“元素化合物”的项目式教学——以“探究火柴头中的硫元素”为例

杨玉芬

（杭州市富阳区江南中学 浙江 杭州 311400）

《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》重视开展“素养为本”的教学，倡导真实问题情境的创设，开展以实验为主的多种探究活动。［1］教师在开展元素化合物教学活动时，积极为学生创设真实、陌生、有价值的STSE 问题情境，开展项目式教学（project based learning），引导学生运用分类概括、证据与推理、模型与解释、符号与表征等活动形式，把“情境”“问题”和“学生活动”融为一体。［2］在问题解决中彰显化学知识的功能价值，促进学生化学核心素养的发展。

一、项目主题内容分析

1.项目内容分析和功能价值分析

火柴头中成分的检验是苏教版选择性必修“实验化学”中的重要实验，新人教版中没有涉及这块内容，但火柴头贴近生活，其中火柴头中硫元素的检验与SO2的化学性质紧密相关。人教版高中化学必修二第五章第一节硫及其化合物涉及的硫元素又是典型的非金属元素，S和SO2是重要的无机物，是帮助学生从物质类别、价态角度认识物质性质的重要载体，是帮助学生建构元素观、分类观、变化观、转化观的重要媒介。SO2的化学性质探究是彰显科学探究与创新意识，科学态度与社会责任等化学学科核心素养的重要素材。［3］项目以火柴头为载体，引导学生设计方案，将SO2的化学性质核心知识与火柴头中硫元素的检验真实情境相结合，注重认识思路的结构化和外显化，形成元素化合物学习的认知模型。为后面硫酸、硫及其化合物相互转化、氮及其化合物学习奠定基础。

2.项目主体学情分析

在知识储备上，学生已学习了Na、Cl、Fe、Al 等元素化合物内容，具备元素化合物学习的一般思路和方法的基础，已经掌握了物质的分类、转化、氧化还原反应等理论，具有一定的化学观念和理论基础。

在能力储备上，通过问题式教学和探究式教学的开展，学生已具备了科学探究的基本思路和观察分析能力，实验操作能力。

学生虽具有一定的知识、能力、素养储备，但在真实情境中缺乏对其复杂性做出全面合理的证实分析，故在项目式教学中需要教师引导，共同探讨。

二、项目教学目标

（1）通过查阅火柴头的主要成分，掌握收集资料和查找文献的方法，学会自主学习。

（2）设计实验检验火柴头中的硫元素，了解科学探究的一般过程和方法。在检验火柴头中的硫元素及探究SO2的主要化学性质项目任务中，建构元素化合物学习的认知模型。

（3）通过开展SO2和氯气漂白性微型化对比实验，了解不同的漂白原理，实现实验绿色化设计。利用手持pH传感器探究SO2的还原性，将信息技术与化学实验有机融合。

三、项目设计思路、项目任务及教学流程

新课标对主题2：常见的无机物及其应用有明确的学业要求，本项目在落实该要求基础上，以发展化学学科素养为导向，设计STSE 真实情境，通过实验探究和拓展性活动，整体设计思路和框架见图1。［4］

