融入化学史教育的化学教学设计

2021-11-25 16:26郑海鹏梁秋婵陈博
化学教与学 2021年8期
关键词:化学史二氧化硫教学设计

郑海鹏 梁秋婵 陈博

摘要:在化学教学中融入化学史教育,能够让学生了解所学化学知识的来源与发展,学习历史发展进程中的科学本质思想,提高学生的科学素养文章以新人教版高中化学第二册《二氧化硫》为例,以二氧化硫的“历史线”、学生学习的“活动线”和二氧化硫性质的“知识线”作为本节课的教学路线,最后通过引导学生绘制硫元素的价类二维图对本节课知识点进行总结。

关键词:化学史;二氧化硫;教学设计;价类二维图

文章编号:1008-0546(2021)08-0069-05

中图分类号:G632.41

文献标识码:B

doi: 10.3969/j.issn. 1008-0546.2021.08.018

一、引言

化学史是化学科学的形成、产生和发展及其演变规律的反映,化学史教育是指在化学教学中根据具体情况适当地穿插化学史实进行的一种教学活动[1]。在化学教学中融入化学史可以充分体现自然科学与人文学科的跨学科联系,不仅仅局限于科学知识本身的学习,还可以反映出人们在确定知识中的思想和方法[2]。2017版高中化学新课标强调将化学史作为发展学生对科学本质理解的重要手段[3],将科学概念放在历史的坐标系中学习,让学生站在历史的角度认识化学学科的意义和价值,从知识发生的过程中学习科学概念,要比照本宣科更有趣味,也更易理解和掌握[4]。将鲜活的科学史与化学教学相结合,理应成为教师顺应国际化学教育改革趋势、提升巾学生科学素养的重要途径[5]。

笔者于2020年12月查阅中国知网期刊数据库,以“二氧化硫”和“教学设计”为篇名进行义献检索,发现有41篇“二氧化硫”的课例设计文献,这些教学设计风格多样,融合了不少先进的教育理念和教学模式,例如STSE[6],、元素观[7]、项目式教学法[8]、基于化学学科核心素养[9]等,但并没有涉及化学史教育。因此,从检索结果看,关于二氧化硫的化学史教育课例设计这方面的研究有着丰富的发展空间和必要性。本文以“二氧化硫”为例,融入化学史教育,进行教学设计,为我国化学史教育提供参考和借鉴。

二、教学设计

1.设计思路

在人教版高中化学第二册第五章第一节“硫及其化合物”[10]中,设置了二氧化硫的物理性质和化学性质(与水反应、与碱反应、氧化性、还原性和漂白性),并呈现了2个验证性实验——SO2能与水反应;SO2具有漂白性。笔者对二氧化硫的历史资料进行整理与提炼,选取了荷马、施塔尔、罗巴克、菲利普斯和C.F.克劳斯这几段关于二氧化硫发现和利用的化学史材料,以其作为历史线索,发掘其中最引人人胜、具有关键作用的事件,向学生展示科学家如何运用已有知识解决问题及科学家提出新的科学理论的过程。基于上述资料,笔者将科学家发现的关键问题转化为学生可以参与研究的问题[11],一方面补充了相关的教材内容,另一方面为教学提供了真实的历史背景,使课堂教学变得丰富有趣。

教学流程如图l所示,采用历史线、活动线和知识线相融合的教学流程。本教学设计通过讲述历史事件(历史线)挖掘出关于SO2的描述,获取相关事实信息,展开实验活动(活动线),收集实验证据,解释事实信息,学习SO2的性质(知识线)。教学流程共四个环节,从环节一回顾硫的燃烧开始学习SO2的性质,最后在环节四中通过价类二维图总结本节课所学。本教学设计从历史事件与“二氧化硫”这一课题知识的关联点出发,通过重现历史事件中关于SO:的实验,让学生了解SO2的历史发展的过程,从巾学习SO2的性质和用途。整体上,SO2的化学史上可承接硫的学习,下可衔接硫酸的学习,其中,硫磺的消毒和漂白对应着硫的性质,硫酸工业的起源对应着硫酸的性质,本教学设计所呈现的科学史在教材内容组织上起到承上启下的作用。

