鄭海鵬 梁秋嬋 陳博

摘要：在化學教學中融入化學史教育，能夠讓學生了解所學化學知識的來源與發(fā)展，學習歷史發(fā)展進程中的科學本質(zhì)思想，提高學生的科學素養(yǎng)文章以新人教版高中化學第二冊《二氧化硫》為例，以二氧化硫的“歷史線”、學生學習的“活動線”和二氧化硫性質(zhì)的“知識線”作為本節(jié)課的教學路線，最后通過引導學生繪制硫元素的價類二維圖對本節(jié)課知識點進行總結。

關鍵詞：化學史;二氧化硫;教學設計;價類二維圖

文章編號：1008-0546（2021）08-0069-05

中圖分類號：G632.41

文獻標識碼：B

doi： 10.3969/j.issn. 1008-0546.2021.08.018

一、引言

化學史是化學科學的形成、產(chǎn)生和發(fā)展及其演變規(guī)律的反映，化學史教育是指在化學教學中根據(jù)具體情況適當?shù)卮┎寤瘜W史實進行的一種教學活動[1]。在化學教學中融入化學史可以充分體現(xiàn)自然科學與人文學科的跨學科聯(lián)系，不僅僅局限于科學知識本身的學習，還可以反映出人們在確定知識中的思想和方法[2]。2017版高中化學新課標強調(diào)將化學史作為發(fā)展學生對科學本質(zhì)理解的重要手段[3]，將科學概念放在歷史的坐標系中學習，讓學生站在歷史的角度認識化學學科的意義和價值，從知識發(fā)生的過程中學習科學概念，要比照本宣科更有趣味，也更易理解和掌握[4]。將鮮活的科學史與化學教學相結合，理應成為教師順應國際化學教育改革趨勢、提升巾學生科學素養(yǎng)的重要途徑[5]。

筆者于2020年12月查閱中國知網(wǎng)期刊數(shù)據(jù)庫，以“二氧化硫”和“教學設計”為篇名進行義獻檢索，發(fā)現(xiàn)有41篇“二氧化硫”的課例設計文獻，這些教學設計風格多樣，融合了不少先進的教育理念和教學模式，例如STSE[6]，、元素觀[7]、項目式教學法[8]、基于化學學科核心素養(yǎng)[9]等，但并沒有涉及化學史教育。因此，從檢索結果看，關于二氧化硫的化學史教育課例設計這方面的研究有著豐富的發(fā)展空間和必要性。本文以“二氧化硫”為例，融入化學史教育，進行教學設計，為我國化學史教育提供參考和借鑒。

二、教學設計

1.設計思路

在人教版高中化學第二冊第五章第一節(jié)“硫及其化合物”[10]中，設置了二氧化硫的物理性質(zhì)和化學性質(zhì)（與水反應、與堿反應、氧化性、還原性和漂白性），并呈現(xiàn)了2個驗證性實驗——SO2能與水反應;SO2具有漂白性。筆者對二氧化硫的歷史資料進行整理與提煉，選取了荷馬、施塔爾、羅巴克、菲利普斯和C.F.克勞斯這幾段關于二氧化硫發(fā)現(xiàn)和利用的化學史材料，以其作為歷史線索，發(fā)掘其中最引人人勝、具有關鍵作用的事件，向?qū)W生展示科學家如何運用已有知識解決問題及科學家提出新的科學理論的過程?；谏鲜鲑Y料，筆者將科學家發(fā)現(xiàn)的關鍵問題轉化為學生可以參與研究的問題[11]，一方面補充了相關的教材內(nèi)容，另一方面為教學提供了真實的歷史背景，使課堂教學變得豐富有趣。

