福建省廈門市翔安第一中學(xué)(361101) 洪茲田 陳女婷

實(shí)驗(yàn)探究題是每年中考化學(xué)試題中最受關(guān)注的題型。縱觀近年來(lái)全國(guó)各地的中考化學(xué)實(shí)驗(yàn)探究題，不難發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)探究題越來(lái)越注重考查學(xué)生的實(shí)驗(yàn)與探究能力、“問(wèn)題—證據(jù)—結(jié)論”間的推理意識(shí)和“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)”等素養(yǎng)。2019年福建省中考實(shí)驗(yàn)探究題(第17題)以教材中“測(cè)定空氣中氧氣的含量”實(shí)驗(yàn)為原型進(jìn)行拓展，考查測(cè)定密閉容器中某種氣體(O2、CO2)的體積分?jǐn)?shù)的實(shí)驗(yàn)探究。該實(shí)驗(yàn)探究題注重思維模型建構(gòu)和實(shí)驗(yàn)手段的創(chuàng)新，今后無(wú)論是在新課的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，還是在實(shí)驗(yàn)的復(fù)習(xí)備考中，都應(yīng)引起師生足夠重視。

1 試題分析

1.1 試題呈現(xiàn)

某興趣小組開展“測(cè)定密閉容器中某種氣體的體積分?jǐn)?shù)”的探究實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)1:按圖1所示裝置，用紅磷燃燒的方法測(cè)定空氣中氧氣的體積分?jǐn)?shù)。

實(shí)驗(yàn)2：按圖2所示裝置，在集氣瓶?jī)?nèi)壁用水均勻涂附鐵粉除氧劑(其中輔助成分不干擾實(shí)驗(yàn))，利用鐵銹蝕原理測(cè)定空氣中氧氣的體積分?jǐn)?shù)。

(1)實(shí)驗(yàn)1中，紅磷燃燒的主要現(xiàn)象是______。紅磷熄滅后，集氣瓶冷卻至室溫，打開K，水能倒吸入集氣瓶的原因是_______。

(2)為提高實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性，以上兩個(gè)實(shí)驗(yàn)都需要注意的事項(xiàng)是(寫一點(diǎn))。

(3)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，連接數(shù)字傳感器，測(cè)得實(shí)驗(yàn)1、實(shí)驗(yàn)2中氧氣的體積分?jǐn)?shù)隨時(shí)間變化的關(guān)系分別如圖3、圖4所示。依據(jù)圖3、圖4中的信息，其中________(填“實(shí)驗(yàn)1”或“實(shí)驗(yàn)2”)的測(cè)定方法更準(zhǔn)確，判斷依據(jù)是_______。

(4)結(jié)合你的學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)，若要尋找紅磷或鐵粉除氧劑的替代物。用圖1或圖2裝置測(cè)定空氣中氧氣的體積分?jǐn)?shù)，該替代物應(yīng)滿足的條件是________(寫兩點(diǎn))。

實(shí)驗(yàn)3：測(cè)定用排空氣法收集到的集氣瓶中二氧化碳的體積分?jǐn)?shù)。

(5)甲同學(xué)設(shè)計(jì)圖5所示裝置進(jìn)行測(cè)定。濃NaOH溶液的作用是______(用化學(xué)方程式表示)。

(6)乙同學(xué)提出，僅利用圖6所示裝置，在不添加其他試劑的前提下，也能測(cè)得集氣瓶中二氧化碳的體積分?jǐn)?shù)。為達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，操作方法是_______。

1.2 試題解析

(1)本小題考查對(duì)紅磷在空氣中燃燒的現(xiàn)象描述和瓶?jī)?nèi)壓強(qiáng)變化引起水倒吸的原因分析。紅磷燃燒主要現(xiàn)象(略)，燒杯中水倒吸是由于紅磷燃燒消耗O2導(dǎo)致瓶?jī)?nèi)氣壓減小。

答案:燃燒發(fā)出黃色火焰，放出大量熱，產(chǎn)生大量白煙(或其他合理答案)；紅磷燃燒消耗O2，導(dǎo)致集氣瓶中氣壓減小，外界大氣壓將燒杯中的水壓入集氣瓶中。

