“5E”教學模式下元素化合物教學的應用與反思
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作者:盧珊
摘要：開展“素養為本”的化學教學是新一輪課改的重要目標，作者嘗試在“5E”教學模式下，以葡萄酒為情境載體，探究、思辨與討論二氧化硫性質。采用創新實驗和數字化實驗揭示反應的本質，引導學生建構二氧化硫性質的類-價二維認知模型。通過新知遷移與應用，解決生活、生產實際問題，加深學生對物質轉化和化學學科價值的理解，促進學生對人類文化和環境保護的思考。
關鍵詞：化學核心素養；“5E”教學模式；二氧化硫；實驗探究；遷移應用
文章編號：1008-0546（2023）03-0029-06 中圖分類號：G632.41 文獻標識碼：B
doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2023.03.007
普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）強調以發展化學學科核心素養為主旨，倡導創設真實問題情境，開展以化學實驗為主的多種探究活動，以促進學生學習方式的轉變，培養學生的創新精神和實踐能力。[1]受傳統應試教育的影響，部分一線教師在教學上仍注重知識灌輸與考點講解，缺乏適應發展學生核心素養的教學方法?！?E 教學模式”是一種探究式的教學模式，由引入（Engagement）、探究（Exploration）、解釋（Explanation）、遷移（Elaboration）和評價（Evalua? tion）五個階段組成（見圖1），因五個學習階段都以字母“E”開頭，故稱“5E”教學法。
一、“5E”教學模式在元素化合物教學中的可行性分析
“5E”教學模式最早起源于美國科學課程改善研究（Science Curriculum Improvement Study，簡稱 SCIS）研發出的“學習環”，1989年美國生物科學課程研究（Biological Sciences Curriculum Study）項目對“學習環”進行修改和完善，將教學過程劃分為如今緊密相連的五個階段。[2]“5E”教學模式在元素化合物教學中，對學生獲取新知及培養學生交流、探究和創新能力等方面具有獨特的作用和價值（見圖2）。
在“5E”教學模式下，教師引領學生在真實的問題情境中從宏微結合和變化守恒的視角，運用證據推理和模型認知的思維方式，完成一系列學習任務和活動，使學生在掌握化學知識的同時，也形成了化學學科觀念與學科思維。
二、樹、建、遷、動――識教材，明目標
2020年秋，浙江普通高中化學教材正式由“蘇教版”變更為“人教版”，“二氧化硫性質”內容位于人教版高中化學必修二第五章第一節硫及其化合物，根據人教版教材和新課程標準，本節課可做如下理解：
樹：蘇教版教材以我國酸雨的成因、危害和防治為線索學習SO2的性質，人教版教材調整了體系結構，增加了“資料卡片”介紹了 SO2可作為食品添加劑，引導學生科學辯證地認識化學品，樹立積極正面的化學價值觀。
建：目前學生已具有一定的知識、能力和素養儲備，但在陌生情境下解決實際的能力欠佳，教師應引導學生建構元素觀、微粒觀、變化觀等核心觀念，習得化學學科關鍵能力和思想方法。
遷：以二氧化硫為載體進行元素化合物教學，其目的是建構二氧化硫的知識體系，并促進學生化學核心素養的形成，在“5E”教學模式下遷移新的問題情境能有效評價學生該學習目標是否達成，提升學生的預測力和解釋力。
動：葡萄酒中添加有毒氣體二氧化硫，二氧化硫性質實驗探究，如何避免飲酒過程中二氧化硫中毒等環節設置，其目的都是激發學生的學習動機，引發與維持學生學習化學的行為，使學生能持之以恒地學好化學。
三、“5E”教學模式下“二氧化硫性質”教學實錄
1.尋源葡萄酒的工藝――初識SO2（引入）
