近年廣東高考實驗探究題方案設(shè)計的命題和策略淺析

近年廣東高考實驗探究題方案設(shè)計的命題和策略淺析夏時君周小凡深圳市新安中學(xué)廣東518101實驗探究題是近年廣東高考的熱點題型，其情境新穎、取材廣泛、考查靈活，具有探究性、開放性及靈活性等特點。實驗探究題以化學(xué)實驗為基礎(chǔ)，考查實驗方案設(shè)計是其重點，同時它對探究性教學(xué)也具有導(dǎo)向功能、激勵功能和評價功能。1．實驗探究題方案設(shè)計的命題分析實驗探究題的命制包括試題立意、試題情境、試題設(shè)問和評分標(biāo)準(zhǔn)四個方面，如圖-1所示。該題型在物質(zhì)的成分分析、性質(zhì)探究、物質(zhì)分離、離子檢驗等探究活動中，滲透化學(xué)主干知識、實驗技能、科學(xué)方法與化學(xué)素養(yǎng)的考查。知識涉及元素及其化合物、化學(xué)理論、化工及化學(xué)實驗等方面；科學(xué)方法涉及物質(zhì)分離提純、物質(zhì)檢驗、條件控制、實驗操作等方法。下面是近年高考實驗探究題方案設(shè)計的命題取向：1.1根據(jù)物質(zhì)成分的多樣性，探究物質(zhì)分離提純的方案設(shè)計首先，以氧化還原理論、復(fù)分解反應(yīng)規(guī)律、化學(xué)平衡移動原理、質(zhì)量守恒定律等為手段對試題信息進(jìn)行分析綜合，初步判斷出物質(zhì)的可能組成；其次，運用元素觀、分類觀、價態(tài)觀及變化觀，設(shè)計實驗探究方案。[案例1]銅銹主要成分是Cu2(OH)2CO3，但隨著近年空氣中二氧化硫含量增加，銅銹主要成分被認(rèn)為是CuSO4·3Cu(OH)2。銅銹的成分到底是什么？通過銅腐蝕反應(yīng)限度的分析，銅銹可能完全轉(zhuǎn)為為另一種成分嗎？對銅銹成分猜想：假設(shè)1，只是Cu2(OH)2CO3；假設(shè)2，只有CuSO4·3Cu(OH)2；假設(shè)3，同時存有Cu2(OH)2CO3和CuSO4·3Cu(OH)2。然后利用檢驗CO32-和SO42-試劑，確定試劑為：鹽酸、澄清石灰水、BaCl2溶液，最后設(shè)計方案。1.2根據(jù)物質(zhì)性質(zhì)的多重性，探究物質(zhì)檢驗鑒別的方案設(shè)計 首先，利用分類原理遷移：成分假設(shè)→從分類角度預(yù)測性質(zhì)→對假定成分進(jìn)行實驗論證（控制變量）→得出最終結(jié)論。[案例2]從分類角度分析，Na2S2O3屬于鹽，可看成是Na2SO4中的一個O被一個S取代而成。Na2S2O3與Na2SO4的化學(xué)性質(zhì)有一定相似。Na2S2O3有哪些化學(xué)性質(zhì)？假設(shè)1，溶液呈中性，且不與酸反應(yīng)；假設(shè)2，無還原性，不能被氧化劑氧化。假設(shè)1可通過依次測定Na2S2O3溶液的pH和向Na2S2O3溶液滴加稀硫酸進(jìn)行探究；假設(shè)2可通過向Na2S2O3溶液滴加新制氯水進(jìn)行探究。其次，利用價態(tài)規(guī)律分析：化合價判斷→性質(zhì)猜想→選擇試劑→設(shè)計方案→實驗現(xiàn)象及結(jié)論的預(yù)測。如檢驗Fe2+的還原性，選擇的試劑有：酸性KMnO4溶液、H2O2+KSCN溶液或HNO3+KSCN溶液。而檢驗Fe3+的存在時，試劑可用KSCN溶液，也可用如淀粉-KI溶液等還原劑。1.3根據(jù)反應(yīng)機(jī)理的多向性，探究反應(yīng)方向主次的方案設(shè)計[案例3]SO2與Na2O2反應(yīng)的固體產(chǎn)物是什么？