渗透学科核心素质养育的元素化合物教学设计|铁及其化合物教学设计

渗透学科核心素质养育的元素化合物教学设计

文章编号：1005–6629（2016）3–0055–06 中图分类 号：G633.8 文献标识码：B 2015年11月20日，笔者以“二氧化硫”为例探索如何基 于学科素养、学科观念进行元素化合物的教学。该课作为江 苏省“教学新时空·名师课堂”研讨案例，由江苏省教研室 进行网上直播，得到了专家和同行的一致好评。近日，笔者 进一步对该课的设计和实践进行反思，深化了有关认识，现 交流讨论如下。

1 提升学生的科学素质，体现化学学科的育人价值 科学是一种文化，是人类文化的重要组成部分，科学素质是科学文化品性的核心内容，也是建设科学文化的基础。

科学教育要培养人的科学文化品性，要为科学文化建设服务， 就必须着眼于科学素质的养育。化学是一门研究物质的性质、 组成、结构、变化和应用的科学，化学教学自然是科学教育 的一部分。因此，化学教学要服从科学教育的整体规定，要 着眼于科学素质的养育。什么是科学素质呢？科学素质是指 人在先天遗传素质的基础上，经过教育与实践养成和发展的 认识自然、利用自然和保护自然的内在、稳定、能长期发挥 作用的基本品质。这种广义的素质有着多方面的内容，包括 智力、身体生理、活动技能、审美、思想品德、社会交往等 方面，影响着人的思维、意识、行为、体质、文化品性、修 养和成熟程度等等，能够作为人进一步发展的基础，蕴含着 人发展的潜在可能性（潜能）[1]。以学生发展为本，是新 课程改革的基本理念，为了促进学生发展，化学教学要努力 提升学生的科学素质。只有这样，才能体现化学学科的育人 价值，才能全面地体现科学的社会功能和精神功能[2]。

2 抓住重点，以学科素养、学科观念作为化学教学的核 心内容 科学教育的内容包括不同的层次：在科学教育内容“金 字塔”中，低层次的分科的科学活动、科学事实、科学概念、 科学方法、科学理论和实践技能既是目标内容的一部分，又是较高层次内容的承载体，是科学教育不可忽视的基础；
从 结构、本质、过程、方法等角度认识科学是科学教育内容的 中间层次；
科学精神、科学思想、科学态度、科学伦理等因 素是科学教育内容的“上层建筑”。科学素质对应着科学教 育内容中那些影响人的内在的基本品质的成分，其核心要素 是科学的精神、观念和态度等[3]。

元素及其化合物知识是高中化学的重要内容，是化学学 科观念的载体，能具体地体现化学的学科价值和育人价值， 必须给于充分的重视。另一方面，只有在科学精神、科学观 念的指导和科学态度的支撑下，学生才能真正学习好元素及 其化合物知识。因此，在元素及其化合物教学中，必须努力 渗透化学学科素质核心要素（简称化学学科核心素质）的养 育。

在人教版必修一第四章第3节“硫和氮的氧化物”第一 课时中，涉及二氧化硫的组成、结构、变化、性质和应用， 在此基础上可以、也应该开展科学探究活动，进行科学过程、 科学方法以及物质“构-性-用关联”、资源合理开发利用、 积极作为和绿色化学等观念的养育。

3 用问题驱动学生主动学习，避免简单的知识灌输上述基础知识和观念等多属于知识/认识范畴，简单地 用直接灌输的方法似乎很快就能够让学生了解和记住它们。

然而许多事实证明这样做的效果只是暂时的、虚假的、不可 靠和脱离实践的：学生理解不深，难于应用，也很难长期保 持记忆，需要另找有效的方法。哪些方法是有效的方法？在 实践中不难发现，若干年后，学生很可能会忘了具体的化学 知识，但他们却可能依旧记得一些化学事实，再现内化的化 学基本观念以及用化学思想方法认识事物、处理问题的意识 或思维习惯。这个事实表明，让学生有机会亲历亲为化学探 究的科学过程可能取得更好的、有效的教学效果。然而这只 是一种“可能”，要使可能变成现实，笔者认为，首先需要 教师不做简单的知识灌输、不越俎代庖学生的思维活动。为 此，笔者以“二氧化硫是怎么产生的？”“空气中二氧化硫 产生哪些危害？”“如何防治二氧化硫污染空气？”“如何 治理已经进入尾气中的二氧化硫？”“如何综合利用吸收二 氧化硫产生的生成物？”5个问题作为新课内容各个环节的 标题，以它们构成的问题链作为本节课的基本逻辑主线，引 导学生逐步深入地展开思考、探究和讨论活动。

