在實(shí)驗探究試題命制中落實(shí)化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的實(shí)踐與反思

黃滿霞 曹志鋼 劉臣 李伏剛

摘要：基于高中化學(xué)新課程標(biāo)準(zhǔn)的教學(xué)、命題理念，以H2O2氧化Fe2+實(shí)驗中的“異?！爆F(xiàn)象為例，展示了實(shí)驗探究活動設(shè)計和試題編制的過程。結(jié)合學(xué)生的答題情況，反思了試題設(shè)問的層次性以及由試題引發(fā)的學(xué)術(shù)思考和對微觀探析素養(yǎng)的認(rèn)識和理解。

關(guān)鍵詞：實(shí)驗探究；試題命制；反應(yīng)歷程；宏觀辨識與微觀探析

文章編號：1008-0546（2022）02-0079-05中圖分類號：G632.41文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.02.018

*本文系北京市教育學(xué)會化學(xué)教學(xué)研究會開展的中國教育學(xué)會教育科研一般性課題《基于高中生跨學(xué)科問題解決能力培養(yǎng)的教學(xué)實(shí)踐研究》（課題編號：201900171806B）和北京市教育科學(xué)“十四五”規(guī)劃2021年度一般課題《學(xué)科核心素養(yǎng)導(dǎo)向的中學(xué)化學(xué)單元深度學(xué)習(xí)實(shí)踐研究》（課題編號：CDDB21219）的部分研究成果。

一、試題研究

化學(xué)學(xué)科五大核心素養(yǎng)中，科學(xué)探究與創(chuàng)新意識是其他四大素養(yǎng)的綜合體現(xiàn)?！镀胀ǜ咧谢瘜W(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》[1]（以下簡稱新課標(biāo)）將科學(xué)探究與創(chuàng)新意識素養(yǎng)的內(nèi)涵表述為“認(rèn)識科學(xué)探究是進(jìn)行科學(xué)解釋和發(fā)現(xiàn)、創(chuàng)造和應(yīng)用的科學(xué)實(shí)踐活動；能發(fā)現(xiàn)和提出有探究價值的問題；能夠從問題和假設(shè)出發(fā)，依據(jù)探究目的，設(shè)計實(shí)驗方案，用化學(xué)實(shí)驗、調(diào)查等方法進(jìn)行實(shí)驗探究?！币虼?，探究實(shí)驗是科學(xué)探究與創(chuàng)新意識素養(yǎng)的重要載體，突顯化學(xué)學(xué)科的價值和特色。

綜合分析近10年北京卷化學(xué)高考最后一道實(shí)驗探究題，其實(shí)驗素材和考查角度如表1所示：

不難發(fā)現(xiàn)近10年北京卷實(shí)驗探究命題取向主要集中在以下五點(diǎn)：

1.物質(zhì)性質(zhì)的驗證實(shí)驗：2010和2011、2013年分別探究了鹵素氧化性和SO2還原性。

2.外界因素對物質(zhì)性質(zhì)的影響：2014年和2015年分別考查了電壓和離子濃度對物質(zhì)還原性的影響；2018年考查了溶液酸堿性對K2FeO4和Cl2氧化性的影響。

3.物質(zhì)性質(zhì)的多重性：如2016年，考查了亞硫酸鹽的溶解性、氧化還原性、在水溶液中的酸堿性，并發(fā)現(xiàn)鹽溶液間反應(yīng)的多樣性與兩種鹽溶液中陰、陽離子的性質(zhì)和反應(yīng)條件有關(guān)。

4.體系中多重反應(yīng)之間的關(guān)系：2017年和2019年分別考查了多反應(yīng)體系中連續(xù)反應(yīng)、平行反應(yīng)間速率與限度的競爭關(guān)系。

5.多物質(zhì)體系中，物質(zhì)成分的檢驗與確定：如2020年，Na2SO3熱分解后有新生成的Na2S、Na2SO4、Na2Sx以及未反應(yīng)的Na2SO3。在混合體系中，利用物質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行成分檢驗和確定。

可以看出，近10年的高考試題均是從物質(zhì)（或微粒）的性質(zhì)角度對宏觀現(xiàn)象進(jìn)行辨識，突出思維過程和深度的展示。從微觀反應(yīng)歷程的角度考查學(xué)生宏觀辨識與微觀探析素養(yǎng)的實(shí)驗探究題在近幾年高考試題以及北京市各區(qū)模擬題中均未涉及。新課標(biāo)[1]中明確提出“知道化學(xué)反應(yīng)是有歷程的，認(rèn)識基元反應(yīng)活化能對化學(xué)反應(yīng)速率的影響”。人教版（新課標(biāo)）教材中也已經(jīng)深入開展了化學(xué)動力學(xué)本質(zhì)的教學(xué)-如有效碰撞理論；全國卷高考試題以及各模擬試題中也常涉及化學(xué)過渡態(tài)理論，因此從微觀反應(yīng)歷程角度考查化學(xué)反應(yīng)發(fā)生的微觀本質(zhì)就顯得尤為重要。

