2020年全國化學Ⅱ卷27題的評析及教學啟示

摘要： 以2020年全國化學Ⅱ卷27題為例進行研究，歸納內容分布，總結試題特點，拓展試題外延。結合對近四年全國卷實驗題部分設問的分析，發現全國卷實驗題與“實驗-性質-原理”三元整合策略的具體內涵與認知方式存在關聯。使用該策略指導教學設計，以“基于鐵元素的三元整合教學”為例，探討三元整合策略在高三專題復習教學中的應用，并提出若干教學建議。

關鍵詞： 實驗試題; 試題評析; “實驗-性質-原理”三元整合; 教學啟示

文章編號： 1005-6629（2021）03-0089-06

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

1? 試題評析

實驗題是每年高考化學的必考試題，其內涵豐富，包含化學儀器的認識、實驗操作的選用、實驗現象的描述、實驗結果的評價、物質性質的驗證、反應原理的分析、未知事件的預測以及上述內容的綜合應用等，體現了化學學科知識、能力、方法、思想、情感與價值觀的統一[1]。

1.1? 2020年全國化學Ⅱ卷27題呈現

本題選自2020年全國化學Ⅱ卷： 苯甲酸可作食品防腐劑。實驗室可通過甲苯氧化制苯甲酸，反應原理及有關數據簡示如下：

名稱相對分子質量熔點/℃沸點/℃密度/g·mL-1溶解性

甲苯92-95110.60.867不溶于水，易溶于乙醇

苯甲酸122122.4（100℃左右開始升華）248—微溶于冷水，易溶于乙醇、熱水

實驗步驟：

（1） 在裝有溫度計、冷凝管和攪拌器的三頸燒瓶中加入1.5mL甲苯、100mL水和4.8g（約0.03mol）高錳酸鉀，慢慢開啟攪拌器，并加熱回流至回流液不再出現油珠。

（2） 停止加熱，繼續攪拌，冷卻片刻后，從冷凝管上口慢慢加入適量的飽和亞硫酸氫鈉溶液，并將反應混合物趁熱過濾，用少量熱水洗滌濾渣。合并濾液和洗滌液，于冰水浴中冷卻，然后用濃鹽酸酸化至苯甲酸析出完全。將析出的苯甲酸過濾，用少量冷水洗滌，放在沸水浴上干燥。稱量，粗產品為1.0g。

（3） 純度測定： 稱取0.122g粗產品，配成乙醇溶液，于100mL容量瓶中定容。每次移取25.00mL溶液，用0.01000mol·L-1的KOH標準溶液滴定。三次滴定平均消耗21.50mL的KOH標準溶液。

回答下列問題：

（1） 根據上述實驗藥品用量，三頸燒瓶的最適宜規格為? ? ? ? （填標號）。

A. 100mL? ? B.250mL

C.500mL? ? D.1000mL

（2） 在反應裝置中應選用? ? ? ? 冷凝管（填“直形”或“球形”），當回流液不再出現油珠即可判斷反應已完成，其判斷理由是? ? ? ? 。

（3） 加入適量飽和亞硫酸氫鈉溶液的目的是? ? ? ? ;該步驟亦可用草酸在酸性條件下處理，請用反應的離子方程式表達其原理? ? ? ? 。

（4） “用少量熱水洗滌濾渣”一步中濾渣的主要成分是? ? ? ? 。

（5） 干燥苯甲酸晶體時，若溫度過高，可能出現的結果是? ? ? ? 。

（6） 本實驗制備的苯甲酸的純度為? ? ? ? ;據此估算本實驗中苯甲酸的產率最接近于? ? ? ? （填標號）。

A. 70%B. 60%

C. 50%D. 40%

（7） 若要得到純度更高的苯甲酸，可通過在水中? ? ? ? 的方法提純。

1.2? 內容分析

苯甲酸又稱安息香酸，可作為藥物或防腐劑。最初苯甲酸是由安息香膠干餾制得，工業上多是在催化劑條件下用空氣氧化甲苯制得，實驗室常用KMnO4在中性條件下氧化甲苯制得。

KMnO4在酸性和中性條件下都有氧化性，但還原產物不同。強酸性時Mn（+7）被還原為Mn2+，氧化能力太強，選擇性差，只適用于制備非常穩定的化合物，且Mn2+鹽難以回收，工業上很少使用酸性氧化法;而在中性條件下，Mn（+7）被還原為MnO2，氧化能力適中，選擇性好，產物鉀鹽或鈉鹽易溶于水，產品的分離與精制簡單，副產品MnO2用途廣泛。

