中学化学热重曲线类试题文献分析及建议

2016-09-05 18:10韩江涛杨云

化学教学 2016年7期

韩江涛杨云

摘要：从文献研究入手，基于有关中学化学热重曲线试题及研究的28篇文献，从试题考查思维方法、反应类型、实验气氛、解题思路等4 个方面研究了热重曲线试题的现状和特征，指出失重方式不同是解答该类试题的关键所在，并从解读教材实验、重视识图作图、建立解题模式等方面给出适当的指导对策和建议。

关键词：热重曲线；试题研究；文献分析；失重方式

文章编号：1005–6629（2016）7–0082–05 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

1 问题提出

热重曲线分析是近年来高考化学试题的常见题型，通过热重法实验获得图像数据。热重法实验是在一定条件下测量物质的质量随温度（时间）变化的规律，从而得出质量随温度（时间）变化的曲线数据──热重曲线。热重曲线试题基于图像数据考查学生的识图、分析、推理、计算等能力和质量守恒等重要的化学学科观念，由于图像往往拥有较大的信息量，能够较全面地考查学生分析、比较、概括、归纳问题的能力，因此该类试题一直备受命题者青睐。为了解中学化学热重曲线试题的特征，揭示其演变过程及本质规律，更好地帮助学生领悟解题思路，提升中学生化学学科素养，本文对近年来有关的热重曲线类试题和研究等文献进行了统计、分析和建议，以期为化学教学提供有益的参考。

为了对热重曲线类试题的研究现状和趋势做详尽分析，从文献研究入手，以中国知网学术期刊全文数据库为检索源，重点关注中学化学热重曲线试题的解题思路，以“热重曲线（分析）”和“解题方法”为关键词组合进行检索，时间跨度从2000至2015年，对所得28篇文献共计42道热重曲线类试题进行分析研究。其中专论热重曲线及其解题方法的文章7篇，以个例阐述的文章21篇。鉴于现有文献重于个例解题方法分析，缺乏概括性的解题方法指导，对试题所蕴涵的热重法实验更是视而不见，致使解题的思维仅停留在就事论事层面，所以本研究基于热重法实验原理，以考题思维方法、反应类型、实验气氛、解题思路等方面作为研究维度，试图分析热重曲线试题现状、特征及考查方向，为引导学生正确解题及提升思维品质提供帮助。

2 研究结果与分析

2.1 试题考查思维方法

文献所涉及热重曲线类试题均以试样热重实验曲线为依据编制。试题以试样质量（剩余固体质量占原试样质量的百分比）随温度变化的曲线为载体，以图像和文字组合的形式呈现，考查内容以书写方程式、判断某温度时物质组成为重点，考查方式以填空、计算等形式较为常见。试题的考查方式往往影响学生的答题思维习惯，因此研究试题考查的思维方法，有助于培养思维品质，完善思维结构。根据热重实验所选试样是否已知可分为两类：第一类以已知试样确定产物组成的目标思维法考题；第二类以未知试样需要确定组成的逆向思维法考题。统计文献中18道试题（剔除重复试题）考查的思维方法数量如表1所示。

从表中可以看出，目标思维法较多（14次，77.7%），逆向思维法较少（4次，22.3%）。这符合热重分析法研究物质的热稳定性、分解、脱水、解离、氧化、还原、成分等的实验过程，也是目前工业、科研等机构利用热重分析开展科学研究的最常见思路，更主要的是该研究思路符合中学生的认知脉络和逻辑顺序，能最大限度地发挥试题立意、载体、设问等方式对学生思维发展水平的甄别、激励和改进等多种功能[1]。

2.2 反应类型

热重曲线试题的类型与热重法实验中的试样反应类型有关，试样反应类型不同，试样失重方式也不同，热重法实验测得的热重曲线含义可能也不同，所以研究热重实验试样失重反应类型显得非常重要。试样失重方式基本集中在脱水、分解、氧化、还原等方式，不同的试样失重方式可能是一种或多种组合，有的热重实验仅以一种反应类型存在，相对简单，较多的实验试样以两种或两种以上的反应类型存在，导致热重曲线试题难度增加，需要分步解答。文献中18道试题根据失重方式不同分属六大类型，具体不同试样的失重方式统计如表2所示。

