高中化学“硫的单质及化合物”的项目式教学

汤群

摘要：  “探究葡萄酒中的二氧化硫”的项目式教学由真实的问题情境引入，分成四个核心任务，以问题为驱动，带领学生进行多样化的活动，对葡萄酒中二氧化硫的作用、制备及含量测定进行探究。在活动过程中，引导学生学会多角度思考问题，自主运用价-类二维的元素化学认知模型解决相关的物质转化问题，让元素化学认知思路结构化，提升研究物质性质与转化的能力，最终形成能迁移应用的问题解决思路和认知模型。

关键词：  项目式教学; 二氧化硫; 价 类二维模型; 认知模型

文章编号：  1005 6629（2022）08 0047 06

中图分类号：  G633.8

文献标识码：  B

《普通高中化学课程标准（2017年版）》（以下简称“课程标准”）提出，化学教学要以发展化学学科核心素养为主旨，重视开展“素养为本”的教学，倡导真实问题情境的创设，重视教学内容的结构化设计，开展以化学实验为主的多种探究活动，激发学生学习化学的兴趣，促进学生学习方式的转变，培养他们的创新精神和实践能力[1]。项目式学习（PBL）是一种系统的学习组织形式，学生通过经历事先精心设计的项目和一连串任务，在复杂、真实和充满问题的学习情境中持续探索和学习，从而获取需要的知识，解决项目中的问题，实现有意义的学习[2]。因此，项目式教学被认为是最具有核心素养融合发展效力的教学方式。本项目式教学是“硫的单质及化合物”单元综合活动课，是对相关的化学知识、认识思路及学科观念进行结构化的一次尝试。本项目对情境、活动和问题解决进行整体设计，通过多样化的活动，促进学生学习方式的转变，激发深度学习，帮助学生在解决“真问题”中培养“真能力”，最终促进学生化学学科核心素养的发展。

1 项目主题内容分析

“硫的单质及化合物”是高中必修课程主题2中“非金属 及其化合物”的主要内容之一，是高中元素 化学的重点内容，涉及的元素化合物种类繁多、性质琐碎、反应规律复杂，导致很多学生前学后忘，产生畏难情绪。以含硫物质家族的核心物质——二氧化硫为“支点”，将次要的非本质的信息滤去，使重要的本质性知识形成清晰的物质相互转化的知识网络，纳入学生已有的知识体系中，撬动本单元的复习，可以大大提高他们学习的有效性。

本项目式教学“探究葡萄酒中的二氧化硫”利用物质类别通性、氧化还原反应、定量实验等核心知识探究二氧化硫在葡萄酒中的作用、制备方法及含量测定等问题。在探究葡萄酒中的二氧化硫的制备方法时，启发学生从价态和物质类别两个角度选取合适的试剂，把其他含硫物质转化为二氧化硫，以培养学生利用价 类二维模型认识物质转化的能力。在制定二氧化硫含量测定方案时，引导学生自主调用价-类二维模型把二氧化硫转化为其他含硫物质进行检验，发展学生对价-类二维模型的迁移应用能力，以解决复杂未知的实际问题，使知识意义化、功能化和素养化。深入理解二氧化硫和其他含硫物质间的相互转化关系，构建物质相互转化的知识网络，使得复杂、细碎的硫的单质及其化合物知识结构化和更具整体性，有利于学生增强“元素观”“分类观”“变化观”等化学观念，提升元素化学的模型认知。此外，本项目可以帮助学生认识到除了大气污染物的身份外，二氧化硫在生产生活中还发挥着众多的积极作用，有利于学生体会化学指导生产生活的学科价值，学会辩证看待含硫物质的“好坏”，培养良好的“科学态度”。

本项目式教学课前布置学生分组自酿葡萄酒，课中设置环环相扣的四个核心任务，分两个课时完成。第1课时探讨葡萄酒中二氧化硫的作用、探究二氧化硫制备方法、制定二氧化硫含量测定方案;第2课时实验测定葡萄酒中二氧化硫含量，可以满足对化学学科有进一步发展需求的学生。本项目中四个核心任务及其涉及的能力活动和知识进阶如图1所示。