图1 火柴头中硫元素（S和SO2）整体设计思路

为达成项目设计意图和知识、能力、素养培养目标，项目任务及教学流程见表1。［5］

表1 项目任务及教学流程

四、项目实施过程及学生学习成果

1.课前任务1：查阅资料，明确火柴头的成分

【学生】通过上网查找资料。

2.课中任务2：设计实验，检验火柴头中硫元素

【教师】有哪些方法检验火柴头中含有硫元素？

请同学们点燃火柴，并结合烟花爆竹燃放过程的生活体验，归纳S单质的化学性质及二氧化硫的物理性质。

（1）硫单质的化学性质见图2

图2 硫原子结构、硫单质性质及应用

【学生】S能被O2氧化，体现S单质具有还原性，生成的SO2具有刺激性气味。

（2）二氧化硫的物理性质

【教师】SO2的物理性质还有哪些？请设计实验探究SO2的溶解性。

【学生交流讨论】

方案1：将收集满二氧化硫气体的试管倒扣在水槽中，观察液面高度。

方案2：针筒中收集40 mL 二氧化硫气体，吸入10 mL水。

方案3：矿泉水瓶中收集满二氧化硫气体，用注射器往矿泉水瓶中注水。

教师引导学生对上述实验方案进行评价，方案3设计环保绿色化，实验现象明显可观。按照实验3完成实验，结果见图3。

图3 二氧化硫溶解性实验探究

【教师】由于火柴燃烧产生的SO2气体中含有CO2等杂质气体，所以，上述实验只能部分证明SO2的溶解性。

（3）二氧化硫的化学性质

【教师】结合已学内容，从物质类别、价态角度设计实验证明火柴头中含有硫元素？并画出可能的实验装置图。

学生分组讨论，教师进行个别指导。

【学生汇报讨论结果1】点燃火柴，收集产生的SO2进行检验。从物质类别的角度分析SO2属于酸性氧化物，可以用指示剂、pH 传感器定量测定水溶液呈酸性。

【学生汇报讨论结果2】点燃火柴，收集产生的SO2进行检验。从价态角度分析SO2具有氧化性，可以与强还原剂发生反应。

【学生汇报讨论结果3】点燃火柴，收集产生的SO2进行检验。从价态角度分析SO2具有还原性，可以用酸性高锰酸钾溶液或氯水进行检验。

【教师】SO2能对食品进行“化妆”，能美白纸张和草帽（见图4），体现了什么性质？

图4 二氧化硫能对食品、草帽、纸浆进行“美白化妆”

【学生】SO2具有漂白性

【学生汇报讨论结果4】点燃火柴，收集产生的SO2进行检验。SO2具有漂白性，用品红溶液进行检验。

【教师评价】实验方案都设计得不错，如何将火柴燃烧后的SO2进行收集呢？画出可能的装置图。

【学生交流讨论】①可以把燃烧着的火柴伸到盛有高锰酸钾的溶液中，塞紧橡胶塞。

②用两个烧杯相扣，将点燃的火柴塞进两只烧杯空隙处。

③将点燃的气体用针筒抽到溶液中。

④用大小套管进行收集气体。学生设计的实验装置汇总见图5。

图5 火柴燃烧产生的SO2气体收集装置和检验装置

【教师提示与评价】上述装置有何缺陷？能不能设计出操作简便现象明显，试剂用量较少的实验装置。

【教师和学生共同讨论汇总】燃烧后的二氧化硫气体可以收集在西林瓶里，实验可以直接在西林瓶里完成或在注射器中完成，节约试剂，绿色环保。

3.课中任务3：动手实验，探究SO2的化学性质

根据完善好的实验方案和实验装置开展实验，记录实验现象，做出合理解释，得出结论见表2。

表2 学生动手实验过程、实验现象分析及实验结论

【宏微结合】请用化学用语解释反应现象背后的原因，写出①中发生的化学方程式，②③中发生的离子方程式。

【学生活动】①SO2+H2OH2SO3

②SO2+2S2-+4H+=3S↓+2 H2O

③5SO2+2MnO-4+2H2O5SO24-+2Mn2++4H+

【教师提问】SO2具有还原性能使酸性高锰酸钾溶液和氯水褪色，SO2能否被H2O2氧化？请设计实验证明。

【学生活动】分组交流讨论实验方案，汇报结果。

【方案1】该反应没有明显现象，可以通过检验产生SO2-4，证明反应发生。用针筒取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盐酸，再取1 mL BaCl2，观察现象。