(2)本小題考查測(cè)定空氣中氧氣體積分?jǐn)?shù)實(shí)驗(yàn)的注意事項(xiàng)。從本質(zhì)看，提高本實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確性(或?qū)嶒?yàn)成功的關(guān)鍵因素)可從減小測(cè)定O2體積誤差入手。

答案:保證裝置氣密性良好；所加的除氧劑(紅磷、鐵粉等)應(yīng)足量(任寫一點(diǎn)即可)。

(3)本小題考查測(cè)定空氣中O2的體積分?jǐn)?shù)應(yīng)盡可能將O2消耗完。分析圖3和圖4可知，最終實(shí)驗(yàn)1和實(shí)驗(yàn)2剩余O2的體積分?jǐn)?shù)分別為8.6%、接近0(幾乎耗盡)。測(cè)定時(shí)應(yīng)盡可能將O2消耗完，因此實(shí)驗(yàn)2測(cè)定方法更為準(zhǔn)確。

答案:實(shí)驗(yàn)2；實(shí)驗(yàn)2反應(yīng)后，實(shí)驗(yàn)1集氣瓶中剩余O2的體積分?jǐn)?shù)為8.6%，而實(shí)驗(yàn)2集氣瓶中O2幾乎耗盡。

(4)本小題考查測(cè)定空氣中O2體積分?jǐn)?shù)的實(shí)驗(yàn)原理。測(cè)量空氣中O2的體積分?jǐn)?shù)時(shí)，應(yīng)滿足:除氧劑應(yīng)能消耗O2(或與O2反應(yīng))，生成物對(duì)實(shí)驗(yàn)測(cè)定結(jié)果無(wú)影響等。

答案:能消耗O2(或能與O2反應(yīng))；生成物對(duì)實(shí)驗(yàn)測(cè)定結(jié)果無(wú)影響。

(5)本小題考查元素化合物的性質(zhì):NaOH與CO2的反應(yīng)方程式。

(6)本小題考查根據(jù)密閉裝置中氣體的壓強(qiáng)與溫度的關(guān)系，逆向設(shè)計(jì)操作方法。利用圖6裝置吸收CO2，應(yīng)保證濃NaOH溶液能倒吸左邊的集氣瓶。此時(shí)可利用降溫原理引起左邊的集氣瓶氣壓減小實(shí)現(xiàn)該目的。

答案:用冰水冷卻集氣瓶，打開K。

2 命題特點(diǎn)

2.1 回歸教材基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，考查實(shí)驗(yàn)基本知識(shí)和基本技能

試題內(nèi)容來(lái)自教材基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，突出對(duì)實(shí)驗(yàn)基本知識(shí)、基本技能和核心方法的考查。例如，本題的“實(shí)驗(yàn)1:用紅磷燃燒的方法測(cè)定空氣中O2的體積分?jǐn)?shù)”內(nèi)容涉及“測(cè)定空氣中氧氣含量”；“實(shí)驗(yàn)2:利用鐵銹蝕原理測(cè)定空氣中O2的體積分?jǐn)?shù)”內(nèi)容涉及“探究鐵制品銹蝕條件”；“實(shí)驗(yàn)3:測(cè)定排空氣法收集到的CO2的體積分?jǐn)?shù)”內(nèi)容涉及“NaOH溶液與CO2的反應(yīng)”。試題考查常規(guī)的基本知識(shí)和基本技能。例如，紅磷燃燒的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象；NaOH與CO2反應(yīng)的方程式；水倒吸入集氣瓶的原因；影響實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確性的因素。

