設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)探究題的兩個(gè)重要途徑

文章編號(hào)：1005－6629(2007)12－0003－03中圖分類(lèi)號(hào)：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：C

實(shí)驗(yàn)探究試題是新課程背景下發(fā)展起來(lái)的一種綜合性強(qiáng)、考查知識(shí)面寬、能力要求高的新題型，這種試題一般是借助于一個(gè)知識(shí)核心，圍繞這個(gè)知識(shí)核心設(shè)計(jì)系列問(wèn)題。考查途徑一般有兩個(gè)，一是定性方向，主要有組成研究，二是定量方向，主要是純度分析，成分探究等。

1定性考查：探究方案的設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)是設(shè)計(jì)的主題

［例1］甲、乙、丙、丁四位同學(xué)在探究堿溶液與酚酞作用的實(shí)驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)意外現(xiàn)象：氫氧化鈉溶液滴入酚酞試液，溶液變成了紅色，一會(huì)兒紅色就消失了。

［猜想］甲: 可能是酚酞變質(zhì)造成的；

乙: 可能是氫氧化鈉溶液與空氣中的二氧化碳反應(yīng)的緣故；

丙: 可能是酚酞與空氣中的氧氣反應(yīng)，使紅色消失；

丁: 可能與氫氧化鈉溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)大小有關(guān)。

［理論分析］

(1)甲同學(xué)剛提出自己的猜想，就遭到其余三位同學(xué)的否定，三位同學(xué)的理由是：__________。

(2)丙同學(xué)認(rèn)為乙同學(xué)的猜想也不正確，他的理由是_______________。

［實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)］

(3)為證實(shí)丙同學(xué)的猜想，還需作如下實(shí)驗(yàn)，請(qǐng)完成下表

(4)通過(guò)以上實(shí)驗(yàn)，四位同學(xué)看到:溶液先變成紅色，一會(huì)兒紅色仍然消失。因此酚酞紅色褪去與氧氣無(wú)關(guān)。若丁同學(xué)的猜想正確，設(shè)計(jì)如下實(shí)驗(yàn)證明并完成有關(guān)問(wèn)題：

本題是常見(jiàn)的酚酞與堿的反應(yīng)，以實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的異常褪色現(xiàn)象為設(shè)計(jì)載體問(wèn)題。問(wèn)題一、二是一個(gè)理論探究問(wèn)題，四位同學(xué)中有兩位可以通過(guò)簡(jiǎn)單分析即可作出結(jié)論，由于其他同學(xué)均見(jiàn)到變紅現(xiàn)象，因此酚酞變質(zhì)的結(jié)論顯然是錯(cuò)誤的，又因?yàn)镹aOH與空氣中的CO₂反應(yīng)后的產(chǎn)物是Na₂CO₃是堿性的，因此吸收二氧化碳的結(jié)論顯然也不能說(shuō)明，因此第一問(wèn)的價(jià)值在于引導(dǎo)學(xué)生猜想，也需要進(jìn)行正確的篩選，并不是每個(gè)猜想都要經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)探究才能進(jìn)行否定或肯定。問(wèn)題三對(duì)丙同學(xué)的氧氣氧化進(jìn)行深入的分析，設(shè)計(jì)的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)分別從源頭上阻止了氧氣與酚酞的接觸，一個(gè)是加熱除去溶液中的氧氣，另一個(gè)是利用植物油的隔絕作用；問(wèn)題四是從NaOH溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的角度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，一個(gè)是對(duì)配制不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的溶液進(jìn)行驗(yàn)證，另一個(gè)是對(duì)紅色消失的溶液進(jìn)行反向論證，可以加水稀釋后再加酚酞看是否變紅且不褪色，驗(yàn)證酚酞的褪色是否是NaOH太濃。

［例2］某校化學(xué)研究性學(xué)習(xí)小組在學(xué)習(xí)了“空氣中氧氣含量測(cè)定”的基礎(chǔ)上，改進(jìn)了教材中的實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)出了如下圖所示的實(shí)驗(yàn)裝置（用a、b、c分別表示體積）。實(shí)驗(yàn)步驟如下：

