大概念統(tǒng)攝下的高中化學(xué)微型實(shí)驗(yàn)主題式教學(xué)
——以“二氧化硫的性質(zhì)”為例

嚴(yán)志燁 黃華文

一、問(wèn)題的提出

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017 年版2020 年修訂）》（以下簡(jiǎn)稱(chēng)《新課標(biāo)》）指出，高中化學(xué)教學(xué)要重視以學(xué)科大概念為核心，使課程內(nèi)容結(jié)構(gòu)化，以主題為引領(lǐng)，使課程內(nèi)容情境化，促進(jìn)學(xué)科核心素養(yǎng)的落實(shí)?？梢?jiàn)，《新課標(biāo)》倡導(dǎo)真實(shí)問(wèn)題情境的創(chuàng)設(shè)，開(kāi)展“主題式”探究活動(dòng)，研究“大概念教學(xué)、主題式教學(xué)、真實(shí)情境教學(xué)”的相關(guān)理論，并將三個(gè)理論融合運(yùn)用于教學(xué)實(shí)踐，開(kāi)拓高中化學(xué)教學(xué)研究的思路，促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)方式的轉(zhuǎn)變。因此，研究在大概念統(tǒng)攝下的高中化學(xué)主題式教學(xué)具有現(xiàn)實(shí)意義。

以大概念為統(tǒng)攝，充分利用真實(shí)情境開(kāi)展主題式教學(xué)，能夠啟發(fā)學(xué)生從各種真實(shí)情境出發(fā)，在解決具體生產(chǎn)生活問(wèn)題的過(guò)程中形成學(xué)科概念；對(duì)復(fù)雜的事物、現(xiàn)象或問(wèn)題進(jìn)行有意義的高度概括，形成更“生活化”的知識(shí)網(wǎng)絡(luò)體系，提升化學(xué)知識(shí)結(jié)構(gòu)水平。同時(shí)，以大概念為統(tǒng)領(lǐng)，將具體的事實(shí)、概念與學(xué)科中普適性更高的大概念建立關(guān)聯(lián)，可以讓學(xué)生從中領(lǐng)悟更有普遍意義、具有持久遷移價(jià)值的學(xué)科思想和解決問(wèn)題的思路方法。

二、大概念統(tǒng)攝下的主題式教學(xué)模型

大概念又稱(chēng)大觀念，在教育領(lǐng)域，大概念是對(duì)概念關(guān)系的表述，是基于事實(shí)性知識(shí)產(chǎn)生的、具有深刻含義的可遷移觀念，能解釋較大范圍現(xiàn)象、物體與事件的有組織、有結(jié)構(gòu)的知識(shí)和模型。主題式教學(xué)是一種以學(xué)生為中心的教學(xué)模式，是圍繞一個(gè)具體的、有社會(huì)意義的主題展開(kāi)有目的的學(xué)習(xí)的過(guò)程。

大概念統(tǒng)攝下的主題式教學(xué)是指教師根據(jù)教學(xué)內(nèi)容先創(chuàng)設(shè)一個(gè)真實(shí)的情境，如生產(chǎn)情境、生活情境、實(shí)驗(yàn)情境等，然后確定一個(gè)“學(xué)習(xí)主題”，并將該主題所涉及的相關(guān)學(xué)科知識(shí)進(jìn)行分解，課堂上利用問(wèn)題驅(qū)動(dòng)展開(kāi)教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)所學(xué)知識(shí)來(lái)解決相關(guān)問(wèn)題，最后進(jìn)行課堂總結(jié)，構(gòu)建知識(shí)網(wǎng)絡(luò)的過(guò)程。在課堂活動(dòng)中，學(xué)生在真實(shí)情境中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，然后小組活動(dòng)并討論，利用學(xué)科知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題，構(gòu)建學(xué)科知識(shí)網(wǎng)絡(luò)，形成解決此類(lèi)問(wèn)題的一般規(guī)律，最終形成學(xué)科大概念，提升學(xué)科素養(yǎng)（大概念統(tǒng)攝下的主題式教學(xué)模型詳見(jiàn)圖1）。

圖1 大概念統(tǒng)攝下的主題式教學(xué)模型

三、基于大概念的微實(shí)驗(yàn)主題式教學(xué)設(shè)計(jì)

