建立復雜體系綜合實驗探究的解題策略

曾璐 鐘曉媛

摘要： 實驗探究是高考的重點考查內容，也是學生學習的難點之一。針對學生存在的解題困難，對高考題進行改編，以真實的實驗探究及模仿命制試題的教學過程，幫助學生在面對復雜體系的綜合實驗探究題目時，明確解題視角、梳理解題邏輯，最終形成解題策略。

關鍵詞： 綜合實驗探究; 解題策略; 高考真題; 高三實驗復習

文章編號： 10056629（2022）09008905

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

《普通高中化學課程標準（2017年版）》中“科學探究與創新意識”是五個學科核心素養之一。要求學生認識科學探究是進行科學解釋和發現、創造和應用的科學實踐活動，并且了解其過程所包含的核心要素有： 提出問題和假設、設計方案、實施實驗、獲取證據、分析解釋或建構模型、形成結論及交流評價等[1]。這些要素在課程標準中分為四個素養水平等級[2]，高考則在此基礎上進行更為綜合的考察。高三年級整理復習階段，教師在學生已有基礎之上進行實驗探究的復習，目的在于綜合提升學生的科學素養水平，以及進行有針對性的應用。

1 問題的提出

近年高考綜合實驗探究，要求學生不僅能夠運用各類物質的性質進行物質的檢驗、分離和提純，還要求學生能夠設計、評價或改進實驗方案;要求學生不僅會采取適當的方法控制實驗條件，描述實驗現象和收集有關數據，還能分析現象和處理數據并得出合理結論。這樣的綜合實驗探究題，考查了學生合理猜想、找排干擾等的實驗設計思路;控制變量、收集數據等的實驗實施方法;分析證據、推理論證等的實驗解釋能力。

但在高三復習中我們常常發現，面對這樣的綜合實驗探究題，學生表現出了一些共同的困難。通過分析，造成學生困難的主要因素是：

（1） 缺乏邏輯。對紙面敘述的實驗邏輯不清晰，對實驗探究的基本程序與思路不清楚。

（2） 缺乏視角。不了解題目考察所指向的知識與能力，不知道從何入手解題。

（3） 缺乏策略。容易陷入個別題目的無用信息中，沒有歸納總結同類題目的共同特點，沒有形成有效的解題策略。

如何在課時緊張的情況下有效突破學生在此類問題上的困難，就成了高三教學中的重要議題。

2 解決途徑

選擇合適的高考題，將其設計成為課堂教學，可避免一般復習課中探究問題難度大、角度偏、邏輯不夠嚴謹等弊端。

本研究的高三實驗探究復習課，選擇的是2017年北京高考理綜試卷中最后一道題（第28題）。題目情景為在驗證反應“Fe+2Ag+Fe2++2Ag”的實驗中檢測到Fe3+，并給出了部分探究過程，要求學生將此過程補充完全。

選擇該題作為本節課的素材，并將其改編成真實的探究過程的主要原因是： （1）素材熟悉，難度適中。探究所用試劑學生較為熟悉，但發生的反應多樣，存在競爭關系，對學生的邏輯性、推理能力有一定的挑戰。（2）具有教學的可操作性。實驗探究的操作本身多為試管實驗，對于學生較為簡單，容易上手，題目中的探究活動所用時間適中。（3）涉及較多的考點知識。探究過程中需要用到鐵及其化合物、硝酸的性質、氧化還原反應、原電池工作原理等知識內容，可以與復習物質的性質等知識相結合。（4）蘊含豐富的實驗思想。探究過程中學生需要復習控制變量、對比實驗、找排干擾等實驗思想與方法，可以有針對性地復習科學探究的一般方法，幫助學生形成解決復雜體系問題的一般思路、方法，有利于形成解題策略。

本設計的教學目標： （1） 通過完成Ag+和Fe反應的探究，明確實驗探究的一般思路。（2） 探究過程中，體會基本的實驗思想，形成解決復雜問題的一般思路。（3） 通過命制一道實驗探究題，反思命題過程，形成有效的綜合實驗探究題的解題策略。（4） 通過探究學習發展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等核心素養。教學的重點為： 形成綜合實驗探究的解題策略。

3 教學過程

根據教學目標，將整個教學過程分為四個環節： 第一個環節重點在于提供學生拿到題目后的分析視角;中間兩個環節讓學生體會綜合實驗探究中分析問題的邏輯方法;最后一個環節則讓學生跳出解題者身份，結合習得的視角與邏輯，綜合歸納出此類題目的解題策略。教學過程示意圖如圖1所示。

