徐凱里　陳永平

摘要：價-類二維認(rèn)知模型是高中學(xué)習(xí)化學(xué)元素化合物知識的重要方式之一。以探究“自然界中硫氮元素的循環(huán)”為載體，促進(jìn)學(xué)生自主建構(gòu)價-類二維認(rèn)知模型，從而提高學(xué)生解決陌生物質(zhì)轉(zhuǎn)化問題的能力，培養(yǎng)學(xué)生證據(jù)推理與模型認(rèn)知、科學(xué)態(tài)度與社會責(zé)任的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：模型認(rèn)知;?價-類二維圖;?氮循環(huán);?硫循環(huán)

文章編號：1005-6629（2020）07-0042-07

中圖分類號：G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

1??引言

元素化合物知識是中學(xué)化學(xué)基礎(chǔ)知識教學(xué)的主要內(nèi)容，是化學(xué)理論知識教學(xué)的基礎(chǔ)，也是發(fā)展學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的重要載體。在《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》中，“常見無機(jī)物及其應(yīng)用”作為必修課程五大主題之一[1]。在整個高中階段，元素化合物相關(guān)知識具有種類多、性質(zhì)碎、反應(yīng)雜等特點(diǎn)，學(xué)生往往覺得易學(xué)難記，從而產(chǎn)生一定的畏難情緒。化學(xué)認(rèn)知模型作為一種有效的認(rèn)知工具，可以幫助學(xué)習(xí)者把化學(xué)知識高度濃縮，將次要的非本質(zhì)的信息濾去，使重要的本質(zhì)性知識形成清晰的知識框架，納入學(xué)習(xí)者已有的知識體系，即使已經(jīng)遺忘了具體知識，學(xué)習(xí)者也能通過認(rèn)知模型重新學(xué)習(xí)模塊知識，從而擁有終身學(xué)習(xí)能力。

在各種相關(guān)認(rèn)知模型中，基于價-類二維的認(rèn)知模型既能對“已有知識”進(jìn)行系統(tǒng)有效的梳理，又能鏈接“陌生情境”與其他未知知識的轉(zhuǎn)化關(guān)系，對于提高元素化合物知識的教學(xué)效果乃至中學(xué)化學(xué)整體教學(xué)質(zhì)量具有重要意義。

2??價-類二維認(rèn)知模型

2.1??價-類二維圖的構(gòu)成

價-類二維圖的橫坐標(biāo)為該元素形成的物質(zhì)類別，一般按照單質(zhì)、氫化物、氧化物、酸、堿、鹽等順序依次排列;縱坐標(biāo)為該元素常見化合價，往往按照由低到高的順序依次排列;在元素價態(tài)和物質(zhì)類別相對應(yīng)的位置標(biāo)出各物質(zhì)的化學(xué)式，物質(zhì)間的相互轉(zhuǎn)換關(guān)系則通過箭頭的方式展現(xiàn)出來。

價-類二維圖的研究對象是元素與物質(zhì)，可以理解為核心元素能形成不同的重要物質(zhì)，也可以理解為不同物質(zhì)中具有相同的核心元素。認(rèn)識維度有兩個，一個是類別，一個是價態(tài)，通過類別研究物質(zhì)的通性，通過價態(tài)研究物質(zhì)的氧化性或還原性，可以從二維上理解物質(zhì)的性質(zhì)以及不同物質(zhì)之間的相互轉(zhuǎn)化關(guān)系。通過完成與運(yùn)用價-類二維圖，可以解決相應(yīng)的問題，外顯學(xué)習(xí)能力，具體見圖1。

