基于真实情境的SO₂项目式教学

摘要

以葡萄酒中SO₂定性检测试纸的研制为主题，开展基于真实情境的SO₂项目式教学。学生通过完成“葡萄酒中SO₂的存在形态和作用”“SO₂性质探究”和“研制葡萄酒中SO₂定性检测试纸”等3个任务，深刻理解SO₂的化学性质，从中产生从无机物性质视角认识世界的思维，并据此建构思维模型。文献研讨、实验探究和自制定性检测试纸等教学环节证明，好的教学手段是培育学生核心价值观、提升关键能力和必备品质，以及落实学科核心素养的有效举措。

Graphical abstract

关键词

项目式教学 / SO₂ / 定性 / 检测试纸 / 葡萄酒 / 真实情境

《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》（以下简称新课标）指出，选修课程可以围绕一个综合性项目组织实施，提倡综合使用实验探究、文献研讨、专题调查等多种方式开展教学^［1］。新课标强调，“真实、具体的问题情境是学生化学学科核心素养形成和发展的重要平台，为学生化学学科核心素养提供了真实的表现机会。”在教学中，教师要特别重视创设真实且富有价值的问题情境，以期促进学生学习方式的转变。项目式学习是一种以学科核心知识为中心的新型探究性学习模式，学生展开自主、合作、探究的学习，从中获得与现实生活有关联且能付诸应用的学习结果^［2］。项目式学习在解决真实问题的过程中彰显化学学科育人价值和社会价值，促进学生化学核心素养的形成和发展^［3］。项目式教学是以项目为主线、教师为引导、学生为主体，学生运用教师提供的各种工具及资源解决项目中一个个富有真实情境和驱动问题的挑战任务，最终产生可以公开交流的成果或产品的教学^［4］。项目式教学倡导融合多学科知识和技术解决生活中的真实、复杂、开放性问题，强调以高阶思维带动低阶思维的学习^［5］，实现知识向素养的转化。通常，项目式教学由项目、学习目标、真实情境、活动设计与探究、成果展示等要素构成^［6］。

1 项目主题分析

“SO₂的性质”这部分内容源自人教版高中化学必修第二册第五章第一节“硫及其化合物”，属于新课标必修课程“主题2：常见的无机物及其应用”中的内容。新课标对该内容的要求为：结合真实情境中的应用实例或通过实验探究，了解硫及其重要化合物的主要性质，认识这些物质在生产中的应用和对生态环境的影响。对学业的要求为：能列举、描述、辨识SO₂物理性质和化学性质及实验现象，能用化学方程式、离子方程式正确表示其主要化学性质；能从物质类别、元素价态的角度，依据复分解反应和氧化还原反应原理，预测SO₂的化学性质和变化，设计实验进行初步验证，并能分析和解释有关现象；能依据SO₂性质和反应，设计其制备、分离、提纯、检验等简单任务方案；能说明SO₂对社会发展的价值、对环境的影响；等等。SO₂的学习是CO₂、Cl₂等课的后续课。CO₂具有酸性氧化物的性质，为学生从分类观层面学习SO₂酸性氧化物的性质做好了知识储备。Cl₂既有氧化性又有还原性，为学生以实验方式探究SO₂的氧化性和还原性积累了能力基础。学生初步掌握了类比、归纳、迁移和实验探究等方法，为SO₂性质的学习奠定了方法基础。

该项目是通过对葡萄酒中SO₂作用和用途分析、SO₂性质的探究及SO₂定性检测试纸的研制等，建立起“分析视角—理论预测—实验验证”的学习思路，从而提升学生对无机物性质的认识水平；诊断和发展学生的“宏观辨析与微观探析”“证据推理与模型认知”“科学探究与创新意识”“科学态度与社会责任”等化学学科核心素养，训练他们的接受、吸收、整合信息能力，分析和解决实际问题能力及实验探究能力^［7］。这一项目能为后面章节“氮及其化合物”等内容的学习提供项目化教学思路。

