基于實驗室的高三實驗復習

宋兆爽+武敬泉

摘要：根據北京近幾年高考命題的趨勢分析中學實驗教學中需要落實的核心知識、思想和方法，并以此為指導，在高三復習階段創設真實復雜的實驗情境，提升學生的探究能力。結合具體的教學案例，闡述該教學策略的方案設計、實施過程與教學反思。

關鍵詞：實驗探究；高考復習；教學實踐

文章編號：1005–6629（2016）7–0027–04 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

1 背景分析

對化學實驗的考查歷來是高考化學試題的重要組成部分。自實施新課程標準以來，北京在高考實驗題的命制上始終貫徹新課程理念——體現實驗在發展學生探究能力和提高學生科學素養方面的重要價值。縱觀北京近三年（2013、2014和2015）的高考化學試題，難度系數基本維持在0.70左右，與2013年前相比難度有了明顯下降。在這個背景下，實驗題的分值和難度系數卻基本保持不變（近三年的實驗探究大題的分值均為15分，難度系數均在0.4～0.5之間），這就使得實驗教學的重要性相對凸顯出來。

實驗探究題歷來是學生的薄弱點。高一高二的新授課階段學生所學的知識有限，所接觸到的教材實驗也相對比較簡單。作為教師，我們會盡可能地從教材實驗中挖掘有價值的點向學生滲透實驗的思想和方法，但很多時候是局部的、零散的。進入高三后，面對復雜的實驗探究題，學生往往找不準切入點或難以全面地思考解答問題，究其原因是缺乏基于復雜實驗情境進行整體、系統分析的能力。那么，我們該如何在高三階段提升學生的這種能力呢？

1.1 創設真實的實驗情境，強化對科學過程的體驗

真實的情境大多是復雜的。近幾年的實驗探究大題的素材都源于文獻資料，涉及科學家研究真實化學問題的思路。所以我們在進行今年的高三實驗復習時特別強調一個“真”字。即使在高三復習節奏非常緊張的情況下，我們仍然安排學生走進實驗室做探究實驗。在設計探究的內容時，我們參考了近幾年的高考題和模擬題，以及教學期刊上的相關文章，在復雜性適宜的真實情境中引導學生實施科學探究的幾個環節：提出假設——進行方案論證并預測現象——獲取證據并關注異常現象——獲得結論并評價反思。

1.2 有針對性地復習核心知識，強化核心思想和方法

物質性質和反應是中學化學研究的兩大主題。中學階段對于物質及其反應的認識主要基于以下三個角度：（1）從物質類別角度，如復分解反應；（2）從得失電子角度，如氧化還原反應、電化學反應；（3）從平衡移動角度，如可逆反應。從考查內容上看，北京近幾年的高考實驗題多選擇教材中出現的能夠涵蓋多個認識角度的典型物質和反應，側重挖掘實驗對教材知識和原理的認識過程和方法。從考查形式上看，近幾年的高考實驗探究題幾乎都是探究一定條件下發生的化學反應[1]。題目中往往會出現與學生預期不相符的實驗現象，會形成認知沖突。這是符合真實的化學研究過程的。這類情境的設置要求學生在設計和評價實驗方案時，首先要有控制變量的思想，學會關注并控制反應條件的變化，如試劑的濃度、用量、反應溫度、溶液酸堿性等。條件改變，化學反應的現象和產物也會隨之改變。其次，當實驗得不到預期結果時，要求學生具有再探究的意識，遵循科學的方法查找并排除可能存在的干擾因素，改進實驗方案。

2 教學實踐

依據上述分析，我們確定了高三走進實驗室的三大實驗探究專題：

（1）鈉的化合物系列，包括常見鈉鹽的復分解反應和Na2O2與水的探究實驗等。

（2）鐵的化合物系列，包括探究FeCl3分別與KI、Na2CO3、NaHSO3的反應等。

（3）化學反應原理系列，包括電化學裝置和反應的研究、探究反應速率與平衡的影響因素等。

現以兩個教學案例具體說明方案的設計和實施過程。

案例1 Na2O2與水的探究實驗

學生實驗報告見表1。

[教師提出問題]你認為溶液變紅后褪色的原因是什么？準備如何進一步探究？

[學生思考討論后提出假設和驗證方案]

學生假設1：反應放熱，使酚酞分解。

驗證方案1-1：將Na2O2與H2O反應后的溶液置于冷水中冷卻后再滴加酚酞，變紅，一段時間后仍然褪色。

驗證方案1-2：加熱滴有酚酞的NaOH溶液，紅色無明顯變化。

結論：假設1不成立。

學生假設2：反應生成的O2將酚酞氧化。

驗證方案2：加熱KMnO4固體制取O2，通入滴有酚酞的NaOH溶液中，紅色無明顯變化。

結論：假設2不成立。

學生假設3：反應過程中有H2O2生成，利用其強氧化性使酚酞褪色。

驗證方案3：向Na2O2與水反應后的溶液中滴加酚酞，變紅后褪色，向其中加入少量MnO2，迅速產生大量氣泡，將帶火星的木條插入試管中復燃。一段時間后再滴加酚酞不褪色。

