基于实验室的高三实验复习

宋兆爽+武敬泉

摘要：根据北京近几年高考命题的趋势分析中学实验教学中需要落实的核心知识、思想和方法，并以此为指导，在高三复习阶段创设真实复杂的实验情境，提升学生的探究能力。结合具体的教学案例，阐述该教学策略的方案设计、实施过程与教学反思。

关键词：实验探究；高考复习；教学实践

文章编号：1005–6629（2016）7–0027–04 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

1 背景分析

对化学实验的考查历来是高考化学试题的重要组成部分。自实施新课程标准以来，北京在高考实验题的命制上始终贯彻新课程理念——体现实验在发展学生探究能力和提高学生科学素养方面的重要价值。纵观北京近三年（2013、2014和2015）的高考化学试题，难度系数基本维持在0.70左右，与2013年前相比难度有了明显下降。在这个背景下，实验题的分值和难度系数却基本保持不变（近三年的实验探究大题的分值均为15分，难度系数均在0.4～0.5之间），这就使得实验教学的重要性相对凸显出来。

实验探究题历来是学生的薄弱点。高一高二的新授课阶段学生所学的知识有限，所接触到的教材实验也相对比较简单。作为教师，我们会尽可能地从教材实验中挖掘有价值的点向学生渗透实验的思想和方法，但很多时候是局部的、零散的。进入高三后，面对复杂的实验探究题，学生往往找不准切入点或难以全面地思考解答问题，究其原因是缺乏基于复杂实验情境进行整体、系统分析的能力。那么，我们该如何在高三阶段提升学生的这种能力呢？

1.1 创设真实的实验情境，强化对科学过程的体验

真实的情境大多是复杂的。近几年的实验探究大题的素材都源于文献资料，涉及科学家研究真实化学问题的思路。所以我们在进行今年的高三实验复习时特别强调一个“真”字。即使在高三复习节奏非常紧张的情况下，我们仍然安排学生走进实验室做探究实验。在设计探究的内容时，我们参考了近几年的高考题和模拟题，以及教学期刊上的相关文章，在复杂性适宜的真实情境中引导学生实施科学探究的几个环节：提出假设——进行方案论证并预测现象——获取证据并关注异常现象——获得结论并评价反思。

1.2 有针对性地复习核心知识，强化核心思想和方法

物质性质和反应是中学化学研究的两大主题。中学阶段对于物质及其反应的认识主要基于以下三个角度：（1）从物质类别角度，如复分解反应；（2）从得失电子角度，如氧化还原反应、电化学反应；（3）从平衡移动角度，如可逆反应。从考查内容上看，北京近几年的高考实验题多选择教材中出现的能够涵盖多个认识角度的典型物质和反应，侧重挖掘实验对教材知识和原理的认识过程和方法。从考查形式上看，近几年的高考实验探究题几乎都是探究一定条件下发生的化学反应[1]。题目中往往会出现与学生预期不相符的实验现象，会形成认知冲突。这是符合真实的化学研究过程的。这类情境的设置要求学生在设计和评价实验方案时，首先要有控制变量的思想，学会关注并控制反应条件的变化，如试剂的浓度、用量、反应温度、溶液酸碱性等。条件改变，化学反应的现象和产物也会随之改变。其次，当实验得不到预期结果时，要求学生具有再探究的意识，遵循科学的方法查找并排除可能存在的干扰因素，改进实验方案。

2 教学实践

依据上述分析，我们确定了高三走进实验室的三大实验探究专题：

（1）钠的化合物系列，包括常见钠盐的复分解反应和Na2O2与水的探究实验等。

（2）铁的化合物系列，包括探究FeCl3分别与KI、Na2CO3、NaHSO3的反应等。

（3）化学反应原理系列，包括电化学装置和反应的研究、探究反应速率与平衡的影响因素等。

现以两个教学案例具体说明方案的设计和实施过程。

案例1 Na2O2与水的探究实验

学生实验报告见表1。

[教师提出问题]你认为溶液变红后褪色的原因是什么？准备如何进一步探究？

[学生思考讨论后提出假设和验证方案]

