例談思維建模在實驗方案設計與評價中的應用

周萍

摘要： 近幾年江蘇高考中的“實驗方案設計與評價”是教師和學生備受困惑的考點。通過分析試題類型特點，并結合題型示例，利用建模思想引領和啟發學生解決各類相關問題，并提供一些思路及方法，讓學生在化學學科素養方面真正得到發展和提升。

關鍵詞： 思維建模; 實驗方案設計與評價; 案例介紹 文章編號： 10056629（2019）6008305??????中圖分類號： G6338??????文獻標識碼： B

隨著高中化學新課標的頒布，化學學科核心素養的培養成為教師十分關注的焦點。作為中學學習終端評價的高考也逐步從能力立意轉向以化學學科核心素養為測試宗旨，新課標也要求教師開展“素養為本”的教學。因此，加強對高考的研究，尤其是近幾年高考試題中對學科核心素養的考查，顯得尤為重要，都將影響教師培育學生學科核心素養的認識和方法。

化學學科核心素養包含了“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”、“科學探究與創新意識”、“科學態度與社會責任”5個維度。王磊教授明確指出：“科學探究與創新意識”是化學核心素養的實踐基礎、“證據推理與模型認知”是化學學科核心素養的思維核心。本文結合近三年江蘇高考實驗綜合題的考查，就如何培養學生思維建模能力方面做了一些探究和思考。

1?題型特點

實驗綜合題多以實際的工業背景為命題資料，給出需要補缺（實驗方案的設計）的實驗流程，輔以相關信息，多角度設問，對學生的考查要求較高，尤其是最后一問的實驗設計，更是有較大的難度，對考生有很大的挑戰。

創設真實情境

2016年19題以“工業廢渣回收制備MgCO3·3H2O”為主線，2017年19題以“光盤中少量金屬銀的提取”為背景，2018年19題以“制備N2H4·H2O（水合肼）和無水Na2SO3”為載體。縱觀近三年考題，都是以物質的提取、制備、提純或是檢驗（定量和定性）為背景，創設真實的情境，體現相關化學知識在真實工業領域的應用價值，滲透了“科學探究與創新意識”“科學態度與社會責任”等學科核心素養。

選取多元信息

試題都是以流程圖示實驗過程而設計的綜合性實驗題，輔以物質的性質、實驗裝置及圖像變化等信息，考查學生運用比較、分析等科學方法解決實際問題的能力，考查學生提取信息、理解和加工信息的核心素養，對學生邏輯思維的嚴密性、深刻性等方面的能力要求很高。

側重多項考點

試題重點考查學生對實驗流程的理解、化學（或離子）方程式的書寫、實驗裝置的觀察、信息的獲取加工、實驗原理和方法運用、實驗方案的設計和評價等能力。既有對三重表征的考查，又有對宏觀辨識與微觀探析、信息處理與證據推理、科學探究與創新意識等核心素養進行考查。涉及從易到難多個角度和層次，尤其是最后一問實驗方案的設計和評價，是學生最畏懼的，也是教師教學中最棘手的。筆者試圖通過建模的思想來突破本題的難點。

2?建模思想

教學實踐中，教師在組織實驗專題復習時，發現學生通過復習以后很難提升方法與技能，尤其是在“實驗方案設計與評價”上更是困惑，缺少對學生思維方法的指導，導致復習之后思維水平沒有得到明顯上升，不能快速地找到解決問題的思路和方法。實踐表明，思維建模是提高化學專題復習質量的有效策略。

思維建模就是對思維過程建立模型，從而使繁復的思維形態或方法外顯并簡約化的過程。關于思維建模，從不同的角度可以有不同的分類。根據建模對象的不同，思維建模分為領域類知識建模、為系統建模、為問題建模、為經驗內容建模、為思想（認知模擬）建模等類型。其中，“為問題建模”就是為了從實質上成功地解決相關問題，建立解決該類問題的模型。在“為問題建模”的過程中，首先要分析問題中的相關因素及其特定關系，然后確定解決問題的一般思路，再將內在的思維過程建立模型，并在解決具體問題的過程中檢驗和完善，最后形成并表達解決問題的模型[1]。

示例1： 2016年江蘇高考化學卷19題（部分）

實驗室以一種工業廢渣（主要成分為MgCO3、 Mg2SiO4和少量Fe、 Al的氧化物）為原料制備MgCO3·3H2O。實驗過程如下：

（4） 請補充完整由萃取后得到的水溶液制備MgCO3·3H2O的實驗方案： 邊攪拌邊向溶液中滴加氨水，????，過濾、用水洗滌固體2～3次，在50℃下干燥，得到MgCO3·3H2O。[已知該溶液中pH=85時Mg（OH）2開始沉淀;pH=50時Al（OH）3沉淀完全][2]