二、試題素材來源—對“異常”現(xiàn)象的深入探究

鐵元素在化學(xué)教學(xué)中具有舉足輕重的作用：它能幫助學(xué)生建構(gòu)從核心元素價態(tài)、物質(zhì)類別的角度看待物質(zhì)；“鐵及其化合物的性質(zhì)”實(shí)驗還能幫助學(xué)生建立實(shí)驗探究的一般過程。在驗證Fe2+向Fe3+轉(zhuǎn)化時，人教版（新課標(biāo)）、魯科版（新課標(biāo)）教材中相同的實(shí)驗操作是向滴有KSCN的FeCl2（或FeSO4）溶液中加入少量新制氯水，蘇教版（新課標(biāo)）教材在正文中也提到“Fe2+在溶液中易被一些氧化劑（如新制氯水中的Cl2、空氣中的O2、H2O2等）氧化為Fe3+”。為了驗證H2O2能氧化Fe2+，筆者設(shè)計實(shí)驗如下：

實(shí)驗1：在試管中加入1 mL 0.1 mol/L FeSO4溶液（pH=1），加入2滴0.1 mol/L KSCN溶液，再逐滴滴加0.5 mL 0.3 mol/L H2O2溶液，溶液立即變紅，繼續(xù)滴加H2O2溶液，試管內(nèi)溶液紅色變淺并逐漸褪去，并伴隨有少量氣泡產(chǎn)生。推測試管內(nèi)紅色褪去的原因：猜想①無SCN-，猜想②無Fe3 +，猜想③既無Fe3 +，又無SCN-。設(shè)計實(shí)驗2驗證紅色褪去的原因。

實(shí)驗2：分別取少量實(shí)驗1反應(yīng)后的溶液于兩支試管中，加入少量Fe2（SO4）3溶液和KSCN溶液。第一支試管溶液無明顯變化，第二支試管溶液變紅。說明試管1反應(yīng)后的溶液中有Fe3+，而幾乎無SCN-。猜想①成立。

SCN-為什么會消失呢？通過結(jié)構(gòu)分析可知：SCN-中S、C、N的化合價分為為-2、+4和-3。因此S和N能體現(xiàn)出還原性，推測SCN-在試管1中發(fā)生了氧化反應(yīng)。而溶液中存在的氧化性的微粒有H2O2分子和溶解的O2分子（Fe3+與SCN-直接接觸以絡(luò)合反應(yīng)為主），為了確認(rèn)氧化SCN-的微粒，進(jìn)行實(shí)驗3。

實(shí)驗3：①向3 mL 1 mol/L H2O2溶液中滴加2滴0.1 mol/L KSCN溶液和鹽酸酸化的BaCl2溶液，開始無明顯現(xiàn)象，一段時候后產(chǎn)生白色沉淀；

②向3 mL水中滴加2滴0.1 mol/L KSCN溶液和鹽酸酸化的BaCl2溶液，一直無明顯變化；

③鹽酸酸化的BaCl2溶液分別與KSCN溶液和H2O2混合均一直沒有明顯變化

通過上述實(shí)驗，說明H2O2在酸性條件下能氧化SCN-，且二者反應(yīng)很慢。但實(shí)驗1中紅色褪色相對較快，由此推測實(shí)驗1中存在的Fe2+或Fe3+能加快H2O2與SCN-的反應(yīng)。為了證實(shí)這一猜測，進(jìn)行實(shí)驗4。

實(shí)驗4：①向1 mL 0.3 mol/L H2O2溶液中滴加2滴0.1 mol/L KSCN溶液，再加入0.5 mL 0.05 mol/L Fe2（SO4）2溶液（pH=1），溶液變紅，靜置一段時間后紅色恰好褪去，記錄時間為t分鐘。②向1 mL 0.3 mol/L H2O2溶液中滴加2滴0.1 mol/L KSCN溶液，再加入0.5 mL pH=1的H2SO4，靜置t分鐘后，立即滴加幾滴0.05 mol/L Fe2（SO4）2溶液，溶液變紅。③向1 mL 0.3 mol/L H2O2溶液中滴加2滴0.1 mol/L KSCN溶液，再加入0.5 mL 0.1 mol/L FeSO4溶液（pH=1），靜置一段時間后，紅色恰好褪去，記錄時間為t′分鐘，t′

