“5E”教学模式下元素化合物教学的应用与反思*——以“二氧化硫性质”教学为例

卢 珊

（杭州市富阳区江南中学 浙江 杭州 311421）

普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）强调以发展化学学科核心素养为主旨，倡导创设真实问题情境，开展以化学实验为主的多种探究活动，以促进学生学习方式的转变，培养学生的创新精神和实践能力。［1］受传统应试教育的影响，部分一线教师在教学上仍注重知识灌输与考点讲解，缺乏适应发展学生核心素养的教学方法。“5E教学模式”是一种探究式的教学模式，由引入（Engagement）、探究（Exploration）、解释（Explanation）、迁移（Elaboration）和评价（Evaluation）五个阶段组成（见图1），因五个学习阶段都以字母“E”开头，故称“5E”教学法。

图1 “5E教学模式”的教学结构

一、“5E”教学模式在元素化合物教学中的可行性分析

“5E”教学模式最早起源于美国科学课程改善研究（Science Curriculum Improvement Study，简称SCIS）研发出的“学习环”，1989年美国生物科学课程研究（Biological Sciences Curriculum Study）项目对“学习环”进行修改和完善，将教学过程划分为如今紧密相连的五个阶段。［2］“5E”教学模式在元素化合物教学中，对学生获取新知及培养学生交流、探究和创新能力等方面具有独特的作用和价值（见图2）。

图2 “5E”教学模式在元素化合物教学中的可行性分析

在“5E”教学模式下，教师引领学生在真实的问题情境中从宏微结合和变化守恒的视角，运用证据推理和模型认知的思维方式，完成一系列学习任务和活动，使学生在掌握化学知识的同时，也形成了化学学科观念与学科思维。

二、树、建、迁、动——识教材，明目标

2020年秋，浙江普通高中化学教材正式由“苏教版”变更为“人教版”，“二氧化硫性质”内容位于人教版高中化学必修二第五章第一节硫及其化合物，根据人教版教材和新课程标准，本节课可做如下理解：

树：苏教版教材以我国酸雨的成因、危害和防治为线索学习SO2的性质，人教版教材调整了体系结构，增加了“资料卡片”介绍了SO2可作为食品添加剂，引导学生科学辩证地认识化学品，树立积极正面的化学价值观。

建：目前学生已具有一定的知识、能力和素养储备，但在陌生情境下解决实际的能力欠佳，教师应引导学生建构元素观、微粒观、变化观等核心观念，习得化学学科关键能力和思想方法。

迁：以二氧化硫为载体进行元素化合物教学，其目的是建构二氧化硫的知识体系，并促进学生化学核心素养的形成，在“5E”教学模式下迁移新的问题情境能有效评价学生该学习目标是否达成，提升学生的预测力和解释力。

动：葡萄酒中添加有毒气体二氧化硫，二氧化硫性质实验探究，如何避免饮酒过程中二氧化硫中毒等环节设置，其目的都是激发学生的学习动机，引发与维持学生学习化学的行为，使学生能持之以恒地学好化学。

三、“5E”教学模式下“二氧化硫性质”教学实录

1.寻源葡萄酒的工艺——初识SO（2引入）

【材料铺垫】中美考古学家在河南贾湖遗址对距今9000年的陶器进行分析，他们发现了野生葡萄籽和葡萄酒残留物，将世界葡萄酒的起源向前推进了1000年。

【交流讨论】酿造葡萄酒过程中经常出现以下问题：

1.葡萄酒易污染杂菌而失去原有的风味；

2.葡萄酒稍不留神就被空气氧化变成“葡萄醋”；

3.葡萄中的有机酸盐难溶于水（有机酸较易溶于水）。

（师生互动）请从物质类别和价态视角分析，应向葡萄酒中添加具有怎样性质的物质解决上述问题？

小组讨论1：具有还原性、可杀菌；

小组讨论2：易溶于水

小组讨论3：水溶液有酸性，且比有机酸的酸性强；

［网络检索］二氧化硫应用在葡萄酒中的历史及作用（见图3）。

图3 二氧化硫应用在葡萄酒中的历史和现代工艺图

【设疑激趣】二氧化硫是否真的如此神奇?二氧化硫有毒能否加入到葡萄酒中？

设计意图：引入是“5E”教学模式的起始环节，课堂以葡萄酒最早发源地引入可激发学生的文化自信与民族自豪感。二氧化硫这种有毒气体可解决酿造葡萄酒过程中的实际问题，引发学生的认知冲突，进而激发学生的学习兴趣，驱动学生积极主动地进行学习和探究。