2 项目学习目标分析

2.1 学习目标

基于新课标的SO₂内容要求、学业要求及学情分析，确定该项目的学习目标如下。

（1） 阅读科技文献，全面提炼SO₂性质及用途。

（2） 引导学生学会从物质类别、元素价态等角度，依据复分解反应和氧化还原反应原理，预测SO₂的化学性质，设计实验方案并对其进行验证。

（3） 通过实验探究，熟练掌握SO₂重要化学性质及实验现象，准确运用化学方程式、离子方程式表示SO₂的主要化学性质。

（4） 借助“葡萄酒中SO₂定性检测试纸研制”项目的学习，提炼出物质类别和元素价态分析模型和性质预测模型，形成学习无机物化学性质的基本思路和方法，能够有意识地运用所学知识解决生活中的实际问题。

2.2 教学重点

从物质类别、元素价态的角度，深刻理解SO₂的化学性质，进而总结出无机物研究的一般思路。

2.3 教学难点

基于“葡萄酒中SO₂定性检测试纸研制”项目学习，科学合理地利用SO₂性质研制定性检测试纸，并利用定性检测试纸检测葡萄酒中的SO₂含量。

3 项目任务及教学流程

依据项目式教学活动设计核心要素和学习目标，即该项目借助描述葡萄酒的诗句和葡萄酒的配料表（添加SO₂）创设导课情境，引出总项目——葡萄酒中SO₂定性检测试纸的研制。为了完成葡萄酒中SO₂定性检测试纸的研制，学生首先需要了解葡萄酒中SO₂的存在形态和作用，其次要掌握SO₂的性质。为了探究SO₂的性质，学生要从物质类别和元素价态两个维度作出预测，并根据教师提供的试剂设计合理的实验方案；开展实验探究，解释实验现象，运用化学方程式和离子方程式进行表征；学生利用所学知识自制葡萄酒中SO₂定性检测试纸，比较检测效果，撰写说明书，发布产品，完成项目任务。该项目中的各项问题、任务与学生的知识应用、科学活动、设计意图对应的关系如图１所示。

4 项目实施过程与学习成果

4.1 引出总项目

【情境引入】教师播放有关《凉州词》的视频，随后引用诗句——“葡萄美酒夜光杯，欲饮琵琶马上催”。葡萄酒的文化源远流长，出示一瓶葡萄酒，查看配料表。

【教师】葡萄酒中竟然还含有SO₂？它在葡萄酒中到底起什么作用？今天，我们的任务就是通过探究SO₂在葡萄酒中的存在形态及SO₂的性质，自制一款葡萄酒中SO₂定性检测试纸，不仅要符合绿色化学的理念，还要兼顾方便快捷的特点，同学们有没有信心？

4.2 任务一：葡萄酒中SO₂的存在形态和作用

【问题驱动1】葡萄酒中SO₂存在形态有几种？如何产生？葡萄酒中SO₂有哪些作用？体现了SO₂的什么性质？

【查阅资料】针对问题，教师课前下发两篇文献：《二氧化硫与绿色食品葡萄酒贮藏稳定性关系的探讨》^［8］和《二氧化硫在葡萄汁中的作用》^［9］。学生依据教师提供的资料，带着问题阅读文献，提取出关键信息。

【小组讨论汇报结果1】根据文献可知，葡萄酒中SO₂的存在形态主要有SO₂、\mathrm{H}\mathrm{S}{\mathrm{O}}_{\mathrm{3}}^{-}、\mathrm{S}{\mathrm{O}}_{\mathrm{3}}^{\mathrm{2}-}，SO₂与水反应生成H₂SO₃，H₂SO₃电离生成\mathrm{H}\mathrm{S}{\mathrm{O}}_{\mathrm{3}}^{-}、\mathrm{S}{\mathrm{O}}_{\mathrm{3}}^{\mathrm{2}-}。

