王景　陳元慶

摘要： 對(duì)高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)的教、學(xué)、評(píng)現(xiàn)狀以及“實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)”高考考點(diǎn)和相關(guān)核心素養(yǎng)進(jìn)行了分析，提出基于物質(zhì)性質(zhì)及其變化畫(huà)出實(shí)驗(yàn)原理流程圖、基于流程圖進(jìn)行文字表達(dá)以及基于實(shí)驗(yàn)操作要求進(jìn)行優(yōu)化，取得良好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞： 化學(xué)實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì); 核心素養(yǎng); 流程圖; 思維模型

文章編號(hào)： 10056629（2020）01009004

中圖分類(lèi)號(hào)： G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

“實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)”作為江蘇省高考化學(xué)試題的熱點(diǎn)和難點(diǎn)題型，其教與學(xué)困難重重，評(píng)價(jià)結(jié)果也不夠樂(lè)觀。

1高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)的教、學(xué)、評(píng)現(xiàn)狀分析

高中化學(xué)“實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)”試題通常以工業(yè)上某種重要的無(wú)機(jī)物的制備、含量測(cè)定等為背景，體現(xiàn)了化學(xué)是“真實(shí)的”“有用的”。試題的呈現(xiàn)方式也是豐富多彩，除文字外還有流程圖、裝置圖、坐標(biāo)圖和數(shù)據(jù)表等，考查學(xué)生從這些文字和圖表中獲取對(duì)解題有用的信息的能力;另外，試題也重點(diǎn)考查了學(xué)生對(duì)化學(xué)實(shí)驗(yàn)操作技能的熟悉程度、實(shí)驗(yàn)原理的理解程度以及實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)能力。在“2017年江蘇省普通高中學(xué)業(yè)水平測(cè)試（選修科目）說(shuō)明”中評(píng)為“綜合應(yīng)用;較難”。

從評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)分析可以看出，南京市三屆學(xué)生12次模擬考試本小問(wèn)的得分率都不高，基本上只有全卷得分率的一半。隨著一輪復(fù)習(xí)和二輪復(fù)習(xí)的進(jìn)行，得分率也不見(jiàn)明顯提高?？荚囌f(shuō)明中標(biāo)注的“較難”實(shí)際上成了“極難”，說(shuō)明我們的教與學(xué)還存在很大的提升空間。

結(jié)合閱卷分析和學(xué)生訪談，可知學(xué)生“實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)”的錯(cuò)誤歸因主要是4個(gè)“不到位”： 理解原理不到位——主要是對(duì)化學(xué)反應(yīng)的原理認(rèn)知模糊，不會(huì)分析判斷存在的關(guān)鍵物質(zhì)及其物理、化學(xué)性質(zhì);規(guī)范操作不到位——主要是不清楚關(guān)鍵物質(zhì)的物理、化學(xué)性質(zhì)及其變化對(duì)實(shí)驗(yàn)操作、試劑用量的要求;信息加工不到位——主要是不能有效提取關(guān)鍵物質(zhì)的物理、化學(xué)性質(zhì)并進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)原理、操作的選擇處理;文字表達(dá)不到位——主要是不能合理表達(dá)依據(jù)物質(zhì)的物理、化學(xué)性質(zhì)得出的操作方法、步驟等。學(xué)生學(xué)得艱辛，其原因一部分是試題本身的難度較大，還有一部分在于教師教得不得法。

