曹旭琴

摘要：分析了變化觀念的內涵及水平劃分，以“硫和含硫化合物的相互轉化”教學為例，指出元素化合物是培養(yǎng)學生變化觀念的良好載體，教學時要多創(chuàng)設真實問題情境，讓學生在解決問題過程中提升變化觀念的水平。

關鍵詞：變化觀念;元素化合物;硫和含硫化合物;相互轉化

文章編號：1008-0546（2020）10-0014-04

中圖分類號：G632.41

文獻標識碼：B

doi： 10.3969/j.issn.1008-0546.2020.10.003

一、變化觀念的內涵及水平劃分

化學是在原子、分子水平上研究物質的組成、結構、性質、轉化及其應用的一門基礎學科?；瘜W的特征是從微觀層次認識物質，以符號形式描述物質，在不同層面創(chuàng)造物質[1]。從微觀層次認識物質可以更好地理解物質及其變化的本質，化學符號則可以便捷地表征物質及其變化，在不同層面創(chuàng)造物質是物質變化的價值所在。

變化觀念是化學學科的核心素養(yǎng)之一，其內涵為“能認識物質是運動和變化的，知道化學變化需要一定的條件，并遵循一定規(guī)律;認識化學變化的本質是有新物質生成，并伴有能量的轉化;認識化學變化有一定限度、速率，是可以調控的。能多角度、動態(tài)地分析化學變化，運用化學反應原理解決簡單的實際問題?！弊兓^念大致可分為以下4個素養(yǎng)水平（從l到4，素養(yǎng)水平依次升高）[2]。

高中化學課程對學生變化觀念的培養(yǎng)是螺旋式上升的。以江蘇鳳凰教育出版社的高中化學教材為例，《化學l》專題2“從海水中獲得的化學物質”介紹了鹵素、鈉和鎂及其化合物的相互轉化，讓學生建構起以海水為資源，通過化學變化人類創(chuàng)造出豐富的化工產品，如鹵素單質、燒堿、金屬鈉、鎂等，充分體現化學是研究物質和創(chuàng)造物質的學科。本專題還介紹從氧化還原和離子反應的角度分析化學變化。專題3、4的設計思路與專題2相似，專題3從礦物資源中獲取和創(chuàng)造物質，專題4研究自然界中的硫、氮循環(huán)[3]。《化學2》讓學生初步學會用動態(tài)平衡的觀點看待化學變化，能定量分析化學變化伴隨的能量變化。《化學反應原理》模塊詳細地介紹了化學變化應遵循熱力學和動力學的相關規(guī)律，能運用相關原理分析影響化學變化的因素等，進而可以解釋預測變化、評估變化應用等。

元素化合物是培養(yǎng)學生變化觀念的良好載體，以下是基于變化觀念的“硫和含硫化合物的相互轉化”的設計思路和教學過程。

二、“硫和含硫化合物的相互轉化”的內容分析及設計思路

1.課程標準的相關要求

2017版的《普通高中化學課程標準》要求：結合真實情境中的應用實例或通過實驗探究，了解硫及其重要化合物的主要性質，認識這些物質在生產中的應用和對生態(tài)環(huán)境的影響。在教學策略上強調緊密聯系生產和生活實際，創(chuàng)設豐富多樣的真實問題情境，發(fā)揮核心概念（氧化還原反應、離子反應等）對元素化合物學習的指導作用。在“情境素材建議”中給出了素材“火山噴發(fā)中含硫物質的轉化”[4]。

2.教材分析

“硫和含硫化合物的相互轉化”是蘇教版《化學l》專題4《硫、氮和可持續(xù)發(fā)展》第一單元中的教學內容[5]。在這之前教材已安排有“二氧化硫性質和作用”“硫酸的制備和性質”。本部分內容的主要意圖是讓學生建構硫及其化合物相互轉化的知識網絡，同時建立起研究物質轉化的一般方法：從價態(tài)和類別兩個角度理解含硫物質的轉化，通過氧化還原反應實現不同價態(tài)硫元素物質間的轉化，通過溶液酸堿性的變化實現同價態(tài)硫元素物質間的轉化，同時為氮等元素化合物的學習提供方法。教材所提供的物質間的相互轉化均是有實際應用背景的，體現化學學科的價值。

