“化学实验方案设计”高考考点分析及其教学实践

王景　陈元庆

摘要： 对高中化学实验方案设计的教、学、评现状以及“实验方案设计”高考考点和相关核心素养进行了分析，提出基于物质性质及其变化画出实验原理流程图、基于流程图进行文字表达以及基于实验操作要求进行优化，取得良好的教学效果。

关键词： 化学实验方案设计; 核心素养; 流程图; 思维模型

文章编号： 10056629（2020）01009004

中图分类号： G633.8

文献标识码： B

“实验方案设计”作为江苏省高考化学试题的热点和难点题型，其教与学困难重重，评价结果也不够乐观。

1高中化学实验方案设计的教、学、评现状分析

高中化学“实验方案设计”试题通常以工业上某种重要的无机物的制备、含量测定等为背景，体现了化学是“真实的”“有用的”。试题的呈现方式也是丰富多彩，除文字外还有流程图、装置图、坐标图和数据表等，考查学生从这些文字和图表中获取对解题有用的信息的能力;另外，试题也重点考查了学生对化学实验操作技能的熟悉程度、实验原理的理解程度以及实验方案的设计和评价能力。在“2017年江苏省普通高中学业水平测试（选修科目）说明”中评为“综合应用;较难”。

从评价数据分析可以看出，南京市三届学生12次模拟考试本小问的得分率都不高，基本上只有全卷得分率的一半。随着一轮复习和二轮复习的进行，得分率也不见明显提高。考试说明中标注的“较难”实际上成了“极难”，说明我们的教与学还存在很大的提升空间。

结合阅卷分析和学生访谈，可知学生“实验方案设计”的错误归因主要是4个“不到位”： 理解原理不到位——主要是对化学反应的原理认知模糊，不会分析判断存在的关键物质及其物理、化学性质;规范操作不到位——主要是不清楚关键物质的物理、化学性质及其变化对实验操作、试剂用量的要求;信息加工不到位——主要是不能有效提取关键物质的物理、化学性质并进行相关实验原理、操作的选择处理;文字表达不到位——主要是不能合理表达依据物质的物理、化学性质得出的操作方法、步骤等。学生学得艰辛，其原因一部分是试题本身的难度较大，还有一部分在于教师教得不得法。

一些教师在设计“实验方案设计”复习课时，往往从以下四个方面进行分类： 一是制备实验。要考虑物质的性质，是否易水解、易被氧化等，尽可能提高产物产率和纯度，反应速率恰当;二是提纯实验。以不引入新杂质为前提，选择来源广泛的廉价原料，选择取滤渣还是滤液;三是定量探究实验。答题要考虑的角度有（1）气体增重实验，一般缺省残留气体处理操作;（2）气体排水实验，一般缺省液面调平操作;（3）滴定实验，一般缺省滴定管洗涤操作;（4）空白实验，是为了减小误差;四是制备高纯物质时，要考虑溶液的酸碱性的影响。以上分类，教师说起来一目了然，学生做起来却是晕头转向，甚至经常出现将简单的“物质鉴定（或提纯）方法”当成“实验方案设计”而大书特书的情况。新课程鼓励实验教学，对演示实验与学生实验有一定要求，但不少学校基础年级的化学实验教学实际上弱化了很多，高三化学复习更是很难去进行“性价比”较低的化学实验，尤其是较真实的情境实验。再加上学生习惯了“照方抓药”，而“实验方案设计”往往要求面面俱到，导致学生顾此失彼、望而生畏，教师也觉得难以把握。

22014～2018年江苏高考化学实验方案设计考点及核心素养分析

从表1可以看出，本题一般在真实的实验背景下，进行物质制备、提纯及含量测定等。主要从化学试剂和实验仪器的选用、实验方案的设计、实验关键步骤的理解以及实验方案的完善等方面，考查学生对实验操作技能的熟悉程度、实验原理的理解和应用程度、实验方案的设计和评价能力，特别是考查学生在化学实验背景下发现和解决问题的能力以及根据图表信息形成结论的能力。试题从物质的制备到含量的测定都选用学生熟悉的实验室方法，意在引导中学化学重视实验教学，重视培养学生的化学实验能力，充分发挥化学实验在中学化学学习中的作用[1]。尤其是“实验方案设计”这一问，重在考查学生对补充完整实验过程和相关实验原理的理解程度以及思维的全面性与缜密性。

按照2017版高中化学课程标准，“实验方案设计”相关核心素养主要是“能从问题和假设出发，依据探究目的，设计探究方案”[2]，相关课程目标主要是“能依据探究目的设计并优化实验方案”[3]。“实验方案设计”涉及“变化观念与平衡思想”“证据推理与模型认知”以及“宏观辨识与微观探析”等核心素养，关键是“基于物质性质的设计”。学生的错误归因也揭示了对“实验原理（物质性质及其变化）”的困惑。

