一道典型中考化學實驗探究題的分析與啟示

摘要：以一道典型中考化學實驗探究題為例，從試題命制特點分析初中學業水平考試體現“落實立德樹人根本任務”“依據課程標準科學命題”“發揮促進學生發展”的導向作用；從試題解答分析考查內容和學生存在的問題，并提出教學啟示，為化學教學、復習備考與試題命制提供參考。

關鍵詞：中考化學；實驗探究題；分析與啟示；課程標準；學科素養

文章編號：1008-0546（2023）11-0076-06" 中圖分類號：G632.41" 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2023.11.016

根據2019年11月教育部發布《關于加強初中學業水平考試命題工作的意見》（以下簡稱《意見》）的文件精神，初中化學中考命題將堅持落實立德樹人根本任務，依據課程標準科學命題，引導教師積極探索基于情境、問題導向、深度思維、高度參與的教育教學模式，［1］考查學生對化學雙基知識的理解、掌握程度，對化學學科特點、化學基本觀念的認識，對化學學習與研究的基本方法和學科價值的了解程度，運用化學知識分析、解決實際問題的能力，充分發揮學科育人的價值。［2］化學實驗探究題是中考化學試題中一類能較好地體現化學學科特質的題型，該題型能夠較好地檢測學業水平和考查學生的化學學科素養。在教學實踐中，不少一線教師認為2021年福建省中考化學實驗探究題是一道符合《意見》要求，依據課標命題的典型試題，對實驗探究題命制和初三化學教學都有很好的導向作用，故選該題進行深入剖析，據此提出相應的教學啟示。

一、試題呈現

已知：H2+CuO Cu+H2O。有文獻報道：在氫氣還原氧化銅的一些實驗中，得到的固體產物是銅和氧化亞銅（Cu2O）組成的混合物。氧化亞銅為紅色固體，在空氣中溶于氨水得到藍色溶液。某興趣小組對此開展如下探究。

Ⅰ.設計如圖1實驗裝置，開展氫氣還原氧化銅實驗并檢驗固體產物。

（1）制取氫氣的化學方程式為。

（2）氧化鈣的作用是。

（3）取反應后的紅色固體于燒杯中，加入氨水并攪拌，觀察到，證明固體產物有Cu2O。

Ⅱ.探究反應生成Cu2O 的變化情況。

稱取若干份質量均為0.6000 g 的CuO，在相同條件下分別用氫氣還原不同時間（t），檢測所得固體中 Cu2O 的質量（m），結果如圖2所示。

（4）由圖2可知，氫氣還原氧化銅反應過程中， Cu2O質量的變化趨勢是。

（5）為確保氫氣還原氧化銅所得固體產物不含 Cu2O，應采取的措施是。

Ⅲ.探究反應生成Cu2O 的原因。

為解釋實驗結果，興趣小組對氫氣還原氧化銅的反應過程提出如下假設：

假設1：經歷2CuO+H2 Cu2O+H2O、H2+Cu2O 2Cu+H2O兩個反應，且在同一條件下兩個反應同時進行。

假設2：經歷 H2+CuO Cu+H2O、Cu+CuO Cu2O、H2+Cu2O 2Cu+H2O三個反應。

（6）結合探究Ⅱ的計算分析，假設Ⅰ中“在同一條件下兩個反應能同時進行”合理的依據是。

（7）若要確認“假設2”是否合理，在探究Ⅱ的基礎上，還需進行的實驗是。

二、試題命制特點分析

1.主題突出，情境真實

試題引用文獻報道中的一段內容為情境，圍繞“固體產物之一 Cu2O”為主題分三個步驟進行實驗探究，分別是“開展氫氣還原氧化銅實驗并檢驗固體產物”“反應生成氧化亞銅的變化情況”“反應生成氧化亞銅的原因”。命題從宏觀辨識到微觀探析，從定性研究到定量分析，多角度分層次地考查學生認知水平和關鍵能力。這種主題式命題形式的特點就是研究對象相對固定，側重于考查學習者觀察的全面性、思維的深刻性和系統性，命題立意由知識的考查轉向能力素養的考查，能力考查也由低階逐漸過渡到高階。［3］