2.教学目标

(l)通过SO2的化学史实,了解其物理性质、常见用途以及在化工领域的应用;

(2)通过实验探究,掌握SO2的漂白性、与水和碱的反应、氧化性和还原性,培养学生观察、分析和归纳的能力,认识“通过现象解释本质”的科学本质内涵,感受化学学科的价值和意义;

(3)通过构建硫元素的价类二维图,培养学生归纳和概括知识的能力;

(4)通过了解回收硫工业和硫酸工业的原理,感受SO2在工业生产中的价值,体会S02与人类关系密切。

3.教學过程

(1)环节一:古希腊诗人荷马

【引入】通过图片的形式展示使用二氧化硫漂白前后的草帽、红酒成分表中的二氧化硫和空气质量分析报告中的二氧化硫。说明二氧化硫与我们生活关系密切。那么二氧化硫是怎么被发现和利用的呢?接下来通过几段历史资料一起认识二氧化硫。

【历史资料】硫在远古时代就被人们所知晓。大约在4000年前,埃及人已经会用硫燃烧所形成的二氧化硫来漂白布匹,古希腊和古罗马人也能熟练地使用二氧化硫来熏蒸消毒和漂白。公元前九世纪,著名古希腊诗人荷马在他的著作《荷马史诗·奥德赛》描述了硫的消毒和漂白,其中有这样的描述:“老妈妈,快去取些硫磺,去秽之物,生起火炉熏厅堂。”[12]

【教师提问】结合上节课关于硫的知识,在上述历史资料巾硫有何化学变化?

【学生回答】S+O2

SO2

【教师提问】上一节课学习了硫的化学性质,知道硫能够与氧气反应生成SO2,正如我手中这一瓶制备好的SO2,请两位同学上来感受一下S02的气味,要注意正确的方法。通过直观感受和查阅课本,SO2的物理性质有哪些?

【学生回答】SO2是一种无色、有刺激性气味的有毒气体,密度比空气的大,易溶于水。在通常情况下,l体积的水可以溶解约40体积的二氧化硫。

【演示实验1】将充满S02、塞有橡皮塞的试管倒立在水中,在水面下打开橡胶塞,观察现象,一段时间后,在水下用橡胶塞塞进试管口,用pH试纸测定管中溶液的pH。

【实验现象】试管内液面上升,pH测得溶液为弱酸性。

【教师提问】从上述实验,可以得到什么结论?

【得出结论】SO2溶于水,并与水反应生成H2S03,S01+H20

H2S03。

【教师提问】在上述历史资料中,还有哪些关于S02的信息?

【学生回答】SO2可以漂白。

【学生实验2】取演示实验1得到的溶液于另一试管中,滴加几滴品红溶液,观察现象,然后加热试管,并注意通风,观察现象。

【学生汇报实验现象】红色褪去,加热后红色恢复。

【教师提问】从上述实验,可以得到什么结论?

【学生汇报实验结论】(查阅课本)S02具有漂白作用,但不是永久性,因为S02能与某些有色物质生成不稳定的无色物质,其容易恢复成原来的颜色。

【教师讲述】从上述资料以及实验可以得知,SO2具有短暂漂白性,能用于漂白布制品,古代人类已经学会使用SO2进行消毒和漂白,但是当时人们对硫磺燃烧产生的气体并不是十分了解,缺乏更深入的理性认识,人类对SO2的研究還在历史的长河巾进行着。