3.1 初步實驗，明確分析視角

教師提出探究目的： 探究Ag+和過量Fe粉反應中產生的異常現象。提供實驗用品： 鐵粉、硝酸酸化的0.05mol·L-1AgNO3溶液（pH=2）、稀硝酸、NaCl溶液等。學生依據學過的知識較容易預測發生的主要反應為2Ag++FeFe2++2Ag，并預測主要現象為黑色固體生成，溶液變為淺綠色。

學生實驗1： Ag+與Fe反應的實驗。向硝酸酸化的硝酸銀溶液中加入過量鐵粉。現象為試管底部有黑色固體，溶液無明顯顏色。學生分析： 由于鐵粉過量，所以不能通過試管底部的黑色固體即判斷有Ag生成;又由于反應后溶液無明顯顏色的異常現象，不能說明有Fe2+生成。教師應引導學生先驗證： 預測的反應確實發生了。師生討論，進行教師實驗1： 取出反應后的一部分溶液，利用鐵氰化鉀產生藍色沉淀檢驗Fe2+的存在。經過分析討論，Fe2+的產生可能是Ag+氧化Fe的結果，也可能是NO-3在酸性環境下氧化Fe的結果。繼續討論，確定檢驗產物Ag存在的實驗方案（學生實驗2），如圖2所示。⑤中有白色沉淀，確認生成物存在Ag，Ag+與Fe的確發生了預測的反應。

教師實驗2： 從學生實驗1中再取出部分溶液，滴加KSCN，溶液變紅，還有白色沉淀產生。教師引導學生思考為什么體系中會有Fe3+存在？同時補充信息： Ag+與SCN-發生反應生成白色沉淀AgSCN。

師生歸納，明確異常現象的“異常”所在： 在鐵粉過量的情況下本不會生成Fe3+，但溶液確實有Fe3+存在;反應發生后Ag+并不是馬上全部轉化為Ag單質，幾分鐘內溶液中仍有Ag+存在。同時確立分析視角： 以溶液中所有存在離子為分析對象的物質視角;以鐵離子為中心的氧化還原反應的原理視角;以“猜想設計驗證”等探究要素的方法視角。

3.2 深入探究，突破實驗邏輯困難

首先，針對問題“Fe3+從何而來”，開展推理探究。師生根據體系內具有氧化性的物質，討論列出Fe3+產生的所有可能的原因：

（1） 鐵粉表面有氧化層能產生Fe3+;

（2） Fe2+被NO-3（H+）氧化為Fe3+;

（3） Fe2+被O2氧化為Fe3+;

（4） Fe2+被Ag+氧化為Fe3+。

小組及組間討論交流驗證方案，以正向思維（證實法）進行一般的逐一排查： 原因（1）不易找未被氧化的鐵粉做對比實驗;原因（2）需要驗證酸化的硝酸根（非硝酸銀溶液）能否將Fe2+氧化成Fe3+;原因（3）需要驗證Fe2+放置與學生實驗1相同的時間，驗證Fe3+的產生;原因（4）需要驗證體系中的銀離子（非硝酸銀溶液）能否將Fe2+氧化成Fe3+。

繼續分析，（1）、 （3）用空白實驗即可驗證;（2）、 （4）選一種進行驗證的同時（1）、 （3）可被驗證。學生選擇原因（2）設計實驗進行驗證，實驗方案如圖3所示。

學生實驗3： 驗證Fe3+的產生原因。加入KSCN后，溶液無明顯現象。所以（1）～（3）不是產生Fe3+的原因。用逆向思維（證偽法），已經排除了前三個原因，可以得出實驗結論。

教師參考文獻方法[3]，通過原電池裝置（教師實驗3）證實Fe2+確實可以和Ag+反應生成Fe3+;同時利用增加Fe3+濃度，發現該反應為可逆反應，如圖4所示。

3.3 拓展解釋，深化復雜體系的分析邏輯

教師引導學生回憶初步實驗（教師實驗2）中滴加KSCN驗證Fe3+時出現的白色沉淀。給出新情景信息： 不同時間取硝酸銀與鐵粉反應后的上層清液，滴加KSCN溶液，溶液產生白色沉淀的多少和溶液紅色的深淺等現象均不相同（如表1所示）。要求學生分析原因。

