“境脉链接,模型建构”促进核心素养落地

2019-09-09 06:31:39 教学月刊·中学版(教学参考) 2019年8期

王星乔

摘    要:为促进化学核心素养在课堂教学中真正落地,提出了“境脉链接、模型建构”教学模式的内涵,构建了该教学模式的操作程序:制定教学与评价目标、创设问题境脉、构建认识模型,并据此设计了“二氧化硫的性质和作用”一课。课堂教学实践表明,该教学模式提升了学生实际问题解决能力,促进了认识思路、核心观念的结构化,有利于化学核心素养的发展。

关键词:境脉链接;模型建构;核心素养;二氧化硫

2018年11月29~30日,第五届全国基础教育课程教学改革研讨会在浙江宁波隆重举行,本次研讨会的主题是“推动普通高中课程实施,落实学生学科核心素养”。笔者有幸执教了“二氧化硫的性质和作用”这一研讨课,受到了与会专家和老师的好评。

一、“境脉链接,模型建构”教学模式内涵

“境脉链接,模型建构”教学模式以化学学科核心素养为指引,在研究课程标准相关要求基础上,选择与教学主题密切相关的情境素材链接知识、方法、素养,精心设计任务链,驱动学生运用化学科学思维方式和方法解决实际任务,提炼、完善知识关联模型、认识思路模型,实现核心素养的提升。

二、“境脉链接,模型建构”教学模式操作程序

(一)制定教学与评价目标

从2017版课程标准要求来看,注重引导学生利用“物质类别、元素价态”认识角度预测二氧化硫的相关性质,设计实验进行验证,与此同时解决真实情境中的问题[1]。本节课选择环境问题作为探讨SO2性质的切入口,以“讲好宁波故事,共创美丽中国”为立意,以宁波镇海炼化为情境素材,通过化学课堂把镇海炼化故事带给学生,切身感受化学与自然环境、生活环境的密切联系,赞赏政府、企业为改善环境所作出的持续努力。综上所述,确定了如下教学与评价目标。

【教学目标】

(1)通过实验了解二氧化硫的物理性质,掌握二氧化硫的化学性质(酸性氧化物通性、还原性、漂白性),能用化学方程式描述酸雨形成过程及尾气处理涉及的物质变化,初步形成“性质决定用途”的观念;

(2)通过酸雨成因的探讨,认识到二氧化硫与其他含硫物质间可以相互转化,且需要一定的条件;

(3)通过二氧化硫相关实验现象的分析推测二氧化硫的相关性质,形成基于物质类别和价态对物质性质进行预测和检验的认识模型;

(4)能设计酸雨形成的模拟实验方案,与同学合作完成实验操作,客观进行记录,对实验现象作出解释;

(5)通过对镇海炼化含硫烟气处理相关问题的探讨,认识到二氧化硫过量排放对环境造成的危害,能从化学的角度提出减少硫酸型酸雨的措施,具有“绿色化学”的观念,赞赏政府、企业为改善环境所作出的持续努力。

【评价目标】

(1)通过对二氧化硫转化成硫酸的可能路径设计与交流点评,诊断并发展学生对物质及其转化思路的认识水平(孤立水平、系统水平);

(2)通过对二氧化硫转化成硫酸的实验方案设计与交流点评,诊断并发展学生探究物质性质的水平(经验水平、概念原理水平);

(3)通过对炼油厂二氧化硫尾气处理方案、二氧化硫尾气监测方案的设计与交流点评,诊断并发展学生解决实际问题的能力水平(孤立水平、系统水平)及其对化学价值的认识水平(学科视角、社会价值视角、学科和社会价值视角)。

(二)创设问题境脉

“素养为本”的教学通过创设“问题境脉”统领整个教学过程[2]。通过对有关科技文献的检索及镇海炼化的实地考察,本节课以“炼油厂尾气中二氧化硫的来源→危害→处理→监测”作为教学主线,精心设计驱动性问题,以此激发、推动、维持、强化和调整学生的认知活动、情感活动和实践活动等,具体设计如图1所示。