【设计意图】该环节首先通过将知识与生活联系,突出生活处处有化学的理念,展示S02与人类生活生产的关系密切,再转向知识学习,符合建构主义的学习方式。通过古代历史的资料和荷马史诗中的描述,学生能依据历史资料、直观感受以及查阅课本总结出SO2的物理性质以及常见用途,并能通过历史资料了解SO2的部分性质。硫与氧气的反应衔接教材中前一部分关于硫的性质,在教材内容的组织上起到承上的作用。学生从实验中收集了实验证据,知道了SO2能溶于水,具有短暂的漂白性,能将其联系、解释文学作品中古人利用SO2漂白性这一历史事实,从中体会科学本质的内涵,提高兴趣,加深记忆。SO2易溶于水、与水反应衔接下一环节的学习。

(2)环节二:德意志化学家施塔尔

【历史资料】在火山爆发时,同硫化氢一齐产生的气体中,还有一种具有刺激性的恶臭气体,这就是二氧化硫,而当时的人们并不知道它是二氧化硫。德意志化学家施塔尔在收集二氧化硫时,必须使用汞替代水槽中的水,即需要使用汞才能收集到这种较纯的气体。在1702年,施塔尔用碱性溶液吸收硫磺燃烧生成的气体,得到了亚硫酸盐溶液,所以后来也将燃烧硫磺的气体叫做无水亚硫酸。

【教师提问】为什么施塔尔在收集SO2时需要用汞替代水?

【学生回答】因为SO2易溶于水、能与水反应。

【教师追问】还能从上述历史资料巾发现关于S0:的哪些性质?

【学生回答】SO2可以与碱反应生成亚硫酸盐。

【学生实验3】取少量从演示实验1中得到的溶液与另一洁净试管巾,再往其巾加入1-2mL NaOH溶液,再滴加数滴CaCl2溶液,观察现象。

【学生汇报实验现象】加入NaOH溶液时无明显现象,滴加CaCl2溶液后产生白色沉淀。

【学生汇报实验结论】

与CO2类似,两者都属于酸性氧化物,具有酸性氧化物的通性,能够与碱反应,生成对应的盐。

【设计意图】上一环节中SO2易溶于水并与水反应这一化学性质衔接这一环节的学习,使得教学过程更加连贯流畅。通过重现施塔尔的S02与NaOH的反应实验,从中学习S02作为酸性氧化物的部分通性。由于S02与NaOH反应并没有明显现象,所以通过加入CaCL2溶液出现白色沉淀说明S02与NaOH发生了反应。

(3)环节三:英国化学家C.F.克劳斯

【历史资料】为了工业发展和环境保护,除去化石燃料燃烧及地热发电时生成的硫化氢是一个必不可少的环节。在1883年,英国化学家C.F.克劳斯发明了一种高效除去硫化氢和回收硫的方法——克劳斯法1。原理是硫化氢不完全燃烧,生成水和二氧化硫,进一步反应可以生成硫磺。若空气与硫化氢混合比例适当,可使所有的硫化氢转变为硫磺。此法广泛用于煤、石油、天然气的加工过程(如合成氨原料气生产、炼厂气加工等),在脱硫产生的含硫化氢气体巾回收硫,并可解决炼厂废气对大气的污染问题。克劳斯法回收硫的纯度可达到99.8%,可作为生产硫酸的一种硫资源,也可作其他化工生产原料。

【教师提问】历史资料巾提到“硫化氢不完全燃烧,生成水和二氧化硫”,请用化学方程式表示该反应。

【学生回答】

【观看实验视频】接下来,H2S不完全燃烧生成的SO2还需要进一步转化才能生产硫单质,我们重现克劳斯法中涉及的化学反应,观看SO2与H2S反应的视频,注意观察现象。

【实验现象】出现黄色固体,玻璃壁上有水雾。

【得出结论】二氧化硫与硫化氢反应生成硫单质和水,2H2S+SO2=3S↓ +2H20。

【教师提问】从SO2的化合价的分析H2S与SO2的反应,说明SO2具有何种性质?