【小组讨论汇报结果2】葡萄酒中SO₂的主要作用有：杀菌——体现毒性；抗氧化——体现还原性；增酸——作为酸性氧化物；溶解色素，防止褐变——体现漂白性。

4.3 任务二：SO₂性质探究

【问题驱动2】根据文献研究结果，请同学们推测SO₂可能具有的性质并设计实验方案验证你的猜测；根据SO₂的物质类别及硫元素化合价，推测SO₂可能具有的性质并设计实验方案验证你的猜测。

【小组讨论】学生根据文献资料及教师提供的研究物质性质的思路展开讨论，先确定SO₂可能具有的性质，再设计实验方案并进行探究。

【小组讨论汇报结果】SO₂属于酸性氧化物，能溶于水，具有酸性。实验方案为：用矿泉水瓶收集一瓶SO₂气体，加水拧紧瓶盖后振荡，瓶子变瘪，证明SO₂溶于水；向瓶中滴加紫色石蕊，溶液变红，证明SO₂与水反应生成了亚硫酸。

【教师追问】文献资料显示SO₂具有漂白性，往SO₂水溶液中滴加紫色石蕊，会不会先变红后褪色呢？

【学生观点】往SO₂水溶液中滴加紫色石蕊，溶液仅变为红色。

【学生观点】往SO₂水溶液中滴加紫色石蕊，溶液先变红后褪色。

【小组实验1】学生往盛满SO₂气体的矿泉水瓶中加入约1/3体积的蒸馏水，加水后拧紧瓶盖，振荡；向瓶中滴加几滴紫色石蕊试液。

【学生展示】瓶子变瘪，证明SO₂溶于水；滴加紫色石蕊，溶液变红，证明SO₂与水反应生成亚硫酸；红色溶液不褪去，证明SO₂不能漂白指示剂。

【小组讨论汇报结果】SO₂在葡萄酒中具有抗氧化作用，说明其具有还原性；SO₂中的硫元素为+4价，可以升高到+6价，也说明其具有还原性。实验方案为：将SO₂通入酸性高锰酸钾、氯水等溶液中，如果溶液褪色或变浅，则证明其具有还原性。

【教师追问】双氧水能否作为SO₂还原性的检测试剂？如果能反应，如何证明？

【学生】双氧水具有强氧化性，能将SO₂氧化为硫酸。因为双氧水为无色溶液，要证明两者发生了反应，可以往反应后的溶液中滴加氯化钡溶液，观察溶液中是否有白色沉淀生成。

【小组实验2】学生先在井穴板的4个穴孔中分别滴加3滴酸性高锰酸钾、碘水、双氧水和氯化铁溶液，再分别滴加1/2滴管的SO₂水溶液，观察现象；再往盛有双氧水的穴孔中滴加几滴氯化钡溶液，观察现象。

【学生汇报】向溶液中滴入酸性高锰酸钾溶液，粉红色溶液褪成无色；向溶液中滴入碘水溶液，黄色褪成无色；向溶液中滴入氯化铁溶液，棕色褪成无色；向溶液中滴入双氧水溶液，无褪色现象，但向反应后的溶液中滴加氯化钡溶液时，有白色沉淀生成。

【教师】请分别运用化学方程式和离子方程式表征SO₂水溶液分别与酸性高锰酸钾、碘水、双氧水和氯化铁溶液的反应。

【学生】书写相应的化学方程式和离子方程式，并相互评价书写的正误。

【小组讨论汇报结果】+4价的硫是中间价态，应当也具有氧化性。根据归中反应原理，H₂S与SO₂能够发生反应。实验方案为：各收集一瓶H₂S与SO₂气体，两者混合，有黄色硫粉生成。