2.2??價-類二維認(rèn)知模型的構(gòu)建

運(yùn)用價-類二維圖認(rèn)識元素化合物時，一個維度是基于“分類”，另一個維度是基于“價態(tài)”。

“分類”是指對于某元素及其化合物，從物質(zhì)組成、物質(zhì)類別、反應(yīng)類別等多角度對其分類，再結(jié)合各類物質(zhì)通性推演物質(zhì)的性質(zhì)，或結(jié)合元素周期律中同族元素相似性和遞變性進(jìn)行遷移，推測物質(zhì)性質(zhì)。同一類物質(zhì)在組成和性能方面往往具有一定的相似性，對物質(zhì)進(jìn)行合理的分類，能夠幫助學(xué)習(xí)者根據(jù)物質(zhì)的類別通性認(rèn)識物質(zhì)的性質(zhì)。

“價態(tài)”是指從元素化合價角度出發(fā)，依據(jù)氧化還原反應(yīng)規(guī)律分析判斷物質(zhì)的氧化性或還原性、最高價元素只有氧化性、最低價元素只有還原性、中間價態(tài)元素既有氧化性又有還原性等，進(jìn)而推測物質(zhì)間可能發(fā)生的氧化還原反應(yīng)。

此外，由于個性的原因，具體到某種物質(zhì)，會存在一些獨(dú)特的性質(zhì)，需要特別識記。最后可以將生產(chǎn)、生活、實(shí)驗(yàn)中與該物質(zhì)有關(guān)的用途與性質(zhì)結(jié)合，加深理解，見圖2。

2.3??運(yùn)用價-類二維圖發(fā)展學(xué)科核心素養(yǎng)

基于價-類二維圖認(rèn)識物質(zhì)性質(zhì)及轉(zhuǎn)化，既能對物質(zhì)及其反應(yīng)進(jìn)行分類與表征，發(fā)展學(xué)生“宏觀辨識與微觀探析”素養(yǎng)，又能建構(gòu)認(rèn)識元素化合物的認(rèn)知模型，進(jìn)而解決一系列的相關(guān)問題，發(fā)展“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”素養(yǎng)。同時，通過化學(xué)反應(yīng)探索物質(zhì)性質(zhì)、實(shí)現(xiàn)物質(zhì)轉(zhuǎn)化，體會物質(zhì)性質(zhì)及轉(zhuǎn)化的社會價值，培養(yǎng)“科學(xué)態(tài)度和社會責(zé)任”的核心素養(yǎng)[4]。

3??價-類二維圖在教學(xué)中的應(yīng)用

價-類二維認(rèn)知模型為學(xué)生整理元素化合物知識提供支撐依據(jù)，既有利于從物質(zhì)類別和價態(tài)視角掌握物質(zhì)的通性，更有利于優(yōu)化重組物質(zhì)間的轉(zhuǎn)化關(guān)系，還有助于培養(yǎng)學(xué)生的統(tǒng)攝思維和概括能力[5]，為學(xué)生提供通過模型認(rèn)識物質(zhì)世界的方法，解決元素化合物知識繁多難學(xué)的困難境遇。本文以“自然界中硫氮元素的循環(huán)”教學(xué)為例，通過利用價-類二維圖探究硫氮循環(huán)中各類物質(zhì)的相互轉(zhuǎn)化，提升學(xué)生在陌生復(fù)雜的實(shí)際情境或體系中能夠進(jìn)行遷移應(yīng)用的能力。

3.1??教學(xué)內(nèi)容分析

“自然界中硫氮元素的循環(huán)”是滬科版高一年級第二學(xué)期第五單元第四節(jié)第三課時的內(nèi)容，單元主題是“評說硫、氮的‘功與‘過”，作為高中必修課程中最后學(xué)習(xí)的兩種非金屬元素——硫、氮及其化合物充分體現(xiàn)了物質(zhì)類別和價態(tài)的豐富性與多樣性。在完成“硫及其化合物”（硫、硫化氫、二氧化硫與濃硫酸）、“氮及其化合物”（氨與銨鹽）的學(xué)習(xí)之后，教材安排了“硫、氮在自然界循環(huán)”這一學(xué)習(xí)內(nèi)容，使學(xué)生的知識進(jìn)一步系統(tǒng)化、結(jié)構(gòu)化，為高二進(jìn)一步學(xué)習(xí)金屬元素及其化合物知識和元素周期律奠定基礎(chǔ)。