【学生回答】+4→0,氧化性。

【教师讲述】从克劳斯法的发明可以知道,在S02的成分确定之前,对S02的利用已经比较广泛了。在人类的历史长河里,对物质的研究利用常常是理论研究与实践应用同时进行,相互促进发展,理论指导实践,实践改进理论。SO2不仅在克劳斯法回收硫厂工业中具有重要的地位,也是硫酸工业的必备原料之一,工业上生产硫酸也有一段历史,请看下一环节。

【设计意图】本环节通过克劳斯法回收硫工艺的原理学习S02的氧化性,同时该工艺的历史资料可以让学生认识到SO2对回收硫工业的重要性,提高学生的兴趣,加深学生对知识的记忆。克劳斯法回收硫的工艺可以很好地衔接下一环节的硫酸生产工艺中的原料——硫,使得硫的学习更连贯,能够更好地建立知识网络。

(4)环节四:英国化学家罗巴克和菲利普斯

【历史资料】硫酸工业已经有两百多年的历史,早期的硫酸生产通常采用硝化法。1746年,英国化学家罗巴克在伯明翰建了一座近两米高的铅室,这是世界上第一座铅室法生产硫酸的工厂,这是最早投入硫酸生产的工厂。通过焚烧硫磺和硝石(主要成分是KNO3)产生的二氧化硫和氮氧化物与氧气和水反应生成硫酸,主要发生的化学反应:S+O2

。这个方法在当时能制备出65%的硫酸,经过不断地改进,提高硫酸的纯度。在1831年,英国化学家菲利普斯发明了接触法制取硫酸。他将装有铂丝的陶瓷管中加热硫磺,同时充分混入空气,使生成得二氧化硫和氧气发生催化氧化反应生成三氧化硫。在接触法制取硫酸巾主要发生的化学反应:

接触法制硫酸在工业上应用广泛,能以更低成本制造…三氧化硫以及硫酸,这种方法在现今已被广泛运用[14]。

【教师提问】这里呈现了两种经典的生产硫酸的方法——铅室法和接触法。从化合价的角度分析SO2在这两种方法巾具有什么性?

【学生回答】+4一+6,还原性。

【追问】如何通过实验说明SO2具有还原性?

【演示实验4】将数滴KMn04溶液加入演示实验l得到的S02水溶液巾,观察现象,再往溶液巾滴加几滴BaCl2溶液,观察现象。

【实验现象】滴入KMn04溶液后逐渐褪色,滴加BaCl2溶液出现白色沉淀。

【得出结论】说明S02具有还原性,能够被高锰酸钾氧化成硫酸根,

【总结回顾】从上述历史资料可以看出,SO2具有还原性,在铅室法和接触法中扮演着还原剂的角色,在硫酸工业中具有重要的地位。到目前为止,我们从S02的发现和利用史中了解了重要的人物和事件,也从巾学习了SO2的性质。SO2虽然是一种空气污染物,人类对它的印象不大好,但极大地促进了世界化学工业的发展,例如回收硫工业和硫酸工业,进而为我们的学习、生活和生产提供了各种支持。从本质上解释,就是一个或几个简单的化学变化极大地促进了人类工业的发展,这也是化学在人类社会发展中独特的价值。从这段历史也可以看出,理论研究和实践利用总是在同步进行,相互支持和促进,这也是科学本质的体现。本节课的核心元素是硫元素,从物质类别的角度看,S02是酸性氧化物,能与水反应生成H2SO3,还能与NaOH反应生成Na2SO3;从化合价变化的角度看,+4价的S02与02在催化剂的作用下能被氧化生成+6价的S03,与一2价的H2S反应能被还原生成0价的单质硫。现在以化合价作为纵坐标,物质类别作为横坐标构建出价类二维图[15],并尝试将本节课中出现的各类含硫物质及其之间的转化关系填入价类二维图巾(如图2所示),完成后请几位同学利用价类二维图总结SO2的性质。