SO2與Na2O2反應(yīng)可能發(fā)生類似CO2與Na2O2的歷程，也可能兩者直接發(fā)生氧化還原反應(yīng)。提出猜想：假設(shè)1，只有Na2SO3；假設(shè)2，只有Na2SO4；假設(shè)3，同時存在Na2SO3和Na2SO4。限選試劑和儀器：酸性KMnO4溶液、Ba(NO3)2溶液、BaCl2溶液、1mol·L-1HNO3溶液、4mol·L-1鹽酸、試管、膠頭滴管?？稍O(shè)計方案如下：步驟實驗操作預(yù)期現(xiàn)象及結(jié)論①取少量固體產(chǎn)物于試管中，加入適量的蒸餾水溶解，分別取少量于A、B試管中。固體完全溶解，得到無色透明溶液。②取試管A，向溶液中加入幾滴(少量)酸性KMnO4溶液，振蕩，觀察現(xiàn)象。若紫紅色KMnO4溶液振蕩后顏色褪去，則假設(shè)1或假設(shè)3成立；若沒有該現(xiàn)象，則假設(shè)2成立。③取試管B，向其中先加入過量的4mol·L-1鹽酸，再加入BaCl2溶液，振蕩，觀察現(xiàn)象。結(jié)合步驟②的現(xiàn)象若產(chǎn)生無色刺激性氣味氣體，再加入BaCl2產(chǎn)生白色沉淀，則假設(shè)3成立。若無白色沉淀產(chǎn)生則假設(shè)1成立。2．實驗探究題方案設(shè)計的結(jié)構(gòu)分析探究過程包括8個要素：“提出問題、猜想與假設(shè)、制定計劃、進(jìn)行實驗、收集證據(jù)、解釋與結(jié)論、反思與評價、表達(dá)與交流”。由于考試時間的限制，試題不可能考查探究的所有環(huán)節(jié)，方案設(shè)計也主要針對局部探究，主要設(shè)計方案的核心步驟。這種支架式的試題設(shè)計有利于學(xué)生考試發(fā)揮和能力區(qū)分。高考中實驗探究題整體結(jié)構(gòu)一般為：“情境信息→提出假設(shè)→提出方案→預(yù)期現(xiàn)象與結(jié)論”幾個環(huán)節(jié)，而方案設(shè)計的核心內(nèi)容主要有：取樣→樣品預(yù)處理→配成溶液→加入試劑進(jìn)行探究→現(xiàn)象記錄和數(shù)據(jù)處理，其中預(yù)處理常見方法有：酸化、堿化、灼燒、除氧、粉碎、溶解、濃縮等。3．實驗探究題方案設(shè)計的策略分析實驗方案設(shè)計首先需要從物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)方面對猜想的物質(zhì)進(jìn)行系統(tǒng)分析：選擇試劑、控制用量、加入順序、反應(yīng)變量的檢測與結(jié)論。其次，可畫出流程圖，設(shè)計實驗方案。3.1注意兩種設(shè)計方法——個別分析與系統(tǒng)分析個別分析是在原樣品溶液中分別取樣進(jìn)行物質(zhì)成分及性質(zhì)進(jìn)行的逐一平行探究的分析方法。該方法簡捷，步驟少，試劑用量較多，主要適用于物質(zhì)成分較少，物質(zhì)檢驗時相互干擾較少或沒有干擾的情況，所以檢驗所用的試劑要有較強(qiáng)的選擇性與專一性。[案例4]某白色粉末可能是碳酸鈉和亞硫酸鈉的一種或兩種組成。請完成對該白色粉末成分的探究。限選實驗試劑：1mol·L-1H2SO4、3％H2O2、澄清石灰水、品紅試液。提出合理假設(shè)：假設(shè)1，該白色粉末成分為亞硫酸鈉；假設(shè)2，該白色粉末成分為碳酸鈉；假設(shè)3，該白色粉末成分為碳酸鈉和亞硫酸鈉的混合物。