基于學情與實證的試題命制

周文榮

摘要：針對一道數字化實驗的試題分析了教師們質疑和爭議的焦點，圍繞質疑焦點進行了實驗求證，解決了教師們的困惑，同時建議通過實驗演示、同步分析、難點突破、歸納提升、拓展應用五個步驟對試題進行講解。在此基礎上，基于實驗求證和試題講解中發現的命題問題，從學情分析、實證研究和素養發展三個方面提出了命題的思考，并對試題進行了改進，促進教師對試題講解及試題命制的深入思考與實踐。

關鍵詞：試題命制;試題講解;學情分析;實驗探究;素養發展

文章編號：1008-0546（2019） 11-0058-05

中圖分類號：G633.8

文獻標識碼：B

doi： 10.3969/j.issn. 1008-0546.2019.11.016

區域內教師在網絡教研時對某地區部分初中化學學業水平階段性檢測中一道關于數字化實驗的試題[1]產生了質疑和爭議，筆者嘗試對質疑的焦點進行實驗求證，引發了對試題的改進及命制的思考。 一、原題呈現 實驗室用紅磷燃燒的方法測定空氣中氧氣含量時測出的氧氣含量常常遠低于理論值。用紅磷燃燒的方法為什么不能準確地測定空氣中氧氣的含量？

[進行實驗]（1）將數顯設備、三種傳感器、測量裝置（廣口瓶）按裝置圖1進行連接。

（2）檢查裝置氣密性。

（3）往廣口瓶加水，使得液面與燒杯內液面相平，關閉活塞，將裝有足量紅磷的燃燒匙加熱（點擊電腦屏幕上的“開始采集”按鈕），紅磷燃燒后立即將燃燒匙伸入瓶中并塞緊橡皮塞。

（4）燃燒結束后，裝置冷卻到室溫，打開導管活塞，待瓶內液面不再上升后再向燒杯中加入一定量的水，使燒杯和瓶內液面相平，得到實驗曲線圖2。

[數據分析]

（1）壓強曲線A點表示紅磷開始在集氣瓶中燃燒，主要判斷依據是___ 。

（2）壓強曲線EF段略低于OA段是因為______。

二、質疑焦點

教師們對試題中的一些問題設置、實驗的結果提出了質疑和爭議，主要集中在以下兩方面。

1.對實驗結果圖像的質疑

化學實驗圖像承載著數學意義和化學意義之間的對應關系，能培養學生從圖像中收集數據、提取信息、應用數據的能力，從而結合化學概念、規律與原理綜合分析問題、解決問題。試題中的圖像，不僅僅體現著壓強、溫度、氧氣濃度的定性變化趨勢，同時還蘊含著數據上的定量變化。教師們質疑的是，雖然縱坐標體現的是氧氣的體積百分含量，但在同一個坐標系中，壓強變化大約應該是減少到起始的五分之四，而圖2中壓強變化超過了正常的變化范圍，不利于圖像中蘊含的定量思想的培育。

2.對某一問題答案的爭議

對于問題“壓強曲線A點表示紅磷開始在集氣瓶中燃燒，主要判斷依據是什么？”教師們的爭議焦點集中在A點壓強增大能否作為紅磷開始在集氣瓶中燃燒的判斷依據。一部分教師認為，紅磷在集氣瓶中燃燒放出熱量，使得瓶內壓強增大，所以A點壓強增大能作為紅磷開始在集氣瓶中燃燒的判斷依據;而另一部分老師認為在酒精燈上加熱過的燃燒匙伸人瓶中的瞬間也可能會導致壓強變大，因此A點壓強增大無法判斷是紅磷燃燒導致的還是加熱過的燃燒匙伸入瓶中帶入的熱量導致。

三、實驗求證

1.關于實驗結果圖像的求證

原題中，燃燒匙和氧氣濃度傳感器在同一個橡皮塞上，為了減少燃燒匙加熱以及塞緊橡皮塞時對瓶塞上氧氣濃度傳感器的影響，用四頸燒瓶代替原來的廣口瓶進行了多次實驗。

（1）實驗儀器和實驗藥品

實驗儀器：溫度傳感器、氣體壓強傳感器、氧氣濃度傳感器、四頸燒瓶、燒杯、燃燒匙、帶活塞的導管、配套的橡皮塞（五個）、數據采集器、電腦。

實驗藥品：紅磷、水

（2）實驗裝置（如圖3）

（3）操作要點

①按圖3連接好裝置后檢查裝置氣密性。

②打開四頸燒瓶上插有燃燒匙的橡皮塞，加水調節使四頸燒瓶和燒杯內液面相平，關閉活塞。

③設置基于時間的采集數據模式，設置取樣速度1樣本/秒、采集時間1000秒。用酒精燈將裝有足量紅磷的燃燒匙加熱（點擊電腦屏幕上的“開始采集”按鈕），紅磷燃燒后立即將燃燒匙伸入瓶中并塞緊橡皮塞。