学生假设1：反应放热，使酚酞分解。

验证方案1-1：将Na2O2与H2O反应后的溶液置于冷水中冷却后再滴加酚酞，变红，一段时间后仍然褪色。

验证方案1-2：加热滴有酚酞的NaOH溶液，红色无明显变化。

结论：假设1不成立。

学生假设2：反应生成的O2将酚酞氧化。

验证方案2：加热KMnO4固体制取O2，通入滴有酚酞的NaOH溶液中，红色无明显变化。

结论：假设2不成立。

学生假设3：反应过程中有H2O2生成，利用其强氧化性使酚酞褪色。

验证方案3：向Na2O2与水反应后的溶液中滴加酚酞，变红后褪色，向其中加入少量MnO2，迅速产生大量气泡，将带火星的木条插入试管中复燃。一段时间后再滴加酚酞不褪色。

结论：假设3成立。即Na2O2与H2O反应后的溶液中有H2O2生成，可将酚酞氧化褪色。

[教师点评]

Na2O2与水反应的异常现象是酚酞变红后褪色。针对该异常现象，同学们寻找到三个可能的干扰因素：1.反应温度；2.反应终产物O2；3.反应可能生成的中间产物H2O2。在实验探究过程中，为了验证和排除干扰因素，我们通常会采用两种方法：1.直接将干扰因素去除；2.在难以去除的情况下通过控制变量的方法做对照实验，请同学们思考上述验证方案分别属于哪一种方法？

学生经思考讨论后得出结论：方案1-1和方案3采用的是直接排除法，方案1-2和方案2采用的是对照实验法。

案例2 对FeCl3与KI反应的探究endprint

[教师提出问题]如何设计实验证明FeCl3与KI的反应具有可逆性？

[学生设计实验方案，并进行验证]

学生实验报告见表2。

[教师点评]

两位同学在证明该反应有可逆性时不约而同地想到利用可逆反应反应不完全，具有一定的反应限度这一特点。而且非常值得肯定的是在设计实验方案时都能够运用控制变量的思想，有意识地让KI过量，FeCl3不足。那么请同学们思考：实验方案2没有得到预期现象的原因是什么呢？

[学生A]可能是上层溶液中剩余的Fe3+浓度过低，导致生成的Fe（SCN）3浓度偏低，因此就不容易观察到血红色现象。

[教师追问]方案1和2的反应物用量相同，为什么只有方案2存在这个问题呢？

[学生B]这恰好能说明FeCl3与KI的反应是可逆的！方案2中加入CCl4后，I2被CCl4萃取，该反应正向移动，c（Fe3+）进一步降低。

教师根据参考文献[2]适当提高FeCl3溶液的用量，重复方案2的操作步骤，萃取后的上层溶液也可观察到红色，证明学生A和B的推断是正确的。

[学生C提出疑问]为什么用CCl4萃取后的上层溶液仍然呈棕黄色？是因为CCl4的用量不够，I2萃取不完全吗？

带着这个疑问，学生C将第一次萃取后得到的上层清液又进行了第二次萃取，取1mL棕黄色的上层清液，再加入2mL CCl4，振荡、静置。观察到下层液体有较浅的紫红色，而上层溶液仍为棕黄色。

学生D另取1mL饱和碘水，加入2mL CCl4，振荡、静置。观察到上层为无色，下层呈紫红色。

显然，这两位学生的实验现象说明萃取后的上层溶液呈棕黄色并不是由于I2萃取不完全。那么棕黄色产生的原因又是什么呢？这个异常的实验现象引起了学生极大的兴趣。

[教师点评]