教學流程如圖l所示，采用歷史線、活動線和知識線相融合的教學流程。本教學設計通過講述歷史事件（歷史線）挖掘出關于SO2的描述，獲取相關事實信息，展開實驗活動（活動線），收集實驗證據(jù)，解釋事實信息，學習SO2的性質(zhì)（知識線）。教學流程共四個環(huán)節(jié)，從環(huán)節(jié)一回顧硫的燃燒開始學習SO2的性質(zhì)，最后在環(huán)節(jié)四中通過價類二維圖總結本節(jié)課所學。本教學設計從歷史事件與“二氧化硫”這一課題知識的關聯(lián)點出發(fā)，通過重現(xiàn)歷史事件中關于SO：的實驗，讓學生了解SO2的歷史發(fā)展的過程，從巾學習SO2的性質(zhì)和用途。整體上，SO2的化學史上可承接硫的學習，下可銜接硫酸的學習，其中，硫磺的消毒和漂白對應著硫的性質(zhì)，硫酸工業(yè)的起源對應著硫酸的性質(zhì)，本教學設計所呈現(xiàn)的科學史在教材內(nèi)容組織上起到承上啟下的作用。

2.教學目標

（l）通過SO2的化學史實，了解其物理性質(zhì)、常見用途以及在化工領域的應用;

（2）通過實驗探究，掌握SO2的漂白性、與水和堿的反應、氧化性和還原性，培養(yǎng)學生觀察、分析和歸納的能力，認識“通過現(xiàn)象解釋本質(zhì)”的科學本質(zhì)內(nèi)涵，感受化學學科的價值和意義;

（3）通過構建硫元素的價類二維圖，培養(yǎng)學生歸納和概括知識的能力;

（4）通過了解回收硫工業(yè)和硫酸工業(yè)的原理，感受SO2在工業(yè)生產(chǎn)中的價值，體會S02與人類關系密切。

3.教學過程

（1）環(huán)節(jié)一：古希臘詩人荷馬

【引入】通過圖片的形式展示使用二氧化硫漂白前后的草帽、紅酒成分表中的二氧化硫和空氣質(zhì)量分析報告中的二氧化硫。說明二氧化硫與我們生活關系密切。那么二氧化硫是怎么被發(fā)現(xiàn)和利用的呢？接下來通過幾段歷史資料一起認識二氧化硫。

【歷史資料】硫在遠古時代就被人們所知曉。大約在4000年前，埃及人已經(jīng)會用硫燃燒所形成的二氧化硫來漂白布匹，古希臘和古羅馬人也能熟練地使用二氧化硫來熏蒸消毒和漂白。公元前九世紀，著名古希臘詩人荷馬在他的著作《荷馬史詩·奧德賽》描述了硫的消毒和漂白，其中有這樣的描述：“老媽媽，快去取些硫磺，去穢之物，生起火爐熏廳堂?！盵12]

【教師提問】結合上節(jié)課關于硫的知識，在上述歷史資料巾硫有何化學變化？

【學生回答】S+O2

SO2

【教師提問】上一節(jié)課學習了硫的化學性質(zhì)，知道硫能夠與氧氣反應生成SO2，正如我手中這一瓶制備好的SO2，請兩位同學上來感受一下S02的氣味，要注意正確的方法。通過直觀感受和查閱課本，SO2的物理性質(zhì)有哪些？

【學生回答】SO2是一種無色、有刺激性氣味的有毒氣體，密度比空氣的大，易溶于水。在通常情況下，l體積的水可以溶解約40體積的二氧化硫。

【演示實驗1】將充滿S02、塞有橡皮塞的試管倒立在水中，在水面下打開橡膠塞，觀察現(xiàn)象，一段時間后，在水下用橡膠塞塞進試管口，用pH試紙測定管中溶液的pH。

【實驗現(xiàn)象】試管內(nèi)液面上升，pH測得溶液為弱酸性。

【教師提問】從上述實驗，可以得到什么結論？

【得出結論】SO2溶于水，并與水反應生成H2S03，S01+H20

H2S03。

【教師提問】在上述歷史資料中，還有哪些關于S02的信息？

【學生回答】SO2可以漂白。

【學生實驗2】取演示實驗1得到的溶液于另一試管中，滴加幾滴品紅溶液，觀察現(xiàn)象，然后加熱試管，并注意通風，觀察現(xiàn)象。

【學生匯報實驗現(xiàn)象】紅色褪去，加熱后紅色恢復。

【教師提問】從上述實驗，可以得到什么結論？

【學生匯報實驗結論】（查閱課本）S02具有漂白作用，但不是永久性，因為S02能與某些有色物質(zhì)生成不穩(wěn)定的無色物質(zhì)，其容易恢復成原來的顏色。