根據知網文獻查閱，試題的題源與《化學教學》中的兩篇文章有關聯。張亞東在《氫氣還原氧化銅所得紅色固體一定是金屬銅嗎》的文章中，提出了氫氣還原氧化銅分兩步進行反應：第一步，氫氣先把氧化銅還原成紅色的氧化亞銅；第二步，過量的氫氣再與氧化亞銅繼續反應生成紫紅色的銅。并通過加足量濃硝酸和足量稀硫酸分別進行檢驗，定性研究固體產物是銅與氧化亞銅的混合物。［4］但由于銅與濃硝酸反應產生有毒氣體污染環境，試題探究Ⅰ中設置的問題改為檢驗固體產物含有氧化亞銅，不再檢驗銅。與探究Ⅱ、Ⅲ相呼應，直接圍繞著固體產物之一氧化亞銅，從不同角度進行探究。而題目提供信息是利用氧化亞銅在空氣中能與氨水反應生成［Cu（NH3）4］2+，溶液變藍進行檢驗，而不是利用與稀硫酸發生歧化反應進行鑒別，可能考慮到生成物中有銅的存在，也考慮到題目的創新性。唐飛等人在《氫氣和一氧化碳還原氧化銅實驗反應機理的探究》文章中闡述通過定量研究，測定氧化亞銅在反應過程中的產率，著重研究實驗過程中，中間產物氧化亞銅的產率隨加熱時間的變化規律，結合熱力學分析，得出氫氣還原氧化銅分兩步進行的機理是合理的。［5］該文獻為命題者設置化學問題，有效測試學生的能力和化學學科素養，提供了真實有意義的情境素材。根據《普通高中化學課程課標（2017年版2020年修訂）》要求，以核心素養為測試宗旨的命題是以真實的情境為測試載體，以實際問題為測試任務，以化學知識為解決問題的工具為原則的。［6］真實的情境保證了探究的科學性；陌生的情境能提高學生認知，促進認識發展，也保證考試的公平性；有意義的情境體現了探究的價值性，彰顯育人功能，是落實立德樹人的重要依據。

2.內容豐富，結構多樣

試題的內容豐富，除了題號和分值，還有情境設置、信息提供、任務探究、問題設計、學生作答。試題的結構呈現形式多樣，涵蓋化學式和化學方程式等化學用語、文字描述、圖像、數字與符號等，具體見表1。情境、信息、問題是實驗探究題的核心內容。情境是為設置問題服務的，信息呈現是為解決問題服務的。學會用觀察、實驗等方法獲取信息，能用文字、圖表和化學用語表述有關信息；運用比較、分類、歸納和概括等方法對獲取的信息進行加工，是課程標準的明確要求。因而試題呈現多樣化的信息，是命題者在命制過程中必然考慮的因素。問題的設置也是由淺入深，相互聯系，環環相扣，符合學生的認知特點和發展規律。考查學生也是從基本知識、概念、方法、原理入手，逐步轉入綜合能力的考查和素養的測試，為落實依據課程標準科學命題服務。

3.考查全面，能力綜合

由于初中學業水平考試除了落實立德樹人的根本任務，還承載著選拔功能。實驗探究題往往作為試卷的壓軸題出現，設置的分值高，難度大，綜合性強，內容廣泛。既有化學知識考查，又有化學觀念考查；能力考查也由低到高，逐步遞增，化學學科素養考查全面，對學生的優劣區分明顯，具體見表2。其中必備的知識都是核心與主干知識，涉及課程一級主題四部分內容，說明依據課程標準命題，體現基礎性特點；考查化學觀念與化學研究的基本方法，說明關注目標素養，體現時代性特點；考查知識的應用，說明結合實際問題，體現應用性特點；考查能力與學科素養，指明今后命題的趨勢，體現導向性特點；考查化學實驗探究能力，突出化學學科特征，體現科學性特點。

三、試題解答分析

1.從解題思路分析

試題第（1）問主要考查學生制取氫氣的反應原理，讓學生書寫化學反應方程式。制取氫氣的方法很多，如：有水電解；活潑金屬與稀鹽酸或稀硫酸反應等。但題目探究任務Ⅰ制取氫氣的藥品是鋅與稀硫酸，所以應認真審題，根據題意答題，否則很容易出錯。本題設問運用的知識是初中化學的核心知識，化學方程式的書寫也不復雜，而且反應物在圖中已經提示，只要掌握置換反應的原理和金屬與酸反應的性質，就可以書寫出來，屬于淺層思維，但也涉及到觀察、簡單地分析推理能力的運用。