【教师追问】根据归中反应原理，硫化氢能否与浓硫酸反应？

【学生观点】可以反应，有硫生成。

【学生观点】硫也能与浓硫酸发生归中反应，因此生成的是SO₂。

【学生观点】如果硫化氢过量，则产物为硫；如果浓硫酸过量，则产物为SO₂；当两者比例一定时，产物既有硫又有SO₂。

【演示实验】教师演示H₂S与SO₂发生反应，学生观察现象并书写出方程式。

【小组讨论汇报结果】SO₂可以漂白色素，具有漂白性，前面的实验证实了SO₂不可以漂白石蕊指示剂。根据教材提示，选择让SO₂与鲜花或品红溶液反应，观察其是否褪色。另外，为了验证其漂白性具有可逆性，可以对褪色后的品红溶液加热，观察其颜色是否又恢复红色。

【演示实验】教师按照如图2所示装置演示实验，学生观察实验现象，并解释现象。

【学生展示】SO₂通入品红溶液，溶液变成无色，加热无色溶液，又变回品红色。

【教师追问】褪色后的溶液加热后颜色又复原了，请同学们思考一下SO₂的漂白原理和氯水是否一致？给出判断的依据。

【学生观点】不一样，氯水漂白有普遍性，有色的有机物都可以被氯水漂白。但SO₂的漂白性不具有普遍性，比如前面的紫色石蕊溶液，到现在也没有褪色。

【学生观点】SO₂是化合型漂白，漂白剂与部分有色有机物结合生成新的无色物质，使之失去原来的颜色，加热时能恢复原来的颜色，具有可逆性。氯水是氧化型漂白，利用其氧化性氧化有色有机物，使之失去原有的颜色，不可逆。

4.4 任务三：研制葡萄酒中SO₂定性检测试纸

【资料展示】定性检测试纸使用起来方便快捷，将待测的溶液滴在试纸上，然后与标准比色卡对照所显示的颜色，即可粗略判断出所检测试剂中SO₂的含量。制作方法简易，把洁净的滤纸剪成细长条形，浸泡检测剂溶液，干燥后即可使用。

【问题驱动3】我们对SO₂的性质已经基本了解，就让我们利用其理化性质研制葡萄酒中SO₂定性检测试纸。

【分组制作SO₂定性检测试纸】学生用教师提供的试剂（酸性高锰酸钾溶液、碘水、品红溶液、碘和淀粉混合溶液、氯化铁溶液、蓝色石蕊溶液）自制SO₂定性检测试纸。

【作品展示】学生分组展示自制的SO₂定性检测试纸。

【分组验证SO₂定性检测试纸的效果】学生参照pH试纸的使用方法，分别取一片自制定性检测试纸并置于表面皿中，用玻璃棒蘸取葡萄酒点在自制的葡萄酒中SO₂定性检测试纸上，观察现象。

【学生展示】效果都不太好。主要表现为：浸泡酸性高锰酸钾溶液和品红溶液的试纸变色不明显，仍然是红色；浸泡碘水和氯化铁溶液的试纸变成暗红色；浸泡蓝色石蕊溶液的试纸变成暗红色；浸泡碘和淀粉混合溶液的试纸变成棕色。