4 在真实的情境中教学，让学生理解学习的意义和价值 为了驱动学生主动学习，取得更好的、有效的教学效果， 还要在真实的情境中教学，让学生理解学习的意义和价值。为此，要精心选择情境题材。经过搜索，笔者决定利用一家 金属冶炼企业副产硫酸和二氧化硫设置情境，因为以该企业 的副产品为切入口，可以引起学生的好奇心和学习兴趣，可 以联系关于大气中二氧化硫的污染问题，涉及二氧化硫的组 成、结构、变化、性质和回收利用，让学生体会到知识的价 值，也有利于进行资源合理开发利用、积极作为和绿色化学 等观念的养育，将学生带入我国目前所面临的能源问题、环 境问题、资源和可持续发展问题的研究挑战中，并且经受发 现问题、解决问题的科学过程熏陶。

5 积极地实行师生互动、促进生生互动 为了驱动学生主动学习，取得更好的、有效的教学效果， 还要积极地实行师生互动、促进生生互动。

本节课的授课班级是我校高一创新人才培养实验班，该 班执行的是独立的课程计划，其中化学必修课程模块与部分 选修模块的内容进行了重新组合。该班学生学习能力较强， 化学学科基础较扎实。在本节课学习之前，学生已从物质分 类角度认识到二氧化硫是酸性氧化物，具有酸性氧化物的通 性；
从结构的角度能分析S元素处于中间价态，既有氧化性 又有还原性；
同样也认识到“二氧化硫是大气污染物”。通 过本节课的学习，学生可以清晰地了解到二氧化硫的产生、用途、对环境的危害和防治及资源综合利用等，既能从更高 层次辩证地认识二氧化硫，又能掌握认识元素及其化合物的 化学方法。在该班有望通过师-生互动促进生-生互动，引导 学生通过对二氧化硫的研究感受系统思维方式，体验如何解 决实际问题，同时认识科学、技术和社会之间的相互关系， 逐步树立可持续发展的思想，让学生形成社会责任感、参与 意识和决策能力。有关知识的支撑和路径的选择都有关键的 作用。

概而言之，引导学生通过自主学习、探究学习获取二 氧化硫的结构化知识，培养具有化学特征的思维方式，在真 实问题解决中认同和应用有关的化学学科观念，是本节课的 主要目标。

5 附录：教学过程实录及效果检测 [阅读思考]山东恒邦冶炼股份创建于1988年，以焙烧氰 化法冶炼生产黄金，副产硫酸。近十年来逐渐发展成国家重 点黄金冶炼企业公司，目前年产黄金8吨、白银40吨、电解 铜2000吨、硫酸40万吨、液体二氧化硫15000吨……冶炼金 属为主的工厂，为什么产品中会有硫酸和二氧化硫？ [交流讨论]因为很多金属矿物中含硫及硫的化合物，因 此燃烧或冶炼时，往往会生成二氧化硫，二氧化硫进一步转化为硫酸。

[教师]二氧化硫是一种应用广泛的化工原料，但如果二 氧化硫进入大气就成了污染物。我国重点城市近年来已发布 的“空气质量日报”中，二氧化硫都被列入首要污染物之一。

那么二氧化硫是如何产生的？大气中的二氧化硫有什么危 害？我们应该如何防治二氧化硫污染？这些是我们今天需 要讨论的问题。

[问题解决1]二氧化硫是怎么产生的？ [学生1]煤燃烧时放出二氧化硫。

[学生2]火山喷发时产生二氧化硫。

[学生3]燃放烟花爆竹时产生二氧化硫。

[教师]概括起来说，二氧化硫的产生主要有两个途径：
（1）天然污染源：如火山喷发、陆地和海洋生物残体的腐 败分解等；
（2）人为污染源：硫燃料（主要是由煤和石油 等）的燃烧产生的废气；
冶金工业和硫酸厂等排放的尾气。

[问题解决2]空气中二氧化硫产生哪些危害？[教师]二氧化硫是大气首要污染物之一，那么空气中二 氧化硫会产生哪些危害呢，请大家讨论，并进行交流汇报。

[学生4]二氧化硫刺激人的呼吸道。

[学生5]形成酸雨。

[学生6]酸雨影响农作物生长。

[教师]进入大气的二氧化硫的危害主要有两个方面：
（1）二氧化硫是一种有毒气体，对动植物的生长和健康造 成危害，特别是患有心脏病和呼吸道疾病的人群对二氧化硫 更为敏感。（2）空气中二氧化硫形成酸雨，酸雨对农作物、 森林生态、土壤、水体、钢结构建筑以及历史文物古迹带来 众多不利的影响，对社会造成巨大的经济损失。