知網(wǎng)檢索顯示，自2000年以來，在“基礎(chǔ)教育與中等職業(yè)教育”研究層次上，以“氮循環(huán)”作為關(guān)鍵詞檢索，僅有12篇期刊文獻(xiàn)，其中發(fā)表在化學(xué)教學(xué)類期刊上的僅有4篇;以“硫循環(huán)”作為關(guān)鍵詞檢索，僅有2篇期刊文獻(xiàn)，其中發(fā)表在化學(xué)教學(xué)類期刊上的僅有1篇。可見，這部分教學(xué)內(nèi)容有意無意間被忽視了。究其原因，主要是由于硫氮循環(huán)內(nèi)容綜合性較強(qiáng)，而且與生命科學(xué)等學(xué)科也存在一定的交叉，因此在傳統(tǒng)教學(xué)中，教師往往因部分重要環(huán)節(jié)在前期教學(xué)中已經(jīng)詳細(xì)學(xué)過，而對這部分內(nèi)容進(jìn)行刪減略講，甚至跳過。

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》中指出：“結(jié)合實(shí)例認(rèn)識金屬、非金屬及其化合物的多樣性，了解通過化學(xué)反應(yīng)可以探索物質(zhì)性質(zhì)、實(shí)現(xiàn)物質(zhì)轉(zhuǎn)化，認(rèn)識物質(zhì)及其轉(zhuǎn)化在促進(jìn)社會文明進(jìn)步、自然資源綜合利用和環(huán)境保護(hù)中的重要價值。[6]”不僅指明了自然界中的物質(zhì)變化大都是通過化學(xué)反應(yīng)實(shí)現(xiàn)，而且人類可以利用這些化學(xué)反應(yīng)實(shí)現(xiàn)物質(zhì)間的轉(zhuǎn)化，說明化學(xué)在促使人與自然和諧相處等方面發(fā)揮重要的作用。

而硫氮循環(huán)的學(xué)習(xí)內(nèi)容正符合上述要求，

不僅可以幫助學(xué)生獲得一種認(rèn)識物質(zhì)及其變化的化學(xué)思維視角，而且可以提升認(rèn)識自然界物質(zhì)及其變化的能力，樹立人與自然和諧共處的意識。

本節(jié)課以構(gòu)建硫氮循環(huán)作為真實(shí)情境載體與驅(qū)動性任務(wù)，學(xué)生運(yùn)用價-類二維圖，通過路徑設(shè)計(jì)、資料收集、實(shí)驗(yàn)探究等方式，最終建構(gòu)研究物質(zhì)轉(zhuǎn)化的價-類二維認(rèn)知模型，實(shí)現(xiàn)學(xué)與用的融合。同時從化學(xué)視角出發(fā)，引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識硫、氮及其重要化合物對自然生態(tài)環(huán)境的影響以及對維持生態(tài)平衡的作用，樹立合理利用資源和可持續(xù)發(fā)展的觀念。

3.2??學(xué)生情況分析

在學(xué)習(xí)本節(jié)課之前，學(xué)生已經(jīng)能夠初步從物質(zhì)類別和核心元素化合價兩個角度認(rèn)識物質(zhì)，預(yù)測物質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)，但是還未能建立起研究物質(zhì)的兩個角度與轉(zhuǎn)化之間的關(guān)聯(lián)，尚未形成研究物質(zhì)轉(zhuǎn)化的一般思路和方法;學(xué)生對硫化氫、二氧化硫等有毒物質(zhì)往往存在刻板印象，將“化學(xué)”與“污染”聯(lián)系在一起，忽視了硫、氮是重要的生命元素，涉及人類生活、生產(chǎn)的各個領(lǐng)域;對于環(huán)境問題雖有一定認(rèn)識，但不善于從化學(xué)角度，運(yùn)用已有的化學(xué)知識去尋找解決問題的方法。

3.3??教學(xué)與評價目標(biāo)

