建立復(fù)雜體系綜合實(shí)驗探究的解題策略

曾璐 鐘曉媛

摘要： 實(shí)驗探究是高考的重點(diǎn)考查內(nèi)容，也是學(xué)生學(xué)習(xí)的難點(diǎn)之一。針對學(xué)生存在的解題困難，對高考題進(jìn)行改編，以真實(shí)的實(shí)驗探究及模仿命制試題的教學(xué)過程，幫助學(xué)生在面對復(fù)雜體系的綜合實(shí)驗探究題目時，明確解題視角、梳理解題邏輯，最終形成解題策略。

關(guān)鍵詞： 綜合實(shí)驗探究; 解題策略; 高考真題; 高三實(shí)驗復(fù)習(xí)

文章編號： 10056629（2022）09008905

中圖分類號： G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識碼： B

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》中“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識”是五個學(xué)科核心素養(yǎng)之一。要求學(xué)生認(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，并且了解其過程所包含的核心要素有： 提出問題和假設(shè)、設(shè)計方案、實(shí)施實(shí)驗、獲取證據(jù)、分析解釋或建構(gòu)模型、形成結(jié)論及交流評價等[1]。這些要素在課程標(biāo)準(zhǔn)中分為四個素養(yǎng)水平等級[2]，高考則在此基礎(chǔ)上進(jìn)行更為綜合的考察。高三年級整理復(fù)習(xí)階段，教師在學(xué)生已有基礎(chǔ)之上進(jìn)行實(shí)驗探究的復(fù)習(xí)，目的在于綜合提升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)水平，以及進(jìn)行有針對性的應(yīng)用。

1 問題的提出

近年高考綜合實(shí)驗探究，要求學(xué)生不僅能夠運(yùn)用各類物質(zhì)的性質(zhì)進(jìn)行物質(zhì)的檢驗、分離和提純，還要求學(xué)生能夠設(shè)計、評價或改進(jìn)實(shí)驗方案;要求學(xué)生不僅會采取適當(dāng)?shù)姆椒刂茖?shí)驗條件，描述實(shí)驗現(xiàn)象和收集有關(guān)數(shù)據(jù)，還能分析現(xiàn)象和處理數(shù)據(jù)并得出合理結(jié)論。這樣的綜合實(shí)驗探究題，考查了學(xué)生合理猜想、找排干擾等的實(shí)驗設(shè)計思路;控制變量、收集數(shù)據(jù)等的實(shí)驗實(shí)施方法;分析證據(jù)、推理論證等的實(shí)驗解釋能力。

但在高三復(fù)習(xí)中我們常常發(fā)現(xiàn)，面對這樣的綜合實(shí)驗探究題，學(xué)生表現(xiàn)出了一些共同的困難。通過分析，造成學(xué)生困難的主要因素是：

（1） 缺乏邏輯。對紙面敘述的實(shí)驗邏輯不清晰，對實(shí)驗探究的基本程序與思路不清楚。

（2） 缺乏視角。不了解題目考察所指向的知識與能力，不知道從何入手解題。

（3） 缺乏策略。容易陷入個別題目的無用信息中，沒有歸納總結(jié)同類題目的共同特點(diǎn)，沒有形成有效的解題策略。

如何在課時緊張的情況下有效突破學(xué)生在此類問題上的困難，就成了高三教學(xué)中的重要議題。

2 解決途徑

選擇合適的高考題，將其設(shè)計成為課堂教學(xué)，可避免一般復(fù)習(xí)課中探究問題難度大、角度偏、邏輯不夠嚴(yán)謹(jǐn)?shù)缺锥恕?/p>

本研究的高三實(shí)驗探究復(fù)習(xí)課，選擇的是2017年北京高考理綜試卷中最后一道題（第28題）。題目情景為在驗證反應(yīng)“Fe+2Ag+Fe2++2Ag”的實(shí)驗中檢測到Fe3+，并給出了部分探究過程，要求學(xué)生將此過程補(bǔ)充完全。

