韓江濤 楊云

摘要：從文獻研究入手，基于有關中學化學熱重曲線試題及研究的28篇文獻，從試題考查思維方法、反應類型、實驗氣氛、解題思路等4 個方面研究了熱重曲線試題的現(xiàn)狀和特征，指出失重方式不同是解答該類試題的關鍵所在，并從解讀教材實驗、重視識圖作圖、建立解題模式等方面給出適當?shù)闹笇Σ吆徒ㄗh。

關鍵詞：熱重曲線；試題研究；文獻分析；失重方式

文章編號：1005–6629（2016）7–0082–05 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

1 問題提出

熱重曲線分析是近年來高考化學試題的常見題型，通過熱重法實驗獲得圖像數(shù)據(jù)。熱重法實驗是在一定條件下測量物質的質量隨溫度（時間）變化的規(guī)律，從而得出質量隨溫度（時間）變化的曲線數(shù)據(jù)──熱重曲線。熱重曲線試題基于圖像數(shù)據(jù)考查學生的識圖、分析、推理、計算等能力和質量守恒等重要的化學學科觀念，由于圖像往往擁有較大的信息量，能夠較全面地考查學生分析、比較、概括、歸納問題的能力，因此該類試題一直備受命題者青睞。為了解中學化學熱重曲線試題的特征，揭示其演變過程及本質規(guī)律，更好地幫助學生領悟解題思路，提升中學生化學學科素養(yǎng)，本文對近年來有關的熱重曲線類試題和研究等文獻進行了統(tǒng)計、分析和建議，以期為化學教學提供有益的參考。

為了對熱重曲線類試題的研究現(xiàn)狀和趨勢做詳盡分析，從文獻研究入手，以中國知網(wǎng)學術期刊全文數(shù)據(jù)庫為檢索源，重點關注中學化學熱重曲線試題的解題思路，以“熱重曲線（分析）”和“解題方法”為關鍵詞組合進行檢索，時間跨度從2000至2015年，對所得28篇文獻共計42道熱重曲線類試題進行分析研究。其中專論熱重曲線及其解題方法的文章7篇，以個例闡述的文章21篇。鑒于現(xiàn)有文獻重于個例解題方法分析，缺乏概括性的解題方法指導，對試題所蘊涵的熱重法實驗更是視而不見，致使解題的思維僅停留在就事論事層面，所以本研究基于熱重法實驗原理，以考題思維方法、反應類型、實驗氣氛、解題思路等方面作為研究維度，試圖分析熱重曲線試題現(xiàn)狀、特征及考查方向，為引導學生正確解題及提升思維品質提供幫助。

2 研究結果與分析

2.1 試題考查思維方法

文獻所涉及熱重曲線類試題均以試樣熱重實驗曲線為依據(jù)編制。試題以試樣質量（剩余固體質量占原試樣質量的百分比）隨溫度變化的曲線為載體，以圖像和文字組合的形式呈現(xiàn)，考查內(nèi)容以書寫方程式、判斷某溫度時物質組成為重點，考查方式以填空、計算等形式較為常見。試題的考查方式往往影響學生的答題思維習慣，因此研究試題考查的思維方法，有助于培養(yǎng)思維品質，完善思維結構。根據(jù)熱重實驗所選試樣是否已知可分為兩類：第一類以已知試樣確定產(chǎn)物組成的目標思維法考題；第二類以未知試樣需要確定組成的逆向思維法考題。統(tǒng)計文獻中18道試題（剔除重復試題）考查的思維方法數(shù)量如表1所示。

從表中可以看出，目標思維法較多（14次，77.7%），逆向思維法較少（4次，22.3%）。這符合熱重分析法研究物質的熱穩(wěn)定性、分解、脫水、解離、氧化、還原、成分等的實驗過程，也是目前工業(yè)、科研等機構利用熱重分析開展科學研究的最常見思路，更主要的是該研究思路符合中學生的認知脈絡和邏輯順序，能最大限度地發(fā)揮試題立意、載體、設問等方式對學生思維發(fā)展水平的甄別、激勵和改進等多種功能[1]。