①如圖所示，連接儀器，裝置的氣密性良好。

②在集氣瓶里裝進(jìn)適量a 體積的水，燃燒匙里放一塊白磷（其著火點(diǎn)是40℃），把長(zhǎng)導(dǎo)管的另一端放入盛有足量水的燒杯中。（注：集氣瓶?jī)?nèi)的長(zhǎng)導(dǎo)管已伸到了瓶底）

③接通電源片刻，觀(guān)察到白磷立即著火燃燒，關(guān)閉電源。觀(guān)察到產(chǎn)生大量白煙，同時(shí)放出大量的熱。（注：白磷與紅磷燃燒的產(chǎn)物相同）

④待白磷燃燒熄滅后，稍加振蕩，白煙消失。

⑤待集氣瓶完全冷卻至室溫，量出集氣瓶中水的體積是b，整個(gè)集氣瓶的體積是c。

⑥根據(jù)a、b、c三個(gè)數(shù)據(jù)，計(jì)算出空氣中氧氣的體積分?jǐn)?shù)。

根據(jù)以上信息，回答下列問(wèn)題。

⑴在白磷開(kāi)始燃燒到最后熄滅的過(guò)程中，集氣瓶?jī)?nèi)水面的變化情況是_________。

⑵若實(shí)驗(yàn)非常成功，請(qǐng)寫(xiě)出a、b、c三個(gè)數(shù)據(jù)應(yīng)滿(mǎn)足的一個(gè)等式關(guān)系式：_________。

⑶圖中玻璃管的作用是__________________。

⑷組內(nèi)成員小張對(duì)“實(shí)驗(yàn)前集氣瓶里要裝進(jìn)適量a 體積的水”非常不理解。咨詢(xún)了組長(zhǎng)小明之后，他終于明白“a 體積的水”的作用，其一是為了加快⑤步驟中集氣瓶的冷卻速度；其二則主要是_________。

⑸組內(nèi)成員小杭性格好動(dòng)，無(wú)意間他發(fā)現(xiàn)向⑤步驟集氣瓶?jī)?nèi)的水中滴加幾滴紫色石蕊試液，水會(huì)變紅。這一現(xiàn)象使組內(nèi)成員積極地展開(kāi)了討論，成員小葛認(rèn)為是由于二氧化碳溶于水，使溶液顯酸性而導(dǎo)致的，但小明馬上作出反對(duì)，原因是空氣中二氧化碳的含量極少，而實(shí)驗(yàn)過(guò)程中又沒(méi)有產(chǎn)生二氧化碳，短時(shí)間內(nèi)不可能會(huì)使溶液顯酸性。你認(rèn)為誰(shuí)的觀(guān)點(diǎn)正確？_________________。若你認(rèn)為小明的觀(guān)點(diǎn)正確，那么請(qǐng)你對(duì)“變紅”現(xiàn)象提出大膽地猜想：__________________。（若你認(rèn)為小葛的觀(guān)點(diǎn)正確，此空不填）

⑹下列原因會(huì)導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)最后測(cè)定的實(shí)際值大于理論值的是_________（填編號(hào)）