實驗操作步驟、預(yù)期現(xiàn)象與結(jié)論設(shè)計如下：步驟實驗操作預(yù)期現(xiàn)象與結(jié)論①取適量白色粉末于試管中，加入適量1mol·L-1H2SO4，將產(chǎn)生的氣體通入盛有品紅試液的試管中。若品紅試液不褪色，則假設(shè)2成立。若品紅試液褪色，則假設(shè)1或假設(shè)3成立。②另取適量白色粉末于試管中，加入過量3％H2O2，充分振蕩，再加入適量1mol·L-1H2SO4，將產(chǎn)生的氣體通入盛有澄清石灰水的試管中。結(jié)合步驟①的現(xiàn)象若澄清石灰水不渾濁假設(shè)1成立。若澄清石灰水變渾濁，則假設(shè)3成立。系統(tǒng)分析是在一次取樣中連續(xù)進(jìn)行物質(zhì)檢驗的整體分析方法。其流程較為復(fù)雜、物質(zhì)檢驗順序性強(qiáng)、試劑用量少、經(jīng)濟(jì)環(huán)保，特別適用于物質(zhì)檢驗中成分存在干擾的情況，是一種重要的科學(xué)方法。由于檢驗中物質(zhì)間存在相互影響，除了要選擇好試劑外，還要注意控制條件，如pH值的控制及試劑用量的控制及題目信息的靈活運用。如Fe3+和Al3+的檢驗就需要控制pH，將它們逐步分離；如檢驗鎂粉中是否還含有鋁粉與鋅粉，就要提供相關(guān)信息：①鋅(Zn)與Al相似，能溶于過量的NaOH溶液生成Na2ZnO2，②Zn(OH)2（白色難溶固體）能溶于過量NH3·H2O及過量NaOH溶液，③Zn2+易形成絡(luò)合物如［Zn(NH3)4］2+，該絡(luò)合物遇強(qiáng)酸分解生成Zn2+、NH4+。設(shè)計的方案步驟如下：“取樣→加入過量NaOH溶液并過濾（除去鎂粉）→加入適量稀H2SO4溶液（將AlZn轉(zhuǎn)變?yōu)锳l3+Zn2+）→加入過量氨水并過濾（生成沉淀，檢驗Al3+）→依次加入適量稀H2SO4溶液和NaOH溶液（先有沉淀后溶解，證明Zn2+存在）”。3.2注意兩種假設(shè)模式——“甲乙均有”和“甲乙均無”第一種類模式為：“非甲即乙、甲乙均有”。即：假設(shè)1，只存在甲；假設(shè)2，只存在乙；假設(shè)3，既存在甲，又存在乙。這種假設(shè)運用于化學(xué)反應(yīng)物質(zhì)過量或物質(zhì)部分變質(zhì)的情況，研究的物質(zhì)間是能共存的。如：現(xiàn)有一瓶放置已久的Na2SO3固體，研究它的組成時，就可假設(shè)：假設(shè)1，固體全部是Na2SO3；假設(shè)2，固體全部是Na2SO4；假設(shè)3，固體是Na2SO3和Na2SO4的混合物。第二種模式為：“非甲即乙、甲乙均無”。即：假設(shè)1，只存在甲；假設(shè)2，只存在乙；假設(shè)3，既不存在甲，也不存在乙。這種假設(shè)適用于物質(zhì)間不共存的情況，在不可逆化學(xué)反應(yīng)中產(chǎn)物成分的討論較為常見。如：一定量NaClO溶液與FeSO4溶液相混合，可得到含有大量懸浮物的混合液?；旌弦撼鼵l-和Fe3+外的成分，還有什么物質(zhì)呢？由于ClO-和Fe2+的不共存，剩余成分可假設(shè)為：假設(shè)1，F(xiàn)eSO4有剩余；假設(shè)2，NaClO有剩余；假設(shè)3，F(xiàn)eSO4與NaClO均無剩余。3.3.注意兩種探究類型---局部探究與完整探究高考實驗探究題中方案設(shè)計通過限定問題、限定儀器、限定試劑、限定成分、限定范圍、限定步驟達(dá)到探究問題的深廣度的把握。實驗方案設(shè)計從研究范圍的大小可分為：基于整體假設(shè)的方案設(shè)計和基于某個假設(shè)的方案設(shè)計；從方案設(shè)計的完整性程度可分為：無支架的方案設(shè)計和有支架方案設(shè)計。