【作业布置】根据今天了解到的关于SO2的史实,把SO2的发现和利用的人物事件联系起来,写一篇关于SO2的发现和利用的感想,谈谈自己对化学史的学习感受,在下次课上分享自己的感受。并预习“硫酸”,收集与硫酸有关的史实。

【设计意图】作为本节课最后一个环节,硫的回收和利用可以很好地将上一环节的克劳修斯法和本环节的工业制硫酸衔接起来,使知识线路更为连贯,能使学生深刻认识到S02在硫酸工业中的价值。为了更直观地说明SO2被高锰酸钾氧化成SO2-4,通过加入BaCl2溶液出现白色沉淀这一实验证据说明SO2被高锰酸钾氧化成SO2-4。最后引导学生绘制硫元素的价类二维图,并利用价类二维图自主总结SO2的性质。价类二维图具有直观、线索清晰、引导性强等特点,能使知识之间形成网络,有助于学生的记忆和理解,并能培养学生的概括能力。作业的布置紧扣历史线和知识线,加深学生对科学史学习的理解,以第一人称的身份分享知识的学习方式是最高效率的学习方式。预习任务在于让学生体会化学史的丰富,不仅仅局限于本节课,还能承接下一节课的学习。

三、结语

本教学设计以SO2的发现和利用史作为情景线索贯穿始终,通过演示实验、学生实验和实验视频等活动学习SO2的物理性质和化学性质,并认识SO2在工业生产中的价值,将化学史、工业生产与化学学科知识完美融合。傅鹰曾说:“化学给人以知识,而化学史给人以智慧”[16],化学史是一种生动的课程资源,化学教学巾融入化学史可以让学生了解到化学学科的价值以及渗透在化学史中的哲学思想,促进学生的化学学科核心素养的发展。

参考文献

[l]鲍时安,张家登.化学史教育与教学[J].化学教育,2000(1):44-46

[2]郑海鹏,梁秋婵,陈博.基于HPS教育的化学教学设计——以“氧气”课题为例[J].化学教与学,2019(2):57-60

[3]严文法,王小梅,李彦花.新课标视域下化学史的科学本质教育功能研究[J].化学教学,2020(1):3-7

[4]陈锋,杨丽娟.基于HPS理论的概念教学范式研究——以科学史建构科学概念的视角[J].教育参考,2017(5):79-86

[5]陈广俊.基于苏科版教材中物理学史的“HPS”实践研究——以“电磁感应发电机”为例[J].中学物理:初中版,2017,35(12):31-33

[6]陈艳霞,文丰玉.基于STSE教育理念的“二氧化硫”教学设计[J].中学化学教学参考,2018(16):23-24

[7]苗亚宁.基于元素观的“二氧化硫性质”的教学设计[J].化学教学,2016(3):53-56

[8]张鹏韬.项目教学法在化学教学中的应用——二氧化硫教学设计[J].考试周刊,2013(29):153-154

[9]戴维,赵雷洪.基于化学核心素养的教学设计——以“S02的性质和作用”为例[J].化学教学,2019(1):46-51

[10]王晶,郑长龙.普通高中教科书·化学·必修-第二册[M].北京:人民教育出版社,2019:2-4

[II]孟献华,倪娟.基于化学史的教学设计模型与应用[J].化学教育,2016,37(1):74-81

[12]荷马.荷马史诗-奥赛德[M].王焕生,译.北京:人民文学出版社,2015:828

[13]吕晓光.克劳斯法硫磺回收工艺技术探讨[J].化工管理,2020(11):189-190

[14]夏定豪.硫酸工业发展史(《中国大百科全书·化工》条目)[J].硫酸工业,1987(3):51-52,59

[15]陈鹏.利用价类图复习“常见无机物及其应用”[J].化学教育,2012(3):33-35

[16]刘玉荣,詹利平.融合化学史和生活的二氧化碳教学设計[J]化学教育(中英文),2017(17):5-9

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