2.2 反應類型

熱重曲線試題的類型與熱重法實驗中的試樣反應類型有關，試樣反應類型不同，試樣失重方式也不同，熱重法實驗測得的熱重曲線含義可能也不同，所以研究熱重實驗試樣失重反應類型顯得非常重要。試樣失重方式基本集中在脫水、分解、氧化、還原等方式，不同的試樣失重方式可能是一種或多種組合，有的熱重實驗僅以一種反應類型存在，相對簡單，較多的實驗試樣以兩種或兩種以上的反應類型存在，導致熱重曲線試題難度增加，需要分步解答。文獻中18道試題根據(jù)失重方式不同分屬六大類型，具體不同試樣的失重方式統(tǒng)計如表2所示。

如以CuSO4·5H2O為試樣的熱重曲線試題在文獻中出現(xiàn)次數(shù)最多（20次），占全部試題總數(shù)近半（47.6%），其中19次均是以單一脫水反應類型出現(xiàn)，只有1次是以多種組合的反應類型出現(xiàn)的。房壽高在“熱重分析類化學計算題的解題方法”[2]中詳述了CuSO4·5H2O試樣在不同條件下以脫水、分解、氧化、還原反應類型逐步失重過程，該熱重曲線試題較其他試題明顯不同。對比中凸顯出試樣失重方式與試題難易程度的相關性，而現(xiàn)有文獻中尚無此方面的論述，有關內(nèi)容需進一步研究。

2.3 實驗氣氛

熱重法實驗在不同的溫度條件下進行，試樣可能會和氣氛中的物質反應，所以實驗氣氛是影響熱重曲線的重要因素之一[3]。文獻中18道試題涉及試樣實驗氣氛統(tǒng)計如表3所示。

可以看出，未指明實驗氣氛情況的較多（14次，77.7%）；明確指出實驗氣氛情況較少，分別是空氣氣氛（2次，11.1%）、先氬氣后空氣氣氛（1次，5.5%）、隔絕空氣氣氛（1次，5.5%）。說明現(xiàn)有文獻中關于實驗氣氛條件敘述不夠明確，默認情況較多，忽視實驗氣氛對熱重曲線的影響?；蛟S是考慮到該因素較復雜，超出學生認知水平不屬于中學化學考查范圍而特意模糊處理。這與熱重實驗精密嚴謹相悖。在查閱資料中我們發(fā)現(xiàn)同樣的試樣實驗氣氛不同，失重反應的類型也不同，熱重曲線也不盡相同。如胡金華在“看特點識圖表想原理巧整合”[4]中提到FeC2O4·2H2O先在氬氣氣氛中失重后在空氣氣氛中加熱的熱重曲線和李萬春在“明確圖像類型探究解題方法”[5]中提到FeC2O4·2H2O在隔絕空氣實驗氣氛的熱重曲線明顯不同。所以建議命題者結合具體情況謹慎確定實驗氣氛，盡可能減少不必要的歧義。