(三)构建认识模型

从元素化合物学习角度来看,通过本节课的学习,学生应建立物质类别、元素价态的认识角度,面对陌生物质时能依据认识角度预测物质性质,设计实验方案并获取事实证据,若事实与理论不符,则需修正认识模型。

从环境主题学习角度来看,通过本节课的学习,学生应能从化学的视角认识和分析环境问题,具体包括:环境问题的危害是由物质的什么性质引起的;从物质性质和物质变化视角分析、解释环境问题的产生机理和形成过程;针对环境问题的形成过程和条件,根据物质性质和物质变化,寻找对应的解决办法[3],如图2所示。

三、基于“境脉链接,模型建构”教学模式教学实践

(一)创设情境,引入课题——炼化厂尾气中的二氧化硫来源

【引课】今天我将带领同学们一起走进全国规模最大的炼化企业——镇海炼化。

【PPT】镇海炼化相关历史图片及规模效益数据。

【教师】镇海炼化前身是浙江炼油厂,现在每年炼油量达到2300万吨。石油炼制过程中烟气的处理是一重要环节,烟气中主要污染物是烟尘、NOx、H2S,今天这节课我们主要关注含硫物质的处理。目前,镇海炼化采用克劳斯法处理含硫烟气并对硫磺回收利用。

【PPT】

克劳斯法基本原理[4] (图3)

【设问】分析流程中硫及其化合物的转化关系,体现了含硫物质怎样的性质?

【学生】硫化氢可被氧气氧化为二氧化硫,体现了还原性;二氧化硫与硫化氢归中生成了硫磺,体现了二氧化硫的氧化性。

【教师】如果两者恰好反应转化成硫,那当然是最完美了,可事实并非这样,看文献资料。

【PPT】文献资料[4]:“从克劳斯装置排出的尾气中还含有0.8%~1.8%的SO2(体积分数)。传统克劳斯工艺的尾气中硫化物的排放量已不能滿足现行环保标准的要求。”

(二)引导探究,突破难点——探究二氧化硫对环境的影响

【设问】含有二氧化硫的未达标废气为何不能直接排放?

【学生】……

【教师】二氧化硫是大气中主要污染性气体,有刺激性气味,有毒,特别是对人的呼吸道有刺激作用;另一方面,空气中二氧化硫造成硫酸型酸雨,对社会环境带来多方面的危害。

【任务一】探究尾气中的二氧化硫对环境的影响

【活动】大气中的二氧化硫是如何转化成硫酸的?请写出可能的转化路径并说明依据。(用化学方程式或物质转化关系表示)

【学生】讨论并呈现结果。

【教师】从化合价和物质类别两个角度评价学生的汇报,初步构建二维坐标图。

【讨论】如何利用实验室现有条件探究:二氧化硫→亚硫酸→硫酸这条转化路径?请设计实验方案。

【学生】将二氧化硫通入水中获得二氧化硫水溶液;取适量溶液滴入紫色石蕊,若溶液显红色,说明有亚硫酸生成。

【追问】溶液显红色就一定能说明是亚硫酸?如何证明是亚硫酸?

【学生】加氯化钡若无沉淀生成则证明是亚硫酸,如果是硫酸的话加氯化钡会生成白色沉淀。

【追问】如何证明亚硫酸可以被氧化为硫酸?

【学生】往加入氯化钡的二氧化硫水溶液中鼓入空气,若有白色沉淀,则说明亚硫酸可以被氧化为硫酸。

【活动】酸雨形成模拟实验。

器材:100mL输液袋(充有二氧化硫)、20mL注射器、10mL试剂瓶若干。

试剂:蒸馏水、石蕊、 BaCl2溶液、稀盐酸。

【学生】汇报观察到的实验现象与结论:往充有二氧化硫的输液袋中用注射器注入20mL蒸馏水,轻轻振摇输液袋,输液袋明显变瘪,说明二氧化硫易溶于水;取2~3mL二氧化硫水溶液,滴加3滴紫色石蕊试液,振荡,紫色石蕊变红,说明二氧化硫与水发生了反应,有酸性物质生成;取2~3mL二氧化硫水溶液,滴加1滴管 BaCl2溶液,开始无明顯现象,露置空气大约10s,溶液变浑浊。