3.教學目標

通過分析推理、交流討論等活動，建構硫及其化合物相互轉化的知識網絡。學習基于證據推理的思維方法（能基于證據對Na2SO3的性質變化提出可能的假設，并通過實驗加以證實或證偽）。運用變化規(guī)律解決如何減少人類活動對自然界硫循環(huán)的影響。

4.設計思路

如圖1所示。

三、基于變化觀念的“硫和含硫化合物的相互轉化”教學過程

1.認識自然界中的含硫物質

[展示]①各國硫元素儲量分布圖，②硫元素在地球外核的存在圖，③地下主要含硫物質（黃鐵礦、辰砂、雄黃、雌黃等），④地表主要含硫物質（石膏、芒硝、重晶石等）。自然界中常見含硫物質如圖2所示[6]。

[討論]日本的硫元素儲量排所有國家的第7位，其可能原因是什么。處于地球外核（離地表3000 km左右）的硫元素是如何到地表或離地表較近的位置？地表和地下的含硫物質存在形式有較大的差異，其可能原因是什么？

[設計意圖]了解自然界中含硫物質的主要分布情況，產生情境問題，引發(fā)學生思考。

2.學習任務1——利用“價態(tài)一類別二維圖”排列常見含硫物質

[引導]火山噴發(fā)出來的硫元素處于地下、地表或空氣中發(fā)生不同的轉化，最終形成不同的含硫物質。常見的含硫物質有哪些，如何快速有序地寫出？從物質類別和硫元素價態(tài)兩個維度思考。

[解決問題]學生運用在專題1中已學的價態(tài)一類別二維圖的方法寫出圖3所示的含硫物質的框架。

[設計意圖]構建硫元素價態(tài)一類別二維圖，使其成為學生思考問題的模型。

3.學習任務2——含硫物質的橫向轉化

[引導]從學生熟悉的物質轉化關系SO2→H2SO3→Na2SO3出發(fā)，認識橫向轉化的特點是硫元素價態(tài)不變，發(fā)生的是非氧化還原反應，改變溶液的酸堿性即可達成。

[解決問題]類比上述轉化，學生完成S03一H2SO4→ Na2SO4、H2S=Na2S間的相互轉化。如圖4所示。

4.學習任務3-含硫物質的縱（斜）向轉化

[引導]分析縱（斜）向物質所含硫元素化合價的差異，結合已學SO2的還原性、濃H2SO4的強氧化性和H2SO4的工業(yè)制法、酸雨的形成等知識，感受縱（斜）向含硫物質間的轉化可通過氧化還原反應實現。

[解決問題]學生結合已有知識基礎，實現圖5所示的轉化。同時解釋為何地表和地下含硫物質存在形式不同（思考兩者存在環(huán)境上的差異）。

[設計意圖]無機反應大致可通過4種方式實現轉化：一是改變溶液的酸堿性，二是通過氧化還原反應，三是通過沉淀反應（非本節(jié)課重點），四是通過形成配合物（選修模塊中學習）。讓學生體會到物質的轉化是遵循一定規(guī)律的，在學習時可歸納變化共性，概括變化規(guī)律，并逐步以此為模型解決類似的問題。

5.學習任務4——含硫物質轉化的應用（預測未知物質的性質）

[引導]運用已學的含硫化合物相互轉化的規(guī)律，預測Na2SO3可能有哪些性質？請設計實驗證實你的預測。

[解決問題]預測Na2SO3可能的性質，并基于推理尋找證據。

①與酸反應可生成S02：Na2SO3+H2SO=Na2SO4+H2O+SO2↑，可通過品紅溶液等檢驗。該轉化可用于實驗室制備SO2，結合SO2在水中的溶解度，可用較濃的硫酸來制備。

②具有還原性，可被氧化劑氧化：2Na2SO3+O2=2Na2SO4，可通過檢測SO42-來確定Na2S03是否被氧化?？杀讳逅ǖ馑?、酸性KMnO4溶液等氧化，可通過溴水（碘水）、酸性KMnO4溶液是否褪色等證明。同時可分析亞硫酸鹽的保存方法，在工業(yè)中的應用等。

③具有氧化性，可被還原劑還原（此性質要求偏高，可在課外活動中解決）。

[設計意圖]能基于證據對Na2S03的性質提出可能的假設，并通過實驗加以證實或證偽。通過此環(huán)節(jié)，學生逐步可以解釋并預測變化。

6.學習任務5——如何減少人類活動對自然界硫循環(huán)的影響

[引導]硫酸的生產、含硫礦物的冶煉、煤的燃燒等均會產生SO2，造成空氣污染和酸雨等一系列的危害。如何通過今天所學的知識減少人類活動對自然界硫循環(huán)的影響。