【教师追问】为什么用自制SO₂定性检测试纸检测葡萄酒中SO₂的效果会不明显呢？

【学生观点】葡萄酒成分复杂，干扰因素较多。

【学生观点】葡萄酒自带红色，影响了判断。

【学生观点】葡萄酒中SO₂浓度较低，现象不明显。

【教师追问】怎样避免葡萄酒中复杂成分和颜色的干扰而又能富集SO₂呢？

【学生】加入浓盐酸使SO₂从葡萄酒中挥发出来，再与检测试剂作用。

【教师追问】为什么要用浓盐酸而不用浓硫酸？

【学生】浓硫酸有强氧化性，可能会与葡萄酒中的还原性物质反应。

【分组改进SO₂定性检测试纸的使用方法】教师补充提供比色管、浓盐酸等用品，学生根据教师提供的仪器和试剂探究自制SO₂定性检测试剂的最佳使用方法和检测效果。

【教师追问】为了对比检测前后的颜色变化，定性检测试纸应如何放置？

【学生】\mathrm{1}/\mathrm{2}在比色管内部，\mathrm{1}/\mathrm{2}暴露在比色管外部，作为对照。

【教师追问】如何避免SO₂挥发后的浓度过低问题？

【学生】盖上盖子把试纸卡在瓶口，形成相对密闭的体系。

【小组成果展示】展示部分小组的检测结果。

【驱动性问题】哪一组试剂的颜色变化最具说服力？为什么？哪些实验现象比较明显？请评选出优等品。

【学生评价】品红与淀粉碘溶液制作的试纸变色明显，其他几组现象不明显；品红试纸褪色最具有说服力，根据前面3种漂白剂的原理分析，溶液中能使品红褪色却不会漂白葡萄酒自带的红色物质，只能是SO₂；优等品即为品红试纸与淀粉碘试纸。

【设计说明书与发布产品】学生设计葡萄酒中SO₂定性检测试纸的使用说明和注意事项，分组介绍产品的研制过程，指出产品的优缺点，完成产品发布。图3为某小组的葡萄酒中SO₂定性检测试纸的使用说明书。

5 教学效果与反思

（1） 葡萄酒中SO₂定性检测试纸的研制是一个微项目，学生根据项目总任务，围绕葡萄酒中SO₂的存在形态及作用，以小组为单位阅读教师下发的文献，并进行交流展示，即可训练学生的“接受、吸收、整合信息的能力”。

（2） 阅读文献，为学生探究SO₂的性质提供感性认识和生活经验，培养了学生的“科学态度与社会责任意识”等素养。

（3） 各小组依据SO₂在葡萄酒中所体现出来的作用对SO₂性质进行猜想。为了帮助学生以认识无机物的视角和思路建构模型，教师还应该要求学生从物质类别和元素化合价两个维度推测SO₂可能具有的性质。

（4） 通过小组合作，学生制订验证SO₂性质的可行性方案并开展实验探究活动，充分发挥了实验在学习物质性质及其变化本质和规律中的独特价值。

（5） 借助实验探究活动，启迪了学生的科学思维，训练了学生的实验技能和科学方法，落实了“科学探究与创新意识”等素养。

（6） 在研制葡萄酒中SO₂定性检测试纸任务中，学生利用掌握的SO₂性质，模拟pH试纸的制作方法制作定性检测试纸，想当然地认为制作的产品能达到预期效果。事实上，由于没有考虑到葡萄酒成分的复杂性及SO₂含量低等因素，制作的定性检测试纸的检测效果并不理想。在教师的步步追问下，学生终于弄清楚了问题的根源所在，学会了控制变量，最终设计出了产品说明书并发布了产品。

（7） 学生在合作完成项目各项任务过程中，彰显了创新意识，提升了解决问题的能力。

（8） 传统的项目式教学对时间和空间要求高，需要足够的时间和资源保障，一般教师不敢轻易尝试项目式教学；而微项目教学则有别于传统的项目式教学，其以某一核心知识为线索，以真实情境为载体，基于课标及生产生活实际，充分考虑了学生的学习层次与能力水平，着眼于学生的最近发展区，能够有效挖掘学生的潜力。选取微项目开展教学活动，能够引导学生在做中学、创中学，让新知的学习建立在学生的经验之上，新知的巩固建立在解决实际问题的基础之上，实现了知行合一。

（9） 微项目教学既发挥了传统项目式教学的核心优势，又具备了学科跨度小、条件保障易和课时短等特点，是项目式教学发展的主流方向之一，具有推广价值。

参考文献

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基金资助

江西省基础教育课题“基于高中化学教学案例开发提升教师专业能力的研究”(GZHX2022-439)