2.揭晓葡萄酒中的奥秘——探知SO2（探究、解释）

【实验探究】①SO2的溶解性；②SO2水溶液的酸碱性；见图4。

图4 二氧化硫水溶性及其水溶液酸碱性实验探究

（学生实验1）向集满SO2的矿泉水瓶注入适量蒸馏水，振荡。

（学生实验2）取适量SO2水溶液于试管中（带橡胶塞），用玻璃棒蘸取溶液于pH试纸上，与比色卡对照读数（见图5）。

图5 二氧化硫溶解性实验和二氧化硫水溶液酸碱性实验

【解释结论】二氧化硫易溶于水，是一种能与水发生可逆反应生成酸的气体。

【实验探究】③SO2的还原性

【实验探究】请选择合适的试剂，设计实验证明SO2具有还原性，见图6。

图6 二氧化硫的还原性实验探究

【交流讨论】如何判断H2O2与SO2溶液混合之后是否发生反应？

小组讨论1：可能产物为H2SO4，可用稀盐酸和Ba-Cl2溶液检验SO2-3；

小组讨论2：可能产物为强酸H2SO4，可用pH试纸或pH传感器检验H+；

小组讨论3：可能产物为强酸H2SO4，可运用导电率传感器检验离子浓度；

【数字化实验】（演示实验）取适量SO2水溶液于三颈烧瓶中，用酸式滴定管逐滴滴加H2O2溶液，pH传感器和电导率传感器分别测定溶液pH和电导率随时间的变化图像（见图7）。

图7 向SO2溶液逐滴滴加H2O2溶液过程中溶液pH和导电率随时间变化曲线

（思考）从氧化还原反应角度分析，SO2具有什么性质，设计实验验证

【改进实验】（学生实验3）用针管吸取分别吸取适量SO2水溶液，通过三通阀注入到盛有Na2S溶液的针管中，观察（见图8）

图8 盛有SO2溶液和Na2S溶液的针管在三通阀打开前（a）和混合后（b）图

【文献查找】二氧化硫与水作用生成亚硫酸，亚硫酸能进入菌体细胞壁夺取细胞中的氧，菌体细胞因脱氧致死。各种微生物抵抗二氧化硫的能力不同：细菌最敏感，其次是尖端酵母，而葡萄酒酵母抗二氧化硫的能力最强（25 mg/L）。因此，可通过二氧化硫的加入量选择不同的发酵微生物。

【修正假设1】二氧化硫易溶于水，能与水发生可逆反应，具有还原性和氧化性（见图9）。

图9 运用类-价二维视角准确辨析二氧化硫性质

【材料铺垫】古希腊人除了发现硫黄燃烧产生的气体能保存葡萄酒，还发现该气体能漂白布料。公元前九世纪，古罗马诗人荷马在他的著作里讲述了该现象。

（学生实验4）向试管中加入品红溶液，再加入适量SO2水溶液，振荡，观察；将滴加紫色石蕊的棉花团置于试管口，加热试管观察。

结论：SO2的漂白原理：与某些有色物质生成不稳定的无色物质。

【理论支撑】品红结构有一个“发色团”，该“发色团”遇到H2SO3之后（结合H2SO3电离出的HSO-3）生成不稳定的无色物质，无色物质破坏了品红中起发色作用的对醌式结构。无色物质不稳定，遇热又会分解，恢复到原来的颜色（见图10）。

图10 SO2漂白品红微观结构过程

【修正假设2】二氧化硫易溶于水，能与水发生可逆反应生成酸，且具有还原性和氧化性，还具有漂白特性。

设计意图：探究是“5E”教学法的核心，解释是“5E”教学法的关键。学生对二氧化硫溶解性、还原性等实验方案进行设计、讨论和评价，展示思维过程，建构SO2性质的认知模型。在存在污染的实验或无明显现象的实验，教师引导学生改进实验或借助传感器解决问题，提升学生科学探究与创新意识的学科素养，养成学生严谨求实的学科态度。