本題是以苯甲酸的制備、分離、純度測定為線索，是人教版選修五實驗“苯甲酸的重結晶”的升級版。它主要利用KMnO4在中性條件下氧化甲苯制取苯甲酸，主要操作包括： 回流反應→分離提純→鹽酸酸化→純度測定等。表1從問題情境、必備知識、考綱要求、學科能力對20-Ⅱ題進行分布狀況分析。

1.3? 試題特點

與近年全國卷實驗題風格一致，本題特點是選用情境相對陌生、題目設問不是已有知識的簡單重現，而是以真實實驗情境為素材，凸顯化學實驗、物質性質、反應原理的三元整合。本題設置由淺入深，層層推進，不僅考查考生的實驗功底，更是考查考生能否基于物質性質和反應原理的認識角度去解決復雜陌生情境中的實驗問題。關于高考試題與三元整合策略的具體內涵、認知方式的關聯如圖1所示。

高考實驗題基本圍繞元素化學事實展開，知識上

旨在考查學生對相關元素及其化合物性質、反應等事實系統了解和掌握的程度;能力上旨在考查學生應用元素化合物的性質、基本反應原理來分析陌生反應的實驗裝置、實驗操作和預測實驗現象、實驗結論的能

力，甚至是在陌生情境中解決問題的能力[2];素養上強調宏微結合、變化觀念、平衡思想、證據推理的滲透。近年來全國卷高考實驗題部分設問必須要自覺從“三元整合”的認識方式尋求突破口才能達到試題設計要求，表2所示的是基于“三元整合”角度評價近四年全國卷實驗題的部分設問。

實驗題題目設問節選基于三元整合的思路分析

2017年全國Ⅲ卷（3） 為探究硫酸亞鐵的分解產物……實驗后反應管中殘留固體為紅色粉末。

① C、 D中溶液依次為? ? ? ? （填標號）。C、 D中有氣泡冒出，并可觀察到的現象分別為? ? ? ? 。

a. 品紅? b. NaOH? c. BaCl2? d. Ba（NO3）2? e. 濃H2SO4

② 寫出硫酸亞鐵高溫分解反應的化學方程式? ? ? ? 。① 根據實驗現象“紅色粉末”推知產物有Fe2O3。

② 根據氧化還原反應從Fe元素升價推知產物有SO2;根據元素守恒原理推出產物有SO3。

③ 確定檢驗對象后要有檢驗型實驗設計防干擾的意識，主動判斷檢驗順序。

④ 要有扎實的物質性質知識基礎，知道SO3極易和水完全化合，只能先檢驗;SO2有強還原性，易被硝酸鹽溶液氧化，所以不能利用Ba（NO3）2檢驗SO3。

2018年全國Ⅰ卷（2） 將過量鋅粒和氯化鉻固體置于c中，加入少量蒸餾水，按圖連接好裝置，打開K1、 K2，關閉K3。

① c中溶液由綠色逐漸變為亮藍色，該反應的離子方程式為? ? ? ? 。

② 同時c中有氣體產生，該氣體的作用是? ? ? ? 。① 根據實驗現象——溶液顏色和氣體，推測合理產物。

② 結合產物推出兩個競爭反應機理： Zn+2Cr3+Zn2++2Cr2+， Zn+2H+Zn2++H2↑。

③ 要有靈敏的物質性質意識，根據“氧氣吸收劑”能推測出醋酸亞鉻有強還原性，因此要排盡裝置中空氣，防止被氧化變質。

2019年全國Ⅰ卷（2） ……鐵屑中含有少量硫化物，反應產生的氣體需要凈化處理，合適的裝置為? ? ? ? （填標號）。

① 這是對實驗過程中尾氣處理的考查。

② 要有扎實的物質性質知識基礎： A.硫化物與非氧化性酸生成H2S;B.H2S在水中溶解度不大，用水吸收效果差;C.H2S是酸性氣體，可用NaOH溶液吸收。

③ 要有實驗評價意識，不能簡單考慮H2S量少、不容易倒吸直接選用導管。

④ 要有反應原理意識，能從導管口氣液接觸面積小分析，尤其大量H2逸出時H2S吸收不充分，故倒扣漏斗更好。

2020年全國Ⅱ卷……實驗室可通過甲苯氧化制苯甲酸，其反應原理簡示如下：

實驗步驟：

（1） ……并加熱回流至回流液不再出現油珠。

（2） ……從冷凝管上口慢慢加入適量飽和亞硫酸氫鈉溶液，并將反應混合物趁熱過濾，用少量熱水洗滌濾渣。合并濾液和洗滌液，于冰水浴中冷卻，然后用濃鹽酸酸化至苯甲酸析出完全……

