从三维视角认识元素化合物的单元教学设计及实施

朱成东 夏建华 袁天祥

摘要： “硫及其化合物”单元教学打破所谓传统的元素化合物的物理性质、化学性质以及用途的教学结构，提出基于“情境问题活动知识素养”的深度学习模式。以自然界中的硫循环为大情境，通过建构价类表三维图，整体认识硫及其化合物，在活动中使其核心知识结构化。运用价类表三维图及转化的思路解决除去天然气中的硫化氢、模拟酸雨的形成、酸雨的防治等陌生且复杂的实际问题。同时将评价任务及活动镶嵌到整个单元学习中，通过实时的表现性评价，时刻关注学生化学学科核心素养的达成，

关键词： 单元教学; 价类表三维图; 评价; 硫及其化合物

文章编号： 10056629（2022）07003706

中图分类号： G633.8

文献标识码： B

1 “硫及其化合物”教学现状分析

“硫及其化合物”是《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》（以下简称“新课标”）主题2“常见无机物及其应用”的重要内容，是非金属元素化合物的典型代表，承载着提升学生高水平实验探究能力和形成“绿色化学”观念的功能[1，2]。随着新课程的实施，教

师对元素化合物的教学逐渐从按物理性质、化学性质、用途的思路过渡到“以价类二维图统领解决陌生情境中的真实问题”[3～5]，但很少以价态、类别、元素周期表三维视角进行元素化合物的教学。教师对元素化合物的教学评价也从以学生书写出相应的化学方程式正确与否作为学习效果的评价内容过渡到以学生在活动中的表现作为证据来评价教学目标的达成度。新课标将化学定义为“化学是在原子、分子水平上研究物质的组成、结构、性质、转化及其应用的一门基础学科”，比原有定义多出“转化”，在一定程度上说明了“物质转化”的重要性及其对化学（尤其是元素化合物）学习的积极意义。通过“转化”将其零星的碎片化的知识关联起来形成整体，达到知识的结构化。

2 单元学习主题的确立

新课标中明确要求系统了解钠、铁、氯、氮、硫及其重要化合物的主要性质。新人教版教材将这五种元素及其化合物的学习分别安排在必修教材的第二章、第三章和第五章（见图1）。

钠及其化合物组成的物质类别较为丰富，可以引导学生从类别视角认识物质的转化;氯元素有多变的价态，氯及其化合物的学习可以引导学生从元素价态的视角认识物质的转化;铁元素形成的物质不仅类别丰富，且有变价，铁及其化合物的学习需引导学生既要从物质类别又要从元素价态的视角认识物质的转化;硫、氮及其化合物的学习安排在第四章元素周期律之后，因而硫及其化合物的学习可从物质类别、价态、元素周期表三个维度认识其物质的转化。结合情境确定本单元的学习主题——从三维视角认识自然界中硫的循环。前面有钠、氯、铁及其化合物的学习方法做铺垫，故硫及其化合物的学习重点确定为： 提升学生在真实陌生的情境中解决实际问题的能力。

3 单元学习情境的创设

硫在自然界中的循环情境（如图2）包含着丰富的含硫物质，有-2、 -1、 0、 +4、 +6等不同价态的含硫物质，也有氢化物、单质、氧化物、酸、盐等不同类别的含硫物质;包含清晰的含硫物质转化路径，無机硫与有机硫间的相互转化，不同价态间、不同类别间的相互转化;包含丰富的情境素材，如情境中的“雨回降SO2”中含酸雨的形成、环境的保护;沉积物的转化含工业制硫酸、资源的利用等情境素材。从这些情境中也容易挖掘出实际问题转化成学习任务和学习活动，如“二氧化硫从哪儿来，到哪儿去了”“如果人类的生产生活破坏了自然界中硫循环的平衡状态，会带来哪些危害”等问题。

4 学习目标

（1） 能从化学及生物的视角描述自然界中的硫循环，描述主要含硫物质的状态、溶解性等物理性质;能从物质类别和价态两个维度对物质进行分类;能绘制元素及其化合物价类表三维图。

（2） 能从类别、价态和律表的视角预测和分析含硫物质的化学性质和转化;能描述S、 SO2和H2SO4的主要化学性质，说出H2SO4的工业制备与浓H2SO4的特性、SO2-4的检验方法。