【材料鋪墊】中美考古學家在河南賈湖遺址對距今9000年的陶器進行分析，他們發現了野生葡萄籽和葡萄酒殘留物，將世界葡萄酒的起源向前推進了1000年。
【交流討論】釀造葡萄酒過程中經常出現以下問題：
1.葡萄酒易污染雜菌而失去原有的風味；
2.葡萄酒稍不留神就被空氣氧化變成“葡萄醋”；
3.葡萄中的有機酸鹽難溶于水（有機酸較易溶于水）。
?。◣熒樱┱垙奈镔|類別和價態視角分析，應向葡萄酒中添加具有怎樣性質的物質解決上述問題？
小組討論1：具有還原性、可殺菌；
小組討論2：易溶于水
小組討論3：水溶液有酸性，且比有機酸的酸性強；
[網絡檢索]二氧化硫應用在葡萄酒中的歷史及作用（見圖3）。
【設疑激趣】二氧化硫是否真的如此神奇？二氧化硫有毒能否加入到葡萄酒中？
設計意圖：引入是“5E”教學模式的起始環節，課堂以葡萄酒最早發源地引入可激發學生的文化自信與民族自豪感。二氧化硫這種有毒氣體可解決釀造葡萄酒過程中的實際問題，引發學生的認知沖突，進而激發學生的學習興趣，驅動學生積極主動地進行學習和探究。
2.揭曉葡萄酒中的奧秘――探知SO2（探究、解釋）
【實驗探究】①SO2的溶解性；②SO2水溶液的酸堿性；見圖4。
?。▽W生實驗1）向集滿 SO2的礦泉水瓶注入適量蒸餾水，振。
?。▽W生實驗2）取適量SO2水溶液于試管中（帶橡膠塞），用玻璃棒蘸取溶液于pH試紙上，與比色卡對照讀數（見圖5）。
【解釋結論】二氧化硫易溶于水，是一種能與水發生可逆反應生成酸的氣體。
【實驗探究】③SO2的還原性
【實驗探究】請選擇合適的試劑，設計實驗證明SO2具有還原性，見圖6。
【交流討論】如何判斷H2O2與SO2溶液混合之后是否發生反應？
小組討論1：可能產物為H2SO4，可用稀鹽酸和Ba? Cl2溶液檢驗SO3（2）-；
小組討論2：可能產物為強酸H2SO4，可用pH 試紙或pH 傳感器檢驗H+；
小組討論3：可能產物為強酸 H2SO4，可運用導電率傳感器檢驗離子濃度；
【數字化實驗】（演示實驗）取適量SO2水溶液于三頸燒瓶中，用酸式滴定管逐滴滴加H2O2溶液，pH 傳感器和電導率傳感器分別測定溶液pH 和電導率隨時間的變化圖像（見圖7）。
（思考）從氧化還原反應角度分析，SO2具有什么性質，設計實驗驗證
【改進實驗】（學生實驗3）用針管吸取分別吸取適量 SO2水溶液，通過三通閥注入到盛有Na2S 溶液的針管中，觀察（見圖8）
【文獻查找】二氧化硫與水作用生成亞硫酸，亞硫酸能進入菌體細胞壁奪取細胞中的氧，菌體細胞因脫氧致死。各種微生物抵抗二氧化硫的能力不同：細菌最敏感，其次是尖端酵母，而葡萄酒酵母抗二氧化硫的能力最強（25 mg/L）。因此，可通過二氧化硫的加入量選擇不同的發酵微生物。
【修正假設1】二氧化硫易溶于水，能與水發生可逆反應，具有還原性和氧化性（見圖9）。
【材料鋪墊】古希臘人除了發現硫黃燃燒產生的氣體能保存葡萄酒，還發現該氣體能漂白布料。公元前九世紀，古羅馬詩人荷馬在他的著作里講述了該現象。
（學生實驗4）向試管中加入品紅溶液，再加入適量 SO2水溶液，振蕩，觀察；將滴加紫色石蕊的棉花團置于試管口，加熱試管觀察。
結論：SO2的漂白原理：與某些有色物質生成不穩定的無色物質。
【理論支撐】品紅結構有一個“發色團”，該“發色團”遇到 H2SO3之后（結合 H2SO3電離出的 HSO 3（-））生成不穩定的無色物質，無色物質破壞了品紅中起發色作用的對醌式結構。無色物質不穩定，遇熱又會分解，恢復到原來的顏色（見圖10）。
【修正假設2】二氧化硫易溶于水，能與水發生可逆反應生成酸，且具有還原性和氧化性，還具有漂白特性。
設計意圖：探究是“5E”教學法的核心，解釋是“5E”教學法的關鍵。學生對二氧化硫溶解性、還原性等實驗方案進行設計、討論和評價，展示思維過程，建構SO2性質的認知模型。在存在污染的實驗或無明顯現象的實驗，教師引導學生改進實驗或借助傳感器解決問題，提升學生科學探究與創新意識的學科素養，養成學生嚴謹求實的學科態度。