2 项目教学目标

（1） 能从物质类别、元素价态的角度，巩固硫的单质及其化合物的性质和转化，提升氧化还原理论的应用，形成结构化的知识体系，感悟通过模型认识物质世界的方法。

（2） 能利用硫的单质及其化合物的性质和转化关系，设计制备、分离、检验等任务方案，通过实验验证，掌握探究物质性质的一般方法，结合真实情境发现问题，分析问题，解决问题。

（3） 了解硫的单质及其化合物的应用对社会发展的价值，提升化学学科认同感，增强社会责任感。

3 项目任务及教学流程

本项目设置四个阶梯式渐进任务，以问题为驱动，以一系列丰富的活动为载体，激发学生的学习兴趣，在活动中把知识转化为能力，实现真实情境下复杂化学问题的解决，最终提升化学学科核心素养。四个核心任务、问题驱动线及活动线如图2所示。

4 项目实施过程主要环节分析

4.1 创设真实问题情境，引出二氧化硫在葡萄酒中不可替代的作用

[学生]展示自酿葡萄酒，分享主要问题（长毛、口感不好，有酸涩味……）。

[教师]展示多种品牌的葡萄酒标签，引导学生找出其中的奥秘。

[学生]发现辅料上都有添加二氧化硫或者偏重亚硫酸钾。

[核心问题]工业制葡萄酒为何要添加二氧化硫或者偏重亚硫酸钾？

[资料1]偏重亚硫酸钾（K2S2O5）的介绍。

[学生]阅读资料， 了解偏重亚硫酸钾在葡萄酒中 最终转化为二氧化硫。

[学生] 查阅文獻，了解二氧化硫在葡萄酒中的作用。

[师生]学习理解二氧化硫的性质和在葡萄酒中用途的关系，总结如图3所示。

设计意图：  让学生课前自酿葡萄酒，通过真实的体验激发学生探究的兴趣。通过问题链，把真实的问题情境转化为学科问题，最后聚焦核心物质二氧化硫。通过探讨二氧化硫在葡萄酒中的作用与其性质的关系，建立物质性质决定用途的化学观念，体会化学与生活紧密相关，感受“从生活走向化学，从化学走向社会”的理念。

4.2 探究制备二氧化硫的原料来源及相应的制备原理

4.2.1 讨论二氧化硫的制备原理及书写相应的化学方程式

[问题]如何在葡萄酒中添加二氧化硫？

[学生]有物理方法（如直接加入液化二氧化硫或充气体）和化学方法。

[核心问题]化学方法中，二氧化硫原料来源有哪些？制备原理是什么？如何才能快速列出各种化学制备方法呢？

[学生]可以利用含硫物质的价-类二维图。

[师生]探讨含硫物质转化为二氧化硫的价-类二维转化思路（图4）。

[教师]根据含硫物质价-类二维的转化思路，写出所用试剂及反应的化学方程式。

[学生] 讨论并完善含硫物质转化为二氧化硫的转化路径，书写所用试剂及方程式，总结如表1所示。

4.2.2 讨论制备二氧化硫方法的优劣性

[核心问题]上述各种制备方法各有哪些优劣性？从原料是否廉价易得、原子利用率高低、制备是否方便等方面思考。

[学生]交流讨论。

[总结]葡萄酒中直接添加液态的二氧化硫操作方便，吸收完全，是当前葡萄酒厂最常用的方法。偏重亚硫酸钾可作为葡萄酒辅料提供二氧化硫，但是它不易保存，易被氧化而失效，目前只有一些规模小的酒厂，图其添加方便仍在使用。