【教師講述】從上述資料以及實驗可以得知，SO2具有短暫漂白性，能用于漂白布制品，古代人類已經(jīng)學會使用SO2進行消毒和漂白，但是當時人們對硫磺燃燒產(chǎn)生的氣體并不是十分了解，缺乏更深入的理性認識，人類對SO2的研究還在歷史的長河巾進行著。

【設計意圖】該環(huán)節(jié)首先通過將知識與生活聯(lián)系，突出生活處處有化學的理念，展示S02與人類生活生產(chǎn)的關系密切，再轉向知識學習，符合建構主義的學習方式。通過古代歷史的資料和荷馬史詩中的描述，學生能依據(jù)歷史資料、直觀感受以及查閱課本總結出SO2的物理性質(zhì)以及常見用途，并能通過歷史資料了解SO2的部分性質(zhì)。硫與氧氣的反應銜接教材中前一部分關于硫的性質(zhì)，在教材內(nèi)容的組織上起到承上的作用。學生從實驗中收集了實驗證據(jù)，知道了SO2能溶于水，具有短暫的漂白性，能將其聯(lián)系、解釋文學作品中古人利用SO2漂白性這一歷史事實，從中體會科學本質(zhì)的內(nèi)涵，提高興趣，加深記憶。SO2易溶于水、與水反應銜接下一環(huán)節(jié)的學習。

（2）環(huán)節(jié)二：德意志化學家施塔爾

【歷史資料】在火山爆發(fā)時，同硫化氫一齊產(chǎn)生的氣體中，還有一種具有刺激性的惡臭氣體，這就是二氧化硫，而當時的人們并不知道它是二氧化硫。德意志化學家施塔爾在收集二氧化硫時，必須使用汞替代水槽中的水，即需要使用汞才能收集到這種較純的氣體。在1702年，施塔爾用堿性溶液吸收硫磺燃燒生成的氣體，得到了亞硫酸鹽溶液，所以后來也將燃燒硫磺的氣體叫做無水亞硫酸。

【教師提問】為什么施塔爾在收集SO2時需要用汞替代水？

【學生回答】因為SO2易溶于水、能與水反應。

【教師追問】還能從上述歷史資料巾發(fā)現(xiàn)關于S0：的哪些性質(zhì)？

【學生回答】SO2可以與堿反應生成亞硫酸鹽。

【學生實驗3】取少量從演示實驗1中得到的溶液與另一潔凈試管巾，再往其巾加入1-2mL NaOH溶液，再滴加數(shù)滴CaCl2溶液，觀察現(xiàn)象。

【學生匯報實驗現(xiàn)象】加入NaOH溶液時無明顯現(xiàn)象，滴加CaCl2溶液后產(chǎn)生白色沉淀。

【學生匯報實驗結論】

與CO2類似，兩者都屬于酸性氧化物，具有酸性氧化物的通性，能夠與堿反應，生成對應的鹽。

【設計意圖】上一環(huán)節(jié)中SO2易溶于水并與水反應這一化學性質(zhì)銜接這一環(huán)節(jié)的學習，使得教學過程更加連貫流暢。通過重現(xiàn)施塔爾的S02與NaOH的反應實驗，從中學習S02作為酸性氧化物的部分通性。由于S02與NaOH反應并沒有明顯現(xiàn)象，所以通過加入CaCL2溶液出現(xiàn)白色沉淀說明S02與NaOH發(fā)生了反應。

（3）環(huán)節(jié)三：英國化學家C.F.克勞斯

【歷史資料】為了工業(yè)發(fā)展和環(huán)境保護，除去化石燃料燃燒及地熱發(fā)電時生成的硫化氫是一個必不可少的環(huán)節(jié)。在1883年，英國化學家C.F.克勞斯發(fā)明了一種高效除去硫化氫和回收硫的方法——克勞斯法1。原理是硫化氫不完全燃燒，生成水和二氧化硫，進一步反應可以生成硫磺。若空氣與硫化氫混合比例適當，可使所有的硫化氫轉變?yōu)榱蚧?。此法廣泛用于煤、石油、天然氣的加工過程（如合成氨原料氣生產(chǎn)、煉廠氣加工等），在脫硫產(chǎn)生的含硫化氫氣體巾回收硫，并可解決煉廠廢氣對大氣的污染問題?？藙谒狗ɑ厥樟虻募兌瓤蛇_到99.8%，可作為生產(chǎn)硫酸的一種硫資源，也可作其他化工生產(chǎn)原料。