④燃燒完全后，冷卻到室溫，打開四頸燒瓶與燒杯之間的活塞。

（4）實驗結果和結論

實驗結果如圖4所示，壓強、溫度、氧氣的濃度變化趨勢總體與原題一致，但圖4實驗結果在同一坐標系中更能體現出三者的定量變化關系，尤其是壓強的變化更加與客觀事實相符，也更加貼近學生已有的認知。

2.關于某一問題答案的求證

對問題“壓強曲線A點表示紅磷開始在集氣瓶中燃燒，主要判斷依據是什么？”答案質疑的焦點在于在酒精燈上加熱過的燃燒匙伸入瓶中的瞬間導致的壓強變化是否明顯。利用圖3裝置，“將裝有足量紅磷的燃燒匙加熱”改為“用酒精燈加熱空的燃燒匙相同時間”進行實驗，得到壓強變化的曲線如圖5所示。

從圖5可以看出，“用酒精燈加熱空的燃燒匙”插入四頸燒瓶的瞬間壓強變化很明顯。因此，壓強曲線A點壓強增大可能是紅磷燃燒導致，也可能是加熱過的燃燒匙伸入瓶中帶入的熱量導致，A點壓強增大不能作為紅磷開始在集氣瓶中燃燒的判斷依據。判斷紅磷開始在集氣瓶中燃燒的依據要從反應本質出發，本試題中主要從反應物氧氣濃度減少的視角考慮。

四、試題講解

試題講解是根據試題的特點、難點和學生的薄弱點、困惑點，幫助學生突破難點，加深理解，提升素養的過程。本試題的講解建議分為以下五個過程。

1.實驗演示

數字化實驗在初中教材中沒有出現過，學生相對比較陌生。試題講解時，首先介紹數字化實驗，讓學生了解數字化實驗的基本構成。其次，讓學生知道傳感器的用途，本實驗中三種傳感器分別用于檢測密閉體系內的氣壓、氧氣濃度和溫度的變化。同時讓學生了解到實驗的結果主要是在電腦上以具體的數據及根據數據變化得到的圖像形式呈現出來。最后，教師利用圖1裝置在課堂演示該實驗，讓學生認識和體驗數字化實驗的過程，了解圖像的真實來源。

2.同步分析

實驗圖像的分析重點在于曲線的起點、終點、拐點及曲線變化趨勢，而數字化實驗圖像的變化與實驗操作的過程有著密切的相關性。講解試題時，教師先帶領學生發現實驗步驟與實驗過程中圖像變化的關系，再引導學生把需要解決的問題與實驗步驟、實驗圖像進行同步分析，從而促進學生對圖像每一個細節的理解。

3.難點突破

此試題講解的難點是“為什么壓強曲線EF段略低于OA段”和實驗步驟（4）中加水液面變平時壓強曲線的變化。九年級學生物理學知識和思維能力還比較薄弱，除了從物理學的角度給學生進行分析和解釋外，為了幫助學生更好地理解，課堂上教師設計如圖6的實驗裝置并通過演示來突破難點。

實驗過程見圖7，在U型管中倒入一定量的紫色高錳酸鉀溶液（主要為了便于觀察液面的變化），將U型管向左邊傾斜后塞上連有壓強傳感器的橡皮塞，將U型管回正后發現左邊液面高于右邊液面，電腦曲線顯示的壓強低于大氣壓。往U型管右邊逐滴滴加高錳酸鉀溶液至兩邊液面相平，引導學生觀察在滴加高錳酸鉀溶液時壓強在逐漸變大，當兩邊液面相平時壓強等于大氣壓。通過演示，讓學生直觀地看到曲線的變化，很好地理解壓強變化的原因，有效地突破思維障礙。