查閱資料發(fā)現(xiàn)[2]：在Fe2+和Fe3+催化下，H2O2氧化SCN-的主要機(jī)理如下：

ⅰ. Fe3++H2O2=Fe2++HO2·+H+

ⅱ. Fe2++H2O2=Fe3++·OH+OH-

ⅲ.·OH具有強(qiáng)氧化性，能直接氧化SCN-。

在工業(yè)生產(chǎn)中，常常利用H2O2產(chǎn)生的·OH處理有機(jī)污水，F(xiàn)e2+/H2O2體系又被稱為Fenton體系，F(xiàn)e3+/H2O2體系為類Fenton體系。

三、試題編制

科學(xué)探究試題命制過程中應(yīng)著重再現(xiàn)真實(shí)的實(shí)驗場景，體現(xiàn)科學(xué)探究的一般過程?？茖W(xué)探究過程一般包括提出問題和假設(shè)、設(shè)計方案、實(shí)施實(shí)驗、獲取證據(jù)、分析解釋、形成結(jié)論及交流評價等要素[1]?？紤]到考試時間和分值的限制，試題不可能考查所有環(huán)節(jié)，只能選擇性的重點(diǎn)關(guān)注設(shè)計方案的核心步驟，力求考出學(xué)生的高階思維。本次測試為學(xué)業(yè)水平模擬考試，要求題目設(shè)計有梯度，在搭好設(shè)問臺階的前提下著重考查學(xué)生基于證據(jù)對實(shí)驗進(jìn)行分析解釋的能力、設(shè)計實(shí)驗排除干擾得出實(shí)驗結(jié)果的能力以及將實(shí)驗結(jié)果總結(jié)提煉為結(jié)論的能力?；诒疚闹械膶?shí)驗素材和相關(guān)的文獻(xiàn)資料，編制的試題側(cè)重考查學(xué)生證據(jù)推理與模型認(rèn)知、宏觀辨識與微觀探析、科學(xué)探究與創(chuàng)新意識三個方面的核心素養(yǎng)；在設(shè)問角度上重點(diǎn)考查學(xué)生基本實(shí)驗操作能力、實(shí)驗設(shè)計與評價能力、語言表達(dá)能力。

試題題面設(shè)計如下：

【試題】某實(shí)驗小組在驗證H2O2氧化Fe2+時發(fā)現(xiàn)異常現(xiàn)象，并對其進(jìn)行了深入探究。

實(shí)驗Ⅰ：

（1）實(shí)驗I中溶液變紅是因為Fe3+與SCN-發(fā)生了反應(yīng)，其離子方程式是。

（2）探究實(shí)驗I中紅色褪去的原因：取反應(yīng)后溶液，（填實(shí)驗操作和現(xiàn)象），證明溶液中有Fe3+，而幾乎無SCN-。

（3）研究發(fā)現(xiàn)，酸性溶液中H2O2能氧化SCN-，但反應(yīng)很慢且無明顯現(xiàn)象，而實(shí)驗Ⅰ中褪色相對較快，由此推測Fe3+能加快H2O2與SCN-的反應(yīng)。通過實(shí)驗Ⅱ和Ⅲ得到了證實(shí)。參照實(shí)驗Ⅱ的圖例，在虛線框內(nèi)補(bǔ)全實(shí)驗Ⅲ。

（4）①Fe2+也能加速H2O2與SCN-的反應(yīng)，且效果比Fe3+更好

②剛滴入H2O2時，ⅱ反應(yīng)速率快，生成的Fe3+迅速與SCN-結(jié)合，溶液立即變紅；繼續(xù)滴加H2O2，c（·OH）升高，加快·OH氧化SCN-，使得c（SCN-）降低，F(xiàn)e3++ 3SCN-Fe（SCN）3平衡逆向移動，紅色褪去

③·OH、H2O2、Fe3+

四、反思與啟示

1.對學(xué)生答題情況的反思

北京市東城區(qū)參加化學(xué)學(xué)業(yè)水平模擬考試的學(xué)生人數(shù)為2275人，本題（題號：19）滿分為13分，難度系數(shù)為0.46。具體測試數(shù)據(jù)如表2所示。

從統(tǒng)計結(jié)果來看，本道題6個空均具有良好的區(qū)分度。從難度系數(shù)來看，本題切入點(diǎn)低，對學(xué)生親和度高，易、中、難設(shè)問均有涉及，最后一問還反映出了學(xué)生靈活運(yùn)用氧化還原原理分析問題、解決問題能力還有待提高。