【教師提問】歷史資料巾提到“硫化氫不完全燃燒，生成水和二氧化硫”，請用化學方程式表示該反應。

【學生回答】

【觀看實驗視頻】接下來，H2S不完全燃燒生成的SO2還需要進一步轉化才能生產(chǎn)硫單質(zhì)，我們重現(xiàn)克勞斯法中涉及的化學反應，觀看SO2與H2S反應的視頻，注意觀察現(xiàn)象。

【實驗現(xiàn)象】出現(xiàn)黃色固體，玻璃壁上有水霧。

【得出結論】二氧化硫與硫化氫反應生成硫單質(zhì)和水，2H2S+SO2=3S↓ +2H20。

【教師提問】從SO2的化合價的分析H2S與SO2的反應，說明SO2具有何種性質(zhì)？

【學生回答】+4→0，氧化性。

【教師講述】從克勞斯法的發(fā)明可以知道，在S02的成分確定之前，對S02的利用已經(jīng)比較廣泛了。在人類的歷史長河里，對物質(zhì)的研究利用常常是理論研究與實踐應用同時進行，相互促進發(fā)展，理論指導實踐，實踐改進理論。SO2不僅在克勞斯法回收硫廠工業(yè)中具有重要的地位，也是硫酸工業(yè)的必備原料之一，工業(yè)上生產(chǎn)硫酸也有一段歷史，請看下一環(huán)節(jié)。

【設計意圖】本環(huán)節(jié)通過克勞斯法回收硫工藝的原理學習S02的氧化性，同時該工藝的歷史資料可以讓學生認識到SO2對回收硫工業(yè)的重要性，提高學生的興趣，加深學生對知識的記憶?？藙谒狗ɑ厥樟虻墓に嚳梢院芎玫劂暯酉乱画h(huán)節(jié)的硫酸生產(chǎn)工藝中的原料——硫，使得硫的學習更連貫，能夠更好地建立知識網(wǎng)絡。

（4）環(huán)節(jié)四：英國化學家羅巴克和菲利普斯

【歷史資料】硫酸工業(yè)已經(jīng)有兩百多年的歷史，早期的硫酸生產(chǎn)通常采用硝化法。1746年，英國化學家羅巴克在伯明翰建了一座近兩米高的鉛室，這是世界上第一座鉛室法生產(chǎn)硫酸的工廠，這是最早投入硫酸生產(chǎn)的工廠。通過焚燒硫磺和硝石（主要成分是KNO3）產(chǎn)生的二氧化硫和氮氧化物與氧氣和水反應生成硫酸，主要發(fā)生的化學反應：S+O2

、

。這個方法在當時能制備出65%的硫酸，經(jīng)過不斷地改進，提高硫酸的純度。在1831年，英國化學家菲利普斯發(fā)明了接觸法制取硫酸。他將裝有鉑絲的陶瓷管中加熱硫磺，同時充分混入空氣，使生成得二氧化硫和氧氣發(fā)生催化氧化反應生成三氧化硫。在接觸法制取硫酸巾主要發(fā)生的化學反應：

