构建“硫循环和氮循环”模型，发展学生核心素养

胡乐萌

摘要：以“硫循环和氮循环”一课的教学设计为例，分析“元素循环模型”构建过程中情境素材的选取原则、学生活动的设

计依据及其在发展学生化学学科核心素养中的学科价值，在教学中落实“立德树人”的根本任务。

关键词：硫循环和氮循环;教学设计;模型认知;真实情境;核心素养

文章编号：1008-0546（2022）10x-0007-05中图分类号：G632.41文献标识码：B

“硫循环和氮循环”是沪科版普通高中化学教科书必修一第3章“硫、氮及其循环”的第3单元。自然界中的硫、氮循环是维持生态平衡的重要物质基础，含硫、含氮物质的使用在为人类带来益处的同时，也造成了一些困扰。[1]在第2章氯、溴、碘相关物质性质及转化学习的基础上，本章引领学生深入硫、氮及其重要化合物相关性质的探究与学习，形成以氯、硫、氮三种元素为核心的非金属元素性质的认知模型（见图1）。

物质的分类、氧化还原反应和离子反应等化学原理为学习元素化合物的性质提供了理论指导。氯、溴、碘、硫、氮等元素性质相似性与递变性的探究又为第4章元素周期表和元素周期律的理论学习打下坚实的物质基础。“硫循环和氮循环”这一单元将硫、氮相关物质的性质整合应用于元素循环模型的构建之中，在必修一中起着承前启后的重要作用。

一、课程标准及不同版本教材呈现形式的比较分析

元素化合物性质在高中化学课程体系中占据基础性地位，高中化学体系中的诸多基本概念和基本理论都要以元素化合物知识为基本生长点。[2]沪科版“硫循环和氮循环”这一单元包含4节内容：自然界中的硫循環、自然界中的氮循环、酸雨和建立人与自然的和谐共生。这4节内容在《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》（以下简称《课程标准》）中对应的内容要求如表1所示。[3]

在《课程标准》必修课程主题2的情境素材建议中出现了“氮的循环”，但未出现“硫循环”的相关表述，只提到“火山喷发中含硫物质的转化”这一情境素材。针对《课程标准》中规定的教学内容，沪科版、人教版和鲁科版三套化学教材在编写时的处理方式有着显著的差异。

沪科版教材设置“自然界中的硫循环”和“自然界中的氮循环”两节内容，旨在归纳总结之前所学不同价态、不同类别含硫、含氮物质之间的相互转化方式，并应用于分析对生态环境和人类发展的重要意义。

人教版教材在必修第二册第5章“化工生产中的重要非金属元素”第1节“硫及其化合物”正文部分并未出现“硫循环”的说法，只在“不同价态含硫物质的转化”这一内容下的“资料卡片”栏目中介绍了自然界中硫的存在和转化。在本章第2节“氮及其化合物”开篇引言部分提出“氮是自然界各种生物体生命活动不可缺少的重要元素，自然界是怎样通过氮的循环为生物体提供氮元素的呢？”的设问，虽附上“氮循环”示意图，但仅将其作为情境素材引出各种固氮方式的教学内容，并未像沪科版教材中那样明确指出“硝化细菌”和“反硝化细菌”在氮循环中的作用，仅以“被细菌分解”概括。

鲁科版教材在必修第一册第3章“物质的性质与转化”第2节“硫的转化”开篇介绍自然界中的硫，以火山爆发为起点，简介了含硫物质从岩石圈到大气圈、水圈和生物圈的单向转化途径及所涉物质，指出硫元素广泛存在于自然界中，但并未形成“元素循环”的认知模型。“自然界中的含硫物质转化”和“氮循环”在鲁科版教材中的功能同样定位于情境素材，驱动学生通过对含硫、含氮物质性质和化学反应的学习，构建“价-类二维图”，形成元素性质学习中的“物质观”和“转化观”。

综上所述，只有沪科版教材将“硫循环和氮循环”置于章节标题之中，而且作为单独的单元教学内容呈现，不满足于仅将其作为情境素材，而是在完成所有含硫、含氮物质性质及转化学习之后，助力学生形成自然界元素循环的观念。本节课基于《课程标准》和沪科版教材的编制特色进行教学设计，旨在通过元素循环模型的构建与认知，将看似零碎且独立的物质性质生动地串联起来，形成一个整体。本设计不满足于仅让学生停留在了解硫、氮及其重要化合物的性质层面，而是要令其认识到元素循环转化在促进地球生态平衡和社会文明进步中的重要价值，由学科知识掌握层面上升到形成学科核心素养和理解学科价值的层面。