一些教師在設(shè)計(jì)“實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)”復(fù)習(xí)課時(shí)，往往從以下四個(gè)方面進(jìn)行分類(lèi)： 一是制備實(shí)驗(yàn)。要考慮物質(zhì)的性質(zhì)，是否易水解、易被氧化等，盡可能提高產(chǎn)物產(chǎn)率和純度，反應(yīng)速率恰當(dāng);二是提純實(shí)驗(yàn)。以不引入新雜質(zhì)為前提，選擇來(lái)源廣泛的廉價(jià)原料，選擇取濾渣還是濾液;三是定量探究實(shí)驗(yàn)。答題要考慮的角度有（1）氣體增重實(shí)驗(yàn)，一般缺省殘留氣體處理操作;（2）氣體排水實(shí)驗(yàn)，一般缺省液面調(diào)平操作;（3）滴定實(shí)驗(yàn)，一般缺省滴定管洗滌操作;（4）空白實(shí)驗(yàn)，是為了減小誤差;四是制備高純物質(zhì)時(shí)，要考慮溶液的酸堿性的影響。以上分類(lèi)，教師說(shuō)起來(lái)一目了然，學(xué)生做起來(lái)卻是暈頭轉(zhuǎn)向，甚至經(jīng)常出現(xiàn)將簡(jiǎn)單的“物質(zhì)鑒定（或提純）方法”當(dāng)成“實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)”而大書(shū)特書(shū)的情況。新課程鼓勵(lì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，對(duì)演示實(shí)驗(yàn)與學(xué)生實(shí)驗(yàn)有一定要求，但不少學(xué)校基礎(chǔ)年級(jí)的化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)際上弱化了很多，高三化學(xué)復(fù)習(xí)更是很難去進(jìn)行“性?xún)r(jià)比”較低的化學(xué)實(shí)驗(yàn)，尤其是較真實(shí)的情境實(shí)驗(yàn)。再加上學(xué)生習(xí)慣了“照方抓藥”，而“實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)”往往要求面面俱到，導(dǎo)致學(xué)生顧此失彼、望而生畏，教師也覺(jué)得難以把握。

22014～2018年江蘇高考化學(xué)實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)考點(diǎn)及核心素養(yǎng)分析

從表1可以看出，本題一般在真實(shí)的實(shí)驗(yàn)背景下，進(jìn)行物質(zhì)制備、提純及含量測(cè)定等。主要從化學(xué)試劑和實(shí)驗(yàn)儀器的選用、實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)關(guān)鍵步驟的理解以及實(shí)驗(yàn)方案的完善等方面，考查學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)操作技能的熟悉程度、實(shí)驗(yàn)原理的理解和應(yīng)用程度、實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)能力，特別是考查學(xué)生在化學(xué)實(shí)驗(yàn)背景下發(fā)現(xiàn)和解決問(wèn)題的能力以及根據(jù)圖表信息形成結(jié)論的能力。試題從物質(zhì)的制備到含量的測(cè)定都選用學(xué)生熟悉的實(shí)驗(yàn)室方法，意在引導(dǎo)中學(xué)化學(xué)重視實(shí)驗(yàn)教學(xué)，重視培養(yǎng)學(xué)生的化學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Γ浞职l(fā)揮化學(xué)實(shí)驗(yàn)在中學(xué)化學(xué)學(xué)習(xí)中的作用[1]。尤其是“實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)”這一問(wèn)，重在考查學(xué)生對(duì)補(bǔ)充完整實(shí)驗(yàn)過(guò)程和相關(guān)實(shí)驗(yàn)原理的理解程度以及思維的全面性與縝密性。

按照2017版高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)，“實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)”相關(guān)核心素養(yǎng)主要是“能從問(wèn)題和假設(shè)出發(fā)，依據(jù)探究目的，設(shè)計(jì)探究方案”[2]，相關(guān)課程目標(biāo)主要是“能依據(jù)探究目的設(shè)計(jì)并優(yōu)化實(shí)驗(yàn)方案”[3]?！皩?shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)”涉及“變化觀念與平衡思想”“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”以及“宏觀辨識(shí)與微觀探析”等核心素養(yǎng)，關(guān)鍵是“基于物質(zhì)性質(zhì)的設(shè)計(jì)”。學(xué)生的錯(cuò)誤歸因也揭示了對(duì)“實(shí)驗(yàn)原理（物質(zhì)性質(zhì)及其變化）”的困惑。

因此，我們?cè)诮虒W(xué)中應(yīng)該把握“物質(zhì)性質(zhì)及其變化”這個(gè)關(guān)鍵要素，據(jù)此來(lái)確定實(shí)驗(yàn)原理，設(shè)計(jì)反應(yīng)方案，選擇控制反應(yīng)的條件，分離提純產(chǎn)品或進(jìn)行含量的測(cè)定。