（3） 能基于证据说明含硫化合物（如H2S、 SO2和H2SO4）的性质和转化关系，并能设计实验进行验证;能运用硫的价类表三维图解决复杂情境下学科和真实世界中的陌生问题。

（4） 能举例说明硫循环和人类活动的平衡关系，结合克劳斯反应、工业制硫酸和尾气中SO2处理等实例描述化学在生产生活中的应用，发展绿色化学观念;能说明化学学科在促进人类发展和解决环境问题中的价值。

5 单元学习流程

挑战性学习任务以真实情境为基础，指向高阶思维，体现学科核心素养的发展与进阶，活动之间需要体现出一定的逻辑性。通常可以根据学生认识发展线索（学科观念、角度思路、能力等发展），或者真实问题解决的线索来规划单元中的挑战性学习活动。

根据本单元学习内容和情境素材的特点，将“从三维视角认识自然界中硫的循环”分解为三个子任务（3课时），分别通过价类表三维图自主构建低价态硫、中间价态硫、高价态硫的核心知识，再通过“转化”使3课时紧密关联，实现核心知识的结构化。具体流程见图3。

6 单元教学实施片段

6.1 探索低价态硫的性质及转化

[情境]自然界中的硫循环（图2）及价类表三维图（图4）。

[问题1]请结合已有知识从自然界中的硫循环图（图2）中找出我们生活的大气中H2S的来源？制作思维导图，并简要说明理由。

[活动1]学生展示、讨论创作的作品（图5为学生代表作）。学生围绕自然界中的硫循环图，分别从生物和化学的角度找出大气中H2S的来源。教师展示学生创作的思维导图，并引导学生交流搜索到的自然界中动物腐败、硫酸盐还原菌、化石燃料中H2S的来源等相关知识。

设计意图： 引导学生从自然界、人类生产的视角运用化学、生物学知识归纳大气中H2S的来源，培养学生运用跨学科知识综合发现解决真实世界中问题的能力，发展学生的环境保护意识，提升信息素养。属于跨学科的高通道迁移。

[问题2]如何除去从天然气分离出来的酸性气体H2S？（由大气中的H2S来源——天然气中含有H2S引出）

[活动2]学生分组讨论，汇报交流。学生得出的结论有：

（1） 用燃烧的方法点火烧掉;

（2） 通入NaOH溶液中;

（3） 加热让其分解生成硫单质;

（4） 和氧化剂反应生成单质硫;

（5） 先氧化成二氧化硫，再和H2S反应：

2H2S+3O22SO2+2H2O，

2H2S+SO23S↓+2H2O。

教师引导学生从环境保护和资源利用的角度来分析这些方法的科学性、可行性、优点和缺点，最后学生获得共识： 方法（5）为最合理的方法。

教师为学生的研究成果喝彩！并将此反应以该学生的姓名命名为“黄××反应”（激发学生学习动机）。然后呈现克劳斯反应、超优克劳斯反应和超级克劳斯反应，并指出方法（3）也是一条可行的路径，鼓励学生将来可选择化学学习，继续研究该反应的相关催化剂以攻克这一难题。

[评价1]根据学生设计方案的水平评价： （1）学生灵活运用价类表三维图解决真实世界较复杂问题的能力;（2）学生对H2S、 S和SO2相互转化关系的认识水平;（3）学生创新思维的发展水平。

设计意图： 创设真实的问题情境，引导学生运用价类表三维图和S、 H2S、 SO2的相互转化关系，设计方案解决真实复杂的化工问题，让学生在探索中获得成功的体验，激发学生的创新意识，培育学生的环境意识。

6.2 硫循环的核心物质——SO2

[情境]自然界中的硫循环（图2）及价类表三维图（图4）。

[问题3]请同学们再根据硫的价类表三维图预测，大气中SO2在随雨水回降过程中都发生了哪些转化呢？

[活动3]学生分组讨论，交流汇报： 结合SO2在三维图中位置，我们推断随雨水回降过程中，有可能是SO2先与水生成H2SO3， H2SO3再被氧化成H2SO4。也可能是SO2先被氧化成SO3，再与水反应生成H2SO4，即： ①SO2→H2SO3→H2SO4，②SO2→SO3→H2SO4。