4.歸納提升

試題講解的根本目的是通過對一道試題的講解，觸類旁通，加深對一類試題本質的認識，形成解決一類試題的有效方法。因此，試題講解在注重難點重點突破的同時，更要注重化學學科思想和學科方法的歸納與提升。該試題講解結束后，教師一方面要帶領學生對圖像的認識與理解進行歸納，提升學生從定性、定量以及圖像與實驗操作的聯系等維度觀察與分析圖像的能力與素養，另一方面教師要引導學生能夠從宏觀和微觀的視角認識化學反應的本質，歸納出化學反應的本質從微觀上是舊化學鍵的斷裂、新化學鍵的形成，體現在宏觀上就是反應物減少，有新的物質生成，從而理解化學反應發生的判斷依據。

5.拓展應用

對于一類試題的解決最關鍵是要進行及時地鞏固與評價，加深對具體學科知識和學科方法的體驗和應用，拓展思維，深化理解。教師可設計新的實驗情境，讓學生對數字化實驗及實驗圖像進行鞏固與拓展，加深對習題解決方法的認知與思考。

（1）演示實驗

教師更換實驗情境，演示新的數字化實驗，實驗裝置如圖8所示。用500mL的四頸燒瓶收集一定量的二氧化碳氣體，點擊電腦屏幕上的“開始采集”按鈕，用針筒向其中加入40mL澄清石灰水，用磁力攪拌器攪拌，再用針筒向其中加入40mL氫氧化鈉溶液，再用磁力攪拌器攪拌。

利用壓強傳感器和二氧化碳傳感器測得四頸燒瓶內壓強和二氧化碳體積分數的變化情況如圖9所示。

（2）討論交流

基于實驗過程及實驗結果，教師組織學生分組討論并交流以下問題：

①在T1時，進行了什么操作？此時密閉容器內壓強為什么增大？

②從T2到T3時，不斷攪拌，什么原因導致密閉容器內壓強又逐漸減??？（用化學方程式表示）

③當時間到T3以后，壓強上升后又下降的原因是什么？此過程中，二氧化碳的濃度如何變化？通過這個實驗，你認為用澄清石灰水還是氫氧化鈉溶液吸收二氧化碳效果較好？

通過討論交流，讓學生體驗和應用本節課分析數字化實驗及其圖像的思路與方法，讓學生在自我分析問題、自主解決問題的過程中得到提升。

（3）反思拓展

為提升學生的學科素養，教師可繼續在鞏固基礎知識和基本方法的前提下，進一步啟發學生進行深入地觀察、反思與拓展。例如引導學生思考為了確保實驗曲線的準確性，實驗過程中還需要注意什么？針對圖9左圖的曲線，能不能有什么新的發現？

（4）自主命題

通過學生對實驗操作細節的分析及實驗圖像變化的討論，教師在最后可以讓學生嘗試根據自己的理解將前面的交流過程轉化為一道試題。自主命題是一種體驗式的學習活動，學生既要明晰學科知識，又要明了考查方式，還要明白試題的呈現形式，從而在命題的過程中鞏固知識，提升素養，促進可續持發展。

五、命題思考

在對教師的質疑焦點進行實驗求證及試題講解過程中發現了原試題的部分缺陷和欠妥之處，引發了對命題的一些思考。

1.基于學情分析

命題的學情分析主要指在命題時要對與試題情境、學科知識、素養發展等相關的學生情況進行前期的研究與分析。只有基于準確的學情分析，才能確定合理的試題考查目標，選擇合適的命題情境素材;只有基于準確的學情分析，才能精準把控命題的重難點，科學設計問題的有效度。

原試題中涉及的數字化實驗初中學生了解較少，雖然部分學校、部分老師已經開始嘗試借助數字化實驗輔助教學，但不同學校間學生的認識仍然存在著較大的差異。因此，命題時要給學生必要的關于數字化實驗的信息，才能體現試題情境的公平性，讓學生處在同一起跑線上，便于選拔具有發展潛力的優秀人才?；瘜W試題命制鼓勵跨學科的綜合素養的考查，培養學生將其他學科的學科思想、學科方法應用于化學問題的解決，但不能過多依賴于其他學科的學科知識。原試題中對壓強與溫度、體積之間的變化關系由于物理課學習也較少，學生在理解上存在一定的障礙，物理學科知識成為了解決問題的必要因素，缺少了試題對化學理解的區分度。這些都需命題者進行必要的學情研究和分析。