第（2）問主要考查氧化鈣的用途。根據“性質決定用途”的化學觀，欲回答氧化鈣的作用，必須要知道氧化鈣的性質。由于生石灰極易與水反應后變成熟石灰，具有強烈的吸水性，人們常利用這一性質，用它做干燥劑。從實驗裝置圖可知，制取氫氣是在液體環境下進行的，產生的氫氣常混有水蒸氣，必須除去才不會影響“氫氣還原氧化銅”的實驗。此處解答除了與（1）問中的知識相關聯，還考查學生對整個實驗流程的理解與分析判斷，涉及化學觀念和分析、判斷、推理能力的運用。

第（3）問主要考查物質的檢驗方法。物質在發生化學變化時，常常會產生氣泡，出現沉淀，溶液顏色改變等明顯特征，是我們檢驗物質與眾不同的判斷依據。檢驗物質的方法包括取樣、加藥品、觀察現象、得出結論四個部分，敘述時應表達完整。對于“未知物質Cu2O”設置的問題，解題的思路應根據已知的知識，結合題目中提供的信息“氧化亞銅為紅色固體，在空氣中溶于氨水得到藍色溶液”給予解決，涉及到信息的分析、提取與運用。這部分信息比較顯性，處理起來不難，直接可從題目中查詢就可以解答。

第（4）（5）問是在探究任務Ⅱ中進行的，信息中提供了 Cu2O 的質量與時間關系的變化曲線圖，主要考查學生看坐標圖分析問題的能力和語言表達能力，解題時重點在于在分析圖中的點、線、面。先看面——坐標平面，即對應橫坐標和縱坐標各是什么；再看線——坐標曲線的變化走勢；最后細看點——起點，拐點，終點。問題（4）相對簡單，根據題目提示“由圖可知，Cu2O質量在反應過程中的變化趨勢”，是引導學生看圖分析，主要與坐標面中的曲線有關，很容易作出正確判斷是先增大后減小。問題（5）難度相對增大，除了看坐標平面和變化曲線，最后還要看點，尤其是終點。隨著時間的不斷推移，氧化亞銅越來越少，最終質量接近0，說明采取的措施是確保加熱條件下通氫氣的時間足夠長。

第（6）問是在探究任務Ⅲ下進行的，根據本題中的信息“結合探究Ⅱ結果計算分析”提示，說明一要看坐標圖分析結果，二要進行計算。要判斷假設1中“在同一條件下兩個反應能同時進行”合理的依據，還要結合任務Ⅲ中提供氫氣還原氧化銅的反應機理進行對比分析，作出合理的判斷和解答。由于計算要有數據，因而暗示我們應從提供的信息中尋找。題中的有效數字只有兩個，一個是0.6000 g 的CuO，另一個是坐標頂點的數據（5，0.3218）。通過化學方程式計算，若分步進行反應，Cu2O 的最大質量應為0.5400 g，不是0.3218 g，所以反應是同時進行較為合理。這種隱性的信息提示，非常考驗學生對信息的處理和判斷推理能力。而且在正面證實不好取證的情況下，需要換角度思考問題，通過這種證偽的方式，運用排除法證明分步進行是錯誤，是屬于思維方法的考查。

第（7）問是在探究Ⅱ的基礎上進行實驗設計，證明“假設2”的合理性，所以又要回歸看坐標圖分析。由于反應過程中始終有Cu2O存在的，如果“假設2”合理，那么 Cu2O 是通過氧化銅與銅在加熱的條件下生成的，這是“假設1”中沒有的反應，因而只要單獨設計實驗方案探究“隔絕空氣加熱氧化銅和銅混合物，把所得固體加入氨水攪拌，觀察溶液是否變藍”就可以。解決這個問題需要逆向思維，縱向聯系才能達成，屬于深度思考，高階思維。當然問題（3）的解決為（7）的方案設計埋下伏筆，做好鋪墊。而且對實驗方案的設計與評價又是實驗探究最難的部分，對初中生來說在中考有限的時間內能考慮周全確實難度極大，挑戰性極強。

