高中化学“含硫物质及其转化”的大单元教学——以“是否有必要建设一座硫酸工厂”为例

王冰清 许钦贤 赵雨晴 李继良

(1.河北省雄安容和第一高级中学 2.北京市第八十中学)

依据教学主题和学科大观念创建真实的问题情境,通过大单元教学带领学生进行系列探究活动以培养学生解决问题的能力,是化学学科核心素养落地的重要渠道.在元素化合物教学中,许多教师认为元素化合物知识庞杂、琐碎;学生普遍认为元素化合物内容描述性知识及化学反应方程式繁多杂乱,碰到陌生物质和真实复杂问题时,缺少解题角度和思路.其中非常重要的原因是,很多教师在教学过程中往往更关注知识的传授而轻视模型建构和能力的培养,着眼于课时教学,处于“就事论事”水平,很难发展学生的科学素养.发展学生科学素养的教学应专注“一单元一得”,发展学生的学科大观念.本文以“硫及其化合物”为例对元素化合物进行大单元教学,以真实情境“是否有必要建设一座硫酸工厂”为载体,并与社会性科学议题结合,完成“含硫物质及其转化”认知模型的建构与进阶,使化学学科核心素养落地,发展学生的科学素养.

1 教学内容及相关研究

“硫及其环境保护”位于苏教版高中化学(2019年版)必修第一册专题4,属于必修课程中的专题2“常见的无机物及其应用”,作为典型的非金属及其化合物,要求学生结合真实情境中的应用实例或通过实验探究,了解其重要化合物的主要性质及其相互转化,主要包括硫单质、二氧化硫、硫酸等,认识这些物质在生产、生活中的应用和对生态环境的影响.人教版、苏教版和鲁科版2019年版教材中,均将本专题分为“典型含硫物质”“含硫物质的相互转化”“硫酸型酸雨的形成、危害和防治”三部分,构建含硫物质转化模型后应用该模型解决实际问题.

硫及其化合物现有单元教学设计部分以实验探究为主,或通过创设真实问题情境进行大单元教学.很多教学设计虽以建立一座硫酸工厂问题入手,但留给学生思辨的空间较小,本设计以提出大任务——是否有必要建设一座硫酸工厂,并与社会性科学议题结合,给学生充分的思辨空间,更有利于提高学生的社会责任感,落实化学学科核心素养.

2 大单元主题与创新点

本设计结合某公司欲建设一座硫酸工厂的真实情境,学生完成设计和验证转化路径后,结合实际情况探讨“是否有必要建设一座硫酸工厂”.本大单元的大任务、次级任务、单元课时划分、单元基本知识如图1所示.

本大单元设计具有以下创新点:

1)本大单元教学为学生创设真实情境,增强化学与生活、生产实际的联系,让学生深刻了解化学与社会之间的紧密联系,让学生活动从“做题”转化到“做事”,在解决问题的过程中发展核心素养,为教材中“含硫物质及其转化”相关内容编排提出建议.

2)将大单元教学与社会性科学议题结合.社会性科学议题是指与科技相关的社会问题,具有社会性、开放性、伦理性、科学性等特点,是发展学生终身受用的“功能性”科学素养的重要渠道,也是破解当前教育中知识、能力、情感态度价值观中“割裂的”“静止的”科学素养教育的重要途径.本课例第4课时探讨“是否有必要建设一座硫酸工厂”让学生直面复杂、开放且充满争议的问题,为学生创造开放、自由的思考环境,通过真实情境将科学理解与应用、科学思维与实践和科学态度与责任有机融合.

3)“含硫物质及其转化”模型的建构与进阶.学生在解决实际问题过程中自主建构指向硫元素“价—类”二维图的典型含硫物质性质静态模型、指向物质变化与守恒的含硫物质相互转化动态模型、指向科学态度与社会责任的应用模型,并与社会性科学议题结合作出科学决策.认知模型进阶过程符合记忆、理解、应用、分析、评价、创造进阶过程,各课时建构认知模型如图2所示.

图2 大单元认知模型进阶

3 学情分析

3.1 学生已有知识与能力

根据高中化学苏教版(2019年版)教材编排顺序,高一学生现阶段已经学习了典型的非金属元素氯及其化合物,初步掌握了元素化合物的研究方法及离子反应和氧化还原反应两大核心基本概念,对“价—类”二维图在物质元素学习中的应用有了初步认识,为“含硫物质及其相互转化”的学习打下基础.