3.品味葡萄酒中的浪漫――轉化SO2（遷移）
【新問題情境】SO2有毒，那么在葡萄酒中添加SO2是否合理？
【網絡檢索】有毒是相對的，計量決定一種成分是否有毒。我國食品添加劑使用標準規定葡萄酒中SO2的最高含量250 mg/L。世界衛生組織規定：每人依體重算，每天攝入SO2的最大量應控制在0.7 mg/kg。
【交流討論】人們如何減少飲酒時SO2的攝入呢？
小組討論1：適量飲酒；體重為50 kg 的人每日飲酒最大量為140 mL。
小組討論2：把酒倒進醒酒器里醒酒；
小組討論3：喝前在杯子里搖一搖；
【文獻檢索】葡萄酒開瓶后醒酒或搖杯的時間里，葡萄酒中有30%-40%的二氧化硫或亞硫酸鹽會與氧氣結合而消失。
【修正計算】剔除葡萄酒中與氧氣反應的 SO2，計算體重為50 kg 的人每日的最大飲酒體積為：
50 kg×0.7 mg/kg÷[（1-40%）×250 mg/L]=233 mL （安全范圍）
【實驗探究】取用注射器吸取適量 SO2水溶液，再吸取BaCl2溶液，觀察，抽入適當空氣，振蕩（見圖11）。
【符號表征】出相關的化學反應方程式。
設計意圖：遷移是新概念學習的延伸環節。圍繞如何減少飲酒時 SO2的攝入展開學生活動，比起傳統設計更加開放，該環節設置強化了學生推理、預測、分析、解釋和應用能力，學生參與度高，真正意義上促進了學生學習方式的轉變，體現了學生在課堂學習中的主體地位。
4.與自然和諧共生――合理使用SO2（遷移）
【交流討論1】根據 SO2性質預測 SO2在生活生產中還有哪些用途？
小組討論1：漂白布匹紙張；
小組討論2：SO2對食品進行“化妝”（見表1），為它們保鮮和殺菌等；
小組討論3：用SO2制硫酸……
【交流討論2】SO2在古代常被君主用來鎮壓奴隸反抗，在現代也是造成酸雨的罪魁禍首。我們應如何看待SO2這種化學物質？
小組討論1：我們應合理使用化學物質，與自然和諧共生。
小組討論2：任何物質都有兩面性，我們應發揚優點，規避風險……
設計意圖：“科學精神與社會責任”揭示了化學學習更高層次的價值追求。在教學中要注重培養學生要崇尚真理、嚴謹求實的科學態度，如SO2只有達到一定量的時候才體現它的毒性，滲透量變引起質變的哲學思想；SO2在生活中有重要應用，同時也有很多負面影響，化學物質都有兩面性，樹立一分為二的哲學觀點等。
5.課后任務，深化認識
【課后微項目】SO2常添加到食品中起到增色保鮮的作用，請查閱資料了解 SO2在食品中過量使用的危害，尋找檢測食品中二氧化硫殘留量的方法，繪制手抄報交流展示（見圖12）。
四、教學模式應用的教學反思
“5E”教學模式是一種以學生為中心的建構主義教學模式，在元素化合物教學中有重要的應用?！疤骄俊焙汀敖忉尅笔恰?E”教學法的核心和關鍵，在這兩個學生作品環節中，應避免學生出現偽探究、偽問題解決的情況，教師要根據課堂教學中對學生過程性和總結性評價，不斷反思、調試課堂的節奏，以適應學生認知的發展。在“遷移”環節避免用既有習題來鞏固所學新知，教師需要創設新的問題情境，加深學生對新知模型的理解和運用。
著名的教育家葉圣陶說過，教學有法，教無定法，貴在得法。教學中我們會碰到多種模式，單一模式雖有其特有的獨立性，但綜合模式卻集聚了各種模式的精華，更顯風采。教師在運用“5E”教學模式進行教學時，可靈活多變，容納一切對教學有利、對學生學法有益的教學行為。在新教材、新課標的背景下，化學課堂教學改革之路，道阻且長，行而不輟，則未來可期！
參考文獻
?。?］中華人民共和國教育部. 普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）［S］. 北京：人民教育出版社，2020.
?。?］胡久華，高沖. 5E教學模式在我國的教學實踐及其國外研究進展評析［J］. 化學教育，2017（1）：5-9.
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