3流程圖的使用與思維模型的建立

基于以上分析，學(xué)生在此遇到的困難，主要在于不會(huì)透過(guò)題中文字或圖表蘊(yùn)含的信息提煉出物質(zhì)的變化（轉(zhuǎn)化）過(guò)程，進(jìn)而依據(jù)物質(zhì)性質(zhì)及其變化設(shè)計(jì)合理的實(shí)驗(yàn)步驟，形成完整的實(shí)驗(yàn)方案。筆者嘗試基于物質(zhì)性質(zhì)及其變化，將“實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)”分為3個(gè)主要步驟： （1） 繪制基于物質(zhì)性質(zhì)及其變化的實(shí)驗(yàn)原理流程圖;（2） 完成基于實(shí)驗(yàn)原理流程圖的文字表達(dá);（3） 進(jìn)行基于實(shí)驗(yàn)操作要求的優(yōu)化。如此，學(xué)生便能根據(jù)教師的強(qiáng)烈提示抓住“基于物質(zhì)性質(zhì)及其變化”這個(gè)關(guān)鍵要素，利用“流程圖”這個(gè)直觀形式展開(kāi)設(shè)計(jì)與完善。教師再采用板書(shū)的形式進(jìn)行示范，引導(dǎo)學(xué)生將相關(guān)反應(yīng)物、生成物以流程圖的方式表示出來(lái)，理清物質(zhì)轉(zhuǎn)化的來(lái)龍去脈，以物質(zhì)性質(zhì)及變化為主要依據(jù)畫(huà)出實(shí)驗(yàn)操作流程圖，再轉(zhuǎn)化為文字表達(dá)，最后依據(jù)實(shí)驗(yàn)要求加上修飾詞（試劑用量，洗滌次數(shù)……）。試舉例分析如下。

例（江蘇高考化學(xué)2013年19題，節(jié)選）

某研究性學(xué)習(xí)小組欲從硫鐵礦燒渣（主要成分為Fe2O3、 SiO2、 Al2O3）出發(fā)，先制備綠礬，再合成檸檬酸亞鐵。請(qǐng)結(jié)合右圖（略）的綠礬溶解度曲線，補(bǔ)充完整由硫鐵礦燒渣制備FeSO4·7H2O晶體的實(shí)驗(yàn)步驟（可選用的試劑： 鐵粉、稀硫酸和NaOH溶液）： 向一定量燒渣中加入足量的稀硫酸充分反應(yīng)，______，得到FeSO4溶液，______得到FeSO4·7H2O晶體。

步驟一繪制基于物質(zhì)性質(zhì)及其變化的實(shí)驗(yàn)原理流程圖（見(jiàn)圖1）。

步驟二完成基于實(shí)驗(yàn)原理流程圖的文字表達(dá)。

過(guò)濾，向?yàn)V液中滴加過(guò)量的NaOH溶液;過(guò)濾，向固體中加入足量稀硫酸;再加入足量的鐵粉，過(guò)濾（得到FeSO4溶液）;結(jié)晶（得到FeSO4·7H2O晶體）。

步驟三進(jìn)行基于實(shí)驗(yàn)操作要求的優(yōu)化。

過(guò)濾，向?yàn)V液中滴加過(guò)量的NaOH溶液，過(guò)濾，充分洗滌固體，向固體中加入足量稀硫酸至固體完全溶解，再加入足量的鐵粉，充分?jǐn)嚢韬?，過(guò)濾（得到FeSO4溶液），（滴加稀硫酸酸化）加熱濃縮得到60℃飽和溶液，冷卻至0℃結(jié)晶，過(guò)濾，少量冰水洗滌，低溫干燥（得到FeSO4·7H2O晶體）。

當(dāng)然，本例第一空的答案還可以是“過(guò)濾，向反應(yīng)液中加入足量的鐵粉，充分?jǐn)嚢韬?，滴加NaOH溶液調(diào)節(jié)反應(yīng)液的pH約為5，過(guò)濾（得到FeSO4溶液）”，對(duì)應(yīng)的步驟及實(shí)驗(yàn)原理流程圖從略。