3.3.1??教學(xué)目標(biāo)

（1）?掌握硫氮自然界循環(huán)的基本知識，知道硫氮循環(huán)過程中涉及的重要物質(zhì)及其在生態(tài)過程中的影響。

（2）?了解價-類二維圖在研究元素的循環(huán)中的應(yīng)用，從化學(xué)視角認(rèn)識自然界的硫氮元素循環(huán)。

（3）?了解硫氮循環(huán)失衡對生態(tài)環(huán)境帶來的影響，認(rèn)識到物質(zhì)具有兩面性，樹立可持續(xù)發(fā)展的觀念。

3.3.2??評價目標(biāo)

（1）?通過觀察和實(shí)驗(yàn)方式認(rèn)識氮氧化合物的性質(zhì)，診斷并發(fā)展學(xué)生實(shí)驗(yàn)探究物質(zhì)水平（基于經(jīng)驗(yàn)水平、基于概念原理水平）。

（2）?通過運(yùn)用價-類二維圖構(gòu)建氮循環(huán)與硫循環(huán)路線，診斷并發(fā)展學(xué)生基于物質(zhì)分類與氧化還原對物質(zhì)及其轉(zhuǎn)化思路的認(rèn)識水平（孤立水平、系統(tǒng)水平）。

（3）?通過對利用元素循環(huán)解決環(huán)境問題與發(fā)展新技術(shù)的討論，診斷并發(fā)展學(xué)生對化學(xué)價值的認(rèn)識水平（學(xué)科價值視角、社會價值視角、學(xué)科和社會價值視角）。

3.4??教學(xué)實(shí)施過程

3.4.1??進(jìn)一步認(rèn)識大氣固氮

（1）?初步認(rèn)識氮循環(huán)

[教師活動]展示三種固氮途徑年固氮量與大氣中氮的總量。提出問題：估算大氣中的氮可供固氮持續(xù)多少年？

[學(xué)生活動]估算固氮大約可持續(xù)600萬年。

[教師活動]播放新聞“發(fā)現(xiàn)八億年前固氮生物化石”。提出問題：大氣固氮與生物固氮已持續(xù)了億萬年，為何氮?dú)夂恳廊环€(wěn)定？

[學(xué)生活動]猜測可能存在某種補(bǔ)充機(jī)制會生成氮?dú)狻?/p>

[教師活動]這個過程稱為氮循環(huán)。如何從化學(xué)角度來構(gòu)建氮循環(huán)的基本過程？

設(shè)計(jì)意圖：從學(xué)生已知的固氮出發(fā)，通過估算，引發(fā)疑問，使學(xué)生對“氮循環(huán)”產(chǎn)生興趣。

（2）?熟悉價-類二維圖

[教師活動]展示空白價-類二維圖并對使用方法進(jìn)行介紹。

[學(xué)生任務(wù)]在價-類二維圖中繪制三種固氮途徑[圖3（a）]，并分析轉(zhuǎn)化過程中是否涉及氧化還原反應(yīng)。

設(shè)計(jì)意圖：提供研究工具，強(qiáng)調(diào)從價態(tài)與類別兩個角度理解氮循環(huán)，初步形成價-類二維認(rèn)知觀。

3.4.2??構(gòu)建氮循環(huán)路線

[教師活動]我們在學(xué)習(xí)固氮的時候已經(jīng)知道，生成一氧化氮只是大氣固氮過程的第一步，但當(dāng)時并未繼續(xù)深入學(xué)習(xí)后續(xù)變化。今天我們先來探究一氧化氮的轉(zhuǎn)化。

[教師實(shí)驗(yàn)]展示分別充有一氧化氮?dú)怏w與二氧化氮?dú)怏w的兩支針筒，向充有一氧化氮的針筒中注入一定量空氣。

[學(xué)生任務(wù)]通過觀察，確認(rèn)一氧化氮是無色氣體，二氧化氮是紅棕色氣體。在注入空氣后，無色的一氧化氮變?yōu)榧t棕色，得出一氧化氮與氧氣反應(yīng)轉(zhuǎn)化為二氧化氮的結(jié)論。據(jù)此寫出相應(yīng)的化學(xué)方程式。

