科學建模探究 培養核心素養

摘 要：以實驗探究為例、重點評析實驗建模、學科素養的培養。化學科學教學的真諦是什么？如何培育學生的學科核心素養，這是我們化學教育工作者長期思考并實踐的時代命題。

關鍵詞：建模、探究；核心素養

化學核心素養有哪些？主要分為：“宏觀辨識與微觀探析”“變化觀念與平衡思想”“證據推理與模型認知”“實驗探究與創新意識”“科學精神與社會責任”五個方面。

如何培養核心素養？要尋找適宜的切入點，引領學生對問題思考，點撥，啟迪，通過科學實踐，形成科學的價值觀與方法論。

[例題]吉林省2017年高三理綜四模26題（15分）

某學習小組為探究Mg與某些物質反應的機理，做了如下實驗。

Ⅰ. 實驗一：

緩慢產生氣體

（1） 實驗B目的是 。

（2） 寫出Mg與H2O反應的化學方程式： 。

實驗二：

分別取少量實驗A和B的上層清液于兩支試管中，各加入2滴BaCl2溶液，A中立即產生白色沉淀，B中無明顯現象。

（3） 實驗二說明Mg與NaHCO3溶液反應生成了 （填寫粒子符號）。用平衡移動原理解釋產生離子的原因： 。

實驗三：

對A中白色沉淀的成分，同學們提出了假設，并設計了假設，并進行了相關實驗。將A中白色沉淀過濾、洗滌后，取0.4 mol加入1 mol/L鹽酸800 mL恰好完全反應，產生標況下的CO2氣體6.72 L。

（4） 白色沉淀的主要成分為 。

Ⅱ. 某課外活動小組實驗發現點燃鎂條能在CO2氣體中繼續燃燒，產生黑、白兩種固體，類比Mg與CO2反應的思路對Mg與NO2的反應進行預測并探究Mg與NO2的反應及產物。

請回答下列問題：

（5） 利用下列裝置完成實驗，連接的順序為

（c）—（ ）—（ ）—（e）—（f）—（ ）—（ ）—（ ）—（ ）—（ ）

（6） 已知裝置D中初始加入的鎂粉的質量為13.2 g，在足量的NO2中充分燃燒，實驗結束后，硬質玻璃管冷卻至室溫，稱量，測得剩余固體的質量為21.0 g，產生的氣體體積為1120 mL（標準情況），寫出玻璃管中發生反應的化學方程式： 。

（7） 在設計上若沒有干燥管是否可行？ ，請解釋原因： 。

一、 試題分析

Ⅰ. 實驗一：

實驗A和B，呈現兩種不同的現象，但又是在控制變量15 mL液體的大前提下得出的，這一宏觀現象一定是微觀粒子相互作用的外在表現。只有“宏觀辨識與微觀探析”，才能讓思維條理化，思路更順暢。

通過做空白實驗對照，才能排除溶液中水的干擾，從而讓實質呈現更直觀，更精準，因此只有科學設計實驗才能得出現象與規律的必然聯系，從而得出科學結論。即：Mg+2H2OMg（OH）2+H

為什么實驗A在20 min后才看到產生大量白色沉淀，這沉淀可能是什么？

20 min后才有白色沉淀，根據學過的知識推測白色沉淀可能為Mg CO3、Mg（OH）2，或者Mg CO3、Mg（OH）2二者混合物。

科學猜想是探究的原動力，科學探究又為猜想提供了事實依據，為揭示內在規律打開了一扇窗。

分別再取A、B的上層清液少許于試管中，各加2滴BaCl2，A中出現大量白色沉淀，B中無明顯的現象。

實驗二：

說明Mg與NaHCO3溶液反應生成了CO2-3，原因是：HCO-3H++CO2-3，加入Mg，Mg+2H+Mg2++H2↑，促進了HCO-3的電離，生成了大量的CO2-3，與Mg2+結合，所以在20 min后才有大量白色沉淀。說明只有離子積累到一定濃度現象才明顯。只有量的積累才有質的飛躍。HCO-3在沒有外界因素干擾的前提下，水解大于電離，溶液顯堿性，但此題卻以CO2-3為主，說明外界條件的改變是影響變化走勢的。只有明確影響規律的條件，才能控制反應朝著人們需要的方向發展，必須是科學探究，控制變量，只有“實驗探究與創新意識”才能揭示規律并運用規律。

