究能力參差不齊，在項(xiàng)目進(jìn)展中遇到較大困難，需要教師細(xì)化項(xiàng)目任務(wù)和角色分工，盡量讓人人參與。本項(xiàng)目可結(jié)合使用Na2SO3與濃H2SO4反應(yīng)制備的SO2進(jìn)行SO2物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)的探究實(shí)驗(yàn)，并與火柴燃燒產(chǎn)生的SO2氣體開展實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象和結(jié)果比較。說明火柴頭燃燒產(chǎn)生的SO2氣體中雜質(zhì)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響程度，從而更好地培養(yǎng)學(xué)生辯證、客觀、全面地分析問題和解決問題的能力。本項(xiàng)目注重科學(xué)探究過程，教學(xué)過程中要強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)儀器、實(shí)驗(yàn)操作、實(shí)驗(yàn)報(bào)告等方面的指導(dǎo)，鼓勵(lì)項(xiàng)目小組組內(nèi)要團(tuán)結(jié)協(xié)作，組間競(jìng)爭(zhēng)，有效保障學(xué)習(xí)效率。