（3） 加入適量飽和亞硫酸氫鈉溶液的目的是? ? ? ? 。① 關于實驗試劑作用的判斷，要有完善的實驗觀，能從物質制備和分離提純的認識角度思考。

② 要有扎實的物質性質知識基礎，能從NaHSO3有還原性方面思考，結合反應混合體系的成分考慮作用。

③ 結合轉化過程的反應原理和實驗現象——回流液不再出現油珠進行證據推理： 說明甲苯完全反應，KMnO4有剩余。

④ 再結合KMnO4有強氧化性能氧化濃鹽酸，使后續第二步原料利用率降低，必須要先除去過量的KMnO4。

1.4? 試題拓展

本題屬中檔題，但背后有很多值得從“三元整合”方面去挖掘的地方，見表3。

問題層次拓展問題參考答案基于三元整合的思路分析

單一版塊冷凝管作用是什么？冷凝回流，提高原料利用率。從有機物易揮發的性質考慮。

攪拌器作用是什么？增大兩相接觸面積，加快反應速率。從反應速率的影響因素考慮。

趁熱過濾意義是什么？防止溶液溫度下降使苯甲酸鉀鹽析出。從物質溶解性隨溫度變化分析。

粗產品中含有的主要雜質是什么或從析出苯甲酸后的濾液回收利用的主要物質是什么？KCl。從物質轉化的過程原理分析成分。

三元整合為何選用中性KMnO4氧化甲苯，而不選用酸性條件？中性條件Mn（+7）被還原為MnO2，氧化能力適中，選擇性好;產物鉀鹽易溶于水，產品的分離與精制簡單，副產品MnO2用途廣泛。① 了解物質氧化性強弱與環境酸堿性有關;

② 從原理上明白有機反應大多存在副反應，氧化性太強容易引起副反應;

③ 從實驗評價角度判斷出生成MnO2較Mn2+更有利于后續分離提純，且MnO2可回收利用。

判斷用H2O2代替NaHSO3溶液是否合理，并說明原因？合理： H2O2能還原KMnO4，且不引進雜質;

不合理： 反應混合物中有大量MnO2，會使加入的H2O2劇烈分解。① 要有扎實的物質性質知識基礎，知道H2O2有還原性，能除去過量KMnO4。另外，要知道MnO2是H2O2分解的催化劑;

② 要從原理上認識MnO2催化H2O2分解是一個速率極快的反應;

③ 從評價實驗原料H2O2利用率的角度判斷出不合理性。

寫出加入NaHSO3溶液發生反應的離子方程式。2MnO-4+3HSO-32MnO2↓+3SO2-4+H++H2O① 要有扎實的物質性質知識基礎，知道NaHSO3和KMnO4發生氧化還原反應;

② 了解物質氧化機理與環境有關，根據題目的轉化原理能初步判斷出在中性條件下KMnO4的還原產物是MnO2;

③ 根據題目提示的操作“趁熱過濾”進一步推理得出加入NaHSO3后KMnO4的還原產物是MnO2。

2? 教學啟示

近幾年來全國卷實驗題在情境維度和知識維度的水平有所降低，但是很多來自課內元素化合物實驗及其遷移在認知進程維度方面的水平有所提升，特別是分析與解決問題中高階水平考查比重增大，化學實驗、物質性質和反應原理的整合考查日趨明顯，與三元整合策略指導下的課堂教學有著共同目標。

2.1? 三元整合策略的定義與理論依據

“三元整合策略”是指教師以某種元素為核心的一系列物質設計成整合型情境，對化學實驗、物質性質和反應原理進行綜合學習的教學方法[3]。

三元整合策略的核心理論依據是問題本位學習理論，這是近年來受到廣泛重視的基于建構主義教學改革的一種教學思路。“問題本位學習”強調把學習設置于復雜的、有意義的問題情境中，通過讓學習者合作解決真實性問題來學習隱含于問題背后的科學知識，形成解決問題的技能，并形成自主學習的能力[4]。

