建立复杂体系综合实验探究的解题策略

曾璐 钟晓媛

摘要： 实验探究是高考的重点考查内容，也是学生学习的难点之一。针对学生存在的解题困难，对高考题进行改编，以真实的实验探究及模仿命制试题的教学过程，帮助学生在面对复杂体系的综合实验探究题目时，明确解题视角、梳理解题逻辑，最终形成解题策略。

关键词： 综合实验探究; 解题策略; 高考真题; 高三实验复习

文章编号： 10056629（2022）09008905

中图分类号： G633.8

文献标识码： B

《普通高中化学课程标准（2017年版）》中“科学探究与创新意识”是五个学科核心素养之一。要求学生认识科学探究是进行科学解释和发现、创造和应用的科学实践活动，并且了解其过程所包含的核心要素有： 提出问题和假设、设计方案、实施实验、获取证据、分析解释或建构模型、形成结论及交流评价等[1]。这些要素在课程标准中分为四个素养水平等级[2]，高考则在此基础上进行更为综合的考察。高三年级整理复习阶段，教师在学生已有基础之上进行实验探究的复习，目的在于综合提升学生的科学素养水平，以及进行有针对性的应用。

1 问题的提出

近年高考综合实验探究，要求学生不仅能够运用各类物质的性质进行物质的检验、分离和提纯，还要求学生能够设计、评价或改进实验方案;要求学生不僅会采取适当的方法控制实验条件，描述实验现象和收集有关数据，还能分析现象和处理数据并得出合理结论。这样的综合实验探究题，考查了学生合理猜想、找排干扰等的实验设计思路;控制变量、收集数据等的实验实施方法;分析证据、推理论证等的实验解释能力。

但在高三复习中我们常常发现，面对这样的综合实验探究题，学生表现出了一些共同的困难。通过分析，造成学生困难的主要因素是：

（1） 缺乏逻辑。对纸面叙述的实验逻辑不清晰，对实验探究的基本程序与思路不清楚。

（2） 缺乏视角。不了解题目考察所指向的知识与能力，不知道从何入手解题。

（3） 缺乏策略。容易陷入个别题目的无用信息中，没有归纳总结同类题目的共同特点，没有形成有效的解题策略。

如何在课时紧张的情况下有效突破学生在此类问题上的困难，就成了高三教学中的重要议题。

2 解决途径

选择合适的高考题，将其设计成为课堂教学，可避免一般复习课中探究问题难度大、角度偏、逻辑不够严谨等弊端。

本研究的高三实验探究复习课，选择的是2017年北京高考理综试卷中最后一道题（第28题）。题目情景为在验证反应“Fe+2Ag+Fe2++2Ag”的实验中检测到Fe3+，并给出了部分探究过程，要求学生将此过程补充完全。

选择该题作为本节课的素材，并将其改编成真实的探究过程的主要原因是： （1）素材熟悉，难度适中。探究所用试剂学生较为熟悉，但发生的反应多样，存在竞争关系，对学生的逻辑性、推理能力有一定的挑战。（2）具有教学的可操作性。实验探究的操作本身多为试管实验，对于学生较为简单，容易上手，题目中的探究活动所用时间适中。（3）涉及较多的考点知识。探究过程中需要用到铁及其化合物、硝酸的性质、氧化还原反应、原电池工作原理等知识内容，可以与复习物质的性质等知识相结合。（4）蕴含丰富的实验思想。探究过程中学生需要复习控制变量、对比实验、找排干扰等实验思想与方法，可以有针对性地复习科学探究的一般方法，帮助学生形成解决复杂体系问题的一般思路、方法，有利于形成解题策略。

本设计的教学目标： （1） 通过完成Ag+和Fe反应的探究，明确实验探究的一般思路。（2） 探究过程中，体会基本的实验思想，形成解决复杂问题的一般思路。（3） 通过命制一道实验探究题，反思命题过程，形成有效的综合实验探究题的解题策略。（4） 通过探究学习发展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核心素养。教学的重点为： 形成综合实验探究的解题策略。

3 教学过程

根据教学目标，将整个教学过程分为四个环节： 第一个环节重点在于提供学生拿到题目后的分析视角;中间两个环节让学生体会综合实验探究中分析问题的逻辑方法;最后一个环节则让学生跳出解题者身份，结合习得的视角与逻辑，综合归纳出此类题目的解题策略。教学过程示意图如图1所示。

