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(xué) 2.北京市第八十中學(xué))

依據(jù)教學(xué)主題和學(xué)科大觀念創(chuàng)建真實的問題情境,通過大單元教學(xué)帶領(lǐng)學(xué)生進(jìn)行系列探究活動以培養(yǎng)學(xué)生解決問題的能力,是化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)落地的重要渠道.在元素化合物教學(xué)中,許多教師認(rèn)為元素化合物知識龐雜、瑣碎;學(xué)生普遍認(rèn)為元素化合物內(nèi)容描述性知識及化學(xué)反應(yīng)方程式繁多雜亂,碰到陌生物質(zhì)和真實復(fù)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(xué)過程中往往更關(guān)注知識的傳授而輕視模型建構(gòu)和能力的培養(yǎng),著眼于課時教學(xué),處于“就事論事”水平,很難發(fā)展學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng).發(fā)展學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的教學(xué)應(yīng)專注“一單元一得”,發(fā)展學(xué)生的學(xué)科大觀念.本文以“硫及其化合物”為例對元素化合物進(jìn)行大單元教學(xué),以真實情境“是否有必要建設(shè)一座硫酸工廠”為載體,并與社會性科學(xué)議題結(jié)合,完成“含硫物質(zhì)及其轉(zhuǎn)化”認(rèn)知模型的建構(gòu)與進(jìn)階,使化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)落地,發(fā)展學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng).

1 教學(xué)內(nèi)容及相關(guān)研究

“硫及其環(huán)境保護”位于蘇教版高中化學(xué)(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(yīng)用”,作為典型的非金屬及其化合物,要求學(xué)生結(jié)合真實情境中的應(yīng)用實例或通過實驗探究,了解其重要化合物的主要性質(zhì)及其相互轉(zhuǎn)化,主要包括硫單質(zhì)、二氧化硫、硫酸等,認(rèn)識這些物質(zhì)在生產(chǎn)、生活中的應(yīng)用和對生態(tài)環(huán)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(zhì)”“含硫物質(zhì)的相互轉(zhuǎn)化”“硫酸型酸雨的形成、危害和防治”三部分,構(gòu)建含硫物質(zhì)轉(zhuǎn)化模型后應(yīng)用該模型解決實際問題.

硫及其化合物現(xiàn)有單元教學(xué)設(shè)計部分以實驗探究為主,或通過創(chuàng)設(shè)真實問題情境進(jìn)行大單元教學(xué).很多教學(xué)設(shè)計雖以建立一座硫酸工廠問題入手,但留給學(xué)生思辨的空間較小,本設(shè)計以提出大任務(wù)——是否有必要建設(shè)一座硫酸工廠,并與社會性科學(xué)議題結(jié)合,給學(xué)生充分的思辨空間,更有利于提高學(xué)生的社會責(zé)任感,落實化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng).

2 大單元主題與創(chuàng)新點

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

本大單元設(shè)計具有以下創(chuàng)新點:

1)本大單元教學(xué)為學(xué)生創(chuàng)設(shè)真實情境,增強化學(xué)與生活、生產(chǎn)實際的聯(lián)系,讓學(xué)生深刻了解化學(xué)與社會之間的緊密聯(lián)系,讓學(xué)生活動從“做題”轉(zhuǎn)化到“做事”,在解決問題的過程中發(fā)展核心素養(yǎng),為教材中“含硫物質(zhì)及其轉(zhuǎn)化”相關(guān)內(nèi)容編排提出建議.

2)將大單元教學(xué)與社會性科學(xué)議題結(jié)合.社會性科學(xué)議題是指與科技相關(guān)的社會問題,具有社會性、開放性、倫理性、科學(xué)性等特點,是發(fā)展學(xué)生終身受用的“功能性”科學(xué)素養(yǎng)的重要渠道,也是破解當(dāng)前教育中知識、能力、情感態(tài)度價值觀中“割裂的”“靜止的”科學(xué)素養(yǎng)教育的重要途徑.本課例第4課時探討“是否有必要建設(shè)一座硫酸工廠”讓學(xué)生直面復(fù)雜、開放且充滿爭議的問題,為學(xué)生創(chuàng)造開放、自由的思考環(huán)境,通過真實情境將科學(xué)理解與應(yīng)用、科學(xué)思維與實踐和科學(xué)態(tài)度與責(zé)任有機融合.