设计意图： 探讨制备葡萄酒中SO2的原料来源及原理，引导学生应用含硫物质价-类二维图，设计其他含硫物质转化为SO2的路径，帮助学生增强价-类二维模型认知能力和变化观念。通过制备原理方程式的书写及制备方法优劣性的探讨，外显学生的思维过程，提升学生多角度看问题的能力，感受化学指导生产生活的意义。

4.3 探究葡萄酒中的二氧化硫含量的测定方案

4.3.1 探讨亚硫酸溶液中二氧化硫含量的测定方法

[资料2]国家标准对葡萄酒中SO2含量的规定[3]。

[资料3] 葡萄酒中二氧化硫含量过多过少的危害[4]。

[学生]阅读资料2和资料3。

[过渡]为确保葡萄酒厂酿制的二氧化硫含量在允许的范围内，出厂前葡萄酒需进行含量检测。

[核心问题]如何定量测定H2SO3溶液中的SO2含量？（若不方便直接测定，可以把该物质转化为其他物质进行测定）

[学生]自主应用含硫物质的价-类二维图，探讨二氧化硫转化为其他含硫物质的转化思路（图5）。

[学生] 讨论并完善测定亚硫酸中SO2含量的反应原理、测定物理量及对应的定量方法，总结如表2所示。

[师生]评价各种测定方法的优劣性。

[总结]利用价 类二维图（图6）探讨二氧化硫和其他含硫物质的相互转化，可以延伸至其他含硫物质间的相互转化，把自然界中的硫转化为生产生活需要的含硫物质，也可以把生产生活中产生的含硫污染物转化为其他含硫物质，消除污染（例如酸雨），甚至变废为宝。

设计意图： 设置探究二氧化硫转化为其他含硫物质与反过来利用其他含硫物质制备二氧化硫的两个核心活动，以二氧化硫为支点，从点到线及面，撬动本单元的复习，把含硫物质的相互转化整体化、结构化和功能化，以提升学生自主运用价-类二维认知模型解决问题的能力。通过师生共同總结含硫物质价-类二维图的广泛应用，让学生认识化学学科的价值，感受其独特的魅力。

4.3.2 探讨葡萄酒中二氧化硫含量的测定方法

[核心问题]葡萄酒中的SO2和亚硫酸水溶液中的SO2含量测定有差异吗？如何优化？

[师生]对比SO2在葡萄酒与亚硫酸中的情境差异并优化测定方案，分析总结如图7所示。

[资料4]食品安全国家标准（食品中二氧化硫的测定）[5]。

[知识拓展]除国家标准采用的滴定法，还可采用离子色谱法、盐酸副玫瑰苯胺紫外分光比色法测定二氧化硫的含量。

设计意图： 对比SO2在葡萄酒与亚硫酸溶液中的情境差异，找出问题解决的关键点，最终优化方案，增强建构解决复杂化学问题的思维能力。通过介绍其他测定二氧化硫的先进化学技术与设备等延伸知识，拓展学生更广阔的视野。

5 教学反思与成果

5.1 项目式教学需设置真实的问题情境

本项目式活动课中设置的四个核心任务都是基于真实的问题情境。真实的问题情境，把知识与实际生活建立起联系，大大激发了学生主动参与探究和解决问题的兴趣。在本项目实践活动中，学生分小组自酿葡萄酒，对成功酿制葡萄美酒并不容易有了亲身的体会。一位学生说“我们小组严格参照网上视频步骤操作，可惜并没有酿成预期的美酒。我们特别想知道怎样才能酿造出理想的葡萄酒”。

本项目设置的四个核心任务，由浅入深、环环相扣，但又具有一定的开放性，把情境体验和知识学习联系起来，让学生浸润在不断“发现问题→探索问题→解决问题”的过程中，发展“结构化”的化学思维，固化元素化学的价 类二维认知模型，提升解决复杂的元素化学问题的思维模型认知水平，为化学学科素养的形成和发展提供重要的载体。

