實驗方案設(shè)計與評價的高三化學(xué)實驗復(fù)習(xí)

1、    “實驗方案設(shè)計與評價”的高三化學(xué)實驗復(fù)習(xí)    黃順紅摘 要 “實驗方案的設(shè)計與評價”類考題是近年來高考的一個熱點(diǎn)。這種題型信息量大、考點(diǎn)多、綜合性強(qiáng)、思維水平要求高，增加了高三復(fù)習(xí)的難度。課例以化學(xué)平衡移動的復(fù)習(xí)為切入點(diǎn)，基于真實情境，以問題為導(dǎo)向，引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)“反應(yīng)可逆、存在平衡移動”等實驗?zāi)康耐瓿蓪嶒灧桨傅脑O(shè)計與評價，實現(xiàn)對化學(xué)平衡知識點(diǎn)的復(fù)習(xí)及學(xué)生科學(xué)探究素養(yǎng)的提升。關(guān)鍵詞 高中化學(xué) 實驗方案設(shè)計與評價 平衡移動 復(fù)習(xí)教學(xué)一、問題的提出普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）（以下簡稱為課程標(biāo)準(zhǔn)）明確提出，化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)包括“宏觀辨識與微觀

2、探析”“變化觀念與平衡思想”“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識”“科學(xué)態(tài)度與社會責(zé)任”等13-4?！翱茖W(xué)探究與創(chuàng)新意識”（素養(yǎng)4）要求學(xué)生能從問題和假設(shè)出發(fā)，依據(jù)探究目的，設(shè)計探究方案。根據(jù)不同的教學(xué)內(nèi)容與要求，素養(yǎng)4又被劃分為4個認(rèn)知水平，詳見表1。能夠根據(jù)實驗?zāi)康倪M(jìn)行簡單的實驗方案設(shè)計是課程標(biāo)準(zhǔn)的基本要求，而能夠綜合性地設(shè)計多種實驗方案并進(jìn)行評價是對教學(xué)的高階要求。筆者查閱了近3年以來的高考題，發(fā)現(xiàn)其中考查化學(xué)實驗方案設(shè)計與評價的考點(diǎn)非常多、非常細(xì)，既可以把實驗設(shè)計過程中的一個點(diǎn)作為考點(diǎn)，如儀器的選擇、試劑的選擇、終點(diǎn)的判斷等，也可以把對一個方案設(shè)計環(huán)節(jié)的評價作為考點(diǎn)，如某裝置的使

3、用優(yōu)點(diǎn)、某試劑的選擇原因、某制備方法的不足等。由于設(shè)計與評價是密不可分的，因此，在高考考題中，往往把兩者“捆綁”在一起進(jìn)行考查。出題角度有以下幾種：（1）實驗原理、現(xiàn)象、結(jié)論的因果關(guān)系;（2）選擇合適的試劑設(shè)計實驗方案;（3）自選試劑、自定方案，開放性設(shè)計實驗;（4）比較方案的優(yōu)劣性，或闡述某個裝置、環(huán)節(jié)的優(yōu)缺點(diǎn);（5）儀器的鏈接、操作的排序、操作失誤或順序打亂的誤差分析等。實驗方案設(shè)計與評價的水平是學(xué)生化學(xué)水平尤其實驗?zāi)芰Φ母唠A體現(xiàn)，包括學(xué)生對實驗題目的認(rèn)識，對實驗步驟的設(shè)計、評價及相應(yīng)的改進(jìn)與優(yōu)化，同時還包含對實驗現(xiàn)象與結(jié)果的判斷、分析的綜合能力2。因此，從實驗設(shè)計與評價的視角重新溫習(xí)、梳