3)“含硫物質(zhì)及其轉(zhuǎn)化”模型的建構(gòu)與進(jìn)階.學(xué)生在解決實際問題過程中自主建構(gòu)指向硫元素“價—類”二維圖的典型含硫物質(zhì)性質(zhì)靜態(tài)模型、指向物質(zhì)變化與守恒的含硫物質(zhì)相互轉(zhuǎn)化動態(tài)模型、指向科學(xué)態(tài)度與社會責(zé)任的應(yīng)用模型,并與社會性科學(xué)議題結(jié)合作出科學(xué)決策.認(rèn)知模型進(jìn)階過程符合記憶、理解、應(yīng)用、分析、評價、創(chuàng)造進(jìn)階過程,各課時建構(gòu)認(rèn)知模型如圖2所示.

圖2 大單元認(rèn)知模型進(jìn)階

3 學(xué)情分析

3.1 學(xué)生已有知識與能力

根據(jù)高中化學(xué)蘇教版(2019年版)教材編排順序,高一學(xué)生現(xiàn)階段已經(jīng)學(xué)習(xí)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(yīng)和氧化還原反應(yīng)兩大核心基本概念,對“價—類”二維圖在物質(zhì)元素學(xué)習(xí)中的應(yīng)用有了初步認(rèn)識,為“含硫物質(zhì)及其相互轉(zhuǎn)化”的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ).

3.2 學(xué)生學(xué)習(xí)障礙點

學(xué)生在專題3中學(xué)習(xí)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(zhì)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(tài)非金屬元素,但在生產(chǎn)、生活中缺少利用氧化還原反應(yīng)將氯元素由低價態(tài)逐步氧化到最高價態(tài)的應(yīng)用模型,因此在完成設(shè)計并驗證制備硫酸轉(zhuǎn)化路徑任務(wù)時具有一定障礙.學(xué)生在設(shè)計實驗驗證轉(zhuǎn)化路徑和典型含硫物質(zhì)性質(zhì)時,需要有較高的動手能力、探究能力和證據(jù)意識,尤其是在第一課時驗證硫的弱氧化性時,設(shè)計實驗和實驗操作對學(xué)生來說有很大挑戰(zhàn).本大單元教學(xué)緊貼生產(chǎn)、生活實際,需要學(xué)生將實際問題轉(zhuǎn)化為化學(xué)問題,利用化學(xué)知識尋找并驗證轉(zhuǎn)化路徑,再與實際生產(chǎn)、生活結(jié)合作出科學(xué)決策,但學(xué)生的遷移能力、解決實際問題等能力不足.本大單元教學(xué)與社會性科學(xué)議題結(jié)合,探究過程非常開放,尤其是在第3課時根據(jù)信息設(shè)計制備硫酸主要設(shè)備和流程、第4課時探討“是否有必要建設(shè)一座硫酸工廠”時,學(xué)生的創(chuàng)新能力、質(zhì)疑能力有待提高.

3.3 學(xué)生學(xué)習(xí)發(fā)展點

本專題的核心知識為重要含硫物質(zhì)的性質(zhì)及相互轉(zhuǎn)化,進(jìn)一步完善非金屬元素研究模型,并在探究過程中發(fā)展學(xué)生的證據(jù)意識和嚴(yán)謹(jǐn)求實的科學(xué)態(tài)度.通過完成“是否有必要建設(shè)一座硫酸工廠”這一大項目,讓學(xué)生將化學(xué)知識與實際情境結(jié)合解決實際問題,發(fā)展學(xué)生的探索能力、質(zhì)疑精神和社會責(zé)任感,認(rèn)識到化學(xué)對人類生存發(fā)展的重大意義.

4 單元教學(xué)目標(biāo)

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(zhuǎn)化過程中硫元素守恒,但化合價和存在形式發(fā)生變化.引導(dǎo)學(xué)生在硫酸制備過程中感受化學(xué)變化中物質(zhì)的變化與守恒.