[解決問題]解決該類問題的主要思路應是：第一種固硫，如燃煤或金屬礦物中加生石灰，直接將燃燒或冶煉產生的SO2吸收轉化為硫酸鹽留在殘渣中。第二種堿液吸收法，堿液吸收了SO2后產生亞硫酸鹽，再與酸反應生成較純的SO2（富集）運用于工業(yè)制硫酸。

[設計意圖]通過對SO2尾氣的處理和綜合利用，學生運用所學的知識解決與之相關的實際問題，體會化學學科的價值。學生逐步學會運用變化規(guī)律，評估變化應用。

[展望]硫元素在人體中的含量排第7位，遠超其在地殼中含量的排名（第17位），對含硫物質在人類健康中的研究有廣闊前景。中國早期對含硫物質研究處于較為領先的地位，但近代研究卻略顯滯后，如圖6所示。值得高興的是2018年華東師范大學的姜雪峰由于他提出的綠色硫化學理論已經在國際上引起反響，被國際純粹與應用化學聯合會（簡稱“IUPAC”）選為化學元素周期表上“硫”的代言人。

四、基于變化觀念的元素化合物教學的思考

1.元素化合物是培養(yǎng)學生變化觀念的良好載體

變化觀念是研究物質變化及其遵循規(guī)律的，需要元素化合物作支撐。在典型元素化合物教學時逐步讓學生從物質的個性認識上升到一類物質共性的認識，充分發(fā)揮核心概念在物質轉化學習中的指導作用，慢慢形成同價態(tài)物質轉化和不同物質價態(tài)轉化的一般規(guī)律。同時有意識地為選修教學中研究化學變化的限度和速率等問題積累好足夠的事實性知識。選修課程的學習則可以充分利用高一時學過的元素化合物的知識作為載體，深入地理解這些變化的本質。如對氯水成分、合成氨、SO2的接觸氧化、汽車尾氣的處理等問題的再研究。做好必修和選修教學的融合。

2.教學時應充分創(chuàng)設真實問題情境

徐光憲先生提出化學家要認識世界、改造世界和保護世界。蘇教版化學必修教材在元素化合物部分的編寫充分考慮以上思想。認識自然界中的相關資源（如海水、礦物和空氣等）;利用已有資源將物質向我們需要的方向轉化，如創(chuàng)造有用的物質（如氯堿工業(yè)、硫酸工業(yè)等）、消除污染物（氮氧化物的產生及轉化等）、利用好物質轉化過程中的能量（燃燒反應等）。

在真實問題的解決過程中，學生除了掌握知識，還形成了相關的學科觀念和學科特有的思維方式[7，8]。教師在教學時應多創(chuàng)設一些真實的問題情境?！镀胀ǜ咧谢瘜W課程標準》中提供了豐富的情境素材，如關于“鐵及其化合物”給出了如下情境素材：補鐵劑;實驗室中硫酸亞鐵的保存與使用;打印機使用的墨粉中鐵的氧化物;菠菜中鐵元素的檢驗等?！拌F及其化合物”生活生產中也有相關情境，如“補鐵劑”可以是人體補鐵劑，也可以是植物補鐵劑;印刷電路板的制作;鐵系凈水劑;藍黑墨水等等。社會熱點問題或社會性科學議題等等也可作為教學的情境，如“頁巖氣的開采”“化工廠事故”“諾貝爾獎”等等。在真實情境下解決問題，化學在學生的眼中不再是沒有溫度的方程式，而是生動、豐富、有用的物質世界，用他們的智慧可以認識世界、改造世界和保護世界。

參考文獻

[1][2][4]中華人民共和國教育部，普通高中化學課程標準（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2018

[3][5]王祖浩.普通高中課程標準實驗教科書·化學1[M].南京：江蘇鳳凰教育出版社，2014：93-94

[6]王磊.普通高中課程標準實驗教科書·化學1[M].濟南：山東科學技術出版社，2013：85-91

[7]吳星，對高中化學核心素養(yǎng)的認識[J].化學教學，2017（5）：3-7

[8] 吳星.高中化學核心素養(yǎng)的建構視角[J].化學教學，2017（2）：3-7

*本文系江蘇省教育科學“十三五”規(guī)劃課題（ D/2016/02/24）研究成果。