2.2 原理模型出自教材經(jīng)典實(shí)驗(yàn)，考查模型遷移及應(yīng)用拓展

實(shí)驗(yàn)素材出自教材經(jīng)典實(shí)驗(yàn)“測(cè)定空氣里氧氣的含量”的原理模型。對(duì)于本題的第(4)問(wèn)“尋找紅磷或鐵粉除氧劑的替代物應(yīng)滿足的條件”，即是考查上述原理模型的初步建構(gòu)。通過(guò)分析紅磷燃燒法的原理特點(diǎn)，歸納出測(cè)定空氣里O2體積分?jǐn)?shù)的除氧劑必須滿足：能消耗O2(或與O2反應(yīng))，不與空氣的其他成分反應(yīng)，生成物對(duì)實(shí)驗(yàn)測(cè)定結(jié)果無(wú)影響。在此原理模型的啟發(fā)下，學(xué)生不難理解“利用鐵銹蝕原理測(cè)定空氣中氧氣的體積分?jǐn)?shù)”的方法。同時(shí)，利用該原理模型可進(jìn)一步延伸拓展到測(cè)定空氣中的CO2(或其他氣體)含量時(shí)吸收劑必須滿足：能消耗CO2(或其他氣體)反應(yīng)，不與空氣中的其他成分反應(yīng)，生成物不影響CO2(或其他氣體)的含量測(cè)定。

另外，本題實(shí)驗(yàn)3中圖6所示裝置測(cè)定集氣瓶中CO2的體積分?jǐn)?shù)其實(shí)質(zhì)是使燒杯中的NaOH溶液進(jìn)入(或倒吸入)集氣瓶中?！爸迫⊙鯕鈺r(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)若先停止加熱，水槽中的水會(huì)倒吸到試管中”的原理就是利用降溫原理引起氣壓降低，導(dǎo)致液體倒吸。受此原理模型的啟發(fā)，學(xué)生容易想出“用冰水冷卻集氣瓶，引起集氣瓶?jī)?nèi)氣壓降低，打開K，從而使NaOH溶液進(jìn)入集氣瓶中與CO2反應(yīng)”。

2.3 融入新技術(shù)手段，考查“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)”

試題以新技術(shù)手段應(yīng)用為背景，考查學(xué)生的“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)”素養(yǎng)。傳統(tǒng)的一些化學(xué)實(shí)驗(yàn)存在精確度不高、實(shí)驗(yàn)效果不明顯等弊端。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)不僅可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的上述不足，而且可以即時(shí)采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。例如，本題將數(shù)字傳感器應(yīng)用于傳統(tǒng)的“用紅磷燃燒的方法測(cè)定空氣中O2的體積分?jǐn)?shù)”“鐵生銹實(shí)驗(yàn)”等實(shí)驗(yàn)?？疾樾录夹g(shù)手段在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)改進(jìn)方面的應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生的“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)”素養(yǎng)。值得關(guān)注的是，通過(guò)“氧氣濃度傳感器”來(lái)測(cè)定O2的體積分?jǐn)?shù)，真正體現(xiàn)對(duì)定量化實(shí)驗(yàn)的精確度要求，也有利于引導(dǎo)初中化學(xué)教師研究數(shù)字傳感器在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用。

2.4 信息呈現(xiàn)方式多元化，考查信息獲取和加工能力

試題的信息呈現(xiàn)多元化，考查學(xué)生的信息接受、吸收、整合和數(shù)形結(jié)合的能力。

例如，本題不僅有文本信息，也有實(shí)驗(yàn)裝置、坐標(biāo)曲線(O2體積分?jǐn)?shù)隨時(shí)間變化的關(guān)系曲線)等。特別第(3)問(wèn)要求學(xué)生在理解圖3和圖4“O2體積分?jǐn)?shù)隨時(shí)間的變化關(guān)系”曲線的基礎(chǔ)上，更準(zhǔn)確地測(cè)定空氣中O2體積分?jǐn)?shù)的方法并進(jìn)行說(shuō)理。由圖3可以看出，在100 s左右，實(shí)驗(yàn)1集氣瓶中剩余O2的體積分?jǐn)?shù)保持在8.6%；在30 min左右，實(shí)驗(yàn)2集氣瓶中剩余O2的體積分?jǐn)?shù)在1%以下。能將空氣中體積分?jǐn)?shù)21%的O2盡可能消耗完(即剩余的O2盡可能少)的測(cè)定方法就越準(zhǔn)確。因此，可以得出實(shí)驗(yàn)2的測(cè)定方法更準(zhǔn)確。

