用好高考化学实验题 培养学生证据意识

赵长宏

证据意识，是化学学科核心素养的重要内容。教育部公布的《普通高中化学课程标准》[1]指出：“具有证据意识，能基于证据对物质组成、结构及其变化提出可能的假设，通过分析推理加以证实或证伪；建立观点、结论和证据之间的逻辑关系。”因此，化学教学中既要培养学生收集信息、处理信息、基于证据进行科学分析和推理的能力；又要引导学生学会搭建证据和结论间的思维路径，做到分析推理结果的科学性和有效性。

一、问题的提出

在教学中经常会发现学生对证据意识关注不够。主要表现为：愿意做选择题，不愿意做简答题；愿意回答“是不是”“对不对”的问题，不会思考“为什么”的问题；在简答题中，更多关注用到什么知识点，而不关注如何将知识点以完整的思维路径进行展示和表述；听习题讲评时，也只注重答题结果正确与否，而不关心解题证据的寻找和挖掘。长此以往，不仅损失了思维能力提升和锻炼的机会，更缺少了科学研究所必需的证据推理意识。

二、解决问题的方法

学生的证据意识需要有意识地培养。化学是以实验为基础的学科。由于化学的学科特点，在获取证据的过程中，常会采用实验的方法，以实验现象和实验数据做为检验假设的证据[2]，因此化学实验是培养学生证据意识的重要素材。高考化学实验题，在真实、复杂的实验情境中，充分整合核心物质性质、物质转化途径、物质变化条件，实验现象复杂多变，影响因素多种多样。充分利用高考实验素材，可以帮助学生学会如何有效筛选、提炼有用信息，结合已有的知识进行分析、解释和推理，完善分析推理路径，从而不断提高基于实验事实或实验证据的分析推理能力，提高证据意识。

1.精心挑选高考例题 准确判断思维难点

以2011年北京高考理综第27题为例[3]。

题干阐述：甲、乙同学为探究SO2与可溶性钡的强酸盐能否反应生成白色BaSO3沉淀，用图1所示装置进行实验(夹持装置和A中加热装置已略，气密性已检验)。

图1 反应装置

题中已知：将Cu和浓硫酸的混合物加热后，A中有白雾生成，铜片表面产生气泡。将气体通入B和C的可溶性钡盐溶液中，均得到不溶于稀盐酸的白色沉淀。

选题理由：本题以铜和浓硫酸反应生成的SO2的性质为载体展现了一个完整的探究过程。该探究过程不仅含有“提出问题、猜想和假设、进行实验、收集证据、解释和结论、反思与评价、表达与交流”等要素，而且蕴含解决问题的科学方法和深入思维的过程。学生需要面对含有多种变量的问题，控制变量、进行假设、运用实验逐一验证，这样才能得到合理而科学的结论[3]。而这正是一个依据假设收集证据、利用证据支撑结论的过程。

对于高三的学生而言，结合已有的知识，可以分析得出，铜片和浓硫酸加热反应时生成SO2；从复分解反应角度，学生也可以判断得出，题中两种可溶性钡盐中生成的不溶于稀盐酸的白色沉淀，只能是BaSO4，不会是BaSO3，因此探究实验的结论很明显。但是，对于SO2通入B中的BaCl2溶液和C中的Ba(NO3)2溶液中，为什么都会出现BaSO4沉淀，需要学生主动调用已有的知识，并且通过对题中所给信息的仔细筛选、甄别和处理，进行深入细致的对比分析、假设、推理和验证，才能得出。

因此，适合选做例题，指导学生进行证据分析和推理的实践。

2.“聚焦—拆解—分析—引导”凸显证据推理过程

(1)依据学情 实现问题聚焦

关于SO2通入C中的Ba(NO3)2溶液中出现BaSO4沉淀的原因，学生很容易发现过程中S元素化合价发生了变化，并能够结合已有的氧化还原反应知识，在体系中寻找引起化合价变化的原因：因为SO2溶于水后溶液呈酸性，酸性溶液中NO3—具有强氧化性，将+4价的S元素氧化为+6价S元素，从而生成BaSO4沉淀。所以，可以判断出C中溶液体系中自身存在的氧化剂是出现BaSO4沉淀原因。

而对比B中的BaCl2溶液，体系自身并没有提供强氧化剂，但是也产生了BaSO4沉淀。因此，教学中将问题聚焦为“B中的BaCl2溶液中可产生不溶于稀盐酸的BaSO4沉淀产生的原因”。

