“实验方案设计与评价”的高三化学实验复习

黄顺红

摘 要 “实验方案的设计与评价”类考题是近年来高考的一个热点。这种题型信息量大、考点多、综合性强、思维水平要求高，增加了高三复习的难度。课例以化学平衡移动的复习为切入点，基于真实情境，以问题为导向，引导学生根据“反应可逆、存在平衡移动”等实验目的完成实验方案的设计与评价，实现对化学平衡知识点的复习及学生科学探究素养的提升。

关键词 高中化学 实验方案设计与评价 平衡移动 复习教学

一、问题的提出

《普通高中化学课程标准（2017年版）》（以下简称为课程标准）明确提出，化学学科核心素养包括“宏观辨识与微观探析”“变化观念与平衡思想”“证据推理与模型认知”“科学探究与创新意识”“科学态度与社会责任”等[1]3-4。“科学探究与创新意识”（素养4）要求学生能从问题和假设出发，依据探究目的，设计探究方案。根据不同的教学内容与要求，素养4又被划分为4个认知水平，详见表1。能够根据实验目的进行简单的实验方案设计是课程标准的基本要求，而能够综合性地设计多种实验方案并进行评价是对教学的高阶要求。

笔者查阅了近3年以来的高考题，发现其中考查化学实验方案设计与评价的考点非常多、非常细，既可以把实验设计过程中的一个点作为考点，如仪器的选择、试剂的选择、终点的判断等，也可以把对一个方案设计环节的评价作为考点，如某装置的使用优点、某试剂的选择原因、某制备方法的不足等。由于设计与评价是密不可分的，因此，在高考考题中，往往把两者“捆绑”在一起进行考查。出题角度有以下几种：（1）实验原理、现象、结论的因果关系;（2）选择合适的试剂设计实验方案;（3）自选试剂、自定方案，开放性设计实验;（4）比较方案的优劣性，或阐述某个装置、环节的优缺点;（5）仪器的链接、操作的排序、操作失误或顺序打乱的误差分析等。

实验方案设计与评价的水平是学生化学水平尤其实验能力的高阶体现，包括学生对实验题目的认识，对实验步骤的设计、评价及相应的改进与优化，同时还包含对实验现象与结果的判断、分析的综合能力[2]。因此，从实验设计与评价的视角重新温习、梳理学过的知识，既新鲜又有意义，符合课程标准提出的素养为本的教学宗旨和高考的要求。笔者选取“化学平衡移动”来例谈如何创设情境，选择适当的素材驱动学生进行实验设计与评价，根据素养水平制定相应教学任务，以及教学实施的效果与启示。

二、情景素材的选择

选择合适的情境素材有利于达成高三复习的高效性。高考真题及某些经典试题是重要的素材库，这些素材可以用来改编成适合相关复习课使用的试题。以下是本课例的素材选择及素材使用思路。

素材1 经典题型（节选）。某研究性学习小组为证明2Fe3+ + 2I- [] 2Fe2+ + I2为可逆反应（即反应存在一定的限度），设计的几种方案详见表2。

[素材使用思路]这个素材非常简单，但是信息非常丰富，有颜色的变化，有萃取知识，有平衡移动问题，还有电化学与平衡移动知识的结合，是高中化学平衡相关知识整合的一个经典题目，适用于高三的综合复习，有利于唤醒学生化学平衡知识的相关记忆。结合实验设计与评价的教学目的，笔者把这个题目改成表格探究题，让学生从实验现象、实验的原理、评价实验方案3个角度对各组实验进行点评，思维层层递进，既降低难度，又为实验方案的设计与评价提供了思维模板。实践证明，学生一旦形成对某一问题的认知模型，在遇到类似的问题时，就会自觉地运用已有的认知模型去分析和解决问题，即“借助建构出来的模型进行学习与迁移”[3]。