因此，我们在教学中应该把握“物质性质及其变化”这个关键要素，据此來确定实验原理，设计反应方案，选择控制反应的条件，分离提纯产品或进行含量的测定。

3流程图的使用与思维模型的建立

基于以上分析，学生在此遇到的困难，主要在于不会透过题中文字或图表蕴含的信息提炼出物质的变化（转化）过程，进而依据物质性质及其变化设计合理的实验步骤，形成完整的实验方案。笔者尝试基于物质性质及其变化，将“实验方案设计”分为3个主要步骤： （1） 绘制基于物质性质及其变化的实验原理流程图;（2） 完成基于实验原理流程图的文字表达;（3） 进行基于实验操作要求的优化。如此，学生便能根据教师的强烈提示抓住“基于物质性质及其变化”这个关键要素，利用“流程图”这个直观形式展开设计与完善。教师再采用板书的形式进行示范，引导学生将相关反应物、生成物以流程图的方式表示出来，理清物质转化的来龙去脉，以物质性质及变化为主要依据画出实验操作流程图，再转化为文字表达，最后依据实验要求加上修饰词（试剂用量，洗涤次数……）。试举例分析如下。

例（江苏高考化学2013年19题，节选）

某研究性学习小组欲从硫铁矿烧渣（主要成分为Fe2O3、 SiO2、 Al2O3）出发，先制备绿矾，再合成柠檬酸亚铁。请结合右图（略）的绿矾溶解度曲线，补充完整由硫铁矿烧渣制备FeSO4·7H2O晶体的实验步骤（可选用的试剂： 铁粉、稀硫酸和NaOH溶液）： 向一定量烧渣中加入足量的稀硫酸充分反应，______，得到FeSO4溶液，______得到FeSO4·7H2O晶体。

步骤一绘制基于物质性质及其变化的实验原理流程图（见图1）。

步骤二完成基于实验原理流程图的文字表达。

过滤，向滤液中滴加过量的NaOH溶液;过滤，向固体中加入足量稀硫酸;再加入足量的铁粉，过滤（得到FeSO4溶液）;结晶（得到FeSO4·7H2O晶体）。

步骤三进行基于实验操作要求的优化。

过滤，向滤液中滴加过量的NaOH溶液，过滤，充分洗涤固体，向固体中加入足量稀硫酸至固体完全溶解，再加入足量的铁粉，充分搅拌后，过滤（得到FeSO4溶液），（滴加稀硫酸酸化）加热浓缩得到60℃饱和溶液，冷却至0℃结晶，过滤，少量冰水洗涤，低温干燥（得到FeSO4·7H2O晶体）。

当然，本例第一空的答案还可以是“过滤，向反应液中加入足量的铁粉，充分搅拌后，滴加NaOH溶液调节反应液的pH约为5，过滤（得到FeSO4溶液）”，对应的步骤及实验原理流程图从略。

这样，先根据物质性质及其变化进行制备流程分析，寥寥几行就得出物质转化的关系以及实验原理;然后根据实验原理的流程图形成文字表达;最后，根据化学实验操作要求进行优化，完成解题过程。

4基于核心素养的化学实验方案设计教学的效果与反思

我校2017～2019三届高三化学依据此思维模型进行“实验方案设计”的复习，基础稍差的物化班学生基本上能够分析出正确的实验原理，进行比较简明的文字表达，得出比较合理的优化结果，在模拟考试和高考中拿到比较高的分数。

此外，本校化学教师在学业水平测试（必修科目）化学复习中，也对有关“实验方案设计”的内容采用了此思维模型进行复习。清清楚楚的步骤和扎扎实实的效果，有力地帮助学生树立了冲击好成绩的信心。

其实，在化学实验教学中使用“流程图”聚焦核心素养建立思维模型的做法，在教材中也有例子。比如人民教育出版社1995年版高级中学课本《化学（选修）》第三册总复习题第13题（节选）[4]：

实验室里有一瓶氯化钾和氯化钙的固体混合物，通过下面的实验可确定该混合物中氯化钾和氯化钙的质量比，也可制纯净的氯化钾（实验步骤如图2所示）。

由于有了“流程图”形式的“实验步骤”的存在，学生的思维过程就比较清晰，因而比较容易建立认知模型，理解实验原理，进行证据推理与实验设计。

相反，如果教师在“化学实验设计”备课中偏离“物质性质及其变化”这个高中化学核心素养的关键要素，大张旗鼓地进行“就实验讲实验”的所谓复习： 制备实验、提纯实验、定量探究实验、气体增重实验、气体排水实验、滴定实验、空白实验……，不同标准分类的实验类型一交叉，必然衍生出更多的类型与注意事项，令不少学生产生畏难情绪感到万分沮丧，亦令化学教师自己也感到不胜其烦，最终结果每次都是草草收场。

高中化学教学中，化学实验是学科核心素养的重要构成要素。通过基于核心素养的教学设计而不是题海战术帮助学生提高化学实验设计解题能力，不仅可以提高相关考试的成绩，形成化学学科的思想和方法，还有利于启发学生的科学探究与创新意识，培养学生的科學态度与社会责任感，促进学生化学学科核心素养的全面协调发展[5]。

参考文献：

[1]江苏省教育考试院. 2017年江苏省普通高中学业水平测试（选修学科）说明[M]. 南京： 江苏凤凰教育出版社， 2016： 49.

[2][3]中华人民共和国教育部制定. 普通高中化学课程标准（2017年版）[S]. 北京： 人民教育出版社， 2018： 72， 4， 6.

[4]人民教育出版社化学室. 高级中学课本·化学（选修）（第三册）[M]. 北京： 人民教育出版社， 1995： 122～123.

[5]陈元庆， 嵇世宝. 中学化学基本概念与基础理论的教学策略研究[J]. 化学教学， 2007， （8）： 3～6.