4、理學(xué)過的知識，既新鮮又有意義，符合課程標(biāo)準(zhǔn)提出的素養(yǎng)為本的教學(xué)宗旨和高考的要求。筆者選取“化學(xué)平衡移動”來例談如何創(chuàng)設(shè)情境，選擇適當(dāng)?shù)乃夭尿?qū)動學(xué)生進(jìn)行實驗設(shè)計與評價，根據(jù)素養(yǎng)水平制定相應(yīng)教學(xué)任務(wù)，以及教學(xué)實施的效果與啟示。二、情景素材的選擇選擇合適的情境素材有利于達(dá)成高三復(fù)習(xí)的高效性。高考真題及某些經(jīng)典試題是重要的素材庫，這些素材可以用來改編成適合相關(guān)復(fù)習(xí)課使用的試題。以下是本課例的素材選擇及素材使用思路。素材1 經(jīng)典題型（節(jié)選）。某研究性學(xué)習(xí)小組為證明2fe3+ + 2i- 2fe2+ + i2為可逆反應(yīng)（即反應(yīng)存在一定的限度），設(shè)計的幾種方案詳見表2。素材使用思路這個素材非常簡單，但是信息

5、非常豐富，有顏色的變化，有萃取知識，有平衡移動問題，還有電化學(xué)與平衡移動知識的結(jié)合，是高中化學(xué)平衡相關(guān)知識整合的一個經(jīng)典題目，適用于高三的綜合復(fù)習(xí)，有利于喚醒學(xué)生化學(xué)平衡知識的相關(guān)記憶。結(jié)合實驗設(shè)計與評價的教學(xué)目的，筆者把這個題目改成表格探究題，讓學(xué)生從實驗現(xiàn)象、實驗的原理、評價實驗方案3個角度對各組實驗進(jìn)行點(diǎn)評，思維層層遞進(jìn)，既降低難度，又為實驗方案的設(shè)計與評價提供了思維模板。實踐證明，學(xué)生一旦形成對某一問題的認(rèn)知模型，在遇到類似的問題時，就會自覺地運(yùn)用已有的認(rèn)知模型去分析和解決問題，即“借助建構(gòu)出來的模型進(jìn)行學(xué)習(xí)與遷移”3。素材2 2014年廣州二模33題（節(jié)選）。已知fe3+水解而呈現(xiàn)黃

6、色，以硝酸鐵為研究對象制定方案，探究影響鹽類水解因素。可選擇的試劑和儀器：1 mol/l硝酸、0.05 mol/l以及0.5 mol/l硝酸鐵、小蘇打、1 mol/l氫氧化鈉、h2o、冰水、ph計等。素材使用思路這道實驗探究題是半開放性實驗設(shè)計題，它雖然給出影響鹽類水解因素的實驗?zāi)康模菦]有指定要研究哪項影響因素;雖然給出材料試劑，但是沒有指定用哪種試劑。有了實驗設(shè)計與評價的思維模板為抓手，學(xué)生依據(jù)材料就能完善實驗方案設(shè)計。在素材使用的過程中，可以刪減部分限選材料，也可以換掉部分材料，或者讓學(xué)生從限選到自選逐步提升。素材3 2015年全國卷26題（節(jié)選）。實驗證明：草酸的酸性比碳酸強(qiáng)

7、0;  草酸是二元酸   。素材使用思路2015年的全國卷出的是一個完全開放性的實驗設(shè)計，適用于學(xué)生對實驗設(shè)計與評價過程較為熟悉的階段。由于本課例以化學(xué)平衡為主，因此，筆者只選用了證明草酸是弱酸這個素材。草酸是二元酸這個定量實驗設(shè)計素材可以放在課后練習(xí)中使用，以完善課堂無法兼顧的定量設(shè)計問題。三、教學(xué)思路與流程（一）教學(xué)思路筆者以真實情境為教學(xué)素材，綜合復(fù)習(xí)化學(xué)平衡中的四大平衡：化學(xué)平衡、弱電解質(zhì)電離平衡、鹽類水解、沉淀溶解平衡的相關(guān)知識點(diǎn)，設(shè)計的教學(xué)思路如圖1所示。（二）教學(xué)流程1.創(chuàng)設(shè)情境，使學(xué)生初步體驗實驗方案設(shè)計的評價。情境引入、提出問題給定情境，向5 m