接觸法制硫酸在工業(yè)上應用廣泛，能以更低成本制造…三氧化硫以及硫酸，這種方法在現(xiàn)今已被廣泛運用[14]。

【教師提問】這里呈現(xiàn)了兩種經(jīng)典的生產(chǎn)硫酸的方法——鉛室法和接觸法。從化合價的角度分析SO2在這兩種方法巾具有什么性？

【學生回答】+4一+6，還原性。

【追問】如何通過實驗說明SO2具有還原性？

【演示實驗4】將數(shù)滴KMn04溶液加入演示實驗l得到的S02水溶液巾，觀察現(xiàn)象，再往溶液巾滴加幾滴BaCl2溶液，觀察現(xiàn)象。

【實驗現(xiàn)象】滴入KMn04溶液后逐漸褪色，滴加BaCl2溶液出現(xiàn)白色沉淀。

【得出結論】說明S02具有還原性，能夠被高錳酸鉀氧化成硫酸根，

【總結回顧】從上述歷史資料可以看出，SO2具有還原性，在鉛室法和接觸法中扮演著還原劑的角色，在硫酸工業(yè)中具有重要的地位。到目前為止，我們從S02的發(fā)現(xiàn)和利用史中了解了重要的人物和事件，也從巾學習了SO2的性質(zhì)。SO2雖然是一種空氣污染物，人類對它的印象不大好，但極大地促進了世界化學工業(yè)的發(fā)展，例如回收硫工業(yè)和硫酸工業(yè)，進而為我們的學習、生活和生產(chǎn)提供了各種支持。從本質(zhì)上解釋，就是一個或幾個簡單的化學變化極大地促進了人類工業(yè)的發(fā)展，這也是化學在人類社會發(fā)展中獨特的價值。從這段歷史也可以看出，理論研究和實踐利用總是在同步進行，相互支持和促進，這也是科學本質(zhì)的體現(xiàn)。本節(jié)課的核心元素是硫元素，從物質(zhì)類別的角度看，S02是酸性氧化物，能與水反應生成H2SO3，還能與NaOH反應生成Na2SO3;從化合價變化的角度看，+4價的S02與02在催化劑的作用下能被氧化生成+6價的S03，與一2價的H2S反應能被還原生成0價的單質(zhì)硫?，F(xiàn)在以化合價作為縱坐標，物質(zhì)類別作為橫坐標構建出價類二維圖[15]，并嘗試將本節(jié)課中出現(xiàn)的各類含硫物質(zhì)及其之間的轉化關系填入價類二維圖巾（如圖2所示），完成后請幾位同學利用價類二維圖總結SO2的性質(zhì)。

【作業(yè)布置】根據(jù)今天了解到的關于SO2的史實，把SO2的發(fā)現(xiàn)和利用的人物事件聯(lián)系起來，寫一篇關于SO2的發(fā)現(xiàn)和利用的感想，談談自己對化學史的學習感受，在下次課上分享自己的感受。并預習“硫酸”，收集與硫酸有關的史實。

【設計意圖】作為本節(jié)課最后一個環(huán)節(jié)，硫的回收和利用可以很好地將上一環(huán)節(jié)的克勞修斯法和本環(huán)節(jié)的工業(yè)制硫酸銜接起來，使知識線路更為連貫，能使學生深刻認識到S02在硫酸工業(yè)中的價值。為了更直觀地說明SO2被高錳酸鉀氧化成SO2-4，通過加入BaCl2溶液出現(xiàn)白色沉淀這一實驗證據(jù)說明SO2被高錳酸鉀氧化成SO2-4。最后引導學生繪制硫元素的價類二維圖，并利用價類二維圖自主總結SO2的性質(zhì)。價類二維圖具有直觀、線索清晰、引導性強等特點，能使知識之間形成網(wǎng)絡，有助于學生的記憶和理解，并能培養(yǎng)學生的概括能力。作業(yè)的布置緊扣歷史線和知識線，加深學生對科學史學習的理解，以第一人稱的身份分享知識的學習方式是最高效率的學習方式。預習任務在于讓學生體會化學史的豐富，不僅僅局限于本節(jié)課，還能承接下一節(jié)課的學習。

三、結語

本教學設計以SO2的發(fā)現(xiàn)和利用史作為情景線索貫穿始終，通過演示實驗、學生實驗和實驗視頻等活動學習SO2的物理性質(zhì)和化學性質(zhì)，并認識SO2在工業(yè)生產(chǎn)中的價值，將化學史、工業(yè)生產(chǎn)與化學學科知識完美融合。傅鷹曾說：“化學給人以知識，而化學史給人以智慧”[16]，化學史是一種生動的課程資源，化學教學巾融入化學史可以讓學生了解到化學學科的價值以及滲透在化學史中的哲學思想，促進學生的化學學科核心素養(yǎng)的發(fā)展。

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