[教師實(shí)驗(yàn)]向充有二氧化氮的針筒中注入一定量的水，持續(xù)振蕩針筒至反應(yīng)基本完全。將針筒中的液體小心注入一支試管中，滴入紫色石蕊試液。再向針筒中注入少量空氣。

[學(xué)生任務(wù)]通過觀察，確認(rèn)二氧化氮與水反應(yīng)生成了一氧化氮與某種酸。根據(jù)氧化還原理論推測二氧化氮一部分被還原為一氧化氮，而另一部分應(yīng)被氧化為硝酸。據(jù)此寫出相應(yīng)的化學(xué)方程式。

設(shè)計(jì)意圖：促使學(xué)生運(yùn)用氧化還原原理去分析氮氧化合物間的轉(zhuǎn)化，強(qiáng)化基于證據(jù)進(jìn)行推理的意識。

[學(xué)生任務(wù)]在價-類二維圖中繪制一氧化氮至硝酸的轉(zhuǎn)化路線，補(bǔ)充硝酸轉(zhuǎn)化為硝酸鹽的過程[圖3（b）]。

設(shè)計(jì)意圖：借助綠色化實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生觀察體會NO、?NO2與HNO3之間的相互轉(zhuǎn)化，以及轉(zhuǎn)化的條件，為后續(xù)將此過程轉(zhuǎn)化為工業(yè)上生產(chǎn)硝酸做好鋪墊。

[教師活動]人類很早就注意到了雷雨對莊稼帶來的影響。北宋王安石有一首詩中寫道：“雷蟠電掣云滔滔，夜半載雨輸亭皋。旱禾秀發(fā)埋牛尻，豆死更蘇肥莢毛?！币馑际抢子赀^后，莊稼長勢喜人，豐收在望。農(nóng)村也有“雷雨發(fā)莊稼”“一場雷雨一場肥”等諺語。提出問題：其中蘊(yùn)含了怎樣的化學(xué)原理？

[學(xué)生任務(wù)]分析說明：空氣中的氮?dú)夂脱鯕饽茉诜烹姷臈l件下反應(yīng)生成一氧化氮，一氧化氮易氧化為二氧化氮，再與水反應(yīng)最終生成硝酸混于雨水中，在土壤中又會進(jìn)一步形成硝酸鹽，相當(dāng)于施用了天然的硝態(tài)氮肥，幫助了莊稼成長。

設(shè)計(jì)意圖：引導(dǎo)學(xué)生從生活中學(xué)習(xí)化學(xué)，學(xué)會運(yùn)用化學(xué)思維來理解事物。

[教師活動]無論是硝態(tài)氮還是銨態(tài)氮，最終都轉(zhuǎn)化為生物體內(nèi)的含氮有機(jī)物，例如蛋白質(zhì)、氨基酸、核酸等。由于有機(jī)物中氮元素價態(tài)比較復(fù)雜，我們在價-類二維圖的最右邊，在象限之外增加有機(jī)氮的轉(zhuǎn)化[圖3（c）]。

[教師活動]在這張圖上，氮元素的轉(zhuǎn)化形成了一個閉環(huán)。提出問題：是否已經(jīng)完成氮循環(huán)的構(gòu)建？

[學(xué)生活動]討論循環(huán)的定義。提出終而復(fù)始是循環(huán)最重要的特點(diǎn)。現(xiàn)在構(gòu)建的閉環(huán)中，存在明顯的起點(diǎn)和終點(diǎn)，不是循環(huán)。

[教師活動]我們知道，蛋白質(zhì)在微生物的作用下發(fā)生腐敗可以產(chǎn)生氨氣，這個過程叫做氨化作用;-3價的氮元素也能在微生物作用下轉(zhuǎn)化為+3價或+5價氮元素，這個過程稱為硝化作用。提出問題：補(bǔ)充氨化作用與硝化作用后是不是可以構(gòu)成循環(huán)？