8、l 0.1 mol/l的ki溶液中，滴加2 ml 0.1 mol/l的fecl3溶液。同學(xué)們，我們知道，混合溶液中會發(fā)生反應(yīng)：2fe3+ + 2i- ? 2fe2+ + i2，如何證明這個反應(yīng)是一個可逆反應(yīng)呢？老師準(zhǔn)備了四組實驗方案，請看表3。請同學(xué)們思考三個問題：每組實驗方案對應(yīng)的現(xiàn)象是什么？實驗方案設(shè)計的原理是什么？這個方案可行嗎，有沒有可以改進(jìn)的地方？表3 四組實驗方案方案 實驗操作 示意圖 現(xiàn)象 原理 評價 1 加入2 ml四氯化碳，振蕩后靜置，溶液分層。取上層清液，滴加硫氰化鉀 2 取少量反應(yīng)液，滴加agno3溶液，再取少量反應(yīng)液，加入少量ccl4，振蕩，靜置 3 往溶液中滴加nh4

9、f溶液（fef63-是一種無色穩(wěn)定絡(luò)離子） 4 設(shè)計如圖原電池裝置，接通靈敏電流計，指針向右偏轉(zhuǎn)當(dāng)指針讀數(shù)變零后，在乙燒杯中加入1 mol/l fecl2溶液 學(xué)生分組討論、匯報學(xué)生1：對于方案1，實驗現(xiàn)象是溶液下層紫紅色，上層血紅色;實驗原理是通過確定溶液中同時存在fe3+和i2，即同時存在反應(yīng)物和產(chǎn)物來證明反應(yīng)可逆。對于方案的可行性，我們出現(xiàn)爭議。有人指出因為沒有隔絕空氣，所以存在產(chǎn)物fe2+能被氧氣氧化成fe3+的可能，無法證明血紅色的來源，應(yīng)該對方案進(jìn)行改進(jìn)：在隔絕空氣下操作。（學(xué)生們豁然開朗）學(xué)生2：對于方案2，實驗現(xiàn)象是開始有黃色沉淀，后溶液分層，下層紫紅色;實驗原理是證明溶液中同

10、時存在i-和i2，即同時存在反應(yīng)物和產(chǎn)物，原理和第一組一樣。對于方案的可行性，我們又出現(xiàn)爭議。有人指出方案不可行，由于i-過量，不論反應(yīng)是否可逆，現(xiàn)象都一樣。（學(xué)生頓時表示贊同）學(xué)生3：對于方案3，實驗現(xiàn)象是溶液顏色變淺。實驗原理是用減少反應(yīng)物濃度平衡逆向移動來證明反應(yīng)可逆。通過前兩組的實驗匯報，我們組很快找出設(shè)計方案中存在的問題，由于加入的是溶液，帶進(jìn)了水，濃度會減小。應(yīng)該對實驗進(jìn)行改進(jìn)：選擇加入nh4f固體。學(xué)生4：對于方案4，實驗現(xiàn)象為指針開始向右偏轉(zhuǎn)，說明反應(yīng)發(fā)生。當(dāng)加入fecl2溶液，由于濃度增大，指針向左偏轉(zhuǎn)，說明反應(yīng)逆向進(jìn)行，這個方案可以。（在教師引導(dǎo)下，學(xué)生還完成了原電池的正負(fù)

11、極反應(yīng)式書寫）教師小結(jié)同學(xué)們，通過這個題目，我們可以總結(jié)出設(shè)計實驗方案的一般思路，也就是思維模型：第一步，明確實驗?zāi)康?第二步，根據(jù)實驗原理，設(shè)計實驗方案（包括試劑的選擇、步驟的先后）;第三步，優(yōu)化實驗方案（試劑更優(yōu)、步驟更少、現(xiàn)象更明顯、結(jié)論無爭議）;第四步，描述實驗現(xiàn)象并得出實驗結(jié)論，同時進(jìn)行文字描述。在設(shè)計實驗的過程中，要綜合考慮科學(xué)性、準(zhǔn)確性、簡潔性。設(shè)計意圖先創(chuàng)設(shè)一個真實的實驗設(shè)計問題情境，教師給定不同的實驗方案，讓學(xué)生依據(jù)實驗?zāi)康膶嶒灧桨高M(jìn)行評價。初步感受實驗方案設(shè)計的嚴(yán)謹(jǐn)性，既要考慮現(xiàn)象，又要考慮用量，還需要分析原理是否合理等，為學(xué)生打開實驗方案評價的大門。這樣做，是對素養(yǎng)4“