[案例5]某混合金屬粉末，除鋁外，還含有鐵、銅中的一種或兩種。假設(shè)1，該混合金屬粉末中除鋁外還含有Fe元素；假設(shè)2，該混合金屬粉末中除鋁外還含有Cu元素；假設(shè)3，該混合金屬粉末中除鋁外還含有Fe、Cu元素?；诩僭O(shè)3，實驗設(shè)計方案如下：步驟實驗操作預(yù)期現(xiàn)象和結(jié)論①用藥匙取少許樣品，加入試管A中，再用滴管取過量NaOH溶液并滴加到試管A中，充分反應(yīng)后，靜置，棄去上層清液，剩余固體備用。樣品部分溶解，并有氣體放出。②往試管A的剩余固體中加過量稀硫酸，充分反應(yīng)后，靜置。取上層清液于試管B中，剩余固體備用。固體部分溶解，并有氣體放出，溶液呈淺綠色，可能含鐵。③往試管B中加入少許稀硝酸，再滴加KSCN溶液。溶液先變黃色，加KSCN后顯血紅色，結(jié)合②可知，一定含鐵。④往②剩余固體中加入稀硝酸，再滴加NaOH溶液。固體溶解，有無色刺激性氣體產(chǎn)生并很快變成紅棕色，溶液顯藍(lán)色，加NaOH溶液后有藍(lán)色沉淀產(chǎn)生，一定含銅。[案例6]化學(xué)興趣小組在實驗室對該催化劑中鐵元素的價態(tài)進(jìn)行探究。假設(shè)1，催化劑中鐵元素的價態(tài)為+3；假設(shè)2，催化劑中鐵元素的價態(tài)為+2；假設(shè)3，催化劑中鐵元素的價態(tài)既有+3也有+2。設(shè)計方案如下：步驟實驗操作預(yù)期現(xiàn)象和結(jié)論①用滴管取一定量3mol·L-1H2SO4于試管中，加熱煮沸數(shù)分種以除去溶于其中的氧。②用藥匙取少量樣品于試管中，用滴管滴入適量除氧3mol·L-1的H2SO4，并加熱充分反應(yīng)后得A溶液；固體溶解，溶液顏色有變化。③取少量A溶液于試管中，滴加1-2滴加20%KSCN溶液。（1）若溶液呈血紅色，則假設(shè)1或假設(shè)3成立；（2）若溶液不呈血紅色，則假設(shè)2成立。④另取少量A溶液于試管中，滴加1-2滴0.01mol·L-1酸性KMnO4溶液，振蕩。結(jié)合步驟3中的（2）。（1）若溶液呈紫紅色，則假設(shè)1成立；（2）若KMnO4溶液的紫紅色褪去為無色溶液，則假設(shè)3成立?；谡w假設(shè)的方案設(shè)計或基于某個假設(shè)的方案設(shè)計都要針對所有成分進(jìn)行考慮，需要從系統(tǒng)思考。⑴基于某個假設(shè)的方案設(shè)計是證明所假設(shè)物質(zhì)的存在或性質(zhì)的正確，預(yù)測現(xiàn)象以正面、直觀方式表述，不必表達(dá)不能證明該假設(shè)的無關(guān)現(xiàn)象，結(jié)論基于出現(xiàn)對應(yīng)現(xiàn)象的假設(shè)結(jié)論，不考慮另外兩個假設(shè)成立情況，即它是一種基于某個假設(shè)的實證研究，如案例6。⑵基于整體假設(shè)的方案設(shè)計，除了要考慮所有可能物質(zhì)，同時也要考慮各種可能的實驗現(xiàn)象，再根據(jù)實驗現(xiàn)象最后確定假設(shè)1或假設(shè)2或假設(shè)3的成立情況?，F(xiàn)象和結(jié)論描述注意從正反兩方面入手，通常表述為：若出現(xiàn)某種現(xiàn)象，即證明假設(shè)×成立；若不出現(xiàn)某種現(xiàn)象，即證明假設(shè)×或假設(shè)×成立。每種假設(shè)都必須有對應(yīng)的現(xiàn)象，某些假設(shè)還需從多個角度，多個現(xiàn)象進(jìn)行驗證，如案例7。