素材2 2014年广州二模33题（节选）。已知Fe3+水解而呈现黄色，以硝酸铁为研究对象制定方案，探究影响盐类水解因素。可选择的试剂和仪器：1 mol/L硝酸、0.05 mol/L以及0.5 mol/L硝酸铁、小苏打、1 mol/L氢氧化钠、H2O、冰水、pH计等。

[素材使用思路]这道实验探究题是半开放性实验设计题，它虽然给出影响盐类水解因素的实验目的，但是没有指定要研究哪项影响因素;虽然给出材料试剂，但是没有指定用哪种试剂。有了实验设计与评价的思维模板为抓手，学生依据材料就能完善实验方案设计。在素材使用的过程中，可以删减部分限选材料，也可以换掉部分材料，或者让学生从限选到自选逐步提升。

素材3 2015年全国Ⅰ卷26题（节选）。实验证明：①草酸的酸性比碳酸强   ;②草酸是二元酸   。

[素材使用思路]2015年的全國Ⅰ卷出的是一个完全开放性的实验设计，适用于学生对实验设计与评价过程较为熟悉的阶段。由于本课例以化学平衡为主，因此，笔者只选用了证明草酸是弱酸这个素材。草酸是二元酸这个定量实验设计素材可以放在课后练习中使用，以完善课堂无法兼顾的定量设计问题。

三、教学思路与流程

（一）教学思路

笔者以真实情境为教学素材，综合复习化学平衡中的四大平衡：化学平衡、弱电解质电离平衡、盐类水解、沉淀溶解平衡的相关知识点，设计的教学思路如图1所示。

（二）教学流程

1.创设情境，使学生初步体验实验方案设计的评价。

[情境引入、提出问题]给定情境，向5 mL 0.1 mol/L的KI溶液中，滴加2 mL 0.1 mol/L的FeCl3溶液。同学们，我们知道，混合溶液中会发生反应：2Fe3+ + 2I- ? 2Fe2+ + I2，如何证明这个反应是一个可逆反应呢？老师准备了四组实验方案，请看表3。请同学们思考三个问题：①每组实验方案对应的现象是什么？②实验方案设计的原理是什么？③这个方案可行吗，有没有可以改进的地方？

表3 四组实验方案

[方案 实验操作 示意图 现象 原理 评价 1 加入2 mL四氯化碳，振荡后静置，溶液分层。取上层清液，滴加硫氰化钾 2 ①取少量反应液，滴加AgNO3溶液，

②再取少量反应液，加入少量CCl4，振荡，静置 3 往溶液中滴加NH4F溶液（FeF63-是一种无色稳定络离子） 4 ①设计如图原电池装置，接通灵敏电流计，指针向右偏转

②当指针读数变零后，在乙烧杯中加入1 mol/L FeCl2溶液 ]

[学生分组讨论、汇报]学生1：对于方案1，实验现象是溶液下层紫红色，上层血红色;实验原理是通过确定溶液中同时存在Fe3+和I2，即同時存在反应物和产物来证明反应可逆。对于方案的可行性，我们出现争议。有人指出因为没有隔绝空气，所以存在产物Fe2+能被氧气氧化成Fe3+的可能，无法证明血红色的来源，应该对方案进行改进：在隔绝空气下操作。（学生们豁然开朗）

学生2：对于方案2，实验现象是开始有黄色沉淀，后溶液分层，下层紫红色;实验原理是证明溶液中同时存在I-和I2，即同时存在反应物和产物，原理和第一组一样。对于方案的可行性，我们又出现争议。有人指出方案不可行，由于I-过量，不论反应是否可逆，现象都一样。（学生顿时表示赞同）

学生3：对于方案3，实验现象是溶液颜色变浅。实验原理是用减少反应物浓度平衡逆向移动来证明反应可逆。通过前两组的实验汇报，我们组很快找出设计方案中存在的问题，由于加入的是溶液，带进了水，浓度会减小。应该对实验进行改进：选择加入NH4F固体。