[學(xué)生活動]判斷并提出關(guān)鍵問題：要完成氮循環(huán)，一定要有一種能使化合態(tài)的氮又重新變回游離態(tài)氮的轉(zhuǎn)化。

[教師活動]播放科普視頻“反硝化作用”。

[學(xué)生活動]完成氮循環(huán)轉(zhuǎn)化路線[圖3（d）]。

設(shè)計(jì)意圖：通過關(guān)于“閉環(huán)”與“循環(huán)”的探討，將建立氮循環(huán)的過程轉(zhuǎn)化為充滿化學(xué)推理思維的過程，強(qiáng)化思維的嚴(yán)謹(jǐn)性，幫助學(xué)生進(jìn)一步理解氮循環(huán)的內(nèi)涵。

[教師活動]用價-類二維圖展示是從化學(xué)變化視角來描繪氮循環(huán)。我們也可以用形象化的圖像來表示氮元素在大氣圈、土壤圈、生物圈、水圈等各圈層中的遷移、變化與循環(huán)，這就是自然界中的氮循環(huán)（見圖4）。從這張圖中，我們更能感受到氮循環(huán)對地球上生命的意義?？梢哉f，氮循環(huán)維系地球生命生生不息，而生命也為氮循環(huán)的不斷往復(fù)提供了源源不斷的動力。

設(shè)計(jì)意圖：將化學(xué)視角下的氮循環(huán)轉(zhuǎn)化為自然界視野下的氮循環(huán)，更突出氮循環(huán)與生物圈的相互影響，為后續(xù)了解氮循環(huán)失衡帶來的后果與尋找修復(fù)氮平衡方法做好情感鋪墊。

3.4.3??了解氮循環(huán)失衡

[教師活動]在自然狀態(tài)下，氮循環(huán)建立的平衡使得氮元素在各圈層中的分布趨于穩(wěn)定，其中任何一個環(huán)節(jié)的失衡都會對生態(tài)環(huán)境造成影響，而在很多情況下，恰恰是我們?nèi)祟惢顒釉斐闪诉@種失衡。

[學(xué)生任務(wù)]閱讀相關(guān)資料，分析光化學(xué)煙霧、酸雨、水體富營養(yǎng)化、耕地貧瘠化等相關(guān)環(huán)境問題與氮循環(huán)中某環(huán)節(jié)失衡的對應(yīng)關(guān)系（見圖5、圖6）。

設(shè)計(jì)意圖：以常見環(huán)境問題引發(fā)學(xué)生思考，氮循環(huán)無處不在，任何一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題都會帶來嚴(yán)重的后果，提升社會責(zé)任感。

3.4.4??運(yùn)用氮循環(huán)規(guī)律

[教師活動]我們要解決氮循環(huán)失衡帶來的問題，最終還是要回到氮循環(huán)本身去找答案。認(rèn)識氮循環(huán)中蘊(yùn)含的規(guī)律，就能幫助我們利用好這個規(guī)律去解決問題，去尋找新的發(fā)展方向，為人類造福。比如，可以利用氮氧化合物的氧化性凈化汽車尾氣。汽車尾氣中含有氮氧化合物、碳?xì)浠衔?、一氧化碳等，能否促使它們之間發(fā)生反應(yīng)轉(zhuǎn)化為無害的物質(zhì)？

[學(xué)生活動]氮氧化合物具有一定的氧化性，碳?xì)浠衔锱c一氧化碳具有還原性，兩者理論上可以發(fā)生氧化還原反應(yīng)，生成氮?dú)?、二氧化碳與水。

[教師活動]大家猜測得不錯，氮氧化合物的確可以氧化碳?xì)浠衔锱c一氧化碳，但是反應(yīng)速率非常慢。提出問題：你有什么好的建議？

[學(xué)生活動]可以使用催化劑，加快反應(yīng)。

[教師活動]科學(xué)家們發(fā)明了三元催化劑，將它安裝在汽車尾氣凈化器中，可以將尾氣中的有害成分轉(zhuǎn)化為能直接排放的物質(zhì)（見圖7）。