4.2 證據(jù)推理與模型認(rèn)知

1)完善從物質(zhì)類別和元素化合價角度預(yù)測物質(zhì)性質(zhì)的思維模型和元素化合物轉(zhuǎn)化模型;能根據(jù)對物質(zhì)性質(zhì)猜測設(shè)計實驗驗證猜想,發(fā)展學(xué)生的證據(jù)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(zhì)的性質(zhì),建構(gòu)靜態(tài)模型并實現(xiàn)模型進(jìn)階,建構(gòu)相互轉(zhuǎn)化的動態(tài)模型,并在解決問題的過程中建構(gòu)應(yīng)用模型.

4.3 科學(xué)探究與創(chuàng)新意識

在教學(xué)中滲透化工技術(shù)思維,激發(fā)學(xué)生的科學(xué)探索精神,鼓勵學(xué)生探究硫酸制備工藝,培養(yǎng)學(xué)生敢于質(zhì)疑的精神和創(chuàng)新意識.

4.4 科學(xué)態(tài)度與社會責(zé)任

通過本單元的學(xué)習(xí),了解化學(xué)和生產(chǎn)、生活之間的密切聯(lián)系,加強學(xué)生對化學(xué)造福人類的理解.與社會性科學(xué)議題結(jié)合,發(fā)展學(xué)生可持續(xù)發(fā)展、綠色化學(xué)等觀念.

5 教學(xué)流程

課時1 尋找原料

[創(chuàng)設(shè)情境]提出大單元總?cè)蝿?wù):是否有必要建設(shè)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(xiàn)公司需擴大規(guī)模,硫酸作為電解法精煉銅的重要原料,為節(jié)省硫酸的購買和運輸成本,“是否有必要建設(shè)一座硫酸工廠”被董事會提上日程.現(xiàn)需根據(jù)尋找合適原料、設(shè)計轉(zhuǎn)化路徑、減少污染等方面進(jìn)行合理規(guī)劃,并廣泛征集當(dāng)?shù)馗飨嚓P(guān)部門和行業(yè)的意見.

學(xué)生活動:閱讀資料,了解本單元的任務(wù)——結(jié)合實際情況探討“是否有必要建設(shè)一座硫酸工廠”,將實際問題轉(zhuǎn)化為化學(xué)問題.

[任務(wù)1]尋找制備硫酸的原料并設(shè)計轉(zhuǎn)化路徑.

[資料2]自然界的硫循環(huán).

學(xué)生活動:

以小組為單位,展示硫元素“價—類”二維圖,并應(yīng)用氧化還原反應(yīng)設(shè)計制備硫酸的轉(zhuǎn)化路徑.

[任務(wù)2]通過探究硫和硫化氫的性質(zhì),討論低價態(tài)的硫元素是否可以轉(zhuǎn)化為SO2.

學(xué)生活動:從化合價和物質(zhì)類別等角度預(yù)測硫的性質(zhì),并設(shè)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(xué)習(xí)反饋:通過所學(xué)知識和方法對二者性質(zhì)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(zhì)類別進(jìn)行預(yù)測,硫?qū)儆诜墙饘賳钨|(zhì),類比氯氣的性質(zhì);硫化氫屬于二元弱酸,類比碳酸的性質(zhì).

3)設(shè)計方案并進(jìn)行實驗驗證.

[任務(wù)3]閱讀資料了解各種礦產(chǎn)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(xué)生活動:從含硫礦藏的分布、價格、工藝流程、設(shè)備等實際角度,了解工業(yè)上制硫酸應(yīng)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(wù)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(chǎn)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(xué)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(wù)2]閱讀資料了解SO2在紅酒中的作用,對其性質(zhì)進(jìn)行預(yù)測.

[資料3]紅酒中的SO2有殺菌消毒、抗氧化、穩(wěn)定色澤、調(diào)節(jié)酸度、與硫化氫反應(yīng)調(diào)節(jié)口感等作用.

學(xué)生活動:預(yù)測SO2的性質(zhì).

學(xué)習(xí)反饋:通過SO2在紅酒中的作用對其性質(zhì)進(jìn)行如下推測:

1)殺菌消毒:水溶性、調(diào)節(jié)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(yīng)調(diào)節(jié)口感:氧化性.

[任務(wù)3]設(shè)計實驗驗證SO2的性質(zhì).

[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(xué)生活動:設(shè)計實驗驗證SO2的性質(zhì).

學(xué)習(xí)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(xù)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(fù).