3.4注意兩種表達(dá)盲點---用量控制和過程控制[案例7]某科研小組用MnO2和濃鹽酸制備Cl2時，利用剛吸收過少量SO2的NaOH溶液進(jìn)行尾氣吸收處理。吸收尾氣一段時間后，吸收液（強(qiáng)堿性）中肯定存在Cl-、OH-和SO42-。請設(shè)計實驗，探究該吸收液中可能存在的其他陰離子（不考慮空氣的CO2的影響）。①提出合理假設(shè)假設(shè)1：只存在SO32-；假設(shè)2：既不存在SO32-也不存在ClO-；假設(shè)3：只存在ClO-。②設(shè)計實驗方案，進(jìn)行實驗。限選實驗試劑：3moLL-1H2SO4、1moLL-1NaOH、0.01molL-1KMnO4、淀粉-KI溶液、紫色石蕊試液。請在下表中寫出實驗步驟以及預(yù)期現(xiàn)象和結(jié)論。步驟實驗步驟預(yù)期現(xiàn)象和結(jié)論①取少量吸收液于試管中，滴加3molL-1H2SO4至溶液呈酸性，然后將所得溶液分置于A、B試管中。②向A試管中滴加1～2滴（1分）0.01molL-1KMnO4溶液（1分）。（1）若溶液褪色，則假設(shè)1成立（1分）；（2）若溶液不褪色，則假設(shè)2或3成立（1分）。③向B試管中滴加1～2滴（1分）淀粉-KI溶液（1分）。（1）若溶液變藍(lán)色，則假設(shè)3成立（1分）；（2）若溶液不變藍(lán)色，結(jié)合步驟中的（2），則假設(shè)2成立（1分）。從2010年評分的落腳點和分值權(quán)重來看：試劑選擇（1分）、用量控制（1分）及預(yù)期現(xiàn)象和結(jié)論（2分），現(xiàn)象表達(dá)要求準(zhǔn)確，符合事實。如步驟②中溶液褪色還可表達(dá)為顏色變淺、變淡、變無或KMnO4溶液褪色等。對于有歧義、模糊、不準(zhǔn)確的表達(dá)并未評分，如步驟②中（2）表述為“反之則無或否則則無”。3.4.1注意用量的種類及范圍控制試劑用量有何意義？它是學(xué)生化學(xué)素質(zhì)培養(yǎng)的重要內(nèi)容，控制試劑用量滲透綠色化的生態(tài)思想，體現(xiàn)了節(jié)能減排增效的持續(xù)發(fā)展追求。常見的控制用量有：少量、適量、過量、逐滴滴入等。一般來說，少量常用于樣品的取用，主要從實驗要求、樣品節(jié)約和環(huán)境保護(hù)等方面來考慮；適量常用于加入試劑量的控制，一般實驗都有較嚴(yán)格的要求，如“加入試劑到出現(xiàn)什么現(xiàn)象為止”，主要從反應(yīng)的復(fù)雜性、實驗現(xiàn)象的可測性、產(chǎn)物產(chǎn)率及純度等角度來考慮，如金屬離子的除雜與分離就需要控制溶液的PH；過量主要從化學(xué)反應(yīng)限度、反應(yīng)環(huán)境要求等方面來考慮。一些反應(yīng)需在酸性或堿性環(huán)境發(fā)生，否則副反應(yīng)會干擾。如：工業(yè)上要達(dá)到離子沉淀完全，沉淀劑通過需要過量；在檢驗Fe2+時，加入的氧化劑（如HNO3、H2O2等）就不能過量，其主要原因是過量的氧化劑可能將少量KSCN同時也氧化，從而導(dǎo)致Fe2+檢測失效。若通過顏色變淺或褪色來判斷反應(yīng)發(fā)生或證明物質(zhì)存在時，加入試劑一般為少量或逐滴滴入，如酸性KMnO4溶液檢驗還原性物質(zhì)時，用量一般為1～2滴或少量，主要原因是便于現(xiàn)象觀察，同時也可排除因稀釋導(dǎo)致顏色變淺的干擾；若通過顏色加深或顏色改變來判斷反應(yīng)發(fā)生或證明物質(zhì)存在時，加入試劑一般為過量，如用淀粉-KI試紙檢