二氧化硫是一種常見(jiàn)的大氣污染物，本課例通過(guò)以酸雨治理為載體開(kāi)展微實(shí)驗(yàn)主題式探究活動(dòng)來(lái)學(xué)習(xí)二氧化硫的性質(zhì)，強(qiáng)化了化學(xué)知識(shí)與生活的聯(lián)系，體現(xiàn)了化學(xué)的學(xué)科價(jià)值和魅力。從物質(zhì)類(lèi)別看，二氧化硫是一種典型的酸性氧化物；從價(jià)態(tài)看，二氧化硫的硫元素處于中間價(jià)態(tài)，既具有氧化性，又具有還原性。在探究酸雨治理方法的過(guò)程中，可以充分利用價(jià)維和類(lèi)維展開(kāi)討論，從而建立研究物質(zhì)性質(zhì)的一般視角，形成價(jià)類(lèi)二維學(xué)科大概念。

（一）教學(xué)背景分析

本節(jié)內(nèi)容關(guān)注人類(lèi)面臨的與化學(xué)相關(guān)的問(wèn)題，體現(xiàn)了《新課標(biāo)》關(guān)于培養(yǎng)學(xué)生社會(huì)責(zé)任感、參與意識(shí)和決策能力的要求。學(xué)生在九年級(jí)已初步掌握一些元素及其化合物的知識(shí)，初步了解酸雨的危害，知道二氧化硫是導(dǎo)致酸雨的重要因素。同時(shí)，經(jīng)過(guò)前一段高中學(xué)習(xí)之后，學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了物質(zhì)分類(lèi)、氧化還原、離子反應(yīng)等理論知識(shí)，對(duì)物質(zhì)性質(zhì)的研究有了初步的認(rèn)識(shí)，為本節(jié)課的學(xué)習(xí)提供了理論基礎(chǔ)和研究物質(zhì)的方法基礎(chǔ)，但是學(xué)生尚不能認(rèn)識(shí)到物質(zhì)性質(zhì)既有一般規(guī)律又有特殊性。二氧化硫的學(xué)習(xí)可以讓學(xué)生初步構(gòu)建價(jià)類(lèi)二維模型，并學(xué)會(huì)從價(jià)類(lèi)二維角度研究物質(zhì)、解決問(wèn)題。在化學(xué)實(shí)驗(yàn)方面，學(xué)生已經(jīng)有一定的實(shí)驗(yàn)操作能力和觀察分析能力，對(duì)化學(xué)實(shí)驗(yàn)興趣濃厚，但是綜合的實(shí)驗(yàn)操作能力、分析能力以及實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)能力有待提高。

（二）教學(xué)目標(biāo)

為了達(dá)成課改提出的“立德樹(shù)人”“必備知識(shí)”“關(guān)鍵能力”等培養(yǎng)目標(biāo)，本節(jié)課以“酸雨治理”為主題，引導(dǎo)學(xué)生以一位問(wèn)題解決者的身份思考、構(gòu)建解決問(wèn)題所需要的基本策略及方法。通過(guò)分組微型實(shí)驗(yàn)，在探究酸雨治理的過(guò)程中學(xué)習(xí)二氧化硫的性質(zhì)，構(gòu)建“物質(zhì)分類(lèi)觀和氧化還原觀”兩個(gè)化學(xué)學(xué)科核心大概念。

同時(shí)，因二氧化硫是一種大氣污染物，本節(jié)課采用改裝后的礦泉水瓶盛裝二氧化硫氣體。改裝的原因是礦泉水瓶蓋被針管扎過(guò)后，由于塑料蓋彈性不夠，會(huì)導(dǎo)致瓶?jī)?nèi)的氣體逸散到空氣中。因此，實(shí)驗(yàn)中改用橡膠塞塞住礦泉水瓶，并在分組實(shí)驗(yàn)中采用針管和點(diǎn)滴板進(jìn)行微量實(shí)驗(yàn)，解決了氣體泄漏問(wèn)題。通過(guò)實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新，讓學(xué)生形成科學(xué)的探究意識(shí)，培養(yǎng)社會(huì)責(zé)任感。

最后，在知道二氧化硫會(huì)導(dǎo)致酸雨的基礎(chǔ)上，認(rèn)知二氧化硫的用途，體會(huì)化學(xué)的學(xué)科價(jià)值，提升辯證看待事物的能力。

（三）教學(xué)思路

教學(xué)中以“酸雨”為主題展開(kāi)教學(xué)，利用問(wèn)題驅(qū)動(dòng)開(kāi)展微型、環(huán)保的實(shí)驗(yàn)探究，探討酸雨的解決方案，完成從生活情境到知識(shí)概念的轉(zhuǎn)化，在問(wèn)題解決中進(jìn)一步構(gòu)建硫元素及化合物的價(jià)類(lèi)二維模型，形成高中化學(xué)重要的價(jià)類(lèi)思維（同價(jià)態(tài)轉(zhuǎn)化和不同價(jià)態(tài)轉(zhuǎn)化）學(xué)科大概念。在介紹二氧化硫?qū)Νh(huán)境、健康帶來(lái)的負(fù)面影響的同時(shí)，引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)二氧化硫在生產(chǎn)生活中還有著重要的作用，讓學(xué)生明確物質(zhì)的兩面性，有助于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度和價(jià)值觀，明確學(xué)科價(jià)值，滲透哲學(xué)思想。具體設(shè)計(jì)思路如圖2 所示：