[評价2]评价学生运用价类表三维图推理物质转化的途径，即运用价类表三维图解决实际问题的能力;评价学生先定价态再定途径的思维方式。

设计意图： 引导学生多角度分析思考问题，从化学视角认识硫酸型酸雨的形成过程，认识物质及其变化对环境的影响。

[问题4]如何设计实验模拟酸雨的形成过程？

[活动4]学生讨论形成方案： 模拟途径①分二步，第一步SO2溶于水，即向含有SO2的针筒里吸取少量水;第二步SO2水溶液被氧化，即将SO2水溶液挤到小烧杯里与空气充分接触。学生用教师提供的实验仪器（含有SO2的针筒、蒸馏水、小烧杯、紫色石蕊溶液、pH试纸）进行实验。

[评价3]通过方案的设计评价学生的思路是否清晰，分析、推理是否合理，实验方案中安全性、可操作性如何等;在动手实验中评价学生的实验操作是否规范。

设计意图： 通过观察实验现象总结SO2的核心知识;通过设计实验、动手实验培养学生严谨求实的科学态度与探究意识。

[问题5]如何证明模拟液中的H2SO3已经被氧化成H2SO4？

[活动5]学生讨论后给出设计方案并进行实验：

（1） 加入（盐酸酸化的）BaCl2溶液，溶液变浑浊。（学生分组实验）

（2） pH传感器测定模拟液被氧化前后的pH变化。（演示数字化实验）

[评价4]通过设计测定SO2-4或H+生成的实验来证明H2SO3是否被氧化，以判断学生思维的严谨性和求实的态度。

设计意图： 发展学生对化学实验探究活动的好奇心和兴趣，运用硫酸根离子的检验知识解决实际问题。依据H2SO3氧化成H2SO4后溶液中微粒发生的变化进行多角度实验设计，培养学生定性、定量设计实验的意识。

[问题6]如何证明静置一段时间后的模拟液中还存在有H2SO3？

[活动6]学生讨论后给出设计方案并进行实验。

方案1： 先加Ba（OH）2溶液，再加盐酸，观察溶液的浑浊度变化。（引出浊度传感器）

方案2： 加入酸性KMnO4溶液（或溴水），观察溶液颜色变化。（学生分组实验）

方案3： 加入H2O2或通入O2，pH传感器测定pH的变化。（演示实验）

[评价5]通过学生方案的设计，使学生思维外显，对学生面对复杂体系中分类解决实际问题的能力进行评价。

设计意图： 进一步发展学生对化学实验探究活动的好奇心和兴趣，运用SO2-4检验知识解决实际问题，依据H2SO3氧化成H2SO4后溶液中微粒发生的变化进行多角度实验设计，培养学生定性、定量设计实验的意识;运用还原性进行H2SO3的检验，引入传感器技术让学生了解现代技术对化学实验的支撑作用，让学生更易从定性的思维转向定量的思考。

6.3 高价态硫向低价态硫转化

[情境]自然界中的硫循环、硫元素的价类表三维图

[问题7]请从三维图预测硫酸有哪些化学性质？

[活动7]学生分组讨论总结交流。从物质类别推出稀硫酸具有酸的通性;从价态推出浓硫酸具有强氧化性;从律表推出浓硫酸是强酸，比磷酸强。

[评价6]能否从三维视角推出物质的化学性质。

设计意图： 再一次运用价类表三维图完成硫酸化学性质的推断。

[问题8]如何设计实验实现浓H2SO4中高价硫向低价硫转化呢？

[活动8]学生分组讨论交总结流。

方案1： 加还原剂铜，从化合价角度预测浓H2SO4的还原产物为SO2，用酸性KMnO4或品红溶液检验SO2的生成，证明浓H2SO4中高价硫向低价硫转化。（学生分组实验）

方案2： 加还原剂碳（木炭），从化合价角度预测浓H2SO4与碳的反应产物为CO2和SO2。

[追问]如何用实验证明浓H2SO4氧化木炭的产物？

这是一个挑战性的任务，学生设计了多种方案，其中一种为： 先通入品红溶液，再通入酸性KMnO4溶液，再通入品红溶液，最后通入澄清石灰水中。

鼓励学生对不同的方案进行评价。

[教师小结]演示用酸性KMnO4或品红溶液检验SO2的生成，用CO2传感器检验CO2。

[评价7]评价方案的完整性、可行性、安全性和创新性以及实验操作的规范性，通过CO2与SO2混合气体的检验判断学生的思维是多点结构水平还是关联结构水平。

设计意图： 根据实验目的设计实验方案，培养学生的证据意识。让学生建立观点、结论和证据之间的关系;让学生体会现代技术给化学实验带来的便利，让学生通过物质核心元素价态、物质类别的对比分析学习新物质。