由二氧化硫形成的酸雨为硫酸型酸雨，二氧化硫形成的 酸雨的途径主要有两种：
（1）二氧化硫与水反应生成亚硫酸，亚硫酸与氧气作 用生成硫酸。（2）在阳光照射下，尤其在空气中一些含有金属元素 物质的催化作用下，大气中的二氧化硫被氧气氧化为三氧化 硫，三氧化硫与水作用生成硫酸。

[教师]我国是世界上最大的煤炭生产国和消费国，二氧 化硫的排放量居高不下，二氧化硫污染已成为制约我国经济、 社会可持续发展的重要因素。面对二氧化硫产生的如此严重 的危害，我们该怎么办？ [问题解决3]如何防治二氧化硫污染空气？ [教师]防治二氧化硫污染空气，我们可以从两方面考虑， 首先是考虑不让二氧化硫进入需要排放的尾气中，二是治理 已经进入尾气中的二氧化硫。对于“不让二氧化硫进入需要 排放的尾气”，大家有什么好的建议？ [问题解决3-1]如何不让二氧化硫进入需要排放的尾气 中？ [学生7]可以开发清洁能源，避免产生二氧化硫。[学生8]可以用氢氧化钠吸收二氧化硫。

[教师]同学们提出了很好的思路，总结如下：
（1）利用清洁能源。调整能源结构，发展清洁能源， 如太阳能、风能、地热、氢能等。

（2）煤炭燃烧前脱硫。我国目前仍然是以煤为主要能 源的国家，并且大概70%～80%的煤直接燃烧，将煤气化、液 化后再使用，可有效避免生成二氧化硫。

（3）煤炭燃烧过程中“锁住”二氧化硫。不让其直接 排空。煤炭燃烧中“锁住”二氧化硫，工业中叫做钙基固硫。

其基本原理是将生石灰和含硫的煤混合后燃烧，氧化钙吸收 二氧化硫并被氧气氧化为硫酸钙2CaO+2SO2+O2=2CaSO4。其 脱硫率高达87%。

[教师]在生产和生活中，二氧化硫进入需要排放的尾气 中是不可避免的。如冶金工业和硫酸厂等排放的尾气中含有 大量的二氧化硫，煤炭燃烧产生的烟气中也含有大量的二氧 化硫。这就需要我们对尾气中的二氧化硫进行治理。所谓“治 理尾气中的二氧化硫”就是将产生的二氧化硫想办法吸收掉。

充分利用二氧化硫的化学性质能有效吸收二氧化硫。[问题解决3-2]如何治理已经进入尾气中的二氧化硫？ [教师]大家知道二氧化硫是酸性氧化物，首先考虑用碱 液吸收。大家想一下，我们可用哪些碱？ [教师]在实际生产中这些碱液都能用于吸收尾气和烟 气中的二氧化硫，常会得到亚硫酸氢盐，如 SO2+Na2SO3+H2O=2NaHSO3，大家想想为什么？ [学生11]生成亚硫酸氢盐，可以充分利用吸收剂。

[教师]太棒了，我们可以从总方程式（SO2+ NaOH=NaHSO3）的化学计量数中观察到刚才同学的结论。

[教师]从二氧化硫中硫元素的化合价看，二氧化硫中硫 为+4价，处于中间价态既有还原性，又有氧化性，以还原性 为主。通过恰当的氧化剂也可以氧化吸收二氧化硫。下面， 我们通过实验模拟二氧化硫的氧化吸收。

[演示实验1]二氧化硫和酸性高锰酸钾溶液的反应。

5SO2+2KMnO4+2H2O=2H2SO4+K2SO4+2MnSO4 [教师]实际工业中常选用更经济的氧化剂如氧气、臭氧、低品位的软锰矿（MnO2）做氧化剂。通常是氧化、碱液吸收 联合使用[5]，如氨水-氧气氧化吸收：
2SO2+4NH3·H2O+O2=2（NH4）2SO4+2H2O [教师]通过刚才的讨论，我们了解了吸收尾气和烟气中 二氧化硫的主要化学方法。无论是碱液吸收，还是氧化-碱 液吸收，都存在吸收后的生成物的综合利用的问题。

[问题解决4]如何综合利用吸收二氧化硫产生的生成 物？ [教师]合理利用吸收得到的副产品，可以产生良好的经 济效益，也符合国家倡导的循环经济理念，科研部门和相关 企业都非常关注并着力解决这一问题。氧化-碱液吸收二氧 化硫得到的硫酸盐，如CaSO4、Na2SO4、（NH4）2SO4可以直 接使用；
亚硫酸盐及亚硫酸氢盐既可以直接作为化学原料利 用，也可以转化后再利用。