綜上所述，本題考查的內容從核心價值方面分析，主要是對學生科學精神、科學方法、科學態度、科學探究能力和邏輯思維能力的考查，促進學生樹立勇于創新、求真求實的思想品質，體現命題對立德樹人根本任務的有效落實；從學科雙基方面分析，主要是對“基本知識技能”“基本方法觀念”的考查，主要包括學科知識、思維方法、學科觀念三個方面，體現命題對課標的基本遵循；從行為習慣方面分析，主要考查學生在正確觀念指導下，合理運用科學的思維方法解決實際問題的綜合能力行為、素養行為及認知操作的實踐行為，促進學生的發展。

考查的過程從宏觀辨識對物質的檢驗進入微觀探析揭示氧化亞銅生成的本質原因和反應機理；從對氧化亞銅隨時間推移發生質量變化的曲線模型認知逐漸轉入結合計算取證，并進行推理邏輯確定假設1合理的依據；從氫氣還原氧化銅過程中發生多種反應的變化觀念轉入運用質量守恒定律中的定比定律進行計算的平衡思想；從分步進行科學探究到最后實驗方案設計，考查學生的創新意識；從對反應異常現象的探究，體現嚴謹求真的科學態度，到設計實驗方案應考慮安全、環保、節約藥品等有關社會責任的理念。考查難度逐步加大，能力不斷綜合，素養全面覆蓋。

2.從學生答題情況分析

學生的答題情況直接反映出學生對知識的掌握程度，也體現學生的能力水平和學科素養。本題中學生常見的錯誤有以下幾點：

（1）化學用語沒掌握好。如；硫酸的化學式寫成“HSO4”“SO4”；硫酸鋅的化學式寫成“Zn2SO4”；氫氣的化學式寫成“H”；書寫化學方程式時氫氣的上標“↑”漏寫；體現了部分學生對元素符號、化合價、化學式、化學方程式等知識的認識、理解、掌握沒到位。

（2）語言表達能力較差。把氧化鈣的作用寫成“過濾氫氣”；氧化亞銅質量的變化趨勢寫成“先上升后下降”或“逐漸增大”“逐漸減小”；檢驗氧化亞銅的現象寫成“有藍色沉淀生產”。說明了語言表達不規范或敘述錯誤。

（3）審題能力不足。制取氫氣的化學方程式寫成水電解，很顯然是沒根據題意，分析流程圖解答；在回答假設1成立的合理依據時，絕大部分同學沒根據題目的提示要求“結合探究Ⅱ的結果計算”進行分析解答，導致本道題得分率是全卷最低的原因之一。

（4）信息處理能力缺乏。本題的有效信息較多，問題（3）是根據有效信息回答相對比較容易的設問，但難度值是0.52。說明了學生回答錯誤的還很多，信息的提取能力較差，或者是有效信息提取的方法沒掌握。

（5）思維不夠嚴謹，辨析和推理能力較差。如問題（5）的難度值是0.32，部分學生寫成“加熱時間長點”或“通氫氣時間久點”，說明考慮問題不夠嚴密周全；多數學生留空，說明他們根據坐標曲線分析的能力較差，不會結合提供信息進行邏輯推理；問題（7）的難度值是0.09，說明本題學生基本淪陷，有的答非所問，有的根本不知如何分析解答，少部分能回答的學生也寫得不完整，缺少隔絕空氣加熱。

四、教學啟示

通過以上分析可以發現，中考化學實驗探究題很好地體現試題命制理念，解決“為什么考”“考什么”“怎么考”的問題，對教師教學與試題命制給予很大的啟示。

1.從試題命制中探索實驗探究題教學新模式

分析試題科學命制特點，了解試題命制流程，探索把中考實驗探究題轉化為素養為本的實驗教學模式，如項目式教學、主題式復習等，把對學生素養的考查轉化為學科素養的培育。仔細研究《義務教育化學課程標準（2022年版）》（以下簡稱《初中新課標》）的內容，根據學業質量的要求，制定雙向多維細目表，把實驗探究題考查的知識點、能力點及素養要求制定成教學目標；通過試題中真實的實驗情境素材，結合探究的任務，設置成有價值層級性強的問題，引導學生積極參與討論，進行實驗探究，重視實踐過程體驗，倡導“做中學”“用中學”“創中學”，從討論和解決實際問題中運用知識，發展思維能力，樹立嚴謹求實的科學態度和創新意識，培養批判質疑的科學精神。