選擇該題作為本節(jié)課的素材，并將其改編成真實(shí)的探究過程的主要原因是： （1）素材熟悉，難度適中。探究所用試劑學(xué)生較為熟悉，但發(fā)生的反應(yīng)多樣，存在競爭關(guān)系，對學(xué)生的邏輯性、推理能力有一定的挑戰(zhàn)。（2）具有教學(xué)的可操作性。實(shí)驗探究的操作本身多為試管實(shí)驗，對于學(xué)生較為簡單，容易上手，題目中的探究活動所用時間適中。（3）涉及較多的考點(diǎn)知識。探究過程中需要用到鐵及其化合物、硝酸的性質(zhì)、氧化還原反應(yīng)、原電池工作原理等知識內(nèi)容，可以與復(fù)習(xí)物質(zhì)的性質(zhì)等知識相結(jié)合。（4）蘊(yùn)含豐富的實(shí)驗思想。探究過程中學(xué)生需要復(fù)習(xí)控制變量、對比實(shí)驗、找排干擾等實(shí)驗思想與方法，可以有針對性地復(fù)習(xí)科學(xué)探究的一般方法，幫助學(xué)生形成解決復(fù)雜體系問題的一般思路、方法，有利于形成解題策略。

本設(shè)計的教學(xué)目標(biāo)： （1） 通過完成Ag+和Fe反應(yīng)的探究，明確實(shí)驗探究的一般思路。（2） 探究過程中，體會基本的實(shí)驗思想，形成解決復(fù)雜問題的一般思路。（3） 通過命制一道實(shí)驗探究題，反思命題過程，形成有效的綜合實(shí)驗探究題的解題策略。（4） 通過探究學(xué)習(xí)發(fā)展證據(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)任等核心素養(yǎng)。教學(xué)的重點(diǎn)為： 形成綜合實(shí)驗探究的解題策略。

3 教學(xué)過程

根據(jù)教學(xué)目標(biāo)，將整個教學(xué)過程分為四個環(huán)節(jié)： 第一個環(huán)節(jié)重點(diǎn)在于提供學(xué)生拿到題目后的分析視角;中間兩個環(huán)節(jié)讓學(xué)生體會綜合實(shí)驗探究中分析問題的邏輯方法;最后一個環(huán)節(jié)則讓學(xué)生跳出解題者身份，結(jié)合習(xí)得的視角與邏輯，綜合歸納出此類題目的解題策略。教學(xué)過程示意圖如圖1所示。

3.1 初步實(shí)驗，明確分析視角

教師提出探究目的： 探究Ag+和過量Fe粉反應(yīng)中產(chǎn)生的異?，F(xiàn)象。提供實(shí)驗用品： 鐵粉、硝酸酸化的0.05mol·L-1AgNO3溶液（pH=2）、稀硝酸、NaCl溶液等。學(xué)生依據(jù)學(xué)過的知識較容易預(yù)測發(fā)生的主要反應(yīng)為2Ag++FeFe2++2Ag，并預(yù)測主要現(xiàn)象為黑色固體生成，溶液變?yōu)闇\綠色。

學(xué)生實(shí)驗1： Ag+與Fe反應(yīng)的實(shí)驗。向硝酸酸化的硝酸銀溶液中加入過量鐵粉?，F(xiàn)象為試管底部有黑色固體，溶液無明顯顏色。學(xué)生分析： 由于鐵粉過量，所以不能通過試管底部的黑色固體即判斷有Ag生成;又由于反應(yīng)后溶液無明顯顏色的異?，F(xiàn)象，不能說明有Fe2+生成。教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生先驗證： 預(yù)測的反應(yīng)確實(shí)發(fā)生了。師生討論，進(jìn)行教師實(shí)驗1： 取出反應(yīng)后的一部分溶液，利用鐵氰化鉀產(chǎn)生藍(lán)色沉淀檢驗Fe2+的存在。經(jīng)過分析討論，F(xiàn)e2+的產(chǎn)生可能是Ag+氧化Fe的結(jié)果，也可能是NO-3在酸性環(huán)境下氧化Fe的結(jié)果。繼續(xù)討論，確定檢驗產(chǎn)物Ag存在的實(shí)驗方案（學(xué)生實(shí)驗2），如圖2所示。⑤中有白色沉淀，確認(rèn)生成物存在Ag，Ag+與Fe的確發(fā)生了預(yù)測的反應(yīng)。

教師實(shí)驗2： 從學(xué)生實(shí)驗1中再取出部分溶液，滴加KSCN，溶液變紅，還有白色沉淀產(chǎn)生。教師引導(dǎo)學(xué)生思考為什么體系中會有Fe3+存在？同時補(bǔ)充信息： Ag+與SCN-發(fā)生反應(yīng)生成白色沉淀AgSCN。