3.2 学生学习障碍点

学生在专题3中学习了典型的金属元素钠及其化合物和非金属氯及其化合物,但对物质的研究较少,没有形成较为完整的模型.虽然氯同样是多价态非金属元素,但在生产、生活中缺少利用氧化还原反应将氯元素由低价态逐步氧化到最高价态的应用模型,因此在完成设计并验证制备硫酸转化路径任务时具有一定障碍.学生在设计实验验证转化路径和典型含硫物质性质时,需要有较高的动手能力、探究能力和证据意识,尤其是在第一课时验证硫的弱氧化性时,设计实验和实验操作对学生来说有很大挑战.本大单元教学紧贴生产、生活实际,需要学生将实际问题转化为化学问题,利用化学知识寻找并验证转化路径,再与实际生产、生活结合作出科学决策,但学生的迁移能力、解决实际问题等能力不足.本大单元教学与社会性科学议题结合,探究过程非常开放,尤其是在第3课时根据信息设计制备硫酸主要设备和流程、第4课时探讨“是否有必要建设一座硫酸工厂”时,学生的创新能力、质疑能力有待提高.

3.3 学生学习发展点

本专题的核心知识为重要含硫物质的性质及相互转化,进一步完善非金属元素研究模型,并在探究过程中发展学生的证据意识和严谨求实的科学态度.通过完成“是否有必要建设一座硫酸工厂”这一大项目,让学生将化学知识与实际情境结合解决实际问题,发展学生的探索能力、质疑精神和社会责任感,认识到化学对人类生存发展的重大意义.

4 单元教学目标

4.1 变化观念与平衡思想

硫元素是制备硫酸过程中的中心元素,转化过程中硫元素守恒,但化合价和存在形式发生变化.引导学生在硫酸制备过程中感受化学变化中物质的变化与守恒.

4.2 证据推理与模型认知

1)完善从物质类别和元素化合价角度预测物质性质的思维模型和元素化合物转化模型;能根据对物质性质猜测设计实验验证猜想,发展学生的证据推理能力.

2)基于硫元素的“价—类”二维图和实验探究,掌握典型含硫物质的性质,建构静态模型并实现模型进阶,建构相互转化的动态模型,并在解决问题的过程中建构应用模型.

4.3 科学探究与创新意识

在教学中渗透化工技术思维,激发学生的科学探索精神,鼓励学生探究硫酸制备工艺,培养学生敢于质疑的精神和创新意识.

4.4 科学态度与社会责任

通过本单元的学习,了解化学和生产、生活之间的密切联系,加强学生对化学造福人类的理解.与社会性科学议题结合,发展学生可持续发展、绿色化学等观念.

5 教学流程

课时1 寻找原料

[创设情境]提出大单元总任务:是否有必要建设一座硫酸工厂?

[资料1]某公司主要采用火法和电解法炼铜,现公司需扩大规模,硫酸作为电解法精炼铜的重要原料,为节省硫酸的购买和运输成本,“是否有必要建设一座硫酸工厂”被董事会提上日程.现需根据寻找合适原料、设计转化路径、减少污染等方面进行合理规划,并广泛征集当地各相关部门和行业的意见.

学生活动:阅读资料,了解本单元的任务——结合实际情况探讨“是否有必要建设一座硫酸工厂”,将实际问题转化为化学问题.

[任务1]寻找制备硫酸的原料并设计转化路径.

[资料2]自然界的硫循环.

学生活动:

以小组为单位,展示硫元素“价—类”二维图,并应用氧化还原反应设计制备硫酸的转化路径.

[任务2]通过探究硫和硫化氢的性质,讨论低价态的硫元素是否可以转化为SO2.

学生活动:从化合价和物质类别等角度预测硫的性质,并设计实验验证,探究硫黄、黄铜矿是否可以作为制备硫酸的原料.

学习反馈:通过所学知识和方法对二者性质作出以下推测.

1)通过对硫元素化合价分析可以得出:硫具有氧化性和还原性,硫化氢只有还原性.

2)通过物质类别进行预测,硫属于非金属单质,类比氯气的性质;硫化氢属于二元弱酸,类比碳酸的性质.

3)设计方案并进行实验验证.

[任务3]阅读资料了解各种矿产情况,了解常见的制硫酸原料.

[资料3]常见含硫矿石分布及主要用途.

学生活动:从含硫矿藏的分布、价格、工艺流程、设备等实际角度,了解工业上制硫酸应如何选择原料.以小组为单位汇报本组选取的制硫酸原料,并说明理由.

课时2 揭秘SO2

[任务1]阅读资料了解铜冶炼烟气中的SO2可以制备硫酸.

[资料1]有色金属冶炼产生的烟气多含SO2.

[资料2]某集团利用脱硫烟气制硫酸的项目.