[教師活動]對于水體富營養(yǎng)化，我們從氮循環(huán)中又能找到怎樣的解決之道呢？

[學(xué)生任務(wù)]從氮循環(huán)圖中尋找線索。解決水體富營養(yǎng)化，關(guān)鍵就是要降低水體中氮的含量，可以通過反硝化作用消除硝態(tài)氮，而銨態(tài)氮可以通過硝化作用轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮再進(jìn)行脫氮。

[教師活動]人們利用這一轉(zhuǎn)化，發(fā)明了生物脫氮技術(shù)，相比于化學(xué)脫氮，用生物脫氮處理含氮廢水具有經(jīng)濟(jì)、有效、易操作、無二次污染等特點(diǎn)，因此得到了廣泛的應(yīng)用。

設(shè)計(jì)意圖：以社會熱點(diǎn)問題引發(fā)學(xué)生思考，幫助學(xué)生理解，人們能夠應(yīng)用化學(xué)原理解決環(huán)境問題，修復(fù)氮平衡，實(shí)現(xiàn)人與自然的和諧相處。

[教師活動]我們再來找找發(fā)展方向。在氮循環(huán)中能不能開發(fā)出能用于化工生產(chǎn)的轉(zhuǎn)化呢？提出問題：對于生產(chǎn)硝酸，同學(xué)們能找到怎樣的方法？

[學(xué)生任務(wù)]大氣固氮過程中，從一氧化氮到硝酸的轉(zhuǎn)變，條件要求低，在常溫下就能發(fā)生，適宜改造成硝酸生產(chǎn)工藝。（有同學(xué)提出是否可能通過雷電作用大量制造一氧化氮）

[教師活動]還記得我們在氨氣這節(jié)課中學(xué)過的另一種能得到NO的反應(yīng)嗎？（學(xué)生回答：氨的催化氧化）

[學(xué)生活動]書寫工業(yè)合成硝酸相關(guān)反應(yīng)的化學(xué)方程式。

[教師活動]人類自從發(fā)明了合成氨技術(shù)后，氨氧化法生產(chǎn)硝酸就開始進(jìn)入工業(yè)化階段，至今依然是世界上生產(chǎn)硝酸的主要方法。

設(shè)計(jì)意圖：完善認(rèn)識思路，引導(dǎo)學(xué)生全面看待氮循環(huán)，體會人類在尊重客觀規(guī)律基礎(chǔ)上發(fā)揮主觀能動性的意義，感受到科學(xué)研究的偉大，同時也豐富了人類活動參與下的氮循環(huán)。

3.4.5??遷移硫循環(huán)

[教師活動]我們從固氮開始，一步一步完成了氮循環(huán)的構(gòu)建，知道了氮循環(huán)對于生態(tài)環(huán)境的重要意義，了解了氮循環(huán)失衡可能導(dǎo)致的環(huán)境問題，同時也在氮循環(huán)中找到了解決之道與新的發(fā)展方向，這充分說明了人與自然應(yīng)該和諧共生，人類是人與自然平衡的維護(hù)者。其實(shí)，除了氮以外，硫也是對生命十分重要的一種元素，在自然界中，硫元素也存在著循環(huán)。這是自然界中硫循環(huán)的示意圖（見圖8），你能否運(yùn)用價-類二維圖，從化學(xué)變化角度來構(gòu)建硫循環(huán)呢？

[學(xué)生任務(wù)]在價-類二維圖中完成硫循環(huán)（見圖9）（其中，生物體內(nèi)與礦物巖石中的硫元素，由于價態(tài)多元、復(fù)雜，可以在二維圖的右側(cè)另行標(biāo)注）。

