基于生活情境的绿色化分组实验在化学教学中的应用

万社娟 岳庆先

摘要：以烟花燃放为生活情境，探究不同价态硫元素之间的转化。通过驱动性问题，引导学生用真空采血管等进行绿色化分组实验设计和微型化实验探究，发展科学探究和创新意识的化学学科核心素养。通过进阶式学习任务的驱动逐渐生成“价一类”二维图，总结不同价态硫元素之间的转化，建构探究元素不同价态之间转化的认知模型，实现学习内容的结构化和认识思路的模型化。最后运用所学知识解释我国禁止燃放烟花爆竹的原因，增强学生的社会责任感。

关键词：烟花燃放；二氧化硫；绿色化；分组实验；不同价态硫元素的转化

文章编号：1008-0546（2023）09-0089-05

中图分类号：G632.41

文献标识码：B

doi： 10.3969/j.issn.1008-0546.2023.09.018

《普通高中化学课程标准（20 1 7年版2020年修订）》（以下简称“2020修订版课标”）基本理念之一是重视开展“素养为本”的教学。该理念明确指出，倡导真实问题情境的创设，开展以化学实验为主的多种探究活动，重视教学内容的结构化设计，促进学生学习方式的转变，培养他们的创新精神和实践能力。[1]实验教学是培养学生创新精神的主阵地，绿色化分组实验是发展学生科学探究和创新意识化学学科核心素养的有效途径，以生活情境为载体的实验教学既是点燃学生学习热情的助推器，又是学生体会化学学科社会价值的良好渠道。所以，基于生活情境开展绿色化分组实验教学值得探索。“不同价态硫元素之间的转化”是高一学生化学学习中的核心知识。笔者以高中化学鲁科（2019版）必修第一册中“不同价态硫元素之间的转化”为例，对“基于生活情境的绿色化分组实验在化学教学中的应用”进行研究。

一、教学现状分析

2020修订版课标要求，结合真实情境中的应用实例或通过实验探究，了解硫及其重要化合物的主要性质，认识这些物质在生产中的应用和对生态环境的影响。高中化学鲁科版（2019版）必修第一册第3章第2节将这部分内容设置为硫的转化，该主题既是第2章第3节“氧化还原反应”的应用，又为学习第3章第3节“氮的循环”提供方法指导。硫及其化合物的主要性质是氧化性或还原性，不同价态硫元素之间的转化恰好能体现含硫物质氧化性或还原性的应用。很多自然现象、工业生产或实验事实都是以不同价态硫元素之间的转化为核心的，比如火山喷发、酸雨的形成、硫酸工业以及实验室对含硫化合物性质的探究。

有许多文章研究硫及其化合物的教学，这些文章大体分为两类：（1）教学设计类，如曹旭琴基于变化观念设计硫及含硫化合物的相互转化教学，让学生在解决问题的过程中提升变化观念的水平；[2]袁清磊以单元教学策略进行硫的转化教学，引导学生构建知识体系；[3]法浩从培育学科关键能力的视角进行二氧化硫的性质及应用的教学实践；[4]孙海涛以硫酸工厂生产为情境进行单元整体教学设计[5]等。（2）实验创新类，如王晶等的不同价态含硫物质转化的一体化综合实验；[6]刘家辉的SO2溶解性及+4价含硫物质性质实验的整合改进[7]等。这些文章鲜有涉及分组实验在实验教学中的实施，而不同价态含硫物质的转化是2020修订版课标要求的学生必做实验，所以分组实验在实验教学中的实施势在必行。但二氧化硫有毒，对师生身体健康和环境危害大，而且很多学校实验室都没有配备通风橱。鲁科版、人教版和苏教版教材在该实验中都采用二氧化硫的水溶液代替，解决二氧化硫污染大的问题，可是这样也会让学生产生二氧化硫的水溶液中亚硫酸是否对实验有影响的困扰。基于此，笔者对“不同价态硫元素之间转化”的分组实验进行了绿色化设计，并开展了教学实践。