以亚硫酸氢钠为例分析：
（1）NaHSO3可以加酸放出二氧化硫。二氧化硫可直接 作为化学原料利用，也可以用于生产硫酸。

二氧化硫在适当温度并有催化剂存在的条件下，可以被 氧气氧化成三氧化硫，三氧化硫是一种酸性氧化物，溶于水 生产硫酸。工业上利用这一原理生产硫酸。

（2）二氧化硫具有漂白性，能漂白某些有色物质。

[演示实验2] SO2与品红的反应及花瓣的褪色实验。

[教师]二氧化硫的漂白是由于它和水反应，H2SO3和某些有色物质生成不稳定的无色物质。从刚才的实验中同学们 观察到这种无色物质容易分解而使无色物质恢复原来的颜 色。所以这种漂白容易“返黄”。

其实造纸厂、印染厂中对纸浆、毛、麻、丝等是直接将 亚硫酸氢钠溶液调节到一定的pH漂白的。

（3）二氧化硫可以杀菌消毒。

[教师]我们怎么经常看到新闻报道里都是有关二氧化 硫在食品安全中的负面新闻，其实食品工业中应用亚硫酸盐 历史悠久，比如，二氧化硫是葡萄酒中的“护花使者”。世 界上绝大多数的葡萄酒在酿造时都会使用二氧化硫来进行 防腐和保鲜。有了它，葡萄酒才能长期存放，保持鲜美怡人 的口感。

但是不法厂商利用二氧化硫的漂白和杀菌消毒作用，在 食品加工过程中过量使用二氧化硫或亚硫酸盐，食用这类产 品对人体的肝脏、肾脏有严重损害，并有致癌作用，曝光的 毒银耳、毒蜜饯事件不胜枚举。所以人们才会对二氧化硫闻 而色变，退避三舍。其实食品加工过程中，在合理范围内使 用二氧化硫是安全的。我国《食品添加剂使用卫生标准》严 格规定了各类食品中亚硫酸盐的允许用量，国际食品添加剂 联合专家委员会（JECFA）制定的二氧化硫安全摄入限量是 每天每公斤体重0.7毫克[6]。

[巩固提升]本节课，我们研究了二氧化硫的性质、用途 和空气中二氧化硫的防治及脱硫产物资源再利用，体会了化学知识在社会生产与环境保护的和谐发展中的重要应用。

请大家课后完成两个任务：
（1）讨论中涉及到SO2、SO3、H2SO3、H2SO4、Na2SO3、 CaSO4、NH4HSO3等物质，请以SO2为中心整理这些物质之间 相关转化的途径，并用化学方程式表示。

（2）结合研究性学习，调研我国或本地区酸雨的分布、 影响、危害和采取了哪些防治措施，形成科普小论文或调研 报告提交。

[训练与检测] 一、基础部分 1.判断下列说法的正误，并在选项后的括号内打“√” 或“×” ①由于地壳的岩层里含硫及其化合物，因此火山喷出物 中含有H2S、SO2等硫的化合物（ ） ②化石燃料直接燃烧会产生对大气有严重污染的SO2气 体（ ） ③CaO能与SO2反应，可作工业废气的脱硫剂（ ） ④SO2具有氧化性，可用于漂白纸浆（ ） ⑤除去干燥CO2中混有的少量SO2，可将混合气体依次通 过盛有酸性KMnO4溶液、浓硫酸的洗气瓶（ ） 请回答下列问题：
①上述流程脱硫实现了（选填下列字母编号）。

A.废弃物的综合利用B.白色污染的减少 C.酸雨的减少 2.将SO2分别通入：①石蕊试液，②澄清石灰水，③溴 水，④品红溶液中，填写下表：
二、拓展部分 3.污染物的有效去除和资源的充分利用是化学造福人 类的重要研究课题。某研究小组利用软锰矿（主要成分为 MnO2，另含少量铁、铝、铜、镍等金属化合物）作脱硫剂， 通过如下简化流程，既脱除燃煤尾气中的SO2，又制得电池 材料MnO2（反应条件已省略）。

②上述流程中哪几步实现软锰矿的提纯（填步骤编号）， 并分析用到哪些除杂试剂？ 4.三位同学设计了下述三个实验方案，并都认为如果观 察到的现象和自己设计的方案一致，即可以确认混合气体中 含CO2和SO2。

[检测结果统计]（统计人数49人） 参考文献：
[1][2][3]吴俊明.化学教学与科学素质教育[J].化学 教学，2009，（8）：29. [4]吴俊明等.科学教育基础[M].北京：科学出版社， 2008：44～60. [5]王荣杰等.化石能源转换过程中硫资源的综合利用 与开发[J].河北化工，2012，（7）：63.[6]黄镁.食品中二氧化硫残留量的控制及检测[J].中 国高新技术企业，2010，（25）：38～39.