如以CuSO4·5H2O为试样的热重曲线试题在文献中出现次数最多（20次），占全部试题总数近半（47.6%），其中19次均是以单一脱水反应类型出现，只有1次是以多种组合的反应类型出现的。房寿高在“热重分析类化学计算题的解题方法”[2]中详述了CuSO4·5H2O试样在不同条件下以脱水、分解、氧化、还原反应类型逐步失重过程，该热重曲线试题较其他试题明显不同。对比中凸显出试样失重方式与试题难易程度的相关性，而现有文献中尚无此方面的论述，有关内容需进一步研究。

2.3 实验气氛

热重法实验在不同的温度条件下进行，试样可能会和气氛中的物质反应，所以实验气氛是影响热重曲线的重要因素之一[3]。文献中18道试题涉及试样实验气氛统计如表3所示。

可以看出，未指明实验气氛情况的较多（14次，77.7%）；明确指出实验气氛情况较少，分别是空气气氛（2次，11.1%）、先氩气后空气气氛（1次，5.5%）、隔绝空气气氛（1次，5.5%）。说明现有文献中关于实验气氛条件叙述不够明确，默认情况较多，忽视实验气氛对热重曲线的影响。或许是考虑到该因素较复杂，超出学生认知水平不属于中学化学考查范围而特意模糊处理。这与热重实验精密严谨相悖。在查阅资料中我们发现同样的试样实验气氛不同，失重反应的类型也不同，热重曲线也不尽相同。如胡金华在“看特点识图表想原理巧整合”[4]中提到FeC2O4·2H2O先在氩气气氛中失重后在空气气氛中加热的热重曲线和李万春在“明确图像类型探究解题方法”[5]中提到FeC2O4·2H2O在隔绝空气实验气氛的热重曲线明显不同。所以建议命题者结合具体情况谨慎确定实验气氛，尽可能减少不必要的歧义。

2.4 解题思路

不同试题有不同的解题方法，同样的试题也有不同的解题方法。文献中试题的解题方法统计如表4所示。

从表中可见，差量法（5次）出现次数最多，相对分子质量法（摩尔质量法）（4次）、设化学式再验证的假设法（4次）次之，公式法[6]（1次，同一篇文献出现4次，所以仍算1次）是最新解研究成果，次数最少，另外个别题目无解析过程不做分析。可以看出热重曲线试题解题方法较多，说明试题蕴涵的信息较多，思维发散较好。同时我们发现各种方法亦各有优劣，如差量法要求学生对失重物质较为熟悉，且无法解决同时失重两种物质的情况；相对分子质量法要求学生对物质的化学式较熟悉，而大多数中学生对陌生的中间产物往往很难快速作出判断，需要多次验证；假设法要求学生有较充实的知识储备，否则茫无目标缺乏针对性；公式法基于金属元素守恒结合相对分子质量法，不考虑反应过程，计算简洁明了，但是要求学生强化记忆公式，很难培养学生的思维能力。所以各种方法混杂不利于学生构建清晰的思维结构，也不便于教师系统性讲授和推广，无疑增加了试题的难度。因此有必要深入研究热重曲线试题的一般解题思路和模式，便于教师讲授和学生接受。

3 总结和建议

针对热重曲线试题的现状、特征和考查内容，笔者认为解答问题的关键是在正确识图基础上根据试样失重的反应类型，抽象概括出一般解题模式。在日常的教学活动中，可以通过深入探讨教材中典型实验，引领学生从识图作图训练中提高采集转换图像信息的能力，然后基于热重试样的失重方式探寻建立热重曲线的一般解题模式。