二、教学设计思路

文以燃放烟花爆竹过程中含硫物质对空气的污染为情境，利用绿色化的分组实验探究不同价态含硫物质的转化。具体设计如图1所示。

三、教学过程

【演示实验】燃放小烟花

【引入】同学们在观看绚丽烟花的同时闻到了什么味道？

学生：刺激性的气味，有点像二氧化硫的味道。

教师：那么我们怎样验证燃放烟花会生成二氧化硫？

1．二氧化硫的漂白性

【学习任务1】设计简单实验证明燃放烟花生成SO2。

【引导】请设计简单易行的实验方案进行验证。

【学生A】把品红溶液浸润的滤纸放在小煙花燃放的烟雾中，若滤纸红色变浅，则说明烟雾中含SO2。

【学生B】收集一瓶烟雾，在瓶中放人红色鲜花花瓣，若花瓣红的变浅，则说明烟雾中含SO2。

设计意图：引导学生不拘泥于课本实验，进行实验创新；从多个角度为结论提供证据，培养发散思维能力，发展证据推理素养。

2．二氧化硫（+4价硫元素）的还原性

【学习任务2-1】分析燃放烟花导致酸雨形成的原因。

【引导】阅读鲁科版（2019版）高中化学必修第一册（以下简称教材）P101页，描述二氧化硫引发酸雨的原因，并用“价—类”二维图表示硫元素由+4→+6的转化。

【学习任务2-2】设计验证SO2还原性的绿色化实验方案。

【引导】请大家回答下列问题，并分组讨论，设计绿色化分组实验方案。

问题1：如何根据教材P97页【方法导引】选择适当的含硫物质及氧化剂，设计实验方案？

问题2：课本实验有哪些优点和不足？

问题3：针对课本实验的不足，根据提供实验改进思路和实验仪器，如何对实验装置进行改进，实现实验的绿色化？

【学生】教材中的二氧化硫实验室制取及其性质实验存在的优点与不足：

优点：操作简单、现象明显、实验精准。

不足：（1）开放体系导致S02溢出。（2）拆卸装置时有SO2泄漏。（3）试剂用量大。

【方法导引】

实验改进思路：操作简单、现象明显、无毒气泄漏、尾气处理较为彻底、药品用量少。

实验用品：SO2水溶液、氯水、BaC12溶液、Na2SO3粉末、70%硫酸、酸性KMnO4溶液、NaOH溶液。

空矿泉水瓶、小试管（5mL）、真空采血管（红盖、无添加）、一次性采血针、注射器（5 mL）、导气管、橡皮塞、胶头滴管。

【资料在线】真空采血管的原理是将有头盖的采血管试管预先抽成不同的真空度，利用其负压自动定量采集静脉血样。真空采血管多为普通玻璃管或塑料管。普通血清管红色头盖的真空采血管不含添加剂，不含抗凝、促凝成分，只有真空。

【引导】请根据你们设计的绿色化实验方案完成表1。

【展示学生设计的方案】见表2。

【学习任务2-3】选择最优实验方案，进行分组实验验证SO2还原性。

经过讨论确定实验方案3最优，运用此方案进行分组实验，实验装置（见图2、图3）。

【引导】请根据实验完成表3。

实验步骤：

【教师】按照图2装置及药品用量制备并收集SO2（一般通气35 s左右收集一真空采血管SO2）。

备注：每组分配三支充有SO2的真空采血管。

说明：图2中由于真空采血管内处于负压状态，所以35 s左右就能收集一管SO2气体。

【学生】（1）将1 mL KMnO4溶液加入SO2中（如图3所示），记录实验现象。

（2）用注射器向反应后的真空采血管中加入2 mL NaOH溶液。

设计意图：采用进阶式驱动性问题，引导学生从价态层面选择试剂，从绿色化角度改进实验装置，并且说明选择依据，外显学生的思维进阶过程。这样设计不仅让学生在实验探究中体会+4价硫元素到+6价硫元素的转化，还培养了学生科学探究和创新意识的化学学科核心素养。实验后加入NaOH溶液对未反应完的S02进行尾气处理，深化绿色化学意识。