(2)改编信息 实现难点拆解

结合学生已有知识和对题意的分析掌握程度，设计驱动性问题，将聚焦的难点问题进一步拆解、转化，引导学生再思考。

问题1：SO2能和Ba(NO3)2溶液反应生成BaSO4沉淀，为什么？

意图：引导学生回忆实现物质转化的氧化还原反应视角。

问题2：SO2能和BaCl2溶液反应生成BaSO3沉淀吗？为什么？

意图：探查学生关于物质反应的判断视角是否全面，引导学生从物质类别和化合价变化两个角度实现物质转化。

问题3：若使SO2和BaCl2溶液反应生成BaSO3沉淀，需要补加哪些物质？为什么？

意图：在“补加”物质的任务驱动下，引导学生观察在没有化合价变化的前提下，只从物质类别转化角度，引导学生思考反应发生的条件和实现反应的路径。

问题4：若使SO2和BaCl2溶液反应生成BaSO4沉淀，需要补加哪些物质？为什么？

意图：通过改变产物中S元素化合价，引导学生思考既有物质类别变化、又有化合价变化的情况下，思考转化原理，选择“补加”物质，再次夯实实现物质转化的两个常见角度。

(3)对比分析 实现思维外显

对于SO2能和Ba(NO3)2溶液反应生成BaSO4的思考路线如图2所示。

对于SO2通入BaCl2溶液中出现BaSO4沉淀的思考路线如图3所示。

图3 SO2通入BaCl2溶液中反应过程的思考路线

由此，制造认知冲突：两个体系中虽然都生成了BaSO4沉淀，但是原因是不一样的。前者很容易在体系中找到氧化剂，而后者在体系中并没有合适的氧化剂。因此，将SO2通入BaCl2溶液中，若发生氧化还原反应，需要在环境中寻找是否有合适的氧化剂；若不发生氧化还原反应，需要思考何种反应、何种物质的介入可以产生BaSO4沉淀。从而引领学生深入思考，除了SO2气体外，同时还有何种气体可能进入了可溶性钡盐溶液，如何证明？这样，将学生的分析思路由单一的氧化还原反应实现物质转化，引向对实现物质转化的多角度的分析；将学生的观察视角由单一的反应体系内物质的观察，引向对体系、环境、反应条件等多重因素的全面审视。

(4)引导推理 实现证据支撑

关于第一种可能性，SO2和BaCl2溶液反应生成BaSO4沉淀的原因是发生氧化还原反应，那么环境中是否有合适氧化剂？观察实验装置示意图，学生可以发现，因为实验前没有进行排空操作，所以空气中氧气可能是潜在的氧化剂。而证实假设的方法就是先排空后再进行实验。这在原题中第四个小问题设问及解答过程中有所体现，教学中可以作为实验证据提供支持。

关于第二种可能性，若不发生氧化还原反应，从BaCl2的性质考虑，可以通过发生复分解反应，和可溶性硫酸盐或者硫酸生成BaSO4沉淀。根据硫酸盐和硫酸沸点分析比较，硫酸铜挥发的可能性极小，因此可能是加热条件下挥发出的硫酸蒸气进入体系。证实的方式是将SO2气体通过饱和NaHSO3溶液除杂后再进行实验。这个假设和验证同样在原高考题的第四个小问题设问中有所体现。

至此，教学中设计“问题聚焦—难点拆解—思维外显—证据寻找”的过程，帮助学生体验了收集信息、处理信息的过程，依据信息提出合理假设，并基于证据进行科学分析和推理、证实或证伪。学生能够体会到，在解决真实复杂实验问题时，学会全面关注体系、环境或者反应物、生成物以及副反应、副产物的出现，学会分析干扰因素、筛选信息，选择确凿的证据，学会搭建证据和结论间的思维路径，是实验结果具有科学性和有效性的重要保证。

三、教学后的感悟

1.设计良好驱动性问题 示范推理路径 有利于学生证据意识培养

学生证据意识的培养，需要学生自主发现问题、提出假设以及收集证据、获得结论[1]。而这种自主性的培养，需要在教师精心设计驱动性问题的引领下逐渐形成。精心设计的驱动性问题，不仅可以帮助学生夯实典型物质性质，巩固物质转化思路，更能引导学生思维逐渐走向高阶，由单一到多元、由孤立到全面，在理论猜想的基础上敢于调动已有知识和能力进行大胆的实验设计和验证，在不知不觉中体会真实复杂问题解决过程中证据推理过程和证据意识的重要性。

2.认真选择高考例题 制造认知冲突 让高考题成为高考教学的真实素材

不将高考题照搬全抄，而是对精选高考题根据教学需要进行节选或者改编，从学生已知的、熟悉的物质反应和物质变化入手，让学生经历“理论分析”和“真实问题解决”过程中的认知冲突，帮助学生逐步完善有效证据和科学结论间的分析推理路径，提升学生证据意识和科学精神。使得在整个教学过程中，学生始终围绕明确教学主题展开思考和讨论，注意力集中，不仅提高课堂效率，更体现了高考题作为教学素材要为高考教学服务的宗旨。

3.教师适当展开追问 引导思维生长 帮助学生构建证据和结论间的关联

探究教学的核心是学生基于自己的基础和经验对问题做出假设，并在证据的基础上进行合理解释。思维水平高的学生可以解决难度大、开放度大的问题，而思维水平较低的学生可以选择难度较小的问题进行探究活动，活动过程中教师还可以根据学生的情况，随时给予引导和支持[2]。不同思维水平的学生探究能力各不相同。教师围绕具体细节问题进行有目的地追问，尽量外显完整思维路径，可以帮助思维水平较低的学生在问题驱动下，不断收集、筛选和应用信息，进行基于证据的分析推理。让学生认识到真实问题的复杂性和多变性，养成有意识梳理证据和结论间关联的思维习惯，更让学生体会到在具体问题解决中，证据和推理路径的重要性，不断提升证据意识。