【学生汇报讨论结果2】可以取反应后的溶液测定pH。

【学生1评价】方案二有问题，SO2水溶液和H2O2、H2SO4都显酸性。

【学生2提出新方案】可以测定前后酸性变化来证明反应发生。

【方案2】可用pH传感器定量测定整个过程pH变化情况，实验过程及现象见图6。

图6 用pH传感器定量测定SO2水溶液中滴加H2O2的pH变化

【教师】SO2能使品红溶液褪色是体现SO2具有漂白性，前面我们学习过湿润的氯气具有漂白性，两者漂白原理是否一致？请设计实验对比说明。

【教师与学生共同讨论实验方案】

用针筒分别取2 mL 二氧化硫水溶液和氯水，注入到盛有1 mL 品红溶液的西林瓶中。加热西林瓶，观察现象（见图7）。

图7 二氧化硫水溶液和氯水分别与品红溶液反应的实验现象

【根据现象，得出结论】氯气与水生成HClO，具有强氧化性，使品红褪色，加热，不恢复红色。

【SO2漂白原理】SO2与某些有色物质结合生成了不稳定的无色物质，这种无色物质受热容易分解而使有色物质恢复原来的颜色。

（4）课后任务4：绘制手抄报或思维导图，构建元素化合物认知模型

结合对二氧化硫的探究，绘制手抄报或思维导图，整理归纳学习元素化合物内容的角度。学生作品见图8。

图8 学生作品

创设火柴头中硫元素检验为真实生活情境，从S元素结构出发，SO2的化学性质为主线展开深度探究，构建元素化合物认知思维模型见图9，并建构基于证据—推理—实验—验证的学习模型。为后续第五章第二节氮及其化合物和陌生物质的学习提供学习模型和思维方法。

图9 元素化合物认知思维模型

五、项目教学反思及改进措施

1.项目式教学，有利于化学学科核心素养的培育

实践证明，“项目式学习”是一种有利于化学学科核心素养的培育的行动模式［6］。本项目选择火柴头为真实情境，采用项目式学习对火柴头中的硫元素进行检验，通过设计实验，从结构、类别、价态、特性等角度探究二氧化硫的化学性质，最后通过梳理归纳元素化合物学习的认识角度和认知模型。学生在完成一系列项目任务活动后：从知识获取层面来看，知道S元素从结构角度具有得电子能力，能与金属反应，SO2具有酸性氧化物的性质、氧化性、还原性和漂白性等性质。从能力培养角度来看，通过SO2和HClO漂白性实验的对比，知道设计实验是要控制变量和对照实验，形成科学的实验思维和研究方法；通过设计实验检验火柴头中的硫元素并优化实验方案，培养了运用所学知识解决生活中实际问题的学科关键能力［7］。从素养发展层面来看，利用西林瓶、针筒、矿泉水瓶、pH传感器等实验仪器的改进，培育了勇于创新的科学精神，实践了基于实验证据进行定性或定量推理的过程。项目式教学相比传统教学更具有开放性和实践性，有利于发展迁移创新能力，有利于发展“证据推理”和“科学态度与社会责任”等学科素养。今后常规教学中要开发与教材相关，紧密联系生产生活的项目，帮助学生从真实情境中发现化学问题，在解决实际问题中提升化学学科核心素养。

2.项目实施过程存在的改进建议

本项目对学生能力和知识储备要求较高，较适宜高一选考学生参与。高一选考学生基础较差，化学兴趣不高，实验探究能力参差不齐，在项目进展中遇到较大困难，需要教师细化项目任务和角色分工，尽量让人人参与。本项目可结合使用Na2SO3与浓H2SO4反应制备的SO2进行SO2物理性质和化学性质的探究实验，并与火柴燃烧产生的SO2气体开展实验的现象和结果比较。说明火柴头燃烧产生的SO2气体中杂质对实验结果的影响程度，从而更好地培养学生辩证、客观、全面地分析问题和解决问题的能力。本项目注重科学探究过程，教学过程中要强化实验原理、实验仪器、实验操作、实验报告等方面的指导，鼓励项目小组组内要团结协作，组间竞争，有效保障学习效率。