12、科學(xué)探究與創(chuàng)新意識”中水平4的很好落實，即能根據(jù)文獻(xiàn)和實際需要提出綜合性的探究課題，根據(jù)假設(shè)提出多種探究方案，評價和優(yōu)化方案191。而對實驗方案設(shè)計思維模型的總結(jié)，也為學(xué)生的實驗復(fù)習(xí)提供了方法。2.指定試劑，制定實驗?zāi)康?，設(shè)計實驗方案。提出問題fe3+因為水解而呈現(xiàn)黃色，以硝酸鐵為研究對象制定實驗方案，探究影響鹽類水解因素。可選擇的試劑和儀器：1 mol/l硝酸、0.05 mol/l及0.5 mol/l的硝酸鐵、小蘇打、1 mol/l氫氧化鈉、h2o、冰水、ph計等。影響鹽類水解程度的因素示例詳見表4。學(xué)生分組討論、匯報學(xué)生1：探究溫度的影響。操作：取少量0.5 mol·l-1

13、60; fe（no3）3于試管中，再將試管置于冰水混合物中?，F(xiàn)象和結(jié)論：棕黃色溶液顏色變淺，說明降低溫度能抑制fe（no3）3的水解。學(xué)生2：探究某些鹽溶液對水解的影響。操作：取少量0.5 mol·l-1  fe（no3）3于試管中，加入nahco3固體?，F(xiàn)象和結(jié)論：出現(xiàn)紅褐色沉淀，并有氣體放出，因為hco3-和fe3+相遇會發(fā)生雙促進(jìn)水解反應(yīng)，水解呈堿性的弱離子能促進(jìn)fe（no3）3的水解。學(xué)生3：對比試驗。取等量0.05 mol·l-1  fe（no3）3分別置于兩試管中，第一個試管加入等量水，第二個試管加入0.5 mol·l-1 

14、; fe（no3）3?，F(xiàn)象：第二個試管顏色變深。結(jié)論：增大鹽溶液濃度抑制水解。（教師引導(dǎo)：這個方案有沒有問題？濃度本身是否會影響顏色？）學(xué)生4：剛才那個同學(xué)說的不正確。雖然用對比實驗?zāi)芘懦挠绊?，但是由于第二個試管增大fe（no3）3濃度本身就會使溶液顏色變深，不能證明水解平衡發(fā)生移動，因此，這個方案不僅行不通，還有可能得到相反的結(jié)論。（學(xué)生在討論中對問題逐步認(rèn)識）學(xué)生5：對比實驗：取等量0.05 mol·l-1和0.5 mol·l-1  fe（no3）3分別置于兩個試管中，測量兩個試管中溶液的ph值。發(fā)現(xiàn)濃度越小，ph值越小，這說明濃度越小，水解程度越大。教師

15、引導(dǎo)這位同學(xué)的思路是非常清晰的。他通過對比不同濃度鹽的ph值來判定濃度對水解的程度的影響。但是他的現(xiàn)象描述不嚴(yán)謹(jǐn)。我們應(yīng)該通過兩者ph值的差來判斷，小于1，才能證明對應(yīng)的結(jié)論。設(shè)計意圖在這個環(huán)節(jié)中，學(xué)生需要在指定的試劑范圍內(nèi)選擇試劑，確定實驗?zāi)康?，設(shè)計對應(yīng)的實驗方案。這一設(shè)計，意在考查“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識”素養(yǎng)中水平3的要求，即具有較強(qiáng)的問題意識，能在與同學(xué)討論基礎(chǔ)上提出探究的問題和假設(shè)，依據(jù)假設(shè)提出實驗方案的能力191。同時，筆者在分析學(xué)生方案的合理性中，也貫穿著對水平4素養(yǎng)的培養(yǎng)。3.開放性實驗的設(shè)計。提出問題任選試劑，如何證明草酸是弱酸。這是我們非常熟悉的一類題。我們可以回顧一下這種完全