学生活动:阅读资料,了解SO2可作为制备硫酸的原料.推测用SO2制硫酸的原理.

[任务2]阅读资料了解SO2在红酒中的作用,对其性质进行预测.

[资料3]红酒中的SO2有杀菌消毒、抗氧化、稳定色泽、调节酸度、与硫化氢反应调节口感等作用.

学生活动:预测SO2的性质.

学习反馈:通过SO2在红酒中的作用对其性质进行如下推测:

1)杀菌消毒:水溶性、调节酸性.

2)抗氧化性:还原性.

3)漂白有色花色素苷:暂时漂白性.

4)与H2S反应调节口感:氧化性.

[任务3]设计实验验证SO2的性质.

[实验器材及药品]SO2、pH 计、酸性高锰酸钾溶液、溴水、品红溶液、酒精灯、水槽、盛满H2S 的集气瓶.

学生活动:设计实验验证SO2的性质.

学习反馈:1)将盛满SO2的试管倒扣在盛满水的水槽中,水位上升,证明SO2易溶于水.

2)用pH 计测量,SO2溶于水后显酸性,且溶液的pH 随时间变化逐渐降低.

3)将SO2通入酸性高锰酸钾溶液中,溶液紫色褪去,证明SO2有还原性.

4)将SO2持续通入品红溶液中,溶液褪色后使用酒精灯加热,品红颜色恢复.

5)将盛满SO2的集气瓶倒扣在盛满H2S的集气瓶中,观察实验现象.

课时3 探秘硫酸工厂

[任务1]探究浓硫酸的特质.

[演示实验1]“黑面包”实验.

[演示实验2]将浓硫酸滴加到胆矾中,观察实验现象.

学生活动:掌握浓硫酸的特性.

学习反馈:根据实验现象总结浓硫酸具有强氧化性、脱水性、吸水性.

[任务2]阅读资料,结合浓硫酸的性质,根据转化路径掌握制取硫酸的流程、设备、要点.

[资料1]SO2和O2的反应通常在常压、以五氧化二钒(V2O5)作催化剂的条件下进行,此反应为可逆反应,增大氧气浓度有利于提高SO2的转化率.V2O5在450 ℃时活性最高,且反应放出大量热.

[资料2]热交换器的作用.

[资料3]直接用水吸收SO3会放出大量热,产生酸雾.

学生活动:根据浓硫酸的性质和资料设计工业制硫酸的流程.

课时4 探讨“是否有必要建设一座硫酸工厂”

[资料1]某公司所在的地理位置,现有自然资源和历史资源.

[资料2]该公司制精铜工艺.

[资料3]环境空气质量标准中环境空气功能区分类及SO2质量要求.

[资料4]含硫矿石加工过程中常见的几类脱硫工艺技术及优缺点.

[资料5]电化学脱硫方法和装置.

[资料6]硫酸工厂生产污水处理站“零”排放工艺设计应用.

[任务1]确定角色,收集资料.

学生活动:根据兴趣让学生分为环保部门、文化和旅游部门、食品药品行业、公司相关项目负责人、政府及当地群众;选择5名学生成立“专家”小组,在论证过程中进行科学信息引导,把控论证方向.

学习反馈:根据兴趣自行结组,从所在组角色出发收集资料,形成观点.

[任务2]立论陈词,亮明观点.

学生活动:每小组选出代表对本组观点进行陈述,给出支持本组观点的证据.

[任务3]深入论证,分析利弊.

学生活动:深入探讨如何避免或降低建设硫酸工厂产生的危害,利用化学知识解决问题.

[任务4]权衡利弊,科学决策.

学生活动:综合分析利弊和改进措施,权衡利弊,作出科学决策.

[总结]邀请相关部门和行业人员为学生进行点评.

6 教学效果及反思

学生在“是否建设一座硫酸工厂”大单元的学习过程中产生了较高的学习兴趣,以“价—类”二维图为载体形成了含硫物质及其转化完整的知识结构,并应用硫及其化合物模型解决实际问题,让化学更“接地气”.在筹备和参与“是否建设一座硫酸工厂”会议过程中,学生之间合作能力较强,准备充足,论点充分,能较好地将化学知识和实际情况结合,利用化学知识解决实际问题,辩证思维、表达能力等均有所发展,可持续发展理念和绿色化学理念均有提升.本课例将大单元教学与社会性科学议题结合,帮助学生自主建构含硫物质及其相互转化认知进阶模型,让学生直面相关社会复杂问题.化学教学在让学生“学有所长”的同时更要“学有所用”,培养新一代勇担历史使命、用化学创造美丽中国的“化学人”.

(完)