3.1 初步实验，明确分析视角

教师提出探究目的： 探究Ag+和过量Fe粉反应中产生的异常现象。提供实验用品： 铁粉、硝酸酸化的0.05mol·L-1AgNO3溶液（pH=2）、稀硝酸、NaCl溶液等。学生依据学过的知识较容易预测发生的主要反应为2Ag++FeFe2++2Ag，并预测主要现象为黑色固体生成，溶液变为浅绿色。

学生实验1： Ag+与Fe反应的实验。向硝酸酸化的硝酸银溶液中加入过量铁粉。现象为试管底部有黑色固体，溶液无明显颜色。学生分析： 由于铁粉过量，所以不能通过试管底部的黑色固体即判断有Ag生成;又由于反应后溶液无明显颜色的异常现象，不能说明有Fe2+生成。教师应引导学生先验证： 预测的反应确实发生了。师生讨论，进行教师实验1： 取出反应后的一部分溶液，利用铁氰化钾产生蓝色沉淀检验Fe2+的存在。经过分析讨论，Fe2+的产生可能是Ag+氧化Fe的结果，也可能是NO-3在酸性环境下氧化Fe的结果。继续讨论，确定检验产物Ag存在的实验方案（学生实验2），如图2所示。⑤中有白色沉淀，确认生成物存在Ag，Ag+与Fe的确发生了预测的反应。

教师实验2： 从学生实验1中再取出部分溶液，滴加KSCN，溶液变红，还有白色沉淀产生。教师引导学生思考为什么体系中会有Fe3+存在？同时补充信息： Ag+与SCN-发生反应生成白色沉淀AgSCN。

师生归纳，明确异常现象的“异常”所在： 在铁粉过量的情况下本不会生成Fe3+，但溶液确实有Fe3+存在;反应发生后Ag+并不是马上全部转化为Ag单质，几分钟内溶液中仍有Ag+存在。同时确立分析视角： 以溶液中所有存在离子为分析对象的物质视角;以铁离子为中心的氧化还原反应的原理视角;以“猜想设计验证”等探究要素的方法视角。

3.2 深入探究，突破实验逻辑困难

首先，针对问题“Fe3+从何而来”，开展推理探究。师生根据体系内具有氧化性的物质，讨论列出Fe3+产生的所有可能的原因：

（1） 铁粉表面有氧化层能产生Fe3+;

（2） Fe2+被NO-3（H+）氧化为Fe3+;

（3） Fe2+被O2氧化为Fe3+;

（4） Fe2+被Ag+氧化为Fe3+。

小组及组间讨论交流验证方案，以正向思维（证实法）进行一般的逐一排查： 原因（1）不易找未被氧化的铁粉做对比实验;原因（2）需要验证酸化的硝酸根（非硝酸银溶液）能否将Fe2+氧化成Fe3+;原因（3）需要验证Fe2+放置与学生实验1相同的时间，验证Fe3+的产生;原因（4）需要验证体系中的银离子（非硝酸银溶液）能否将Fe2+氧化成Fe3+。

继续分析，（1）、 （3）用空白实验即可验证;（2）、 （4）选一种进行验证的同时（1）、 （3）可被验证。学生选择原因（2）设计实验进行验证，实验方案如图3所示。

学生实验3： 验证Fe3+的产生原因。加入KSCN后，溶液无明显现象。所以（1）～（3）不是产生Fe3+的原因。用逆向思维（证伪法），已经排除了前三个原因，可以得出实验结论。

教师参考文献方法[3]，通过原电池装置（教师实验3）证实Fe2+确实可以和Ag+反應生成Fe3+;同时利用增加Fe3+浓度，发现该反应为可逆反应，如图4所示。

3.3 拓展解释，深化复杂体系的分析逻辑

教师引导学生回忆初步实验（教师实验2）中滴加KSCN验证Fe3+时出现的白色沉淀。给出新情景信息： 不同时间取硝酸银与铁粉反应后的上层清液，滴加KSCN溶液，溶液产生白色沉淀的多少和溶液红色的深浅等现象均不相同（如表1所示）。要求学生分析原因。