具體分析如下：19（3）是一個中等難度的設(shè)問，也是本題最大的創(chuàng)新點(diǎn)。本空利用實(shí)驗設(shè)計的設(shè)問形式考查了Fe3+在體系中的作用（加快H2O2氧化SCN-和檢驗SCN-）；同時學(xué)生需調(diào)用并遷移課本中反應(yīng)速率比較實(shí)驗的變量控制方法（固定反應(yīng)時間看現(xiàn)象變化的快慢，抑或是現(xiàn)象變化相同時看所需時間的長短）的能力。判卷中搜集到的學(xué)生設(shè)計的方案有：控制其他條件不變，增大Fe3+濃度，紅色褪去時間比t短；減小Fe3+濃度，紅色褪去時間比t長；t時刻加入Fe3+，溶液紅色。本設(shè)問考出了學(xué)生課堂所學(xué)、考出了思維的開放性和收斂性，考出了學(xué)生實(shí)驗探究與創(chuàng)新意識的素養(yǎng)。設(shè)問（4）③是本題中難度最大的一個空。旨在從氧化還原角度，考查學(xué)生用基礎(chǔ)的氧化還原方法解決“機(jī)理”這種高大上的問題的能力，貫徹高起點(diǎn)、低落點(diǎn)的命題要求。

本道題在命制過程中，著重考慮用好實(shí)驗素材，引導(dǎo)師生回歸教材，通過對教材的再次挖掘，傳達(dá)出對課本實(shí)驗的深層次理解。試題設(shè)問角度包含了繪制實(shí)驗裝置圖的能力、實(shí)驗設(shè)計能力、綜合利用信息和化學(xué)反應(yīng)原理解釋問題的能力，關(guān)注學(xué)生體驗，突出學(xué)生思維認(rèn)知能力。設(shè)問有層次，在（1）和（2）的設(shè)問中，加強(qiáng)學(xué)生成功的體驗，增強(qiáng)學(xué)生自信心。設(shè)問（3）和（4）難度逐漸遞增，實(shí)現(xiàn)區(qū)分各等級學(xué)生的目的。本題主干知識覆蓋面廣，素材源于教材而高于教材，綜合考查了學(xué)生的氧還觀、變化觀等學(xué)科觀念，落實(shí)了證據(jù)推理與模型認(rèn)知、科學(xué)探究與創(chuàng)新意識的學(xué)科核心素養(yǎng)。通過具體實(shí)例，使學(xué)生認(rèn)識到化學(xué)反應(yīng)是有歷程的，發(fā)展了宏觀辨識與微觀探析核心素養(yǎng)。此外，硫氰酸鹽本身具有一定的毒性，對環(huán)境帶來嚴(yán)重的影響，本題涉及的素材為廢水中的SCN-的去除提供了一種策略和方向，發(fā)展了學(xué)生“綠色化學(xué)”的觀念。

2.由試題引發(fā)的思考

試題編制過程中，命題者思考過很多問題，同時試題面世后，也備受同行關(guān)注，進(jìn)而引發(fā)對試題以及對教學(xué)的一些思考，現(xiàn)摘選一二，僅供老師們一起參考研究。

思考1.依據(jù)【試題】中實(shí)驗Ⅱ和實(shí)驗Ⅳ能否得出反應(yīng)i和反應(yīng)ii的速率大小關(guān)系？

不難看出，上述三種見解是基于不同的信息基礎(chǔ)對同一事實(shí)的合理猜測和推斷。據(jù)此可以看出微觀探析是在現(xiàn)有判據(jù)的基礎(chǔ)上（已學(xué)、資料），結(jié)合宏觀現(xiàn)象，對微粒之間的作用進(jìn)行合理猜測。正如新課標(biāo)[1]學(xué)業(yè)水平4-1中描述的一樣：“能在物質(zhì)及其變化的情境中。依據(jù)需要選擇不同方法，從不同角度對物質(zhì)及其變化進(jìn)行分析和推斷；能根據(jù)物質(zhì)的類別、組成、微粒的結(jié)構(gòu)、微粒間作用力等說明或預(yù)測物質(zhì)的性質(zhì)，評估所做說明或預(yù)測的合理性”。也正是如此，我們強(qiáng)調(diào)試題情境的真實(shí)性、原創(chuàng)性。原創(chuàng)的真實(shí)的試題能夠有效的公平、客觀的考查學(xué)生的素養(yǎng)水平和分析問題解決問題的能力，有效的減少因刷題導(dǎo)致的成績拉平效應(yīng)。

參考文獻(xiàn)

[1]中華人民共和國教育部.普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）[S].北京：人民教育出版社，2020.

[2]孫旭陽. H2O2/（Fe2+/Fe3+）體系均相催化氧化金礦廢水中硫氰化物及再生氰化物的研究[D].大連：大連工業(yè)大學(xué)，2016.