圖2 “酸雨”主題教學(xué)設(shè)計(jì)思路

（四）教學(xué)過(guò)程

1.設(shè)置生活情境，構(gòu)建課時(shí)主題

從酸雨著手設(shè)置生活情境，以“治理酸雨”構(gòu)建本節(jié)課的主題。同時(shí)，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生已有的認(rèn)知，為后期研究二氧化硫的性質(zhì)與轉(zhuǎn)化，引導(dǎo)學(xué)生找到研究物質(zhì)性質(zhì)的一般規(guī)律，達(dá)成學(xué)科大概念打下基礎(chǔ)。

環(huán)節(jié)一：酸雨危害

［引課］視頻:酸雨的危害。

［提出問(wèn)題］導(dǎo)致酸雨形成的物質(zhì)是什么？我們應(yīng)該如何處理它？

［學(xué)生］SO?？梢詫⑺D(zhuǎn)為其他無(wú)毒的物質(zhì)。

2.設(shè)計(jì)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，歸納類(lèi)比提升

學(xué)生在初中階段學(xué)習(xí)過(guò)二氧化碳的性質(zhì)，知道二氧化碳能溶于水并能和堿溶液反應(yīng)。教學(xué)中引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)類(lèi)比思考，分析二氧化硫氣體的吸收方法并設(shè)計(jì)微實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。在實(shí)驗(yàn)中，為防止氣體污染，通過(guò)注射器吸取一定量的水和氫氧化鈉溶液，依次注入裝有二氧化硫氣體的礦泉水瓶中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，能給學(xué)生帶來(lái)強(qiáng)烈的視覺(jué)和聽(tīng)覺(jué)沖擊。

環(huán)節(jié)二：酸雨治理

［提出問(wèn)題］研究物質(zhì)的一般方法和程序是怎樣的？

［探究活動(dòng)一］從物質(zhì)類(lèi)別角度分析酸雨的治理方法。

［教師］引發(fā)學(xué)生思考：①?gòu)脑亟M成看，二氧化硫與我們學(xué)過(guò)的什么物質(zhì)相似？②根據(jù)推測(cè)的性質(zhì)，可以采取哪些方法除去SO產(chǎn)生的酸雨污染？并設(shè)計(jì)相關(guān)微實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

［酸雨治理微實(shí)驗(yàn)1］實(shí)驗(yàn)步驟：①將裝有二氧化硫氣體的礦泉水瓶用橡膠塞塞好，用針筒從燒杯中吸取3 mL 的水，并從橡膠塞中心處緩緩注入，拔出針筒，搖動(dòng)瓶子，觀察現(xiàn)象；②繼續(xù)往瓶中注入3 mL 氫氧化鈉溶液，觀察現(xiàn)象。

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：①注入水后，礦泉水瓶變癟，同時(shí)能聽(tīng)到瓶子變形時(shí)發(fā)出的響聲；②注入氫氧化鈉溶液后，礦泉水瓶變癟程度更嚴(yán)重，瓶子中部幾乎貼在一起，響聲更加清脆。

［教師追問(wèn)］通過(guò)實(shí)驗(yàn)我們發(fā)現(xiàn)，用水和氫氧化鈉可以吸收二氧化硫氣體，那么在這個(gè)過(guò)程中是否發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)呢？請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)相關(guān)微實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

［酸雨治理微實(shí)驗(yàn)2］實(shí)驗(yàn)步驟：①往點(diǎn)滴板上的紫色石蕊溶液中注入少量二氧化硫氣體；②往點(diǎn)滴板上滴有酚酞的氫氧化鈉溶液中注入少量二氧化硫氣體。

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：①紫色石蕊溶液中注入少量二氧化硫氣體后溶液變紅色；②滴有酚酞的氫氧化鈉溶液中注入少量二氧化硫氣體后溶液基本變成無(wú)色。

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：二氧化硫具有酸性氧化物的通性：①與水反應(yīng)：SO+ HO = HSO；②與堿溶液反應(yīng)：2NaOH+SO=NaSO+HO；③與堿性氧化物反應(yīng)：CaO+SO=CaSO。

