基于化學高考試題的專題教學設計——以“無機物制備類綜合實驗”為例

河北

(作者單位：河北省張家口市第四中學)

隨著《普通高中化學課程標準(2017年版2020年修訂)》(以下簡稱《課程標準》)的逐步深入落實，化學試題的“基礎性、綜合性、應用性、創新性”特點對復習備考教學提出了新的要求。充分理解《中國高考評價體系》中的理念，發掘考題所呈現的核心價值、學科素養和必備知識與關鍵能力，善用高考真題發揮其價值功能和對教學的指導作用，是優化復習過程、促進學生發展的有效途徑。

一、基于高考真題的專題教學設計思路

二輪復習的目標是在一輪知識梳理基礎上實現知識網絡化、進行系統化構建，并且提高解決問題的能力。傳統的二輪復習模式為專題知識網絡梳理和習題講練，高考真題只作為習題選擇的首選內容。但實踐發現，考題的考查方向轉變、情境陌生度提高、綜合性增強、模塊間知識關聯性加強等新問題集中涌現，僅通過簡單的梳理練習很難高效達成能力提升。這就要求教師適應核心素養目標下的新高考，調整教學策略，設計引導學生自主構建知識體系、總結考查模型和規律方法的專題教學，實現專題突破。筆者利用高考題目素材，設置專題任務情境，以問題為導向設計教學，在引領學生自主探究問題解決方案的過程中實現知識整合和體系構建，在真題解答中提煉題目設問與知識體系間的內在聯系，達成題目類型的模型構建和解決問題的一般規律與方法的強化整理和深層次認知。簡要流程如圖1所示。

圖1

例如，實驗綜合題可以有效考查證據推理和模型認知、科學探究與創新意識等學科核心素養目標達成情況，按照實驗目的不同可以分為物質制備、物質檢驗與測定、性質與原理探究等類型，不同類型的化學實驗及探究活動都有其特定的核心思路與基本方法，這就決定了不同類型的考題都有其考查內容和設問方式的內在規律性。按照不同實驗類型，選取典型高考試題設計專題教學，幫助學生明確解決這些類型的實驗任務的一般思路和常用方法，掌握必需的實驗操作技能，可以有效落實課標要求，促進學生認知和能力發展，實現專題突破。

二、“無機物制備類綜合實驗”專題教學設計

任務情境設置：氯可形成多種含氧酸鹽，廣泛應用于殺菌、消毒及化工領域。含氯消毒劑能夠殺滅新冠病毒，是常用防疫用品。請你在實驗室中利用KOH、NaOH(其他藥品自選)制備KClO3和NaClO。

設計思路與意圖：上述情境來源于2020年全國卷Ⅲ26題的題干信息，為典型的無機物制備問題，難度較低，大多數的學生都可以參與討論，適合作為學習載體。同時該題目情境體現了化學在生產生活中的應用，關注當下社會熱點問題中化學的功能與價值，是體現試題情境化設計、達成教學目標的良好素材。

問題的提出：完成該實驗任務依次需要考慮解決哪些問題？討論完成實驗設計。

實施建議：問題探究部分是教學的中心環節，視所教學生的學習程度，可采用分組討論匯報、集體討論、教師引導討論等具體操作方式。結論形成的過程注意思維的有序性引導。

問題討論與歸納：

1.該任務主要問題：確定制備原理——選擇適當裝置——制備操作——分離提純。

3.裝置選擇：

(1)依據氣體制備原理、藥品狀態及反應條件選擇氣體發生裝置

表1

(2)依據產品制備原理、藥品狀態及反應條件選擇制備裝置

表2

(3)原料為氣體的綜合實驗裝置示意圖

圖2

4.操作注意事項

(1)以控制為目的的操作

①使用分液漏斗滴加濃鹽酸，控制氯氣產生速率；

②溫度控制：加熱時按所需溫度由高到低可選擇酒精噴燈(煤氣燈)、酒精燈、熱水浴，特殊需要可選用油浴、沙浴或鹽浴等；降溫可以使用冷水浴、冰水浴。水浴(油浴)加熱的優點是受熱(冷)均勻、易于控溫。

(2)以安全為目的的操作——關注“先后順序”

①以氣體為中心的實驗，應先檢查裝置氣密性后添加藥品組裝裝置；

②可燃性氣體實驗，先驗純后點燃、先排盡空氣(驗純)后加熱；

③防倒吸，先撤出導管后滅燈。

(3)以產品保護為目的的操作

①氫氣還原氧化銅類實驗，先熄滅酒精燈冷卻后再停止通氫氣；

②需利用惰性氣體排出空氣保護產品不被氧化時，實驗開始應先通惰性氣體后加熱，結束時先滅燈冷卻后再停止通入氣體；

③遇水易水解的產品，產品所處裝置前后均需要干燥條件。

5.無機物的分離提純

(1)固液分離——過濾

(2)溶液中固態溶質提取

①溶質單一、熱穩定性高、產品為非結晶水合物時，采用蒸發結晶；

②混合液中，提取結晶水合物晶體、熱穩定性差或溶解度隨溫度變化大的晶體時，采用“蒸發濃縮、冷卻結晶、過濾、干燥”分離的方式；

③粗晶體進一步提純，用重結晶的方法。

實驗方案確定：綜合上述問題討論，確定實驗方案。實驗室法制氯氣——通入飽和食鹽水除HCl——通入熱KOH溶液及冷NaOH溶液制KClO3和NaClO——利用NaOH溶液吸收尾氣，通過蒸發濃縮、冷卻結晶、過濾、干燥等操作進行產品分離提純，最后利用重結晶進一步提純晶體。