師生歸納，明確異?，F(xiàn)象的“異?！彼冢?在鐵粉過量的情況下本不會生成Fe3+，但溶液確實(shí)有Fe3+存在;反應(yīng)發(fā)生后Ag+并不是馬上全部轉(zhuǎn)化為Ag單質(zhì)，幾分鐘內(nèi)溶液中仍有Ag+存在。同時確立分析視角： 以溶液中所有存在離子為分析對象的物質(zhì)視角;以鐵離子為中心的氧化還原反應(yīng)的原理視角;以“猜想設(shè)計驗證”等探究要素的方法視角。

3.2 深入探究，突破實(shí)驗邏輯困難

首先，針對問題“Fe3+從何而來”，開展推理探究。師生根據(jù)體系內(nèi)具有氧化性的物質(zhì)，討論列出Fe3+產(chǎn)生的所有可能的原因：

（1） 鐵粉表面有氧化層能產(chǎn)生Fe3+;

（2） Fe2+被NO-3（H+）氧化為Fe3+;

（3） Fe2+被O2氧化為Fe3+;

（4） Fe2+被Ag+氧化為Fe3+。

小組及組間討論交流驗證方案，以正向思維（證實(shí)法）進(jìn)行一般的逐一排查： 原因（1）不易找未被氧化的鐵粉做對比實(shí)驗;原因（2）需要驗證酸化的硝酸根（非硝酸銀溶液）能否將Fe2+氧化成Fe3+;原因（3）需要驗證Fe2+放置與學(xué)生實(shí)驗1相同的時間，驗證Fe3+的產(chǎn)生;原因（4）需要驗證體系中的銀離子（非硝酸銀溶液）能否將Fe2+氧化成Fe3+。

繼續(xù)分析，（1）、 （3）用空白實(shí)驗即可驗證;（2）、 （4）選一種進(jìn)行驗證的同時（1）、 （3）可被驗證。學(xué)生選擇原因（2）設(shè)計實(shí)驗進(jìn)行驗證，實(shí)驗方案如圖3所示。

學(xué)生實(shí)驗3： 驗證Fe3+的產(chǎn)生原因。加入KSCN后，溶液無明顯現(xiàn)象。所以（1）～（3）不是產(chǎn)生Fe3+的原因。用逆向思維（證偽法），已經(jīng)排除了前三個原因，可以得出實(shí)驗結(jié)論。

教師參考文獻(xiàn)方法[3]，通過原電池裝置（教師實(shí)驗3）證實(shí)Fe2+確實(shí)可以和Ag+反應(yīng)生成Fe3+;同時利用增加Fe3+濃度，發(fā)現(xiàn)該反應(yīng)為可逆反應(yīng)，如圖4所示。

3.3 拓展解釋，深化復(fù)雜體系的分析邏輯

教師引導(dǎo)學(xué)生回憶初步實(shí)驗（教師實(shí)驗2）中滴加KSCN驗證Fe3+時出現(xiàn)的白色沉淀。給出新情景信息： 不同時間取硝酸銀與鐵粉反應(yīng)后的上層清液，滴加KSCN溶液，溶液產(chǎn)生白色沉淀的多少和溶液紅色的深淺等現(xiàn)象均不相同（如表1所示）。要求學(xué)生分析原因。

指導(dǎo)學(xué)生結(jié)合學(xué)生實(shí)驗3及教師實(shí)驗3，分析AgNO3和Fe粉混合后體系中的反應(yīng)，從速率、平衡的角度分析解釋上述現(xiàn)象。給出信息： 氧化還原反應(yīng)具有一定的活化能，反應(yīng)速率較慢;Ag+和Fe2+反應(yīng)的平衡常數(shù)為3.21[4]，反應(yīng)既可正向進(jìn)行，又可逆向進(jìn)行，存在化學(xué)平衡;鐵還原Fe3+標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)平衡常數(shù)很大。經(jīng)過師生討論（如圖5所示），從原理角度對現(xiàn)象提出了一種合理分析，深化了對AgNO3和Fe反應(yīng)的認(rèn)識。

在分析和解釋環(huán)節(jié)，學(xué)生習(xí)得了此類反應(yīng)分析解釋的一般方法： 首先要將需解釋的宏觀現(xiàn)象轉(zhuǎn)化為明確的化學(xué)問題（即微觀粒子的變化）;接著找出整個體系中的粒子行為（即發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)）;最后從速率、平衡等原理角度對粒子行為進(jìn)行分析，使之與已有宏觀現(xiàn)象相符合。