3．二氧化硫（+4价硫元素）的氧化性

【学习任务3】运用绿色化实验装置验证S02的氧化性。

问题1：选择什么试剂验证S02的氧化性？你能说出选择依据吗？

问题2：如何用“价一类”二维图表示硫元素由+4←O、-2→0的转化？

实验用品：SO2、Na2S粉末、稀硫酸、Na2S溶液、淀粉KI溶液、NaOH溶液。真空采血管（红盖、无添加）、一次性采血针、注射器（5 mL）。

学生实验方案展示（见图4、图5、图6）：

三个实验方案都符合操作简单、现象明显的原则，所以把学生分成三大组，每个大组用一种方案进行分组实验，并且完成表4。

实验步骤：

（1）根据所选实验方案将对应试剂加入收集有S02的真空采血管中（如图4、5、6），记录实验现象。

（2）用注射器向反应后的真空采血管中加入2 mLNaOH溶液。

说明：方案三的实验现象为溶液变黄。此时学生产生疑问：溶液变黄是因为生成了S单质吗？那么为什么淀粉KI溶液不变蓝呢？由于课堂时间有限，对于这些问题的处理是：告诉学生根据实验现象判断S02与Ⅺ溶液确实反应了，由实验现象引起的认知冲突知反应较为复杂，说明方案三不是检验SO2（+4价硫元素）氧化性的最佳方案。但是实验出现超出认知的现象就是认知增长的机遇，若想了解SO2与KI溶液反应的实质，感兴趣的同学可以课后在实验室进一步探究，并将探究过程与同学们分享。同时为学生提供一篇文章做参考——陈彩霞老师的“对二氧化硫与碘化钾溶液反应的探究”。[11]

设计意图：采用绿色化实验装置，进行分组实验，让学生领会实验创新的价值，培养学生的创新意识；用不同的实验方案为+4→0、-2→0的转化提供证据，引导学生体会从不同的角度寻找证据都可以证明同一个转化，达到殊途同归的效果，为学生建立认知模型搭建了思维阶梯。

4．二氧化硫酸性氧化物的通性

【引导】学习任务2和学习任务3最后都用NaOH溶液处理SO2尾气，说明了SO2的什么性质？

【学生】SO2与NaOH溶液反应生成亚硫酸钠和水，说明S02具有酸性氧化物的通性。

5．梳理总结模型构建

【学习任务4】利用“价一类”二维图总结以SO2为中心的不同价态硫元素之间的转化。

【板书】

【学习任务5】结合本节课的内容，总结探究不同价态某元素之间转化的认知模型（见图7）。

6．迁移应用

（1）结合本节所学知识谈谈我国限制燃放烟花的原因。

（2）实验验证Na2SO3固体是否变质。

（3）解释葡萄酒中添加二氧化硫的作用。

设计意图：通过完成驱动性学习任务，逐渐生成“价一类”二维图，总结不同价态硫元素之间的转化，并且总结探究不同价态某元素之间转化的认知模型，实现知识内容的结构化和认识思路的模型化。

四、教学设计策略

以二氧化硫为代表物，通过驱动性问题，结合方法，引导学生进行绿色化分组实验设计，外显学生的思维进阶过程。用生活用品改进化学实验，开拓学生进行实验改进创新的认识角度，进行高水平的实验探究活动，发展科学探究与创新意识的化学学科核心素养。改进后的实验装置可以使像二氧化硫一樣的有毒气体实验搬到教室做，解决了薄弱学校实验设备不足的难题。实验装置创新设计环节让学生收获了学习的成就感，激发了学生学习化学的热情。

以烟花燃放引入，探究该过程中不同价态硫元素之间的转化。该问题情境贴近生活，学生容易融人情境，符合学生学习的最近发展区理论。最后学以致用，用本节课知识分析我国限制燃放烟花的原因，有利于学生从化学的角度认同国家的政策，从而规范自己的行为，增强社会责任感。

参考文献

[1] 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．

[2] 曹旭琴．基于变化观念的元素化合物教学——以“硫和含硫化合物的相互转化”为例[J]．化学教与学，2020（10）：14-17．

[3] 袁清磊，基于化学核心素养的单元教学实践——以“硫的转化”为例[J]．化学教与学，2021（8）：44-46，32.

[4] 法浩．物质及转化教学中培育学科关键能力的实践研究一以“二氧化硫的性质和应用”为例[J].化学教与学，2021（3）：8-13．

[5] 孙海涛．基于硫酸工厂项目的“硫的转化”单元整体教学设计[J]．新课程，2021（4）：122-123．

[6] 王晶，倪刚，陈伟，不同价态含硫物质转化的一体化综合实验[J]．实验教学与仪器，2021，38（1）：42-43．

[7] 刘军辉．S02溶解性及+4价含硫物质性质实验的整合改进[J].中国现代教育装备，2021（16）：36-37.

[8] 陈彩霞．对二氧化硫与碘化钾溶液反应的探究[J]．中学化学教学参考，2018（4）：49-50．