明確實驗目的

由萃取分液后的溶液制備MgCO3沉淀。

建構操作流程

分析萃取后溶液的組成，結合題中所給關鍵信息，梳理核心物質的轉化如下。

優化實驗方案

（1） 實驗方案的關鍵點1： pH的控制。據題意要使Al3+沉淀完全而Mg2+完全保留在溶液中，依據信息判斷滴加氨水需要控制的溶液pH范圍是5.0

（2） 實驗方案的關鍵點2： 沉淀劑的選擇。MgCO3沉淀的制備，需要加入CO2-3，由于題中未給出供選擇的試劑，一般可選用Na2CO3溶液。

（3） 實驗方案的關鍵點3： 檢驗沉淀完全的操作。這一步較易忽略，平時如果作為單獨的檢驗沉淀是否完全，也許學生會回答得頭頭是道，但結合在真實、復雜的實驗情境中就未必能考慮周全。因此，平時教學中要注重培養學生的動手操作能力，感知每一步操作的流程，才能提高實驗探究的綜合能力。

精準表達方案

由萃取后得到的水溶液制備MgCO3·3H2O的實驗方案： 邊攪拌邊向溶液中滴加氨水，至50

示例2： 2017年江蘇高考化學卷19題（部分）

某科研小組采用如下方案回收一種光盤金屬層中的少量Ag（金屬層中其他金屬含量過低，對實驗的影響可忽略）。

（5） 請設計從“過濾Ⅱ”后的濾液中獲取單質Ag的實驗方案： ????（實驗中須使用的試劑有： 2mol·L-1水合肼溶液，1mol·L-1H2SO4溶液）[3]。

明確實驗目的

從“過濾Ⅱ”后的濾液中獲取單質Ag。

建構操作流程

分析“過濾Ⅱ”后的濾液成分，主要含有Ag（NH3）?+2、 Cl-、 NH3·H2O，結合題中所給關鍵信息，梳理核心物質的轉化如下。

優化實驗方案

對已知的核心反應“4Ag（NH3）?+2+N2H4·H2O4Ag↓+N2↑+4NH+4+4NH3↑+H2O”從多角度深入研究。

（1） 實驗方案的關鍵點1： 產物的角度。NaClO與水合肼溶液聯用進行金屬Ag回收的方案是目前工業上采用的綠色回收方法，此反應產物中有氨氣生成，必須考慮尾氣處理，突出所給試劑硫酸的作用。

（2） 實驗方案的關鍵點2： 試劑用量的控制。因該反應無需條件且產生大量氣體，所以水合肼只能逐步加入;用硫酸處理產生的氨氣也要注意加入硫酸的用量，可以通過氣泡這一現象做出用量的判斷。

（3） 實驗方案的關鍵點3： 反應的條件和試劑加入的順序。由于這一反應要在堿性條件下進行，因此水合肼和硫酸不能一起加入到還原反應體系中，只能用1mol·L-1 H2SO4溶液吸收反應中放出的NH3。

精準表達方案

從“過濾Ⅱ”后的濾液中獲取單質Ag的實驗方案： 向濾液中滴加2mol·L-1水合肼溶液，攪拌使其充分反應，同時用1mol·L-1 H2SO4溶液吸收反應中放出的NH3，待溶液中無氣泡產生，停止滴加，靜置，過濾，洗滌，干燥（實驗中須使用的試劑有： 2mol·L-1水合肼溶液，1mol·L-1H2SO4溶液）。

示例3： 2018年江蘇高考化學卷19題（部分）

以Cl2、 NaOH、 （NH2）2CO（尿素）和SO2為原料可制備N2H4·H2O（水合肼）和無水Na2SO3，其主要實驗流程如下： ??（3） 步驟Ⅳ用步驟Ⅲ得到的副產品Na2CO3制備無水Na2SO3（水溶液中H2SO3、 HSO?-3、 SO2-3隨pH的分布如題19圖

2所示，Na2SO3的溶解度曲線如題19圖3所示）。

① 邊攪拌邊向Na2CO3溶液中通入SO2制備NaHSO3溶液。實驗中確定何時停止通SO2的實驗操作為????????。

② 請補充完整由NaHSO3溶液制備無水Na2SO3的實驗方案： ????????，用少量無水乙醇洗滌，干燥，密封包裝[4]。

明確實驗目的

由NaHSO3溶液制備無水Na2SO3。

建構操作流程

NaHSO3溶液的獲取是由Na2CO3溶液和SO2反應得到，結合題中所給關鍵信息，梳理核心物質的轉化如下。

優化實驗方案

題中用兩張圖代替以往所給的直觀信息，對學生讀圖析圖的能力要求更高，要求學生從宏觀層面利用圖表、圖像、數據等信息進行推理判斷，綜合考慮實驗方案的設計，充分體現高考化學試題的素養立意。

（1） 實驗方案的關鍵點1： pH的控制。由NaHSO3轉化為Na2SO3，依據題中所給試劑，可加入NaOH溶液實現，結合圖表“含硫微粒與pH的關系”，要使HSO?-3完全轉化為SO2-3，應調節溶液的pH約為10。

（2） 實驗方案的關鍵點2： 提純方式的選擇和溫度的控制。依據圖1（a）中Na2SO3的溶解度曲線，溫度低于34℃析出Na2SO3·7H2O，高于34℃才能析出無水Na2SO3，因此要從Na2SO3溶液中獲得無水Na2SO3，不能直接采用降溫結晶的方式進行，必須采用“加熱濃縮、趁熱過濾”的方式實現，而且必須控制溫度在34℃以上。