两位同学在实验过程中观察细致，能够注意到不寻常的现象，并能够依据科学方法查找原因是非常值得肯定的。大家想一想这两位同学在查找原因时分别用到了什么样的方法？

[学生E] C同学是设法直接将I2去除，D同学是利用饱和碘水做对照实验。

[教师]非常好！这也是我们之前介绍过的两种常见的在实验中寻找和排除干扰因素的方法。

学生恍然大悟。将上述实验的现象和结论认真记录在实验报告中。

3 教学反思

3.1 实验情境的选择依据

为了保证实验情境的真实性，我们会从较权威的文献资料中寻找实验素材。教师首先重现实验，全面了解实验的原理和过程，然后按照高考实验探究题的要求调整实验方案。在实验素材的选取方面，我们特别关注中学教材中的核心元素化合物，特别是涉及变价的化合物，如案例1和案例2中的Na2O2和FeCl3，并且有意识地选取出现异常现象的实验，引发二次探究。通常在设计实验方案排除干扰因素时，学生首先想到的是排除法。但我们会故意设置复杂情境，使干扰因素难以直接排除，从而不断强化学生运用控制变量方法，做对照实验的意识。

考虑到高三复习阶段的特殊性，超出高中知识范围的内容我们会依据考查价值和难度做不同处理。比如，案例1中对于反应后酚酞褪色的原因分析，有文献中提到当生成的NaOH溶液浓度过大时，也会使酚酞褪色[3]，但反应原理非常复杂，超出了高中生的认知范围，所以我们给学生提供的试剂是0.1 mol·L-1的稀NaOH溶液，做原因分析时也回避了这一点。而案例2中上层溶液萃取后仍呈棕黄色的原因是涉及到一个简单的可逆反应[4]，教师在课上以资料信息的形式提供给学生，既有助于学生理解问题，又可加深学生对可逆反应的认识。

3.2 教学实施过程中的注意事项

当学生得知自己在总复习阶段还能有到实验室做探究实验的机会时，无不欢呼雀跃。然而，在走进实验室之前，我们首先要给这些急于动手的学生“降温”。实际上高三学生进实验室的价值不仅在于动手操作，更在于实验方案的设计和对实验现象的分析。上课过程中，教师对于课堂的把控显得尤为重要。大部分时间教师要学会“揣着明白装糊涂”，让学生自己发现问题，设法解决问题，关键时刻又要及时地点评和指导，将学生引到有价值的探究方向上去。实验课上教师注意观察记录学生的表现，对经典实验现象和操作进行拍照，课后及时收集学生的实验报告，将有价值的内容截图整理，在后续的常态课上再进行总结评价。

3.3 与传统实验复习方式的比较

以往高三阶段的实验复习多是依靠大量高考真题、模拟题“纸上谈兵”。但学生在脱离真实情境做题时，由于提取不到题目中的有效信息，有时会苦于找不到思路，有时又会凭空想象，钻牛角尖；而教师在脱离真实情境讲题时也不容易让学生信服，难以调动学生的学习积极性。为了在实验复习专题上寻求突破，我校从去年起开设了高三走进实验室的课程。上述两个实验案例分别是以2014年东城一模和2015年海淀一模为背景设计的。我们明显感觉到，学生在走进实验室后再来做这两道题，思路更加清晰，而教师讲题时也不必纠缠于细节，只要强调整体的思路方法即可。去年毕业的学生普遍反映，在紧张的高三生活中还能再次走进实验室是一段令他们倍加珍惜的经历，在动手实践的过程中他们对于以往教师讲过的实验思想和方法有了更深切的体会，在考场上面对实验探究题时更容易理清试题的整体逻辑结构，对实验现象的描述也更加准确。

总之，我们对于高三走进实验室课程的设计主旨是把握高考命题的考查趋势，精心设计，大胆尝试，让学生在实践中真正提高实验能力，高考成绩的提升自然是水到渠成。

参考文献：

[1]吴淑花.关注化学实验中的条件控制[J].教学仪器与实验，2015，（9）：21～24.

[2]陈碧华.氯化铁溶液与碘化钾溶液反应限度实验探究[J].化学教学，2008，（9）：17～18.

[3]顾晔.“过氧化钠与水反应后滴加酚酞”实验在高中不同阶段的教学功能挖掘[J].化学教学，2014，（8）：42～45.

[4]章建锋，叶兰峰.对FeCl3溶液与KI溶液反应限度实验“怪相”的探究与分析[J].中学化学教学参考，2015，（7）：55～57.endprint