指导学生结合学生实验3及教师实验3，分析AgNO3和Fe粉混合后体系中的反应，从速率、平衡的角度分析解释上述现象。给出信息： 氧化还原反应具有一定的活化能，反应速率较慢;Ag+和Fe2+反应的平衡常数为3.21[4]，反应既可正向进行，又可逆向进行，存在化学平衡;铁还原Fe3+标准状态平衡常数很大。经过师生讨论（如图5所示），从原理角度对现象提出了一种合理分析，深化了对AgNO3和Fe反应的认识。

在分析和解释环节，学生习得了此类反应分析解释的一般方法： 首先要将需解释的宏观现象转化为明确的化学问题（即微观粒子的变化）;接着找出整个体系中的粒子行为（即发生的化学反应）;最后从速率、平衡等原理角度对粒子行为进行分析，使之与已有宏观现象相符合。

3.4 命题活动，激发解题策略的反思意识

教师根据课程标准中学业水平的要求及高考题情况给学生提供高考的考察要点，并提出命题要求： （1）每一个设问都要对应考察要点，尽可能地丰富设问角度;（2）一共6～8问;（3）命题的同时给出参考答案。学生回忆探究过程，经小组讨论，每组命制一道实验探究题，示例如图6所示。

学生之间互换做题、解题的思考方法。师生、生生交流，形成解题策略，整理如下：

（1） 模拟真实实验。在做整个实验题的过程中，想象自己真的在做实验。

（2） 关注实验目的。目的是实验的核心。

（3） 全面的猜想。根据实验体系的粒子、环境、条件，确定已知的化学反应，预期实验现象。

（4） 注意实验方法。设计实验要有运用控制变量、对比法、找排干扰等实验思想。

（5） 寻找现象证据。现象证据可以是颜色、气体、沉淀等的产生，也可以是时间、电压、电流等的变化。

（6） 推理基于现象，分析基于原理。得到实验结论要从目的出发，明确整个实验中的反应，注意反应速率与化学平衡，再从原理角度分析，与现象相符合，得出结论。

4. 教学反思

将纸面探究转化为真实探究，才有可能突破学生的解题困难。高三复习阶段，教师容易忽略真实实验探究的重要作用。本节课将高考真题的题目改编为实验探究，对于学生而言，能更加直观地观察到实验现象，降低纸面探究的理解困难，也可以在教师的引导下梳理探究的一般思路;对于教师而言，可以找到学生在解题过程中容易忽略的实验环节，更有效地帮助学生建立解决复杂问题的视角（如明确题目考查的知识点）、梳理实验逻辑与方法（如证实法或是证伪法）、建立解题策略（如全面的、整体的猜想），继而突破学生的解题困难。

将实验探究的要素充分付诸实践，才有可能切实提高探究能力。在高三复习课中，应该结合真题探究过程，让学生综合体验探究的核心要素，如提出假设、设计方案、实施实验、获取证据、分析解释等。本节课的设计中，有意识地让学生对异常现象进行开拓思维的假设，设计、实施多个实验，根据收集的证据或已有的信息进行逻辑推理、分析和解释等，有利于切实帮助学生提升科学探究的能力。

高考对科学探究的核心要素有不同程度的覆盖[5]，将真实探究转化成为一道试题，在提升能力的同时，帮助学生形成解题策略，才能提高复习效率。让学生转换角色，回忆真实探究遇到的问题，沿着探究的一般思路编制题目，可以激发学生的反思意识，体会不同的设问所承载的知识和思想方法。

在本节课之后，我们让学生用总结出的解题策略，解决另外一些综合实验探究题。一方面巩固运用本节课归纳的解题策略，另一方面检测这样做的教学效果。结果发现，学生在后续实验探究题的巩固练习中的表现较之前有所提升，得分率有所提高。通过回访学生，发现学生阅读探究题目时，关注点更加明确，思路更加清晰，对探究要素的把控也更为熟练。这样的提升效果对于原本成绩中上的学生尤为明显。

参考文献：

[1]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.

[2]教育部教育课程教材专家工作委员会组织编写. 普通高中化学课程标准（2017年版）解读[M]. 北京： 高等教育出版社， 2018： 9.

[3][4]王兆龙. 银离子与亚铁离子反应可逆性的热力学研究[J]. 化学教育（中英文）， 2019， 40（13）： 89～90.

[5]唐劲军， 梁舒敏. 基于“科学探究与创新意识”素养视角的高考化学试题分析[J]. 化学教学， 2020， （11）： 85～90.