指導學生結合學生實驗3及教師實驗3，分析AgNO3和Fe粉混合后體系中的反應，從速率、平衡的角度分析解釋上述現象。給出信息： 氧化還原反應具有一定的活化能，反應速率較慢;Ag+和Fe2+反應的平衡常數為3.21[4]，反應既可正向進行，又可逆向進行，存在化學平衡;鐵還原Fe3+標準狀態平衡常數很大。經過師生討論（如圖5所示），從原理角度對現象提出了一種合理分析，深化了對AgNO3和Fe反應的認識。

在分析和解釋環節，學生習得了此類反應分析解釋的一般方法： 首先要將需解釋的宏觀現象轉化為明確的化學問題（即微觀粒子的變化）;接著找出整個體系中的粒子行為（即發生的化學反應）;最后從速率、平衡等原理角度對粒子行為進行分析，使之與已有宏觀現象相符合。

3.4 命題活動，激發解題策略的反思意識

教師根據課程標準中學業水平的要求及高考題情況給學生提供高考的考察要點，并提出命題要求： （1）每一個設問都要對應考察要點，盡可能地豐富設問角度;（2）一共6～8問;（3）命題的同時給出參考答案。學生回憶探究過程，經小組討論，每組命制一道實驗探究題，示例如圖6所示。

學生之間互換做題、解題的思考方法。師生、生生交流，形成解題策略，整理如下：

（1） 模擬真實實驗。在做整個實驗題的過程中，想象自己真的在做實驗。

（2） 關注實驗目的。目的是實驗的核心。

（3） 全面的猜想。根據實驗體系的粒子、環境、條件，確定已知的化學反應，預期實驗現象。

（4） 注意實驗方法。設計實驗要有運用控制變量、對比法、找排干擾等實驗思想。

（5） 尋找現象證據。現象證據可以是顏色、氣體、沉淀等的產生，也可以是時間、電壓、電流等的變化。

（6） 推理基于現象，分析基于原理。得到實驗結論要從目的出發，明確整個實驗中的反應，注意反應速率與化學平衡，再從原理角度分析，與現象相符合，得出結論。

4. 教學反思

將紙面探究轉化為真實探究，才有可能突破學生的解題困難。高三復習階段，教師容易忽略真實實驗探究的重要作用。本節課將高考真題的題目改編為實驗探究，對于學生而言，能更加直觀地觀察到實驗現象，降低紙面探究的理解困難，也可以在教師的引導下梳理探究的一般思路;對于教師而言，可以找到學生在解題過程中容易忽略的實驗環節，更有效地幫助學生建立解決復雜問題的視角（如明確題目考查的知識點）、梳理實驗邏輯與方法（如證實法或是證偽法）、建立解題策略（如全面的、整體的猜想），繼而突破學生的解題困難。

將實驗探究的要素充分付諸實踐，才有可能切實提高探究能力。在高三復習課中，應該結合真題探究過程，讓學生綜合體驗探究的核心要素，如提出假設、設計方案、實施實驗、獲取證據、分析解釋等。本節課的設計中，有意識地讓學生對異常現象進行開拓思維的假設，設計、實施多個實驗，根據收集的證據或已有的信息進行邏輯推理、分析和解釋等，有利于切實幫助學生提升科學探究的能力。

高考對科學探究的核心要素有不同程度的覆蓋[5]，將真實探究轉化成為一道試題，在提升能力的同時，幫助學生形成解題策略，才能提高復習效率。讓學生轉換角色，回憶真實探究遇到的問題，沿著探究的一般思路編制題目，可以激發學生的反思意識，體會不同的設問所承載的知識和思想方法。

在本節課之后，我們讓學生用總結出的解題策略，解決另外一些綜合實驗探究題。一方面鞏固運用本節課歸納的解題策略，另一方面檢測這樣做的教學效果。結果發現，學生在后續實驗探究題的鞏固練習中的表現較之前有所提升，得分率有所提高。通過回訪學生，發現學生閱讀探究題目時，關注點更加明確，思路更加清晰，對探究要素的把控也更為熟練。這樣的提升效果對于原本成績中上的學生尤為明顯。

參考文獻：

[1]中華人民共和國教育部制定.普通高中化學課程標準（2017年版）[S].北京： 人民教育出版社，2018.

[2]教育部教育課程教材專家工作委員會組織編寫. 普通高中化學課程標準（2017年版）解讀[M]. 北京： 高等教育出版社， 2018： 9.

[3][4]王兆龍. 銀離子與亞鐵離子反應可逆性的熱力學研究[J]. 化學教育（中英文）， 2019， 40（13）： 89～90.

[5]唐勁軍， 梁舒敏. 基于“科學探究與創新意識”素養視角的高考化學試題分析[J]. 化學教學， 2020， （11）： 85～90.