2.基于實證研究

“證據推理與模型認知”是《普通高中化學課程標準（2017年版）》提出的化學學科五個核心素養之一。作為啟蒙階段的初中化學，滲透和發展學生的證據意識尤為重要。發展學生的證據意識，就是讓學生為他們的想法尋找理由及證據，進而提高思考和解決問題能力，促進學生科學理性地發展[2]。要發展學生的證據意識，作為試題，應該給學生提供真實有力的證據;作為命題者，更應該對命題的素材在文獻學習的基礎上進行實證研究。

命題要盡量提供真實的、科學的、符合客觀事實的數據和圖表，要杜絕主觀隨意性或憑空杜撰，圖像的給與、答案的得出都要仔細推敲、精雕細琢。因此，在試題的命制過程中，在教材、課標中得到大家認可或者已經經過實踐檢驗的數據、圖表可以直接引用，而對于只停留在理論層面上或者個別文獻中的資料，命題者必須親自查閱大量文獻，收集各類資料，進行多次實驗，開展反復論證，為科學命題展開實證研究。

3.基于素養發展

試題一方面考查學生的基礎知識和基本技能，另一方面也要促進學生學科核心素養的發展。因此，試題命制要逐漸從知識立意、能力立意走向素養立意，體現和踐行發展學生的核心素養。

試題中可以通過提出問題、作出猜想、設計方案、完成實驗、收集證據、得出結論、反思評價等過程，讓學生體驗和經歷實驗探究的主要過程，同時將實驗探究過程的模型認知、證據意識滲透其中，促進學生對學科知識的理解和學科素養的提升。另外還可以設計從宏觀現象、微觀本質、符號、圖像等方式對磷的燃燒進行多重表征，凸顯化學反應的本質。試題講解過程中，倡導學生自主命題，可以促進學生科學探究、創新意識和科學態度等素養的逐步提升。

六、試題改進

基于對原試題命題的思考，筆者嘗試對試題進行了適當的改進。

1.信息改進

基于學情分析，題頭增加關于數字化實驗及傳感器的簡單介紹，讓學生初步了解什么是數字化實驗及傳感器的作用。

2.圖像改進

原有裝置圖中傳感器標記位置有干擾，用圖3替換原有的裝置圖。原實驗結果圖無法體現定量變化關系，基于實驗求證，用圖10替換原有的實驗結果圖，使圖像更直觀、更合理、更科學。

3.問題改進

（1）改進高于化學學科學生認知要求的設問

鑒于學生物理學知識和思維能力比較薄弱，實驗步驟④改為“燃燒結束后，裝置冷卻到室溫，打開導管活塞，待瓶內液面不再上升后停止實驗”，取消設問“壓強曲線EF段略低于OA段是因為___ ”，改為“根據圖10中壓強變化曲線，實驗結束后打開活塞的過程中，壓強曲線中對應的線段是____”。

（2）改進與實驗事實存在爭議的設問

基于實證研究，“壓強曲線A點表示紅磷開始在集氣瓶中燃燒，主要判斷依據是___ ”答案存在爭議，故取消此設問，改為“圖10中X曲線表示的是___ （填A或B，A表示溫度，B表示氧氣濃度）變化情況”。

（3）滲透宏觀微觀符號三重表征

基于素養發展，以磷燃燒為載體設計從宏觀現象、微觀本質、符號表達滲透三重表征的設問，凸顯化學反應的本質，促進學生“宏觀辨識與微觀探析”素養的發展。具體問題設計如下：

①寫出白磷燃燒的現象是___ ;

②白磷燃燒的微觀圖示如圖11，寫出白磷燃燒的化學方程式：____。

（4）注重學生綜合分析能力的培養

利用試題情境，可進一步設計利用紅磷、白磷燃燒后氧氣濃度的不同，引發學生深入思考，培養學生綜合分析的高階思維。具體問題設計如下：

用足量紅磷完成實驗后裝置內氧氣濃度為8.85%，改用足量的白磷完成實驗后測得氧氣濃度為3.21%

①如果利用教材中的裝置測定空氣中氧氣含量時，用____（填紅磷或白磷）能使測定結果較準確;

②綜合分析實驗數據，你對燃燒條件有什么新的認識？____（寫一條即可）。

參考文獻

[1]魏軍.例析初中化學試題命制的評價導向[J].化學教與學，2018（3）：65-67

[2] 陳允任等.基于提升學生科學論證能力的“元素周期律”進階教學[J].化學教育，2016（11）：9-24