4精準表達方案

（1） 實驗中確定何時停止通SO2的實驗操作為測量溶液的pH，若pH約為4，停止通SO2。

（2） 由NaHSO3溶液制備無水Na2SO3的實驗方案： 邊攪拌邊向NaHSO3溶液中滴加NaOH溶液，測量溶液pH， pH約為10時，停止滴加NaOH溶液，加熱濃縮溶液至有大量晶體析出，在高于34℃條件下趁熱過濾，用少量無水乙醇洗滌，干燥，密封包裝。

3?方法提煉

實驗方案設計的建模過程

實踐證明，學生一旦形成對某一問題的認知模型，那么在遇到類似的問題時，學生將會自覺地運用已有的認知模型去分析和解決問題，即“借助建構出來的模型進行學習與遷移”。同時，隨著新問題的不斷出現，原有的認知模型或強化或修正，將已建立起來的認知模型從簡略的模型發展成較完整的基本模型[5]。在專題復習中滲透化學建模的思想，“為問題建模”，將模型建構和復習內容進行有效整合，注重知識和方法的概括提煉，形成解決這類問題的化學思維模型，從而讓學生在遇到類似問題時，能在有限的思維時間中找到與當前問題相匹配的模型而進行問題解決，此為“建模”和“用模”的過程。

模型建構的相關說明

實驗條件的控制包含： （1）試劑用量的控制。例如： 利用pH的范圍來控制用量;依據特定的實驗現象進行判斷;通過沉淀完全的檢驗來控制沉淀劑的用量;適量、過量或是計算量等關鍵詞的科學描述;（2）實驗溫度的控制。例如： 涉及到物質的具體性質，依據題設信息作出合理選擇;涉及物質的分離提純，結合圖像等相關信息進行推理判斷。

綠色化學的理念，即實驗過程中應遵循的5個“R”原則（百度百科）： 減量使用原料，減少實驗廢棄物的產生和排放（Reduction）;循環使用、重復使用（Reuse）;回收，實現資源的回收利用，從而實現“省資源、少污染，減成本”（Recycling）;再生，變廢為寶，資源和能源再利用，是減少污染的有效途徑（Regeneration）;拒用有毒有害品，對一些無法替代又無法回收、再生和重復使用的有毒副作用及會造成污染的原料，拒絕使用，這是杜絕污染的最根本的辦法（Rejection）。中學階段的“實驗方案設計與評價”中，更多涉及環保節能方面，如防污染（尾氣處理）等;反應增效方面，如加熱加速溶解等;節約成本方面，如試劑的循環使用等。

4?教學反思

在教學中發現，學生在遇到“實驗方案設計與評價”時通常存在以下幾個問題： （1）對基本的實驗操作不夠熟悉;（2）對基本的實驗原理的理解有缺失，容易顧此失彼;（3）對實驗方法和實驗條件的控制不會提取有價值的信息進行分析;（4）缺乏綜合分析探究的能力，找不到解題的突破口;（5）文字表述不夠精準，不能從實驗目的出發進行描述，對于具體的操作細節關注不到，往往是常規解答教條地照搬，導致文不對題、答非所問的情況。

這也說明我們在平時的教學中對實驗教學投入的時間和精力還不夠，教師往往為了趕進度，犧牲了一部分本可以讓學生親自動手操作的機會和時間;另一方面也在于我們在設計一些探究性實驗時，往往還是以驗證性為主，開放度不夠，探究的氛圍不濃，問題的質量不高。研究近幾年此類高考試題，我們會發現試題所選素材意在引導中學化學實驗教學要重視真實問題的探究，要重視實驗教學環節，要拓展認識問題的視角，培養和提高學生運用化學實驗方法解決綜合性問題的能力。

因此，我們在教給學生實驗方案設計與評價模型建構方法的同時也要多創設條件讓他們動手實踐，通過真實的實驗過程掌握各項實驗技能，加深對實驗基本原理和操作的體驗，學會分析解決各類相關問題，讓學生在“實驗探究與創新意識”、“證據推理與模型認知”、“科學態度與社會責任”等學科核心素養上真正得到發展和提升。

參考文獻：

[1]?朱圣輝. 思維建模在解決電化學問題中的應用[J]. 化學教學， 2016， （5）： 87～90.

[2]?江蘇省教育考試院試題分析編寫組. 2016年高考（江蘇卷）試題分析[M]. 南京： 東南大學出版社， 2016： 141～185.

[3]?江蘇省教育考試院試題分析編寫組. 2017年高考（江蘇卷）試題分析[M]. 南京： 東南大學出版社， 2017： 145～193.

[4]?江蘇省教育考試院試題分析編寫組. 2018年高考（江蘇卷）試題分析[M]. 南京： 江蘇鳳凰教育出版社， 2018： 141～185.

[5]?吳翀云. 從工藝流程的解讀談化學工藝建模教學[J]. 化學教學， 2018， （1）： 29～34.