[问题9]如何证明浓H2SO4的脱水性和吸水性呢？请观察实验，解释现象，得出结论。

教师演示浓H2SO4的脱水性实验，并用湿度传感器演示吸水性实验。

[活动9]学生仔细观察教师演示实验产生的现象，思考解释产生现象的原因。

[评价8]对现象解释的合理性，能基于证据提出可能的假设，通过分析推理加以证实或证伪。

设计意图： 巧妙地将浓H2SO4的脱水性与碳和浓H2SO4的反应结合起来，并用湿度传感器演示吸水性，培养学生节约资源、保护环境、注意安全的意识，完善浓硫酸的核心知识。

[布置任务]查阅资料，从化学和生物学结合的角度了解图2中自然界中硫循环的机理，完善硫循环图。

以师生互动方式完成自然界中硫循环的每个环节的转化过程。

最后，教师用硫元素代言人华东师范大学姜雪峰教授结课，渗透爱国主义教育，体现化学学科对人类社会进步和科技发展的价值。

7 单元教学的总结与反思

本單元从设计到实施，经过多次修改完善，并在不同层次的学校进行实践。结合本单元设计修改过程及实践进行总结反思如下。

7.1 拓宽思维角度，促进认识思路的结构化。

在新人教版必修教材中，元素周期表之前安排钠、氯、铁三种元素及其化合物的学习，通过这三种元素及其化合物的学习，学生基本能够建构、运用价类二维图。元素周期表之后紧接着安排硫、氮两种元素及其化合物的学习，如何在硫及其化合物的学习中发挥“律表”规律对元素化合物学习的指导作用、如何使学生认识到化学的学习不仅仅是某些知识点的学习，更多的是学科方法的学习，是教学思考的关键。以往经验是，如果直接让学生建构价类表三维图不仅难度大而且耗时长。为解决这一难点，让学生先自主建构价类二维图，在此基础上教师再引导学生从同周期、同主族的递变规律认识物质，进而建构三维图，即让学生在学习物质性质时可以在熟悉的价态、类别两个维度的基础上再加上“律表”维度，从而使其认识思路、方法更加立体、丰富。如具体到硫化氢物质学习时，从价态认识其还原性、从类别认识其水溶液的酸性，从律表规律认识其不稳定性，再将其认识方法共同作用于解决天然气中如何除去硫化氢的问题，让认识思路结构化。

7.2 合理设置问题，促进知识关联的结构化。

本单元教学过程中运用价类表三维图预测某具体物质的性质，学生基本上没有遇到障碍，但将含硫物质的知识关联起来使其结构化还是有一定难度的。由于学生还不习惯从转化的视角认识物质，较难主动思考怎样关联，因而如何使学生能主动地建立知识关联是本单元教学设计改进的重点。经多次尝试，采用先“转化”后“运用”的方式取得较好的教学效果，即先根据情境设置驱动性问题，促使学生从转化的视角认识含硫物质的转化，在转化的过程中思考物质类别、价态的变化，从而达到知识的结构化。硫在自然界中的循环设置了“二氧化硫从哪儿来”“二氧化硫去哪儿了”等问题，学生要想解决这些问题，必然要以硫元素为中心，在自然界中硫循环的情境中寻找、认识含硫物质的转化，这样学生就主动地将含硫物质的知识关联起来，在转化的同时思考硫元素的价态及含硫物质类别的变化，最后再运用价类表三维图解决问题。因而促进知识的结构化，问题的设置是关键。设置的问题一是要依托真实的情境，二是设问直指转化的视角引导学生先思考转化的特点。类似的教学处理可以迁移到其他单元学习中去，比如氮的循环中，可以设置以氮气为原料怎样制备氮肥（硝酸铵）为问题，促进学生将氮元素及其化合物的知识点进行结构化。

本单元的学习设置为3课时，对于基础较好的学生可以快速建构二维图，进而完成三维图的建构，为达成目标留有充足的学生活动时间;基础较为薄弱的学生，可以先运用价类二维图完成转化及元素化合物的学习，然后再从元素周期表的视角总结其性质并建构三维图，从而为氮及其化合物三维视角的学习打下基础。

参考文献：

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