16、開放性的考題，大家一定要注意文字描述的準(zhǔn)確性。設(shè)計意圖由于這道題平時訓(xùn)練比較多，所以學(xué)生能又快又好地回答出來，并且提出的方案也非常多。可見，完全開放性題目有些看起來好像有難度，實際上給出的自由發(fā)揮空間更大。在此環(huán)節(jié)中，建議教師可以更多關(guān)注學(xué)生的文字表達(dá)。提出問題同學(xué)們，經(jīng)過學(xué)習(xí)，我們體驗了實驗方案設(shè)計與評價的方法?，F(xiàn)在老師出個難題，請大家發(fā)揮聰明才智完成：ca3（po4）2、cahpo4均為難溶于水的白色固體。某同學(xué)向na2hpo4溶液中滴加cacl2溶液至恰好反應(yīng)，生成了白色沉淀。請設(shè)計一個簡單的實驗方案，來確定所生成的白色沉淀是ca3（po4）2還是cahpo4 。由于時間關(guān)系，這個題目留

17、給大家課后完成。課后作業(yè)節(jié)選學(xué)生1：用玻璃棒蘸取少量恰好反應(yīng)后的上層清液，點(diǎn)在ph試紙中間，若溶液顯酸性，則沉淀為ca3（po4）2，反之，為cahpo4。學(xué)生2：把沉淀置于試管中，測ph值，加入naoh溶液，混合、振蕩、靜置，再測定混合后溶液的ph值。如果ph值不變，則沉淀為ca3（po4）2，反之，為cahpo4。設(shè)計意圖這個開放性實驗設(shè)計源于一個陌生的情境，學(xué)生需要有較強(qiáng)的問題意識，提出假設(shè)，并設(shè)計相應(yīng)的實驗方案，是“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識”素養(yǎng)中水平3和水平4的綜合體現(xiàn)。四、課后反思及啟示“實驗方案設(shè)計與評價”試題將基礎(chǔ)知識概括到系統(tǒng)層面進(jìn)行整合，考查學(xué)生對學(xué)科知識整體性把握的水平4。通過

18、課后反思，筆者發(fā)現(xiàn)，對于學(xué)生而言，本節(jié)課綜合性較強(qiáng)，挑戰(zhàn)性還是很大的。因此，筆者精選了一些高考題，并注重選擇學(xué)生特別熟悉的題目以降低學(xué)習(xí)的難度。此外，課例還有不完善的地方，基于學(xué)情分析，教學(xué)內(nèi)容稍多，學(xué)生消化的時間不夠，若能用導(dǎo)學(xué)案的形式課前把題目發(fā)給學(xué)生效果會更好一些;應(yīng)該結(jié)合實物投影，把更多的學(xué)生的文字表達(dá)展示出來會更好。經(jīng)過教學(xué)實踐，得到以下幾點(diǎn)啟示：（1）實驗方案的設(shè)計與評價這部分內(nèi)容不可能只靠一節(jié)課或一個專題就完成全部復(fù)習(xí)。由于該內(nèi)容涉及面很廣，可以分散到每個章節(jié)的復(fù)習(xí)當(dāng)中。例如，在復(fù)習(xí)完金屬元素化合物、非金屬元素化合物、元素周期律、化學(xué)反應(yīng)與能量、水溶液離子平衡、電化學(xué)后，都可以增加一節(jié)實驗方案的設(shè)計與評價，這樣，就把難度分散，使學(xué)生能夠逐步習(xí)慣這種類型的題目。（2）復(fù)習(xí)不是簡單的重復(fù)，而是要不斷提高和總結(jié)。高考題的實驗設(shè)計部分多數(shù)還是來源于教材中的實驗，因此，以教材中的實驗為素材來復(fù)習(xí)實驗方案的設(shè)計與評價是有效的。在實驗素材的選擇上，要遵循深入淺出，教學(xué)的設(shè)計上要從易到難，不要強(qiáng)求所有設(shè)計與評價角度一步到位或面面俱到。（3）實驗方案的設(shè)計與評價滲透了很多科學(xué)探究的方法，例如，控制變量法、實驗對比法等，有時候需要考慮定性分析，