二、学习活动与教学过程分析

《课程标准》倡导以真实情境为基础开展教学与学生活动。含硫、含氮物质在日常生产、生活中有着广泛的分布和应用，因此相关情境的选择面较广。《课程标准》建议以“火山喷发中含硫物质的转化”“雷雨发庄稼”“氮的循环与氮的固定”“氮肥的生产与合理使用”和“酸雨的成因与防治”等情境，开展调查与交流讨论式的学习活动。

《课程标准》提出“实验及探究活动”和“调查与交流讨论”两大类学习活动的建议。在本章前两单元硫、氮及重要化合物具体性质的学习中适合开展以性质探究为导向的实验探究活动，而本单元则更适合开展以元素模型构建探究为导向的调查与讨论活动。

本节课以我国“人工合成结晶牛胰岛素”为情境素材引入;以教材中对自然界中硫元素在岩石圈、水圈、大气圈、生物圈以及各种地质系统之间迁移演化过程的介绍作为阅读资料，创设文献阅读与分析的学生活动;引导学生在讨论与归纳中构建“自然界中的硫循环”认知模型（见图2），形成自然界中元素循环的观念;以硫酸型酸雨和硝酸型酸雨的成因承上启下，驱动课堂教学从“硫循环”模型进入“氮循环”模型的构建探究;引导学生结合已学含氮化合物的性质及相互转化方式从元素循环的角度构建“自然界中的氮循环”模型（见图3），从物质分类和氧化还原反应的角度认识“氮循环”的化学原理，并以“价-类二维图”认知模型（见图4）进行总结;从自然界含硫、含氮物质的重要性和其过度开发消耗的危害性两个角度构建“人与自然和谐共生”的观念，明确社会主义生态文明建设的重要性（见图5）。

基于以上分析设计本节课的教学流程，如表2所示。

三、教学反思

1.“硫循环和氮循环”的模型构建对发展学科核心素养的作用

《课程标准》中提出学科核心素养是学科育人价值的集中体现，是学生通过学科学习而逐步形成的正确价值观、必备品格和关键能力。本节课在教学设计中牢牢把握立德树人的教育目标，以发展学生學科核心素养为指导思想，具体对应情况如表3所示：

2.利用真实情境弘扬学科价值，落实“立德树人”的根本任务

“酸雨的危害”是在含硫物质性质和转化教学中常用的情境素材，通过分析课堂反馈发现，学生对酸雨这一情境并不像我们想象中的那么有带入感，因为随着近年来国家对环境保护的重视和对环保治理与监管的加强，我国城市的整洁度和空气的清洁度都特别好，酸雨只是学生在初中化学课上所学的一个概念而已，他们没有见过、经历过酸雨，可以说酸雨只存在于传说之中，所以酸雨谈不上是一个学生认知中的真实情境。

同时，若以酸雨为情境引入，过分强调含硫物质对环境造成的危害，会使学生产生“化学只会制造麻烦，对我们一点用都没有”的错误思想。教师在课堂教学中应尽量减少以化学所造成危害的素材来吸引学生的眼球，应多以化学学科在人类文明的发展和地球生态的保护中的重要作用引导学生认识化学发展的利远远大于弊，关键是如何用好化学。

因此，本节课并未在情境引入部分使用“酸雨”素材，而是将其作为反思人类活动对硫循环的破坏的案例，并以酸雨形成过程中硫元素从+4价到+6价的两种转化途径补全不同价态硫元素相互转化的知识体系。

本节课选取“人工合成结晶牛胰岛素”的史实作为情境引入，一方面，这是中国科学家在世界科学史上浓墨重彩的一笔，可以在教学中落实“立德树人”的根本任务，提升学生的民族自豪感;另一方面，利用这一在生命科学学科上的重大事件作为情境线索，能够很好地让学生认识到含硫物质不仅仅是书本上的一些有味有毒的物质，其实很多含硫物质都与生产生活息息相关，硫是生命活动不可或缺的重要元素，体现化学学科的发展对于人类文明进步的重要价值。通过这样一个认知冲突，激发学生的探究兴趣。

同时不难发现，在沪科版、人教版和鲁科版三个版本教材的硫、氮元素性质的相关章节中，都以强调硫、氮元素在化工生产和生命活动中的重要作用为导语展开相关内容的介绍，目的是弘扬化学的学科价值，落实“立德树人”的根本任务。

参考文献

[1]麻生明，陈寅.普通高中教科书（化学必修第一册）[M].上海：上海科学技术出版社，2021.

[2]上官庆景，阮雪丹.基于元素化合物认识模型的单元教学设计实践探索——以“铁及其化合物”单元教学为例[J].化学教育（中英文）.2021，42（19）：69-74.

[3]中华人民共和国教育部.普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）[S].北京：人民教育出版社，2020.