A．白磷的量不足

B．實(shí)驗(yàn)前集氣瓶里沒(méi)有裝a 體積的水

C．集氣瓶沒(méi)有冷卻到室溫

D．用紅磷代替白磷（紅磷的著火點(diǎn)在240℃左右）

E．裝置漏氣

本題是關(guān)于空氣成分測(cè)定的話(huà)題。設(shè)計(jì)者從六個(gè)方面進(jìn)行設(shè)問(wèn)，第一個(gè)問(wèn)題有些難度，首先是燃燒中氣體膨脹導(dǎo)致集氣瓶中液面下降，后來(lái)氣體冷卻后，液面又上升；第二個(gè)問(wèn)題是關(guān)于氧氣占空氣體積分?jǐn)?shù)的表達(dá)式，（b-a）×5=c-a；第三個(gè)問(wèn)題是關(guān)于玻璃管作用，主要是將燒杯中的水吸入到集氣瓶中；問(wèn)題四難度略大，少量水的作用起到液封作用，保證集氣瓶中的氮?dú)獠恍孤粏?wèn)題五中對(duì)P₂O₅問(wèn)題進(jìn)行探究，第六個(gè)問(wèn)題是誤差分析，A顯然測(cè)定結(jié)果偏小，氧氣燃燒未完全；B未裝水，會(huì)使N₂泄漏，導(dǎo)致偏大；C未冷卻到室溫，應(yīng)該偏小；D顯然沒(méi)有影響；E裝置漏氣將使空氣中氣體不斷進(jìn)入，應(yīng)該是偏小，所以本題選擇B。

2 定量考查：優(yōu)化問(wèn)題流程是設(shè)計(jì)的落腳點(diǎn)

［例3］茶是我國(guó)人民喜愛(ài)的飲品，其中含有多種有益于人體健康的成分，據(jù)測(cè)定茶葉中含有450種以上的有機(jī)成分與15種以上的元素。某化學(xué)研究小組欲探究茶葉中鈣元素的含量，設(shè)計(jì)了探究實(shí)驗(yàn)方案如下:（已知茶葉中的鋁、鐵元素對(duì)鈣離子的測(cè)定有影響）

步驟1：稱(chēng)取500克干燥的茶葉，置于通風(fēng)櫥中，充分灼燒使茶葉灰化，再用研缽磨細(xì)后移入燒杯中，然后將足量稀鹽酸加入灰中攪拌、過(guò)濾、洗滌。

步驟2：向步驟1所得濾液中逐滴加入稀氫氧化鈉溶液，調(diào)節(jié)溶液的pH為6～7左右，使鋁、鐵的氫氧化物完全沉淀，再加入7.95 g無(wú)水碳酸鈉，充分?jǐn)嚢瑁恋硗耆螅^(guò)濾，洗滌，過(guò)濾后得到濾液和沉淀。

步驟3：將步驟2所得的濾液稀釋至500 mL，用3.65%的稀鹽酸50 g恰好將剩余的碳酸鈉反應(yīng)為NaCl、H₂O和CO₂，計(jì)算結(jié)果。請(qǐng)回答下列問(wèn)題

（1）步驟 1中，過(guò)濾需要的玻璃儀器有燒杯、玻璃棒和__________，玻璃棒在洗滌操作中的作用是__________________。

（2）步驟2中，判斷沉淀已經(jīng)洗滌干凈的方法是___________________________。

（3）原茶葉中鈣離子的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為_(kāi)________。

本題是以茶葉為研究中心，設(shè)計(jì)者從三個(gè)角度進(jìn)行設(shè)問(wèn)，一是過(guò)濾操作的儀器以及玻璃棒在洗滌時(shí)的作用，二是判斷沉淀洗滌干凈的方法，由于碳酸鈉過(guò)量，應(yīng)該檢驗(yàn)碳酸根離子或氯離子的存在，因此選用AgNO₃溶液或CaCl₂溶液均是可以的；三是鈣離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)算，只要將總碳酸鈉質(zhì)量減去與鹽酸反應(yīng)的碳酸鈉的質(zhì)量，剩余的就是與鈣離子進(jìn)行反應(yīng)的碳酸鈉質(zhì)量。

［例4］請(qǐng)你參與某學(xué)習(xí)小組進(jìn)行研究性學(xué)習(xí)的過(guò)程，并協(xié)助完成相關(guān)任務(wù)。

［研究課題］探究熱水壺底部水垢的主要成分

［查閱資料］該小組同學(xué)通過(guò)查閱資料知道，天然水中一般都含有Ca²⁺、Mg²⁺、HCO₃-等離子，在加熱條件下，這些離子趨于生成溶解度更小的物質(zhì)-水垢，水垢的主要成分是碳酸鹽和堿。同時(shí)，他們還查閱到下列有關(guān)物質(zhì)的溶解性：