3.4 命題活動，激發(fā)解題策略的反思意識

教師根據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)中學(xué)業(yè)水平的要求及高考題情況給學(xué)生提供高考的考察要點(diǎn)，并提出命題要求： （1）每一個設(shè)問都要對應(yīng)考察要點(diǎn)，盡可能地豐富設(shè)問角度;（2）一共6～8問;（3）命題的同時給出參考答案。學(xué)生回憶探究過程，經(jīng)小組討論，每組命制一道實(shí)驗探究題，示例如圖6所示。

學(xué)生之間互換做題、解題的思考方法。師生、生生交流，形成解題策略，整理如下：

（1） 模擬真實(shí)實(shí)驗。在做整個實(shí)驗題的過程中，想象自己真的在做實(shí)驗。

（2） 關(guān)注實(shí)驗?zāi)康?。目的是?shí)驗的核心。

（3） 全面的猜想。根據(jù)實(shí)驗體系的粒子、環(huán)境、條件，確定已知的化學(xué)反應(yīng)，預(yù)期實(shí)驗現(xiàn)象。

（4） 注意實(shí)驗方法。設(shè)計實(shí)驗要有運(yùn)用控制變量、對比法、找排干擾等實(shí)驗思想。

（5） 尋找現(xiàn)象證據(jù)?，F(xiàn)象證據(jù)可以是顏色、氣體、沉淀等的產(chǎn)生，也可以是時間、電壓、電流等的變化。

（6） 推理基于現(xiàn)象，分析基于原理。得到實(shí)驗結(jié)論要從目的出發(fā)，明確整個實(shí)驗中的反應(yīng)，注意反應(yīng)速率與化學(xué)平衡，再從原理角度分析，與現(xiàn)象相符合，得出結(jié)論。

4. 教學(xué)反思

將紙面探究轉(zhuǎn)化為真實(shí)探究，才有可能突破學(xué)生的解題困難。高三復(fù)習(xí)階段，教師容易忽略真實(shí)實(shí)驗探究的重要作用。本節(jié)課將高考真題的題目改編為實(shí)驗探究，對于學(xué)生而言，能更加直觀地觀察到實(shí)驗現(xiàn)象，降低紙面探究的理解困難，也可以在教師的引導(dǎo)下梳理探究的一般思路;對于教師而言，可以找到學(xué)生在解題過程中容易忽略的實(shí)驗環(huán)節(jié)，更有效地幫助學(xué)生建立解決復(fù)雜問題的視角（如明確題目考查的知識點(diǎn)）、梳理實(shí)驗邏輯與方法（如證實(shí)法或是證偽法）、建立解題策略（如全面的、整體的猜想），繼而突破學(xué)生的解題困難。

將實(shí)驗探究的要素充分付諸實(shí)踐，才有可能切實(shí)提高探究能力。在高三復(fù)習(xí)課中，應(yīng)該結(jié)合真題探究過程，讓學(xué)生綜合體驗探究的核心要素，如提出假設(shè)、設(shè)計方案、實(shí)施實(shí)驗、獲取證據(jù)、分析解釋等。本節(jié)課的設(shè)計中，有意識地讓學(xué)生對異?，F(xiàn)象進(jìn)行開拓思維的假設(shè)，設(shè)計、實(shí)施多個實(shí)驗，根據(jù)收集的證據(jù)或已有的信息進(jìn)行邏輯推理、分析和解釋等，有利于切實(shí)幫助學(xué)生提升科學(xué)探究的能力。

高考對科學(xué)探究的核心要素有不同程度的覆蓋[5]，將真實(shí)探究轉(zhuǎn)化成為一道試題，在提升能力的同時，幫助學(xué)生形成解題策略，才能提高復(fù)習(xí)效率。讓學(xué)生轉(zhuǎn)換角色，回憶真實(shí)探究遇到的問題，沿著探究的一般思路編制題目，可以激發(fā)學(xué)生的反思意識，體會不同的設(shè)問所承載的知識和思想方法。

在本節(jié)課之后，我們讓學(xué)生用總結(jié)出的解題策略，解決另外一些綜合實(shí)驗探究題。一方面鞏固運(yùn)用本節(jié)課歸納的解題策略，另一方面檢測這樣做的教學(xué)效果。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，學(xué)生在后續(xù)實(shí)驗探究題的鞏固練習(xí)中的表現(xiàn)較之前有所提升，得分率有所提高。通過回訪學(xué)生，發(fā)現(xiàn)學(xué)生閱讀探究題目時，關(guān)注點(diǎn)更加明確，思路更加清晰，對探究要素的把控也更為熟練。這樣的提升效果對于原本成績中上的學(xué)生尤為明顯。

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