這樣，先根據(jù)物質(zhì)性質(zhì)及其變化進(jìn)行制備流程分析，寥寥幾行就得出物質(zhì)轉(zhuǎn)化的關(guān)系以及實(shí)驗(yàn)原理;然后根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理的流程圖形成文字表達(dá);最后，根據(jù)化學(xué)實(shí)驗(yàn)操作要求進(jìn)行優(yōu)化，完成解題過(guò)程。

4基于核心素養(yǎng)的化學(xué)實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)教學(xué)的效果與反思

我校2017～2019三屆高三化學(xué)依據(jù)此思維模型進(jìn)行“實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)”的復(fù)習(xí)，基礎(chǔ)稍差的物化班學(xué)生基本上能夠分析出正確的實(shí)驗(yàn)原理，進(jìn)行比較簡(jiǎn)明的文字表達(dá)，得出比較合理的優(yōu)化結(jié)果，在模擬考試和高考中拿到比較高的分?jǐn)?shù)。

此外，本?；瘜W(xué)教師在學(xué)業(yè)水平測(cè)試（必修科目）化學(xué)復(fù)習(xí)中，也對(duì)有關(guān)“實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)”的內(nèi)容采用了此思維模型進(jìn)行復(fù)習(xí)。清清楚楚的步驟和扎扎實(shí)實(shí)的效果，有力地幫助學(xué)生樹(shù)立了沖擊好成績(jī)的信心。

其實(shí)，在化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中使用“流程圖”聚焦核心素養(yǎng)建立思維模型的做法，在教材中也有例子。比如人民教育出版社1995年版高級(jí)中學(xué)課本《化學(xué)（選修）》第三冊(cè)總復(fù)習(xí)題第13題（節(jié)選）[4]：

實(shí)驗(yàn)室里有一瓶氯化鉀和氯化鈣的固體混合物，通過(guò)下面的實(shí)驗(yàn)可確定該混合物中氯化鉀和氯化鈣的質(zhì)量比，也可制純凈的氯化鉀（實(shí)驗(yàn)步驟如圖2所示）。

由于有了“流程圖”形式的“實(shí)驗(yàn)步驟”的存在，學(xué)生的思維過(guò)程就比較清晰，因而比較容易建立認(rèn)知模型，理解實(shí)驗(yàn)原理，進(jìn)行證據(jù)推理與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。

相反，如果教師在“化學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)”備課中偏離“物質(zhì)性質(zhì)及其變化”這個(gè)高中化學(xué)核心素養(yǎng)的關(guān)鍵要素，大張旗鼓地進(jìn)行“就實(shí)驗(yàn)講實(shí)驗(yàn)”的所謂復(fù)習(xí)： 制備實(shí)驗(yàn)、提純實(shí)驗(yàn)、定量探究實(shí)驗(yàn)、氣體增重實(shí)驗(yàn)、氣體排水實(shí)驗(yàn)、滴定實(shí)驗(yàn)、空白實(shí)驗(yàn)……，不同標(biāo)準(zhǔn)分類(lèi)的實(shí)驗(yàn)類(lèi)型一交叉，必然衍生出更多的類(lèi)型與注意事項(xiàng)，令不少學(xué)生產(chǎn)生畏難情緒感到萬(wàn)分沮喪，亦令化學(xué)教師自己也感到不勝其煩，最終結(jié)果每次都是草草收?qǐng)觥?/p>

高中化學(xué)教學(xué)中，化學(xué)實(shí)驗(yàn)是學(xué)科核心素養(yǎng)的重要構(gòu)成要素。通過(guò)基于核心素養(yǎng)的教學(xué)設(shè)計(jì)而不是題海戰(zhàn)術(shù)幫助學(xué)生提高化學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)解題能力，不僅可以提高相關(guān)考試的成績(jī)，形成化學(xué)學(xué)科的思想和方法，還有利于啟發(fā)學(xué)生的科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度與社會(huì)責(zé)任感，促進(jìn)學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的全面協(xié)調(diào)發(fā)展[5]。

參考文獻(xiàn)：

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[5]陳元慶， 嵇世寶. 中學(xué)化學(xué)基本概念與基礎(chǔ)理論的教學(xué)策略研究[J]. 化學(xué)教學(xué)， 2007， （8）： 3～6.