定性實驗更需定量。

實驗三：

通過定量實驗，根據實驗三的數據分析，知不但沉淀有MgCO3、Mg（OH）2，而且為3∶1，即我們看到的比一定是規律的全部，我們不知道的可能確實存在，“變化觀念與平衡思想”永遠是我們探究的主旋律，實驗探究永遠在路上。涉及的化學方程式：3 MgCO3+ Mg（OH）2+8HCl4MgCl2+3CO2↑+5 H2O。

Ⅱ.我們探究必須在夯實基礎的前提下，從以往學過的知識及實驗方法中尋找靈感及啟迪，繼承并發展。正所謂“他山之石，可以攻玉”。

學生已有的基礎知識：

1. 在點燃的條件下：2Mg+CO2點燃2MgO+C；3Mg+N2點燃Mg3N2；2Mg+ O2點燃2MgO。

2. 實驗方法：初中最經典的實驗“H2還原CuO”。

（1） 用H2排凈整套裝置的空氣；（2）H2還原CuO；（3）在H2流中冷卻及注意事項。

化學另一種重要的核心素養便是“證據推理與模型認知”，科學分類，在同類中獲得靈感及方法論。類比Mg與CO2反應的思路對Mg與NO2的反應進行預測并探究Mg與NO2的反應及產物。體現“模型認知”，尋找理論支撐及科學方法論。

預測Mg與NO2反應可能比CO2更容易；Mg與NO2反應可能生成MgO、Mg3N2但生成MgO更容易，可能生成N2，同時要用NO2排凈整套裝置的空氣，否則，氮、氧元素來源不唯一，難得出可靠結論。也不能定量反映反應的本質，揭示反應的規律。

要科學設計實驗裝置的連接順序，明晰各部分的作用，同時秉承“科學精神與社會責任”的理念，從源頭上控制污染源，要科學設計尾氣處理裝置。

要用NO2排凈整套裝置中的空氣，即A中用P2O5或用CaCl2做干燥劑，NO2有毒，A中只吸收水，用N處干燥管吸收排空氣帶出的NO2，防止污染外部的空氣。用堿石灰吸收，并對后續實驗不產生影響。設計M、N兩處止水夾。首先關閉M處止水夾，打開N處止水夾，讓空氣順排。當紅棕色NO2充滿尾部干燥管時，停止排空氣。關閉N處止水夾，打開M處止水夾。點燃D處的酒精燈，反應，最后停止加熱，用排水法收集生成的氣體，為避免倒吸液體，設計防倒吸裝置。

所以連接順序：（c）—（b）—（a）—（e）—（f）—（i）—（j）—（h）—（g）—（d） 這個實驗的設計理念、過程及方法論正是從“H2還原CuO”獲得啟發，即“模型認知”，通過實驗（6）得出數據，固體增重，一定有氧，可能有氮，根據“變化觀念與平衡思想”，

氮氣的物質的量為1120 mL/22400 mL/mol=0.05 mol

完成從定性到定量的完美升華。科學合理地探究，尋找反應的本質，對知識及核心素養也是一種升華，凝練成智慧。

對探究實驗設計，對實驗后的反思，會發現若沒用干燥管是不行的。原因是：若無此干燥管吸收NO2，會造成大氣污染，不符合綠色化學理念。

總之，此實驗試題很好的考查了學生的化學核心素養。從不同角度、多層面考查了學生的能力。

二、 試題啟發

夯基固本，正本清源，探尋知識的來龍去脈，更應向先哲學習探究過程，即“模型認知”從中尋找探究靈感，最后形成學科核心素養，形成智慧，達到學以致用，體現化學學科的科學魅力。

作者簡介：

王洪波，吉林省白山市，吉林省白山市第二中學。