3.品味葡萄酒中的浪漫——转化SO2（迁移）

【新问题情境】SO2有毒，那么在葡萄酒中添加SO2是否合理？

【网络检索】有毒是相对的，计量决定一种成分是否有毒。我国食品添加剂使用标准规定葡萄酒中SO2的最高含量250 mg/L。世界卫生组织规定：每人依体重算，每天摄入SO2的最大量应控制在0.7 mg/kg。

【交流讨论】人们如何减少饮酒时SO2的摄入呢？

小组讨论1：适量饮酒；体重为50 kg的人每日饮酒最大量为140 mL。

小组讨论2：把酒倒进醒酒器里醒酒；

小组讨论3：喝前在杯子里摇一摇；

【文献检索】葡萄酒开瓶后醒酒或摇杯的时间里，葡萄酒中有30%-40%的二氧化硫或亚硫酸盐会与氧气结合而消失。

【修正计算】剔除葡萄酒中与氧气反应的SO2，计算体重为50 kg的人每日的最大饮酒体积为：

50 kg×0.7 mg/kg÷［（1-40%）×250 mg/L］=233 mL（安全范围）

【实验探究】取用注射器吸取适量SO2水溶液，再吸取BaCl2溶液，观察，抽入适当空气，振荡（见图11）。

图11 用SO2溶液模拟醒酒过程实验图

【符号表征】写出相关的化学反应方程式。

设计意图：迁移是新概念学习的延伸环节。围绕如何减少饮酒时SO2的摄入展开学生活动，比起传统设计更加开放，该环节设置强化了学生推理、预测、分析、解释和应用能力，学生参与度高，真正意义上促进了学生学习方式的转变，体现了学生在课堂学习中的主体地位。

4.与自然和谐共生——合理使用SO2（迁移）

【交流讨论1】根据SO2性质预测SO2在生活生产中还有哪些用途？

小组讨论1：漂白布匹纸张；

小组讨论2：SO2对食品进行“化妆”（见表1），为它们保鲜和杀菌等；

表1 几种常见食品二氧化硫国标限量

小组讨论3：用SO2制硫酸……

【交流讨论2】SO2在古代常被君主用来镇压奴隶反抗，在现代也是造成酸雨的罪魁祸首。我们应如何看待SO2这种化学物质？

小组讨论1：我们应合理使用化学物质，与自然和谐共生。

小组讨论2：任何物质都有两面性，我们应发扬优点，规避风险……

设计意图：“科学精神与社会责任”揭示了化学学习更高层次的价值追求。在教学中要注重培养学生要崇尚真理、严谨求实的科学态度，如SO2只有达到一定量的时候才体现它的毒性，渗透量变引起质变的哲学思想；SO2在生活中有重要应用，同时也有很多负面影响，化学物质都有两面性，树立一分为二的哲学观点等。

5.课后任务，深化认识

【课后微项目】SO2常添加到食品中起到增色保鲜的作用，请查阅资料了解SO2在食品中过量使用的危害，寻找检测食品中二氧化硫残留量的方法，绘制手抄报交流展示（见图12）。

图12 学生作品

四、教学模式应用的教学反思

“5E”教学模式是一种以学生为中心的建构主义教学模式，在元素化合物教学中有重要的应用。“探究”和“解释”是“5E”教学法的核心和关键，在这两个环节中，应避免学生出现伪探究、伪问题解决的情况，教师要根据课堂教学中对学生过程性和总结性评价，不断反思、调试课堂的节奏，以适应学生认知的发展。在“迁移”环节避免用既有习题来巩固所学新知，教师需要创设新的问题情境，加深学生对新知模型的理解和运用。

著名的教育家叶圣陶说过，教学有法，教无定法，贵在得法。教学中我们会碰到多种模式，单一模式虽有其特有的独立性，但综合模式却集聚了各种模式的精华，更显风采。教师在运用“5E”教学模式进行教学时，可灵活多变，容纳一切对教学有利、对学生学法有益的教学行为。在新教材、新课标的背景下，化学课堂教学改革之路，道阻且长，行而不辍，则未来可期！