基于证据推理与模型认知的硫元素专题复习教学设计

尚李静 苗春雨 高敏 李冰

摘  要  基于新课标五大核心素养中的“证据推理与模型认知”并结合多个板块的知识，设计硫元素的专题复习教学，在硫元素的复习课堂中展现证据推理与模型认知的落实过程，帮助学生重构知识体系，构建认知模型，落实学科素养。

关键词  高中化学；证据推理与模型认知；核心素养；硫元素；专题复习

中图分类号：G633.8    文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2022）15-0094-04

0  引言

《普通高中化学课程标准（2017年版）》中提出五大核心素养，其中证据推理与模型认知是学生形成完整严谨的科学思维，掌握科学研究方法的重要体现[1]。在高中化学教学中，教师与学生在复习时注重知识的回顾与整合，但对证据推理与模型认知的培养不到位[2]。目前，基于证据推理与模型认知的落实研究多集中在新课的讲授方面[3]，对专题复习的研究尚不深入。

本研究主要以硫元素的专题复习为例，探究如何更好地在元素化合物的复习课中提升学生的综合能力，落实证据推理与模型认知，为一线教师提供借鉴参考。

1  教学分析

高中化学人教版必修二中“硫及其化合物”是化学学习中十分重要的元素化合物知识，也是生产生活中常见的物质。复习阶段需要在掌握其主要性质及应用的基础上，结合“物质结构与性质”“化学反应原理”等模块的知识对“硫及其化合物”的知识进行重构，形成一个系统的知识体系。学生在本节课之前已经学过硫及其化合物的相关知识，并能将一定的化学事实与理论模型进行匹配。

2  教学重难点

2.1  教学重点

熟练掌握硫及其化合物的物理、化学知识，形成认知模型并应用模型解决问题。

2.2  教学难点

根据已有知识设计探究不同价态硫元素之间的转化实验。

3  教学目标与教学流程

3.1  教学目标

1）结合微观层面，回顾硫及其常见化合物的性质，加深学生对结构决定性质的理解，帮助学生形成认知模型。

2）通过不同硫元素之间的相互转化，提高学生收集证据进行证实或证伪的能力。

3）通过硫的计算题实战，让学生在定性定量两个层面上提取证据，并能在面对问题时及时调整模型，提高解决问题的能力。

3.2  教学思路

关于硫元素专题复习的教学思路如表1所示。

4  教学过程

4.1  创设情境，联系生活

【情境导入】制作火药、烟花爆竹离不开硫，同样，污染环境也是因为硫，但掌握了硫的相关性质以及不同价态间的转化，就能防治它带来的污染。（播放PPT中的烟花与污染环境的图片。）

【设计意图】创设学习情境，与生活相联系，激发学生学习兴趣。

4.2  建立认知模型，形成科学思维

复习课的首要任务是帮助学生回忆知识要点，并加深印象增进理解。硫这一节的主要知识为：H2S、S、SO2、SO3、H2SO4的物理、化学性质，以及不同价态硫元素之间的转化。

教师提出问题，让学生回顾构造原理、电子排布规律，写出硫的电子排布式。学生根据“原子结构与性质”的相关内容，回忆写出硫的电子排布式。

【总结梳理】S：1S22S22P63S23P4。根据构造原理、电子排布规律等，从微观角度对硫元素的性质以及空间构型等进行讲解，帮助学生建构结构决定性质的认知模型。例如：硫的常见价态有-2、0、+4、+6，其中硫显-2价是由于3P轨道有两个空轨道；+4价是由于失去3P的四个电子，第三层S亚层的两个电子为最外层，较稳定；+6价是由于失去3S、3P六个电子，最外层为第二层的八电子，较稳定。解释之后，与学生一起回忆梳理不同价态下硫的化合物的性质。

【设计意图】通过从微观角度解释宏观性质、从本质考虑问题并提取证据，最后解释推理得到结论的课堂教学过程，帮助学生养成透过现象看本质的解题习惯，培养学生形成严谨的科学思维，落实核心素养中对学生思维的培养要求。