［提出猜想］水垢的主要成分一定含有Mg(OH)₂和______， 可能含有Ca(OH)₂和______。

［設(shè)計(jì)方案］(1)甲同學(xué)在燒杯中放入少量研碎的水垢，加人適量蒸餾水充分?jǐn)嚢瑁∩蠈忧逡杭尤隷___________，沒(méi)有白色沉淀，說(shuō)明水垢中無(wú)Ca(OH)₂。

(2)乙同學(xué)設(shè)計(jì)了下列實(shí)驗(yàn)裝置，進(jìn)一步確定水垢中含有碳酸鹽的成分。其主要實(shí)驗(yàn)步驟如下：

①按上圖組裝儀器，將50g水垢試樣放入錐形瓶中，加入足量某酸溶液；

②測(cè)量一定時(shí)間內(nèi)干燥管內(nèi)物質(zhì)增加的質(zhì)量（見(jiàn)下圖曲線(xiàn)）；

③待錐形瓶中不再產(chǎn)生氣泡時(shí)，打開(kāi)活塞B，從導(dǎo)管A處緩緩鼓入一定量的空氣；

④再次稱(chēng)量干燥管內(nèi)物質(zhì)增加的質(zhì)量；

⑤重復(fù)③和④的操作，直至干燥管內(nèi)物質(zhì)質(zhì)量不變。

則：a．步驟①加入樣品前還應(yīng)檢查_(kāi)_____，所加的酸溶液是______。

b．裝置Ⅱ的作用是______；從導(dǎo)管A處緩緩鼓入一定的空氣時(shí)，裝置Ⅰ的作用是______。

c．研究性小組的同學(xué)通過(guò)簡(jiǎn)單計(jì)算，認(rèn)為水垢中一定含有MgCO3的理由是______。

［實(shí)驗(yàn)結(jié)論］通過(guò)上述探究可知：水垢的主要成分有__________________。

［分析計(jì)算］根據(jù)圖中數(shù)據(jù)，則此水垢中碳酸根離子的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為_(kāi)___________。

本題是水垢成分研究，設(shè)計(jì)者從四個(gè)層次進(jìn)行設(shè)問(wèn)，一是根據(jù)表格信息進(jìn)行合理猜想，答案應(yīng)該是難溶的CaCO₃、微溶的MgCO₃， 二是方案設(shè)計(jì)中排除Ca（OH）₂的存在，只要加入碳酸鈉即可鑒別；接著是氣密性檢查和合適的酸的選擇，不能選擇硫酸，主要是碳酸鈣的存在。裝置Ⅱ的作用主要是干燥二氧化碳?xì)怏w，裝置Ⅰ的作用是吸收空氣中二氧化碳，并鼓入空氣將裝置中二氧化碳趕入到干燥管中；最后一問(wèn)難度較大，必須利用圖中數(shù)據(jù)信息進(jìn)行判斷，因?yàn)槎趸假|(zhì)量是24g，因此50g水垢全部是碳酸鈣也只能產(chǎn)生22g二氧化碳，因此水垢中一定有MgCO₃。分析計(jì)算碳酸根離子的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，只要有二氧化碳即可有碳酸根離子質(zhì)量。

設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)探究題首先要有好的情境作為載體，在此基礎(chǔ)上再進(jìn)行分層次的設(shè)計(jì)，難度層次、思維層次均應(yīng)綜合考慮。在問(wèn)題的關(guān)聯(lián)度上還應(yīng)進(jìn)行有效設(shè)計(jì)，鋪墊的藝術(shù)、開(kāi)放的藝術(shù)等均應(yīng)有所考慮。總之，實(shí)驗(yàn)探究題是一份試卷的亮點(diǎn)所在，更是體現(xiàn)新課程評(píng)價(jià)方式多元化的綜合反映。