2.4 解題思路

不同試題有不同的解題方法，同樣的試題也有不同的解題方法。文獻中試題的解題方法統(tǒng)計如表4所示。

從表中可見，差量法（5次）出現(xiàn)次數(shù)最多，相對分子質量法（摩爾質量法）（4次）、設化學式再驗證的假設法（4次）次之，公式法[6]（1次，同一篇文獻出現(xiàn)4次，所以仍算1次）是最新解研究成果，次數(shù)最少，另外個別題目無解析過程不做分析?？梢钥闯鰺嶂厍€試題解題方法較多，說明試題蘊涵的信息較多，思維發(fā)散較好。同時我們發(fā)現(xiàn)各種方法亦各有優(yōu)劣，如差量法要求學生對失重物質較為熟悉，且無法解決同時失重兩種物質的情況；相對分子質量法要求學生對物質的化學式較熟悉，而大多數(shù)中學生對陌生的中間產(chǎn)物往往很難快速作出判斷，需要多次驗證；假設法要求學生有較充實的知識儲備，否則茫無目標缺乏針對性；公式法基于金屬元素守恒結合相對分子質量法，不考慮反應過程，計算簡潔明了，但是要求學生強化記憶公式，很難培養(yǎng)學生的思維能力。所以各種方法混雜不利于學生構建清晰的思維結構，也不便于教師系統(tǒng)性講授和推廣，無疑增加了試題的難度。因此有必要深入研究熱重曲線試題的一般解題思路和模式，便于教師講授和學生接受。

3 總結和建議

針對熱重曲線試題的現(xiàn)狀、特征和考查內(nèi)容，筆者認為解答問題的關鍵是在正確識圖基礎上根據(jù)試樣失重的反應類型，抽象概括出一般解題模式。在日常的教學活動中，可以通過深入探討教材中典型實驗，引領學生從識圖作圖訓練中提高采集轉換圖像信息的能力，然后基于熱重試樣的失重方式探尋建立熱重曲線的一般解題模式。

3.1 探討教材實驗，多方式多角度解讀典型實驗

熱重分析法是大學知識，中學化學課本上沒有熱重法實驗及分析儀的介紹，而中、高考試題上卻有此類題目出現(xiàn)，說明熱重分析的原理并不難，且試題材料中均已給出。解決此類問題的知識技能符合課程標準要求，即教材中一定有此類知識的本源。教育解釋學認為，教材作為學生學習的資源和工具不是一個封閉體，教材的“空白”讓師生提供聯(lián)系和想象的源泉[7]?；诖耍欢苷业酱祟悊栴}的本源知識點。分析熱重曲線試題發(fā)現(xiàn)其與質量守恒定律及化學方程式計算有密切聯(lián)系，所以在教學過程中特別是實驗教學時，教師應立足學生認知水平，圍繞知識技能目標，重視呈現(xiàn)實驗數(shù)據(jù)產(chǎn)生的過程，幫助學生形成嚴密的正向思維結構，而不僅僅是要求學生牢記實驗現(xiàn)象和結論。如初、高中化學教材中有溶解度曲線、酸堿中和滴定的pH變化曲線、溶液導電率測定曲線等等，教師在教學過程中，應注重引領學生理解數(shù)據(jù)采集、繪制及變化趨勢的原因，嘗試從文字數(shù)據(jù)到圖像數(shù)據(jù)等多方位描述實驗本質，不斷引導學生從文字知識向圖像知識遷移和能力提升，進而提高解答熱重曲線類問題的思維品質。所以深入探討教材中的典型實驗，通過對實驗數(shù)據(jù)的采集、歸納、反思、積累，有利于提高學生理解、分析、綜合應用圖像信息的能力，也有利于學生從被動接受學習方式向主動建構學習方式的轉變。

3.2 重視識圖作圖，提高學生采集轉換信息能力

研究近幾年來的中、高考試題，發(fā)現(xiàn)圖像類試題的比重越來越大（譬如熱重曲線試題的風靡），學生解答此類問題時遇到的障礙主要有：對圖形含義理解不清，沒有從作圖的角度去識圖；對失重過程中導致質量差的緣由理解不清。有資料表明[8]，圖像數(shù)據(jù)的隱蔽性較表格數(shù)據(jù)、文字數(shù)據(jù)的隱蔽性強，學生對文字、表格、圖像數(shù)據(jù)吸收的有效信息依次減少，所以試題信息的呈現(xiàn)方式無疑會增加試題的難度，很大程度上影響學生的思維深度?？v觀熱重曲線試題考查的內(nèi)容無不基于圖像信息，所以解答此類問題的首要問題是識圖，正確認識熱重曲線中基本線段的涵義是突破思維障礙的關鍵。熱重曲線中涉及到的基本線段有三類，見圖1。水平線段a表明物質質量不隨溫度改變，即在此溫度范圍內(nèi)物質不失重；垂直線段b表明在某溫度下物質失重（方向向下）或增重（方向向上）；傾斜線段c、d，其中向右下傾斜線段c表明物質隨溫度升高逐漸失重，向右上傾斜線段d表明物質隨溫度升高逐漸增重。上述線段a對應物質不發(fā)生化學反應，b、c、d對應物質發(fā)生化學反應。