4.3  回顾知识，重构体系

教师提出问题，让学生回顾H2S、S、SO2和H2SO4的性质。学生跟随教师回顾知识，以硫的常见价态-2、0、+4、+6价为主题线，将零散的知识串联形成一个体系。

1）-2价的S，H2S。

①物理性质：无色，剧毒，臭鸡蛋味，溶于水（1∶2.6）。

②化学性质。还原性：

2H2S+SO2 === 3S↓+2H2O

【解释说明】H2S中的S元素为-2价，根据S2-电子排布，推断在高中阶段其可能变化的价态有0、+4、+6，那么可以推断-2价的硫可以失去电子，价态升高为0、+4、+6，化合物显还原性。

2）0价的S。

①物理性质：淡黄色固体，难溶于水，微溶于酒精，易溶于CS2。

②化学性质。

弱氧化性：

硫化亚铜，铜为+1价。

还原性：

与碱反应：

【解释说明】单质硫的价态为0价，根据硫的电子排布规律推断硫在高中阶段可能具有的价态有-2、0、+4、+6，则硫单质既可以得到电子呈-2价，显弱氧化性；也可以失去电子呈+4、+6价，显还原性。

3）+4价的S，SO2。

①物理性质：无色，有刺激性气味，有毒，易液化（沸点-10 ℃），易溶于水（1∶40），密度大于空气。

②化学性质。

氧化性：

2H2S+SO2 === 3S↓+2H2O

还原性：

漂白性：反应生成化合物，属于暂时性漂白。

酸性氧化物：能与碱反应生成盐和水，与水反应生成酸，与碱性氧化物反应生成盐。

【解释说明】SO2中硫元素为+4价，根据常见价态分布，推断SO2中硫的价态既有升高的可能性，也有降低的可能性，即同时具有还原性与氧化性；SO2的暂时性漂白是由于与反应物生成不稳定的无色化合物导致；与高锰酸钾等氧化物反应褪色是由于其还原性；SO2是典型的酸性氧化物。

4）+6价的S，浓硫酸。

①物理性质：无色，油状，与水任意比例互溶（酸入水，并不停搅拌）。

②化学性质。

强氧化性：能与金属单质（Cu、Zn等）、非金属单质（C、S等）和Br－、I－等发生氧化还原反应，浓度低于9 mol/L则不具有强氧化性。

脱水性：在制备非碱性或非还原性气体时可用于干燥。

酸的通性：可以与酸碱指示剂反应显色；与活泼的金属发生置换反应；与碱发生酸碱中和反应；与部分盐和碱性氧化物发生反应。

【解释说明】其中硫元素的价态为+6价，硫高中阶段常见价态有-2、0、+4、+6，则推断+6价的硫具有强氧化性，可以得到电子，价态降低为-2、0、+4，故该化合物显强氧化性。同时，硫酸是四大强酸之一，具有酸的所有通性。

【设计意图】以硫在高中阶段常见的价态为主线，为学生回忆不同价态硫化合物的性质，重新建构关于硫的知识体系。利用元素价层电子结构及排布规律，推断元素可能具有的价态，进而根据价态推断各类元素及化合物的性质（得电子，化合价降低，显氧化性；失去电子，化合价升高，显还原性），帮助学生建造自己的记忆宫殿，形成逻辑思维，对不同价态下硫化合物的性质进行理解记忆，避免死记硬背。

4.4  合理猜想，设计实验

【提出问题】了解了不同价态下硫的化合物及其性质，那这四种价态下的化合物是否可以利用自身的性质相互反应而转化？

教师将学生分为九个水平相当的小组，布置不同价态硫元素之间的转化任务，引导学生每组至少设计一个转化实验。九个学习小组根据已有的知识储备，设计化学实验。小组学生集思广益，根据得失电子以及相关化合物的性质设计实验，并向同学、老师说明可行性或者不可行性，培养应用已有知识进行创新和表达想法的能力。教师在学生讨论过程中点拨思路，解答疑问。学生在收集好理论证据之后，分组派代表阐述实验方案、注意事项以及实验原理。