2.研究化學用語有效教學的策略與方法

“宏觀辨識、微觀探析、符號表征”是中考化學探究題的高頻考點，化學用語是教師教學的難點，也是學生痛點。師生都深知非常重要，但多數的學生還是沒學好，可能存在如下原因：一是教師教學時沒把知識與原理講透，導致學生一知半解；所以教師平時要重視教學策略與方法的研究，教學時可從宏觀現象入手，借助實物模型、顯微鏡等教學工具和動畫視頻等現代技術手段去揭示微觀本質，讓學生了解物質組成、結構、性質及其轉化的真相與規律，然后引導學生用符號表征，感受化學符號的簡約與美麗，也讓學生體會解決實際問題的化學基本思路和化學學科的特點，知道學習的重要性。二是訓練的時間不夠，怕耽誤教學進度，草草收場，導致學生掌握不夠扎實。化學用語既是知識又是技能，教學時既要講透又要練夠。作為技能就必須要經過定向、模仿、整合、熟練的四個階段反復訓練，才能內化為能力與素養。三是知識比較抽象，學起來枯燥無味。所以教師可結合圖像，卡片、游戲，猜謎，小品等學生喜聞樂見的形式寓教于樂，增強學生的學習興趣，使學生樂于學習，愿意訓練。

3.探索有效信息處理方法的指導

由于實驗探究題選擇的情景素材很多來自學生陌生的文獻資料，試題在設置問題時考慮到學生利用已有知識解決是不夠的，必須提供一些與解決問題相關的信息，考查學生的處理能力。因而解題時對信息的加工、處理、分析特別重要，需要教師積極探索有效的處理方法指導學生。可以按以下四個步驟進行：一泛讀；二精讀；三細讀；四反復讀。泛讀，是指在第一遍讀題時大體了解題目意思，知道探究的任務，設置的問題，提供的信息。精讀，是指在第二遍讀題時應結合問題用筆重點畫出有效信息。細讀，是在答題時應細致審題，運用已有知識，結合有效信息，通過科學分析用學科準確的語言表達。反復讀，是指在解決難度比較大的問題，一時不知如何入手時，就應該反復細讀，尋找是否有遺漏的信息沒有使用或者隱性的信息沒有關注到，反復推敲這些沒有用到的信息對解題有何幫助。因為作為中考試卷惜字如金，提供的信息如果沒有被應用于解題，一般是不會隨意出現的。這是處理使用信息解決問題的有效方法，對解題思路有很大的幫助。

4.探尋解題思維方法的構建

構建解題思維方法模型，是解決實驗探究題的重要途徑之一。它能幫助學生學會如何分析題意，理清思路，抓住重點，化解難點，規范答題，對培養學生的理解與辨析能力、分析與推理能力、探究與創新能力、語言表達能力等都有非常重要的意義。構建思維模型也有利于學生平時思維能力有針對性地訓練，并在反復的訓練中內化為能力與素養。根據多年實踐探索，筆者構建的解題思維模型，結合試題進行適當訓練，發現是行之有效的。詳見圖3。

五、結語

在新中考改革的形勢下，基于化學學科素養視角下的命題是今后的必然趨勢。領悟命題者的意圖，體會試題的特點，從應答者的答題情況中深刻反思教學，指導教學實踐，改變育人方式，從記憶、理解為出發點的教學，走向以問題解決為導向的素養為本教學是《初中新課標》的要求。［7］教學中堅持以解決問題為出發點，把學習知識置于真實的情境中，在思中學、用中學、做中學中培養學生探究解決實際問題的觀察辨析、邏輯推理、探究創新等關鍵能力，激發學生學習探究欲望，培養科學的態度與責任，促進學生全面發展。總之，依據新課標理念，以學業質量標準為基準，以核心素養培育為指向，堅持教、學、評、考一致性原則，將是新一輪教育教學改革的方向。

參考文獻

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［3］王懷文，張春艷，雷范軍，潘紅.主題式命題及其教學意義［J］.化學教學，2019（11）：87-92.

［4］張亞東.氫氣還原氧化銅所得紅色固體一定是金屬銅嗎［J］.化學教學，1995（2）：42-43.

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［6］中華人民共和國教育部.普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）［S］.北京：人民教育出版社，2020.

［7］中華人民共和國教育部.義務教育化學課程標準（2022年版）［S］.北京：北京師范大學出版社，2022.