学生4：对于方案4，实验现象为指针开始向右偏转，说明反应发生。当加入FeCl2溶液，由于浓度增大，指针向左偏转，说明反应逆向进行，这个方案可以。（在教师引导下，学生还完成了原电池的正负极反应式书写）

[教师小结]同学们，通过这个题目，我们可以总结出设计实验方案的一般思路，也就是思维模型：第一步，明确实验目的;第二步，根据实验原理，设计实验方案（包括试剂的选择、步骤的先后）;第三步，优化实验方案（试剂更优、步骤更少、现象更明显、结论无争议）;第四步，描述实验现象并得出实验结论，同时进行文字描述。在设计实验的过程中，要综合考虑科学性、准确性、简洁性。

[设计意图]先创设一个真实的实验设计问题情境，教师给定不同的实验方案，让学生依据实验目的对实验方案进行评价。初步感受实验方案设计的严谨性，既要考虑现象，又要考虑用量，还需要分析原理是否合理等，为学生打开实验方案评价的大门。这样做，是对素养4“科学探究与创新意识”中水平4的很好落实，即能根据文献和实际需要提出综合性的探究课题，根据假设提出多种探究方案，评价和优化方案[1]91。而对实验方案设计思维模型的总结，也为学生的实验复习提供了方法。

2.指定试剂，制定实验目的，设计实验方案。

[提出问题]Fe3+因为水解而呈现黄色，以硝酸铁为研究对象制定实验方案，探究影响盐类水解因素。可选择的试剂和仪器：1 mol/L硝酸、0.05 mol/L及0.5 mol/L的硝酸铁、小苏打、1 mol/L氢氧化钠、H2O、冰水、pH计等。影响盐类水解程度的因素示例详见表4。

[学生分组讨论、汇报]学生1：探究温度的影响。操作：取少量0.5 mol·L-1  Fe（NO3）3于试管中，再将试管置于冰水混合物中。现象和结论：棕黄色溶液颜色变浅，说明降低温度能抑制Fe（NO3）3的水解。

学生2：探究某些盐溶液对水解的影响。操作：取少量0.5 mol·L-1  Fe（NO3）3于试管中，加入NaHCO3固体。现象和结论：出现红褐色沉淀，并有气体放出，因为HCO3-和Fe3+相遇会发生双促进水解反应，水解呈碱性的弱离子能促进Fe（NO3）3的水解。

学生3：对比试验。取等量0.05 mol·L-1  Fe（NO3）3分别置于两试管中，第一个试管加入等量水，第二个试管加入0.5 mol·L-1  Fe（NO3）3。现象：第二个试管颜色变深。结论：增大盐溶液浓度抑制水解。（教师引导：这个方案有没有问题？浓度本身是否会影响颜色？）

学生4：刚才那个同学说的不正确。虽然用对比实验能排除水的影响，但是由于第二个试管增大Fe（NO3）3浓度本身就会使溶液颜色变深，不能证明水解平衡发生移动，因此，这个方案不仅行不通，还有可能得到相反的结论。（学生在讨论中对问题逐步认识）

学生5：对比实验：取等量0.05 mol·L-1和0.5 mol·L-1  Fe（NO3）3分别置于两个试管中，测量两个试管中溶液的pH值。发现浓度越小，pH值越小，这说明浓度越小，水解程度越大。

[教师引导]这位同学的思路是非常清晰的。他通过对比不同浓度盐的pH值来判定浓度对水解的程度的影响。但是他的现象描述不严谨。我们应该通过两者pH值的差来判断，小于1，才能证明对应的结论。

[设计意图]在这个环节中，学生需要在指定的试剂范围内选择试剂，确定实验目的，设计对应的实验方案。这一设计，意在考查“科学探究与创新意识”素养中水平3的要求，即具有较强的问题意识，能在与同学讨论基础上提出探究的问题和假设，依据假设提出实验方案的能力[1]91。同时，笔者在分析学生方案的合理性中，也贯穿着对水平4素养的培养。