3.1 探讨教材实验，多方式多角度解读典型实验

热重分析法是大学知识，中学化学课本上没有热重法实验及分析仪的介绍，而中、高考试题上却有此类题目出现，说明热重分析的原理并不难，且试题材料中均已给出。解决此类问题的知识技能符合课程标准要求，即教材中一定有此类知识的本源。教育解释学认为，教材作为学生学习的资源和工具不是一个封闭体，教材的“空白”让师生提供联系和想象的源泉[7]。基于此，一定能找到此类问题的本源知识点。分析热重曲线试题发现其与质量守恒定律及化学方程式计算有密切联系，所以在教学过程中特别是实验教学时，教师应立足学生认知水平，围绕知识技能目标，重视呈现实验数据产生的过程，帮助学生形成严密的正向思维结构，而不仅仅是要求学生牢记实验现象和结论。如初、高中化学教材中有溶解度曲线、酸碱中和滴定的pH变化曲线、溶液导电率测定曲线等等，教师在教学过程中，应注重引领学生理解数据采集、绘制及变化趋势的原因，尝试从文字数据到图像数据等多方位描述实验本质，不断引导学生从文字知识向图像知识迁移和能力提升，进而提高解答热重曲线类问题的思维品质。所以深入探讨教材中的典型实验，通过对实验数据的采集、归纳、反思、积累，有利于提高学生理解、分析、综合应用图像信息的能力，也有利于学生从被动接受学习方式向主动建构学习方式的转变。

3.2 重视识图作图，提高学生采集转换信息能力

研究近几年来的中、高考试题，发现图像类试题的比重越来越大（譬如热重曲线试题的风靡），学生解答此类问题时遇到的障碍主要有：对图形含义理解不清，没有从作图的角度去识图；对失重过程中导致质量差的缘由理解不清。有资料表明[8]，图像数据的隐蔽性较表格数据、文字数据的隐蔽性强，学生对文字、表格、图像数据吸收的有效信息依次减少，所以试题信息的呈现方式无疑会增加试题的难度，很大程度上影响学生的思维深度。纵观热重曲线试题考查的内容无不基于图像信息，所以解答此类问题的首要问题是识图，正确认识热重曲线中基本线段的涵义是突破思维障碍的关键。热重曲线中涉及到的基本线段有三类，见图1。水平线段a表明物质质量不随温度改变，即在此温度范围内物质不失重；垂直线段b表明在某温度下物质失重（方向向下）或增重（方向向上）；倾斜线段c、d，其中向右下倾斜线段c表明物质随温度升高逐渐失重，向右上倾斜线段d表明物质随温度升高逐渐增重。上述线段a对应物质不发生化学反应，b、c、d对应物质发生化学反应。

明确热重曲线中线段的涵义后，在日常教学过程中，要善于结合实验引导学生根据物质的状态、变化等绘制热重曲线草图。如在实验室加热高锰酸钾制氧气的实验中，有关实验数据[9]表明加热至200℃时开始分解失重，200～400℃范围逐渐失重至完全，400℃以上物质质量不再改变。在此基础上引导学生把实验数据转换成图像信息，绘制高锰酸钾制氧气的热重曲线，如图2所示。因此，我们在日常的教学中重视对学生识图作图能力的培养，久而久之会使学生养成正确的文字数据-曲线信息-化学符号认知思维习惯，提高思维的整体性，从而使学生的创造性思维得到发展，为考试中能迅速从陌生的图像信息中采集、吸收、转换、整合化学信息的能力奠定基础。

3.3 分析失重方式，探寻热重曲线试题解题模式

从现有文献中发现，热重曲线类试题解题策略较为分散没有系统模式可以遵循，不便于教师讲授，也不利于学生构建知识体系，很难形成严密的思维结构。教育解释学认为，要从根本上提高学生的解题能力就要突出程序性知识和策略性知识的地位[10]。而建立解题模式，无疑是实现低耗高效提高效率的有效途径。通过上述研究发现，试样的失重反应类型是热重法实验的关键所在，失重方式决定了热重曲线的类型，影响解题思路。通常热重法实验中试样失重方式集中在脱水、分解、氧化、还原上，所以基于此可以尝试探索解题模式如下（以水合物脱水、氢氧化物分解和氧化物氧化为例），如图3所示。具体运用详见下例分析。