明確熱重曲線中線段的涵義后，在日常教學過程中，要善于結合實驗引導學生根據(jù)物質的狀態(tài)、變化等繪制熱重曲線草圖。如在實驗室加熱高錳酸鉀制氧氣的實驗中，有關實驗數(shù)據(jù)[9]表明加熱至200℃時開始分解失重，200～400℃范圍逐漸失重至完全，400℃以上物質質量不再改變。在此基礎上引導學生把實驗數(shù)據(jù)轉換成圖像信息，繪制高錳酸鉀制氧氣的熱重曲線，如圖2所示。因此，我們在日常的教學中重視對學生識圖作圖能力的培養(yǎng)，久而久之會使學生養(yǎng)成正確的文字數(shù)據(jù)-曲線信息-化學符號認知思維習慣，提高思維的整體性，從而使學生的創(chuàng)造性思維得到發(fā)展，為考試中能迅速從陌生的圖像信息中采集、吸收、轉換、整合化學信息的能力奠定基礎。

3.3 分析失重方式，探尋熱重曲線試題解題模式

從現(xiàn)有文獻中發(fā)現(xiàn)，熱重曲線類試題解題策略較為分散沒有系統(tǒng)模式可以遵循，不便于教師講授，也不利于學生構建知識體系，很難形成嚴密的思維結構。教育解釋學認為，要從根本上提高學生的解題能力就要突出程序性知識和策略性知識的地位[10]。而建立解題模式，無疑是實現(xiàn)低耗高效提高效率的有效途徑。通過上述研究發(fā)現(xiàn)，試樣的失重反應類型是熱重法實驗的關鍵所在，失重方式?jīng)Q定了熱重曲線的類型，影響解題思路。通常熱重法實驗中試樣失重方式集中在脫水、分解、氧化、還原上，所以基于此可以嘗試探索解題模式如下（以水合物脫水、氫氧化物分解和氧化物氧化為例），如圖3所示。具體運用詳見下例分析。

例 將1.000g FeC2O4·2H2O固體樣品放在熱重分析儀中進行熱重分析，測得其熱重分析曲線（樣品質量隨溫度變化的曲線），如圖4所示。已知：①草酸鹽受熱分解易放出碳的氧化物。②500℃之前，該熱重分析儀的樣品池處于氬氣氣氛中，500℃時起，樣品池與大氣相通。完成下列填空：（有刪減）

（1）300℃時是樣品脫水的過程，試確認350℃時樣品是否脫水完全 （填“是”或“否”），判斷的理由是 （要求寫出推算過程）。

（2）400℃時發(fā)生變化的化學方程式是。

（3）將1500℃時樣品池中殘留的固體隔絕空氣冷卻后，實驗表明此固體中既含有+2價鐵元素，也含有+3價鐵元素。試寫出圖中1400℃時發(fā)生反應的化學方程式 。

分析：

（1）在0～500℃草酸亞鐵晶體在氬氣氣氛中失重，不考慮實驗氣氛影響，300℃草酸亞鐵晶體先以脫水方式失重，根據(jù)脫水方式失重解題模式設化學方程式：

上述例題中試樣分別以脫水、分解、氧化等多種失重方式，根據(jù)解題模式依次分別解答，思路清晰，步驟明確。所以根據(jù)失重方式構建的解題模式可以幫助學生理解整個反應過程，弄清反應實質，有助于提高處理圖像信息的能力，有助于構建高品質的思維結構。

參考文獻：

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