【结论】二氧化硫与水反应生成亚硫酸,亚硫酸确实可以被氧气氧化为硫酸。

【教师】亚硫酸有还原性,SO2和亚硫酸中心元素相同,价态相同,也具有还原性。二氧化硫也可被氧气氧化为SO3,只不过在气相中这一速率较慢,需要催化剂,尘埃中所含的金属氧化物就能提供催化作用,SO3溶于雨水形成硫酸型酸雨。

【PPT】文献资料[5]:“由S(Ⅳ)氧化为SO42-是大气中硫酸盐的主要生成途径,在过程中起作用的氧化剂可能有溶解的O2、O3、H2O2……”

【教师】由上述资料可见,大气中H2O2氧化二氧化硫直接转变成硫酸也是硫酸型酸雨形成路径之一。接下来请同学们将滴加过BaCl2的试剂瓶中的浊液一分为二,往其中一份滴加双氧水,观察现象。

【活动】将浊液一分为二,往其中一份滴加双氧水。

【结论】滴加双氧水后浑浊度明显增加,说明双氧水能迅速氧化二氧化硫水溶液。

【符号表征】书写双氧水氧化二氧化硫离子反应方程式。

【小结】酸雨的形成路径中所体现的二氧化硫性质及认识元素化合物角度。

(三)交流探讨,综合应用——二氧化硫尾气的处理与监测

【过渡】既然含有二氧化硫尾气会造成硫酸型酸雨,你们觉得如何处理尾气中的二氧化硫呢?

【任务二】设计二氧化硫尾气处理方案(用化学方程式或物质转化关系表示)

【学生】可用氢氧化钠、氨水、石灰乳等碱性物质吸收,也可用双氧水、高锰酸钾等氧化性物质吸收。

【讨论】从原料来源、处理成本、产物循环利用等角度评析处理方案。

【教师】我采访了镇海炼化环保科科长,我们来听听镇海炼化的做法及考虑因素。

【视频】镇海炼化环保科科长周则飞工程师访谈(注:考虑到国家排放要求不断提高,目前镇海炼化选用氢氧化钠处理二氧化硫尾气,将处理效果放在首要考虑位置)

【过渡】经钠碱法处理后的尾气中二氧化硫含量是否符合国家标准?这就涉及二氧化硫的检测问题了。

【PPT】炼油厂尾气主要成分(图4)

【任务三】设计实验方案检验脱尘、脱硝后尾气中含有二氧化硫

【学生】品红、酸性高锰酸钾、碘水。

【追问】能否用氢氧化钡?

【学生】不行,两者都是酸性氧化物,均会产生白色沉淀。

【实验】取试管,注入2mL二氧化硫水溶液,滴加品红,观察现象;试管上方套一个气球,加热,观察现象。

【教师】二氧化硫的漂白作用是由于它能跟某些有色物质生成不稳定的无色物质,但这种无色物质容易分解而使有色物质恢复原来的颜色,利用这一性质可以定性检验二氧化硫的存在。工业上常用二氧化硫漂白纸浆、毛、丝、草帽等;其实葡萄酒中也添加有少量二氧化硫,正是利用了它的漂白性和抗氧化性。二氧化硫是国际上通行的食品添加剂,关键是控制好量。所以我们应辩证看待二氧化硫,它既有过也有功。

【过渡】当然,像镇海炼化这样的大公司,要求做到实时、精确监测,需要精密的仪器设备。前几日,我利用二氧化硫传感器定量检测了镇海炼化除硫装置周围二氧化硫的浓度值。

【PPT】SO2传感器:SO2气体进入传感器的气室,会发生化学反应,产生与二氧化硫浓度成正比的电流。该电流信号具有线性反应特征,灵敏度高、响应时间短、受温度和湿度影响小。

【视频】SO2传感器采集镇海炼化厂空气中SO2浓度数据

【PPT】展示前后十年镇海炼化二氧化硫年度排放总量数据,如图5所示。

【教师】由于国家对尾气排放指标要求越来越高,近几年镇海炼化投入巨资改进脱硫技术与设备,所以二氧化硫的排放量与十年前相比锐减,这是企业积极承担社会责任的体现。

【PPT】宁波:千只白鹭定居炼化厂