【設(shè)計(jì)意圖】經(jīng)過(guò)微實(shí)驗(yàn)1，學(xué)生知道了二氧化硫可以溶于水和氫氧化鈉溶液，但是究竟有沒(méi)有發(fā)生反應(yīng)，二氧化硫是否具有酸性氧化物的性質(zhì)，還需通過(guò)微實(shí)驗(yàn)2 進(jìn)行驗(yàn)證。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，可以培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)、證據(jù)推理等化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)，明確同價(jià)態(tài)硫元素及化合物的轉(zhuǎn)化，引導(dǎo)學(xué)生從物質(zhì)類(lèi)別角度建立認(rèn)知模型，形成分析酸性氧化物性質(zhì)的一般思想和方法，最終建立“類(lèi)別轉(zhuǎn)化”的學(xué)科概念。

［探究活動(dòng)二］從氧化還原的角度分析酸雨的治理。

［設(shè)置問(wèn)題情境］某?？萍夹〗M同學(xué)在某城市采集了酸雨樣品,每隔一段時(shí)間測(cè)定樣品的pH，發(fā)現(xiàn)pH 逐漸增大。

［教師設(shè)置問(wèn)題引導(dǎo)］引發(fā)學(xué)生思考：①為什么經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后酸雨的酸性會(huì)增強(qiáng)呢？②從氧化性和還原性角度分析，如何解決二氧化硫?qū)е碌乃嵊陠?wèn)題？并利用已有藥品設(shè)計(jì)微實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

［學(xué)生］①亞硫酸具有還原性，可能被氧化成硫酸；②二氧化硫中硫元素為+4 價(jià)，既有還原性又有氧化性，可將其轉(zhuǎn)化成更高或者更低價(jià)態(tài)的無(wú)毒物質(zhì)。

［酸雨治理微實(shí)驗(yàn)3］實(shí)驗(yàn)步驟：①用注射器抽取少量二氧化硫氣體，緩慢推入紫紅色酸性KMnO溶液中，觀察現(xiàn)象；②用注射器抽取少量二氧化硫氣體，緩慢推入橙色溴水溶液中，觀察現(xiàn)象。

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：紫紅色的酸性KMnO溶液和橙色溴水溶液都褪色。

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：二氧化硫具有還原性，5SO+2MnO+2HO=5SO+2Mn+4H，

【設(shè)計(jì)意圖】氧化還原觀是研究物質(zhì)性質(zhì)非常重要的一種思維視角，也是中學(xué)化學(xué)極其重要的學(xué)科思想。在研究不同價(jià)態(tài)硫元素轉(zhuǎn)化時(shí)，以生活情境作為背景，讓學(xué)生借助化合價(jià)去分析可能性，引導(dǎo)學(xué)生從氧化還原視角去分析處理二氧化硫的方法，并利用所學(xué)知識(shí)從所提供的藥品中選擇合適的氧化劑進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證；讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中探索利用氧化還原知識(shí)治理二氧化硫氣體污染的方法，初步認(rèn)識(shí)二氧化硫的還原性；指導(dǎo)學(xué)生完成相關(guān)化學(xué)方程式和離子方程式的書(shū)寫(xiě)。

［酸雨治理微實(shí)驗(yàn)4］用注射器向裝有硫化氫氣體的礦泉水瓶中注入二氧化硫氣體，觀察現(xiàn)象。

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：瓶子內(nèi)有水霧，內(nèi)壁有黃色物質(zhì)附著。

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：二氧化硫具有氧化性，SO+2HS=3S↓+2HO。

【設(shè)計(jì)意圖】通過(guò)微實(shí)驗(yàn)3，學(xué)生知道了可以用氧化劑吸收二氧化硫氣體，對(duì)二氧化硫的還原性有了初步的認(rèn)識(shí)，但是還沒(méi)有形成完整的氧化還原體系。在教學(xué)中，教師要引導(dǎo)學(xué)生充分利用化合價(jià)變化規(guī)律對(duì)二氧化硫是否能被還原進(jìn)行探索，然后通過(guò)微實(shí)驗(yàn)4，學(xué)習(xí)二氧化硫的氧化性。構(gòu)建從氧化還原視角研究物質(zhì)性質(zhì)的基本思維方法，形成“價(jià)態(tài)轉(zhuǎn)化”的學(xué)科概念。

［探究活動(dòng)三］鈣基固硫。

［教師設(shè)置問(wèn)題］可采取哪些措施減少工業(yè)燃煤過(guò)程中酸雨的產(chǎn)生?