【验证总结】教师将课堂交给学生，倾听学生的实验方案，充分体现学生的主体性，利用实验视频验证学生的各个转化实验。并在黑板上整理不同化合价之间的转化，如图1所示。

【设计意图】教师鼓励学生根据已有认知模型和理论知识进行合理大胆推测，并为自己的推测提供理论依据，这个过程既可以提升学生对知识整体的调动能力，培养学生的创新应用能力，也可以帮助学生提升从理论知识体系中提取证据的能力，并能够依据提取的证据对原本的预测进行证实或证伪。

4.5  应用模型，解决问题

【提出问题】硫酸锌在工业上的用途极其广泛，如生产化纤、杀虫剂、保护剂等。早期生产硫酸锌是通过锌在硫酸中溶解反应进行生产，但其产生的尾气中含有SO2。为了合理吸收SO2，需要计算出每一次生产产生的气体中SO2所占的比例。为简化计算，现将一个生产车间按比例缩小，将100 ml，18 mol/L的浓硫酸置于反应容器中，逐渐加入Zn至不再溶解充分反应后，刚好生成33.6 L气体。求：SO2在生成气体中占比为多少？（标准状况）

学生应用模型，通过“标准状况”，确认n=V/Vm在本题中成立，进而计算得到反应产生气体的物质的量为1.5 mol。教师肯定学生对模型的应用，并提供思路，继续解决问题。学生根据题意，列出反应式，并根据电子得失配平：

Zn+2H2SO4 === ZnSO4+SO2↑+2H2O

Zn+H2SO4 === ZnSO4+H2↑

学生通过模型计算，得到硫酸的物质的量：n=cV=1.8 mol。假设锌与浓硫酸全部按照1∶2反应产生SO2，则SO2的物质的量应为1.5 mol，硫酸为3 mol。

学生根据假设计算得到的答案，与原题目内容进行对比：3 mol＞1.8 mol。证明假设不成立，说明锌与浓硫酸反应后有水生成，并稀释了浓硫酸，反应中包含第二种反应。截至Zn不再溶解，反应共用去1.8 mol硫酸。

设反应结束生成SO2有X mol，H2有Y mol，根据气体总物质的量为1.5 mol，列方程：

解得：

得出结论：SO2在生成的气体中占比为1/5。

【设计意图】通过应用模型解决问题，培养学生通过定性定量结合收集证据的能力，从复杂问题中提取关键信息的能力，以及应用、调整和改进模型的能力，进而提升学生的解题能力，培养学生的综合能力。

5  结论

综上，基于证据推理与模型认知，以硫元素及其化合物为例，从初步认知到建构模型，最后到模型的应用，融合了多个板块的知识（如价电子排布、原子轨道、氧化还原反应等）进行复习回顾，并融入探究实验，使学生多角度建构知识，完善了学生的知识系统，提高了学生综合应用化学知识解决复杂化学问题的能力，促进了证据推理与模型认知核心素养的落实，为学生进行后续的化学学习打下良好基础。

参考文献

[1] 中华人民共和国教育部.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] 许玉明，陈燕.“素养为本”的高三化学深度复习教学实践与启示：以高三复习课“硫及其化合物的转化”为例[J].中学化学，2019（11）：7-10.

[3] 李斌，李继良.从化学学科核心素养到学生学习活动：基于证据推理与模型认知的“空气”教学[J].化学教育（中英文），2020，41（3）：52-60.

[4] 高佳玉，张援，王伟群.基于实验探究发展学生化学核心素养的教学设计：以“铁及其化合物”高三复习课为例[J].化学教学，2020（10）：56-60.

[5] 赵铭，赵华.“证据推理与模型认知”的内涵与教学研讨[J].化学教学，2020（2）：29-33，60.

[6] 朱如琴.基于证据推理与模型认知的主题式复习：以“水的主题式复习”为例[J].化学教育（中英文），2021，42（21）：41-46.

作者：尚李静、苗春雨、高敏，宁夏大学化学化工学院学科教学（化学）在读硕士，研究方向为中学化学教学改革与实践；李冰，通信作者，宁夏大学化学化工学院，教授，研究方向为中学化学教学改革与实践（750021）。