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(xiàn)象.

課時3 探秘硫酸工廠

[任務(wù)1]探究濃硫酸的特質(zhì).

[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(xiàn)象.

學(xué)生活動:掌握濃硫酸的特性.

學(xué)習(xí)反饋:根據(jù)實驗現(xiàn)象總結(jié)濃硫酸具有強氧化性、脫水性、吸水性.

[任務(wù)2]閱讀資料,結(jié)合濃硫酸的性質(zhì),根據(jù)轉(zhuǎn)化路徑掌握制取硫酸的流程、設(shè)備、要點.

[資料1]SO2和O2的反應(yīng)通常在常壓、以五氧化二釩(V2O5)作催化劑的條件下進(jìn)行,此反應(yīng)為可逆反應(yīng),增大氧氣濃度有利于提高SO2的轉(zhuǎn)化率.V2O5在450 ℃時活性最高,且反應(yīng)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(chǎn)生酸霧.

學(xué)生活動:根據(jù)濃硫酸的性質(zhì)和資料設(shè)計工業(yè)制硫酸的流程.

課時4 探討“是否有必要建設(shè)一座硫酸工廠”

[資料1]某公司所在的地理位置,現(xiàn)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(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中環(huán)境空氣功能區(qū)分類及SO2質(zhì)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(shù)及優(yōu)缺點.

[資料5]電化學(xué)脫硫方法和裝置.

[資料6]硫酸工廠生產(chǎn)污水處理站“零”排放工藝設(shè)計應(yīng)用.

[任務(wù)1]確定角色,收集資料.

學(xué)生活動:根據(jù)興趣讓學(xué)生分為環(huán)保部門、文化和旅游部門、食品藥品行業(yè)、公司相關(guān)項目負(fù)責(zé)人、政府及當(dāng)?shù)厝罕?選擇5名學(xué)生成立“專家”小組,在論證過程中進(jìn)行科學(xué)信息引導(dǎo),把控論證方向.

學(xué)習(xí)反饋:根據(jù)興趣自行結(jié)組,從所在組角色出發(fā)收集資料,形成觀點.

[任務(wù)2]立論陳詞,亮明觀點.

學(xué)生活動:每小組選出代表對本組觀點進(jìn)行陳述,給出支持本組觀點的證據(jù).

[任務(wù)3]深入論證,分析利弊.

學(xué)生活動:深入探討如何避免或降低建設(shè)硫酸工廠產(chǎn)生的危害,利用化學(xué)知識解決問題.

[任務(wù)4]權(quán)衡利弊,科學(xué)決策.

學(xué)生活動:綜合分析利弊和改進(jìn)措施,權(quán)衡利弊,作出科學(xué)決策.

[總結(jié)]邀請相關(guān)部門和行業(yè)人員為學(xué)生進(jìn)行點評.

6 教學(xué)效果及反思

學(xué)生在“是否建設(shè)一座硫酸工廠”大單元的學(xué)習(xí)過程中產(chǎn)生了較高的學(xué)習(xí)興趣,以“價—類”二維圖為載體形成了含硫物質(zhì)及其轉(zhuǎn)化完整的知識結(jié)構(gòu),并應(yīng)用硫及其化合物模型解決實際問題,讓化學(xué)更“接地氣”.在籌備和參與“是否建設(shè)一座硫酸工廠”會議過程中,學(xué)生之間合作能力較強,準(zhǔn)備充足,論點充分,能較好地將化學(xué)知識和實際情況結(jié)合,利用化學(xué)知識解決實際問題,辯證思維、表達(dá)能力等均有所發(fā)展,可持續(xù)發(fā)展理念和綠色化學(xué)理念均有提升.本課例將大單元教學(xué)與社會性科學(xué)議題結(jié)合,幫助學(xué)生自主建構(gòu)含硫物質(zhì)及其相互轉(zhuǎn)化認(rèn)知進(jìn)階模型,讓學(xué)生直面相關(guān)社會復(fù)雜問題.化學(xué)教學(xué)在讓學(xué)生“學(xué)有所長”的同時更要“學(xué)有所用”,培養(yǎng)新一代勇?lián)鷼v史使命、用化學(xué)創(chuàng)造美麗中國的“化學(xué)人”.

(完)