2.5 重視學(xué)科思維方法的滲透，考查類比遷移和逆向思維設(shè)計(jì)

試題重視學(xué)科思維方法的滲透，考查學(xué)生的類比遷移思維和逆向思維設(shè)計(jì)。例如，本題實(shí)驗(yàn)3中圖5的實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)1中圖1的實(shí)驗(yàn)裝置前后呼應(yīng)，學(xué)生只需進(jìn)行類比遷移即可理解圖5的實(shí)驗(yàn)原理是利用NaOH溶液滴入集氣瓶中和排空氣法收集到的CO2反應(yīng)，從而消耗CO2。第(6)問(wèn)偏偏“反其道而行之”考查使NaOH溶液進(jìn)入集氣瓶(即倒吸)與收集到的CO2反應(yīng)的操作方法。學(xué)生只需結(jié)合“降溫氣壓減小引起倒吸”的原理進(jìn)行逆向思維設(shè)計(jì)即可輕松突破“操作方法”的瓶頸問(wèn)題。

2.6 通過(guò)真實(shí)的定量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，考查學(xué)生實(shí)證意識(shí)和科學(xué)精神

利用真實(shí)的定量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，考查學(xué)生的實(shí)證觀念，培養(yǎng)學(xué)生尊重事實(shí)、證據(jù)和敢于質(zhì)疑的科學(xué)態(tài)度。教材中利用紅磷燃燒測(cè)定空氣中氧氣的體積分?jǐn)?shù)，得出“消耗的氧氣約占空氣體積的1/5”的結(jié)論。絕大多數(shù)學(xué)生甚至部分教師都將此實(shí)驗(yàn)手段視為“權(quán)威”，事實(shí)上紅磷燃燒無(wú)法將空氣中的氧氣完全消耗盡，也無(wú)法得出上述結(jié)論。本題第(3)問(wèn)在傳統(tǒng)的利用紅磷燃燒測(cè)定空氣中氧氣體積分?jǐn)?shù)的基礎(chǔ)上，引入數(shù)字化傳感器。重在考查學(xué)生的數(shù)據(jù)分析能力和思維能力，體現(xiàn)了新技術(shù)手段在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中的改進(jìn)和創(chuàng)新。部分學(xué)生可能會(huì)由于先入為主導(dǎo)致本題第(3)問(wèn)中的最準(zhǔn)確的測(cè)定方法錯(cuò)選了實(shí)驗(yàn)1(利用紅磷燃燒法測(cè)定空氣中O2的體積分?jǐn)?shù))，而與實(shí)驗(yàn)2(利用鐵銹蝕原理測(cè)定空氣中O2的體積分?jǐn)?shù))的測(cè)定方法失之交臂。這一命題手法與2018年福建省中考化學(xué)試題第15題第(3)小題考查“從坐標(biāo)曲線信息出發(fā)選擇催化效果好、反應(yīng)溫和的催化劑”如出一轍。當(dāng)時(shí)多數(shù)學(xué)生受課本中“使用MnO2做過(guò)氧化氫分解制取O2實(shí)驗(yàn)”影響，先入為主錯(cuò)選“MnO2”。此類試題在引導(dǎo)學(xué)生要尊重實(shí)驗(yàn)事實(shí)和證據(jù)，敢于質(zhì)疑，不生搬硬套課本“既定”結(jié)論方面做了有益的嘗試，同時(shí)也起到教學(xué)糾偏的作用。

3 教學(xué)啟示

3.1 多渠道開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)，建構(gòu)實(shí)驗(yàn)基本觀念和提高實(shí)驗(yàn)探究能力