【例1】(2020·全國卷Ⅲ·26)氯可形成多種含氧酸鹽，廣泛應用于殺菌、消毒及化工領域。實驗室中利用圖3裝置(部分裝置省略)制備KClO3和NaClO，探究其氧化還原性質。

圖3

回答下列問題：

(1)盛放MnO2粉末的儀器名稱是________，a中的試劑為________。

(2)b中采用的加熱方式是________，c中化學反應的離子方程式是____________________，采用冰水浴冷卻的目的是____________________。

(3)d的作用是________，可選用試劑________(填標號)。

A.Na2S B.NaCl C.Ca(OH)2D.H2SO4

(4)反應結束后，取出b中試管，經冷卻結晶，________，________，干燥，得到KClO3晶體。

(5)取少量KClO3和NaClO溶液分別置于1號和2號試管中，滴加中性KI溶液。1號試管溶液顏色不變。2號試管溶液變為棕色，加入CCl4振蕩，靜置后CCl4層顯________色。可知該條件下KClO3的氧化能力________(填“大于”或“小于”)NaClO。

【答案】(1)圓底燒瓶 飽和食鹽水

(3)吸收尾氣(Cl2) AC

(4)過濾 少量(冷)水洗滌

(5)紫 小于

【練后反思】將高考真題與前述的實驗設計過程相對照，發現均從裝置名稱、試劑選擇、反應原理表達、條件控制、關鍵環節設計、分離提純方案選擇及操作等角度進行問題設計，符合《課程標準》中“認識解決這些類型的實驗任務的一般思路和常用方法，掌握必需的實驗操作技能”的要求，說明該思路模型的有效性，是該類實驗問題的不變之“宗”。

【例2】(2017·全國卷Ⅰ·10)實驗室用H2還原WO3制備金屬W的裝置如圖4所示(Zn粒中往往含有硫等雜質，焦性沒食子酸溶液用于吸收少量氧氣)。下列說法正確的是

( )

圖4

A.①、②、③中依次盛裝KMnO4溶液、濃H2SO4、焦性沒食子酸溶液

B.管式爐加熱前，用試管在④處收集氣體并點燃，通過聲音判斷氣體純度

C.結束反應時，先關閉活塞K，再停止加熱

D.裝置Q(啟普發生器)也可用于二氧化錳與濃鹽酸反應制備氯氣

【答案】B

【設計思路與意圖】本題為2017年全國卷Ⅰ第10題，是全國卷中最先出現的以綜合實驗為題干的選擇題，體現了“大題小做”的考題命制思想，同時題目具有一定的陌生度，有一定的啟示作用。學生在分析解題過程中與上述“利用氣體進行的無機物制備實驗”一般思路與常用方法做對照，體會其陌生外表下的一致性，進一步熟練模型，提高復習效率。

【問題討論與歸納】

1.A選項考查流程設計與試劑選用，符合“氣體制取—除雜—制目標物”的一般流程，結合題目信息可知KMnO4溶液可除H2S、濃H2SO4可除水蒸氣、焦性沒食子酸溶液可除氧氣，但裝置順序違背“先洗氣后干燥”的規律，因此，A項錯誤。

2.B選項考查實驗的安全操作，遵循使用可燃性氣體時應先排盡空氣后加熱的規律，B項正確。

3.C選項考查產品保護，若先關閉活塞K，會停止通氫氣，則④處會有空氣進入裝置，制得的金屬W會再次被氧化，C項錯誤。

4.D選項考查氣體發生裝置選擇，二氧化錳與濃鹽酸反應制備氯氣需加熱，而啟普發生器不能加熱，D項錯誤。

5.該裝置末端缺少尾氣處理裝置，可以采用收集或放置燃著酒精燈的處理方式。

【例3】(2018·全國卷Ⅰ·26)醋酸亞鉻[(CH3COO)2Cr·2H2O]為磚紅色晶體，難溶于冷水，易溶于酸，在氣體分析中用作氧氣吸收劑。一般制備方法是先在封閉體系中利用金屬鋅作還原劑，將三價鉻還原為二價鉻；二價鉻再與醋酸鈉溶液作用即可制得醋酸亞鉻。實驗裝置如圖5所示。回答下列問題：

圖5

(1)實驗中所用蒸餾水均需經煮沸后迅速冷卻，目的是________________。儀器a的名稱是________。

(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。

①c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___________。

(3)打開K3，關閉K1和K2，c中亮藍色溶液流入d，其原因是________________________；d中析出磚紅色沉淀，為使沉淀充分析出并分離，需采用的操作是________、________、洗滌、干燥。

(4)指出裝置d可能存在的缺點：___________。

【答案】(1)去除水中溶解氧 分液漏斗

(3)c中產生H2使壓強大于大氣壓 冷卻 過濾

(4)敞開體系，可能使醋酸亞鉻與空氣接觸

【設計思路與意圖】本題為2018年全國卷Ⅰ第26題，與前兩題相比，試題情境陌生度稍高，但依然是無機物制備問題，符合此類實驗問題的特定思路與方法，只是對學生發展動手能力和高級思維能力提出了進一步的要求。如陌生氧化還原反應方程式的書寫、利用氫氣排空氣防止產品氧化、利用氣體產生壓強差排出液體、實驗設計評價等問題，有一定的難度，通過討論與分析，梳理其與一般思路與方法的契合點，更進一步固化模型認知，同時拓寬思路，體會考題“穩中有變”但“萬變不離其宗”的特點，這里的“宗”就是著重考查考生是否理解并掌握高中化學課程中最基礎的核心知識，測評考生的關鍵能力和化學學科素養。