［學(xué)生］燃煤前，脫硫處理；燃煤后，將二氧化硫吸收后轉(zhuǎn)化為CaSO。

［教師］介紹鈣基固硫。

【設(shè)計(jì)意圖】在分析完“類(lèi)別觀”和“價(jià)態(tài)觀”的基礎(chǔ)上，引導(dǎo)學(xué)生聯(lián)系生產(chǎn)實(shí)際進(jìn)行分析,讓學(xué)生體會(huì)化學(xué)源于生活、服務(wù)于生活的學(xué)科魅力。同時(shí)，通過(guò)探討“鈣基固硫”進(jìn)一步整合鞏固硫元素的“類(lèi)別轉(zhuǎn)化”和“價(jià)態(tài)轉(zhuǎn)化”思想，讓學(xué)生形成研究物質(zhì)性質(zhì)的價(jià)類(lèi)二維大概念，實(shí)現(xiàn)知識(shí)的綜合利用，提升解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

3.聯(lián)系生產(chǎn)生活，建構(gòu)知識(shí)體系

利用紅酒和漂白過(guò)的紙張分析二氧化硫在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用，設(shè)計(jì)微實(shí)驗(yàn)5 學(xué)習(xí)二氧化硫的漂白性，同時(shí)引導(dǎo)學(xué)生思考二氧化硫的漂白性是否和次氯酸相同。學(xué)生在認(rèn)識(shí)到二氧化硫能使品紅褪色后，將二氧化硫氣體繼續(xù)通入變紅的石蕊溶液中，發(fā)現(xiàn)溶液并沒(méi)有褪色，認(rèn)識(shí)到二氧化硫氣體并不能使所有的有色物質(zhì)都褪色，體會(huì)了二氧化硫的選擇性漂白。之后，讓學(xué)生查閱資料，找到二氧化硫的漂白機(jī)理。

環(huán)節(jié)三：二氧化硫的用途

［投影］紅酒和紙張圖片。

［設(shè)置問(wèn)題思考］二氧化硫與它們會(huì)有什么聯(lián)系嗎？設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其漂白性。

［酸雨治理微實(shí)驗(yàn)5］體驗(yàn)二氧化硫的漂白性。實(shí)驗(yàn)步驟：①往點(diǎn)滴板上滴2 ～3 滴品紅溶液，然后通入二氧化硫氣體，觀察現(xiàn)象；用注射器吸取該溶液并置于試管中加熱，觀察現(xiàn)象。②吸取微實(shí)驗(yàn)2 中變紅的紫色石蕊溶液并置于試管中加熱，觀察現(xiàn)象。

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：①通入二氧化硫氣體后，品紅溶液褪色，加熱后，恢復(fù)紅色；②往變紅的石蕊溶液中繼續(xù)通入SO，無(wú)明顯現(xiàn)象。

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：二氧化硫具有漂白性（選擇性、暫時(shí)性）。

4.回歸生活情境，培養(yǎng)學(xué)科素養(yǎng)

從化學(xué)走向社會(huì)，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會(huì)觀察生活并將所學(xué)知識(shí)應(yīng)用到實(shí)際中，培養(yǎng)學(xué)生正確看待物質(zhì)，能夠區(qū)分物質(zhì)的利弊，體會(huì)“善用之則為福，不善用之則為禍”的哲學(xué)思想，增強(qiáng)學(xué)生的社會(huì)責(zé)任感。

環(huán)節(jié)四：正確看待二氧化硫的功與過(guò)

［學(xué)生］自由表達(dá)。

四、教學(xué)反思

本節(jié)課基于學(xué)生對(duì)元素化合物的認(rèn)識(shí)模型，將物質(zhì)的學(xué)習(xí)置于問(wèn)題的解決過(guò)程中，以“酸雨的治理”為主題，充分利用價(jià)類(lèi)二維思維模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，尋找治理酸雨的合理途徑，形成二氧化硫的性質(zhì)這一學(xué)科知識(shí)體系，構(gòu)建價(jià)類(lèi)二維學(xué)科大概念，讓學(xué)生對(duì)物質(zhì)的研究有更深刻、更本質(zhì)的認(rèn)識(shí)，提升了學(xué)生的學(xué)科素養(yǎng)。

二氧化硫雖然是大氣污染物，但是也是一種重要的工業(yè)原料，在生產(chǎn)生活中有著廣泛的用途。教學(xué)中圍繞“立德樹(shù)人”的教育宗旨，通過(guò)探討二氧化硫的“功與過(guò)”，引導(dǎo)學(xué)生逐步樹(shù)立辯證看待事物的世界觀，以及為發(fā)揮化學(xué)學(xué)科價(jià)值而努力拼搏的人生觀。