以實(shí)驗(yàn)為主的實(shí)踐途徑可為學(xué)生科學(xué)探究和意義建構(gòu)提供直接或間接的證據(jù)。實(shí)驗(yàn)教學(xué)中不應(yīng)僅僅停留在基本操作訓(xùn)練的層面，更應(yīng)將其作為研究物質(zhì)及其變化的重要方法和手段。實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)立足課內(nèi)的教師演示實(shí)驗(yàn)和學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)(特別是《義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2011版)》規(guī)定的8個(gè)必做分組實(shí)驗(yàn))，拓展課外家庭小實(shí)驗(yàn)，充分發(fā)揮實(shí)驗(yàn)的認(rèn)知功能、方法論和教學(xué)論功能。通過(guò)多渠道開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)，讓學(xué)生親身經(jīng)歷科學(xué)探究的完整過(guò)程，突出對(duì)化學(xué)實(shí)驗(yàn)原理的深度理解。在建構(gòu)知識(shí)的同時(shí)，系統(tǒng)掌握實(shí)驗(yàn)基本技能和科學(xué)方法，提高實(shí)驗(yàn)探究能力，形成實(shí)驗(yàn)基本觀念。

3.2 重視課本實(shí)驗(yàn)素材的挖掘與拓展，領(lǐng)會(huì)實(shí)驗(yàn)操作的實(shí)質(zhì)與內(nèi)容

課本實(shí)驗(yàn)是培養(yǎng)學(xué)生“證據(jù)推理”“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)”等核心素養(yǎng)的重要載體。許多實(shí)驗(yàn)試題的素材(或考點(diǎn))或源于教材中實(shí)驗(yàn)，或進(jìn)行若干改進(jìn)及創(chuàng)新。要改變機(jī)械式的“照方抓藥”的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)狀，強(qiáng)調(diào)思維過(guò)程參與?；谝韵?個(gè)視角審視教材實(shí)驗(yàn)(或?qū)嶒?yàn)題中涉及的實(shí)驗(yàn))中的實(shí)驗(yàn)操作實(shí)質(zhì)。①基于“操作理論依據(jù)”視角認(rèn)識(shí)操作原理；②基于“如何操作”視角認(rèn)識(shí)操作方法；③基于“為什么要安排這樣操作”視角認(rèn)識(shí)操作目的；④基于“為何要這樣操作”視角認(rèn)識(shí)錯(cuò)誤操作造成后果。

復(fù)習(xí)教學(xué)中要精心設(shè)計(jì)問(wèn)題情境，提升互動(dòng)品質(zhì)、優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)。盡可能組織學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)的教學(xué)研討，啟發(fā)學(xué)生從多維視角審視和反思實(shí)驗(yàn)探究過(guò)程中遇到的問(wèn)題。倡導(dǎo)多樣化實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)，訓(xùn)練學(xué)生思維的發(fā)散性、批判性、開放性和創(chuàng)造性。

3.3 應(yīng)用問(wèn)題啟發(fā)探究，重視證據(jù)推理并形成思維模型

關(guān)注實(shí)驗(yàn)本質(zhì)探究。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中應(yīng)圍繞實(shí)驗(yàn)原理開展問(wèn)題啟發(fā)探究，充分發(fā)揮實(shí)驗(yàn)的教育功能并建構(gòu)思維模型。探究過(guò)程中應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及其他有效證據(jù)進(jìn)行分析、推理，從而獲得相關(guān)結(jié)論。例如，以“測(cè)定空氣中氧氣含量”實(shí)驗(yàn)教學(xué)為例，該實(shí)驗(yàn)基于物理學(xué)科的氣壓原理從定量角度研究化學(xué)問(wèn)題。教學(xué)中教師可設(shè)置相關(guān)問(wèn)題引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究。首先，從膠頭滴管吸液原理進(jìn)行遷移認(rèn)識(shí)壓強(qiáng)原理。其次，從拉瓦錫的“測(cè)定空氣里氧氣的含量”實(shí)驗(yàn)引導(dǎo)學(xué)生分析作為氧氣吸收劑的相關(guān)原理，進(jìn)而理解課本實(shí)驗(yàn)原理，分析實(shí)驗(yàn)過(guò)程及實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，深度體驗(yàn)基于“問(wèn)題-證據(jù)-結(jié)論”間的推理。最后，總結(jié)紅磷燃燒法測(cè)定空氣組成的特點(diǎn)，初步建構(gòu)測(cè)定混合氣體組成的思維模型。