三元整合策略主張基于學生在化學實驗、物質性質和反應原理三大版塊的已有知識創設認知沖突，以“認知沖突”作為課堂教學的研究線索，以課標考綱的知識、方法、能力和素養為教學暗線，圍繞驅動性問題不斷提出解釋和修正解釋，結合實驗強化學生有序觀察現象的能力和建立有效解決問題的思維程序。通過三重表征教學提高學生的邏輯思維與語言表達能力，在運用已有知識對外輸出的過程中培育學生宏微結合、變化觀念、證據推理、實驗探究等核心素養。

2.2? 基于三元整合策略的教學案例實施

“基于鐵元素的三元整合教學”是三元整合策略在高三實驗專題備考復習課的具體應用。通過5個檢驗型實驗串起整個課堂，其教學內容和物質檢驗模塊基于思維進階的教學設計模型見表4和圖2。

實驗實驗目的實驗操作問題拓展

1檢驗FeSO4是否變質并制備Fe（OH）2（1） 描述實驗操作;

（2） 預測現象并說出判斷依據。

2檢驗Fe（OH）2是否被氧化（1） 描述實驗操作;

（2） 預測現象并說出判斷依據。

3實驗2血紅色溶液性質的檢驗取少量實驗2得到的血紅色溶液于試管中，加入足量鐵粉，充分振蕩。（1） 預測現象并說出判斷依據;

（2） 書寫過程中涉及反應的離子方程式。

4對預測反應發生與否的檢驗取少量實驗2得到的血紅色溶液于試管中，加入過量的KI溶液，充分振蕩。（1） 預測現象并說出判斷依據;

（2） 猜測發生哪些反應，寫出相應離子方程式;

（3） 設計盡可能多的實驗方案證明你的猜測（方案包括操作、現象和結論，下同）。

5綜合應用取少量硫酸鐵溶液于試管中滴加幾滴KSCN溶液，再加入稍過量Na2SO3固體，充分振蕩。（1） 預測現象并說出判斷依據;

（2） 猜測發生哪些反應，并寫出離子方程式;

（3） 設計盡可能多的實驗方案證明你的猜測。

2.3? 備考教學建議

高考實驗題命題嚴格遵循考試大綱，以無機物、實驗基礎與探究、化學反應原理作為主要考查內容，注重考查化學觀念、思維方法、關鍵能力，滲透化學學科核心素養。而三元整合策略是核心素養視角下實驗專題復習課的有效教學取向。對使用三元整合策略構思高三微專題課堂復習提出以下教學建議： （1）結合復習專題，利用熟悉的內容制造一系列不能用已有知識經驗直接處理而感到疑難的問題情境，模仿高考命題素材的陌生化;（2）制造或設置促使學生自覺地從不同知識角度（如物質性質、基本理論等）、從不同思維角度（如類比、模型等）去分析問題和解決問題的問題鏈，貼近高考命題的思維角度;（3）課堂上充分調動學生根據已有知識、基本觀念（元素觀、分類觀、變化觀、守恒觀等）、化學素養（宏微結合、變化觀念、平衡思想、模型認知等）進行證據推理，最終形成問題解決的認知模型，以實現高考命題的問題解決要求。建設這種課堂，必定有利于形成解決問題的原理或規則，并成為認知結構中的一個組成部分，對解決陌生情境下的高考實驗題有十分重要的意義。

參考文獻：

[1]鐘輝生， 謝名軍， 姜建文. 核心素養視角下的高考試題分析——評2017年全國高考I卷理綜化學試題[J]. 化學教學， 2018， （5）： 75～80.

[2]教育部考試中心. 2017年普通高等學校招生全國統一考試系列用書——高考理科試題分析（理科綜合分冊）[M]. 北京： 高等教育出版社， 2017： 43.

[3]鐘國華， 林建芬. 基于“實驗-性質-原理”三元整合策略的高三化學微專題復習研究——以“弱電解質的電離與電離平衡”為例[J]. 化學教育， 2018， 39（5）： 38～43.

[4]黃愛華， 林煒. 基于“問題本位學習”理論的“大問題”教學[J]. 課程·教材·教法， 2017， （7）： 38～42.