設(shè)計(jì)意圖：進(jìn)一步明確價-類認(rèn)識角度，并且自主調(diào)用認(rèn)知模型，完成硫循環(huán)轉(zhuǎn)化路徑。學(xué)生交流轉(zhuǎn)化路徑時，教師通過不斷追問，能夠讓學(xué)生外顯價-類認(rèn)識角度和基于氧化還原反應(yīng)的推理思路。

[教師活動]請大家思考，硫循環(huán)中某個環(huán)節(jié)如果出現(xiàn)失衡，可能會對人類的生活生產(chǎn)帶來哪些影響？人類如何利用硫循環(huán)來解決問題或?qū)ふ野l(fā)展方向？

[學(xué)生活動]大氣中二氧化硫的一系列轉(zhuǎn)化，是導(dǎo)致酸雨問題的主要原因之一，防治酸雨的最根本途徑就是減排。人類也可以利用二氧化硫轉(zhuǎn)化成硫酸的原理發(fā)展硫酸工業(yè)。

設(shè)計(jì)意圖：運(yùn)用價-類二維圖解決實(shí)際問題，突破運(yùn)用上的難點(diǎn)。

[教師活動]從本單元我們學(xué)習(xí)過的內(nèi)容來看，有一些硫及其化合物間的轉(zhuǎn)化由于在自然界并非普遍存在，所以沒有在硫循環(huán)圖中出現(xiàn)，我們可以將單質(zhì)硫、亞硫酸鹽、濃硫酸的一些化學(xué)性質(zhì)也標(biāo)注在價態(tài)-類別二維圖中，能夠幫助我們更全面地掌握本章所學(xué)的含硫物質(zhì)間的轉(zhuǎn)化關(guān)系。

[學(xué)生任務(wù)]在價-類二維圖中完成含硫物質(zhì)的轉(zhuǎn)化（見圖10）。

[教師總結(jié)]價-類二維圖不僅為我們展現(xiàn)了物質(zhì)轉(zhuǎn)化的途徑，而且也為我們學(xué)習(xí)元素化合物的性質(zhì)提供了兩個重要的視角：物質(zhì)類別與化合價。根據(jù)物質(zhì)類別，我們可以分析它們的通性;根據(jù)所含元素的化合價，我們可以分析它們可能具有的氧化性或還原性，預(yù)測在氧化還原反應(yīng)中可能會發(fā)生的變化;此外還要注意它們各自的特性;最后將生產(chǎn)、生活、實(shí)驗(yàn)中與該物質(zhì)有關(guān)的用途與性質(zhì)結(jié)合起來，加深理解。我們將在本單元的復(fù)習(xí)課中繼續(xù)來學(xué)習(xí)這種思維模型。

設(shè)計(jì)意圖：明確價-類二維認(rèn)知模型對學(xué)習(xí)元素化合物的意義，凸顯其價值功能。

[課后作業(yè)]工業(yè)排放的廢氣中含有硫化氫氣體會產(chǎn)生污染。運(yùn)用含硫物質(zhì)轉(zhuǎn)化關(guān)系，提出幾種利用化學(xué)方法進(jìn)行處理的建議。

4??教學(xué)特色與反思

本課采用真實(shí)的氮循環(huán)（隨后遷移、發(fā)散至硫循環(huán)）情境貫穿教學(xué)設(shè)計(jì)，以含氮、硫物質(zhì)的轉(zhuǎn)化作為主線，以真實(shí)的驅(qū)動性問題促使學(xué)生自主調(diào)用價-類二維認(rèn)識角度，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行路線繪制、問題解決、概括解釋等活動，最終形成研究物質(zhì)轉(zhuǎn)化的思維模型，發(fā)展學(xué)生“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。同時，借助氮、硫循環(huán)的失衡與利用氮、硫循環(huán)解決問題，幫助學(xué)生體會物質(zhì)性質(zhì)及其變化在促進(jìn)社會可持續(xù)發(fā)展方面的應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生的辯證思維和“科學(xué)態(tài)度與社會責(zé)任”的學(xué)科核心素養(yǎng)。

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