5.2 项目式学习需设置聚焦问题解决的多样性活动

在发挥学生主体作用的项目式学习中，具有良好体验性和过程性的各种活动能大大激发学生的学习热情。而聚焦问题解决的探究活动，能更好地让学生深入理解和灵活运用知识，主动建构和迁移认知思路，从而产生创新性的解决方案，实现真实问题的高效解决，促进深度学习。

在该项目中，学生经历了分组自制葡萄酒、制作ppt、查阅资料、交流讨论、设计实验方案、辨析方案的优劣、动手实验等一系列有梯度有广度的活动，发展了分析、设计、评价、反思、批判等高阶思维，提升了团队协作、语言表达、信息搜索、信息筛选、实验操作、创新创造的多种能力。聚焦问题解决的多样性活动，优化了学生的认知结构和认知路径，不但实现了对知识的深度理解，提升了能力，同时也体会到了学习化学知识的功能价值。

5.3 项目式学习涉及学科知识的综合应用及多种技能训练

本项目式教学多个活动的开展，除了需要应用本单元含硫相关物质的基本知识，以及氧化还原等基础理论外，还会涉及跨单元的有机化学知识（如乙醇的还原性会影响葡萄酒中二氧化硫的含量检测），甚至跨学科的生物学知识（如酶会促进葡萄糖转化为乙醇）。学生在完成各项任务时，通过集体讨论、查阅资料、分析问题、设计方案、动手实验、处理数据、分析误差等一系列活动，能同时训练和发展具有迁移应用价值的多种学习技能。

5.4 课前“自酿葡萄酒”应提示饮用安全风险

学生自制葡萄酒时，由于葡萄原料和容器的清洁很难达到食品和饮料卫生学要求，可能引入其他杂菌（如大肠杆菌等致病菌）和霉菌，在酿制过程中大量繁殖导致总菌落和致病菌超标。如果饮用了致病菌超标的自制葡萄酒可能会引起呕吐、腹泻等症状。在葡萄发酵过程中还可能产生少量甲醇，也存在饮用安全风险。教师布置任务时须提示学生不要饮用自制的葡萄酒，应采取观察颜色变化、浑浊和霉变情况以及嗅闻的方法来体验葡萄酒酿制过程中的奇妙变化，并思考可能的、相关的化学问题。

此外，在教学中教师也可适当提供一些必要的资料并做适当拓展，以丰富学生的知识、拓展学生的视野。本项目中，教师提供了葡萄酒中SO2含量的国家标准、国家标准测定方法及其他应用先进技术和设备的测定方法，帮助学生认知现实社会和了解技术发展前沿。

本项目式教学结束之后，笔者设置了“如何去除天然气中的硫化氢”的长作业，让学生分组从循环、绿色化學等角度设计解决方案。从学生提交的设计方案来看，学生在掌握元素化学核心知识方面有很大提升，尤其是从类别和氧化还原角度研究物质性质与转化的思路显著增强;同时，学生对相关物质性质的辨析论证能力、对采纳方案原理的分析解释能力、对化学学科应用价值的思维深度和广度都有了明显的拓展。

参考文献：

[ 1 ] 中华人民共和国教育部制定. 普通高中化学课程标准（2017年版）[S]. 北京： 人民教育出版社， 2018.

[ 2 ] 沙莎， 杨笑， 占小红. 新课标鲁科版高中化学必修教材的“微项目”设计研究[J]. 化学教学， 2021， （9）： 21～25.

[ 3 ] 中华人民共和国国家标准（GB2760 2014）. 食品安全国家标准. 食品添加剂使用标准[S].

[ 4 ] 王琳， 刘睿， 孙德鹏， 毕会芳， 孙嵛林， 胡明燕. 葡萄酒酿造过程中风险因素的分析研究[J]. 酿酒科技， 2020， 314（8）： 124～125.

[ 5 ] 中华人民共和国国家标准（GB5009. 34 2016）. 食品安全国家标准. 食品中二氧化硫的测定[S].