3.开放性实验的设计。

[提出问题]任选试剂，如何证明草酸是弱酸。这是我们非常熟悉的一类题。我们可以回顾一下这种完全开放性的考题，大家一定要注意文字描述的准确性。

[设计意图]由于这道题平时训练比较多，所以学生能又快又好地回答出来，并且提出的方案也非常多。可见，完全开放性题目有些看起来好像有难度，实际上给出的自由发挥空间更大。在此环节中，建议教师可以更多关注学生的文字表达。

[提出问题]同学们，经过学习，我们体验了实验方案设计与评价的方法。现在老师出个难题，请大家发挥聪明才智完成：Ca3（PO4）2、CaHPO4均为难溶于水的白色固体。某同学向Na2HPO4溶液中滴加CaCl2溶液至恰好反应，生成了白色沉淀。请设计一个简单的实验方案，来确定所生成的白色沉淀是Ca3（PO4）2还是CaHPO4 。由于时间关系，这个题目留给大家课后完成。

[课后作业节选]学生1：用玻璃棒蘸取少量恰好反应后的上层清液，点在pH试纸中间，若溶液显酸性，则沉淀为Ca3（PO4）2，反之，为CaHPO4。

学生2：把沉淀置于试管中，测pH值，加入NaOH溶液，混合、振荡、静置，再测定混合后溶液的pH值。如果pH值不变，则沉淀为Ca3（PO4）2，反之，为CaHPO4。

[设计意图]这个开放性实验设计源于一个陌生的情境，学生需要有较强的问题意识，提出假设，并设计相应的实验方案，是“科学探究与创新意识”素养中水平3和水平4的综合体现。

四、课后反思及启示

“实验方案设计与评价”试题将基础知识概括到系统层面进行整合，考查学生对学科知识整体性把握的水平[4]。通过课后反思，笔者发现，对于学生而言，本节课综合性较强，挑战性还是很大的。因此，笔者精选了一些高考题，并注重选择学生特别熟悉的题目以降低学习的难度。此外，课例还有不完善的地方，基于学情分析，教学内容稍多，学生消化的时间不够，若能用导学案的形式课前把题目发给学生效果会更好一些;应该结合实物投影，把更多的学生的文字表达展示出来会更好。经过教学实践，得到以下几点启示：

（1）实验方案的设计与评价这部分内容不可能只靠一节课或一个专题就完成全部復习。由于该内容涉及面很广，可以分散到每个章节的复习当中。例如，在复习完金属元素化合物、非金属元素化合物、元素周期律、化学反应与能量、水溶液离子平衡、电化学后，都可以增加一节实验方案的设计与评价，这样，就把难度分散，使学生能够逐步习惯这种类型的题目。

（2）复习不是简单的重复，而是要不断提高和总结。高考题的实验设计部分多数还是来源于教材中的实验，因此，以教材中的实验为素材来复习实验方案的设计与评价是有效的。在实验素材的选择上，要遵循深入浅出，教学的设计上要从易到难，不要强求所有设计与评价角度一步到位或面面俱到。

（3）实验方案的设计与评价渗透了很多科学探究的方法，例如，控制变量法、实验对比法等，有时候需要考虑定性分析，有时候要定量测试。所以在复习方案设计题的时候要注意及时总结方法，同时，也应该把绿色化学理念融合在化学设计与评价中。

[参 考 文 献]

[1]中华人民共和国教育部.普通高中化学课程标准（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2018.

[2]郑洁.高三化学“实验设计与评价”复习的教学实践研究：以Fe3+和I-反应的情境为例[J].化学教与学，2017（1）：66-69.

[3]周萍.例谈思维建模在实验方案设计与评价中的应用[J].化学教学，2019（6）：83-87.

[4]朱吉杰，卢勇.对中考“实验方案设计与评价”题的三层理解[J].中学化学教学参考，2014（9）：56-57.

（责任编辑：赵晓梅）