結論：假設3成立。即Na2O2與H2O反應后的溶液中有H2O2生成，可將酚酞氧化褪色。

[教師點評]

Na2O2與水反應的異常現象是酚酞變紅后褪色。針對該異常現象，同學們尋找到三個可能的干擾因素：1.反應溫度；2.反應終產物O2；3.反應可能生成的中間產物H2O2。在實驗探究過程中，為了驗證和排除干擾因素，我們通常會采用兩種方法：1.直接將干擾因素去除；2.在難以去除的情況下通過控制變量的方法做對照實驗，請同學們思考上述驗證方案分別屬于哪一種方法？

學生經思考討論后得出結論：方案1-1和方案3采用的是直接排除法，方案1-2和方案2采用的是對照實驗法。

案例2 對FeCl3與KI反應的探究endprint

[教師提出問題]如何設計實驗證明FeCl3與KI的反應具有可逆性？

[學生設計實驗方案，并進行驗證]

學生實驗報告見表2。

[教師點評]

兩位同學在證明該反應有可逆性時不約而同地想到利用可逆反應反應不完全，具有一定的反應限度這一特點。而且非常值得肯定的是在設計實驗方案時都能夠運用控制變量的思想，有意識地讓KI過量，FeCl3不足。那么請同學們思考：實驗方案2沒有得到預期現象的原因是什么呢？

[學生A]可能是上層溶液中剩余的Fe3+濃度過低，導致生成的Fe（SCN）3濃度偏低，因此就不容易觀察到血紅色現象。

[教師追問]方案1和2的反應物用量相同，為什么只有方案2存在這個問題呢？

[學生B]這恰好能說明FeCl3與KI的反應是可逆的！方案2中加入CCl4后，I2被CCl4萃取，該反應正向移動，c（Fe3+）進一步降低。

教師根據參考文獻[2]適當提高FeCl3溶液的用量，重復方案2的操作步驟，萃取后的上層溶液也可觀察到紅色，證明學生A和B的推斷是正確的。

[學生C提出疑問]為什么用CCl4萃取后的上層溶液仍然呈棕黃色？是因為CCl4的用量不夠，I2萃取不完全嗎？

帶著這個疑問，學生C將第一次萃取后得到的上層清液又進行了第二次萃取，取1mL棕黃色的上層清液，再加入2mL CCl4，振蕩、靜置。觀察到下層液體有較淺的紫紅色，而上層溶液仍為棕黃色。

學生D另取1mL飽和碘水，加入2mL CCl4，振蕩、靜置。觀察到上層為無色，下層呈紫紅色。

顯然，這兩位學生的實驗現象說明萃取后的上層溶液呈棕黃色并不是由于I2萃取不完全。那么棕黃色產生的原因又是什么呢？這個異常的實驗現象引起了學生極大的興趣。

[教師點評]

兩位同學在實驗過程中觀察細致，能夠注意到不尋常的現象，并能夠依據科學方法查找原因是非常值得肯定的。大家想一想這兩位同學在查找原因時分別用到了什么樣的方法？

[學生E] C同學是設法直接將I2去除，D同學是利用飽和碘水做對照實驗。

[教師]非常好！這也是我們之前介紹過的兩種常見的在實驗中尋找和排除干擾因素的方法。

學生恍然大悟。將上述實驗的現象和結論認真記錄在實驗報告中。

3 教學反思

3.1 實驗情境的選擇依據

為了保證實驗情境的真實性，我們會從較權威的文獻資料中尋找實驗素材。教師首先重現實驗，全面了解實驗的原理和過程，然后按照高考實驗探究題的要求調整實驗方案。在實驗素材的選取方面，我們特別關注中學教材中的核心元素化合物，特別是涉及變價的化合物，如案例1和案例2中的Na2O2和FeCl3，并且有意識地選取出現異常現象的實驗，引發二次探究。通常在設計實驗方案排除干擾因素時，學生首先想到的是排除法。但我們會故意設置復雜情境，使干擾因素難以直接排除，從而不斷強化學生運用控制變量方法，做對照實驗的意識。

考慮到高三復習階段的特殊性，超出高中知識范圍的內容我們會依據考查價值和難度做不同處理。比如，案例1中對于反應后酚酞褪色的原因分析，有文獻中提到當生成的NaOH溶液濃度過大時，也會使酚酞褪色[3]，但反應原理非常復雜，超出了高中生的認知范圍，所以我們給學生提供的試劑是0.1 mol·L-1的稀NaOH溶液，做原因分析時也回避了這一點。而案例2中上層溶液萃取后仍呈棕黃色的原因是涉及到一個簡單的可逆反應[4]，教師在課上以資料信息的形式提供給學生，既有助于學生理解問題，又可加深學生對可逆反應的認識。

3.2 教學實施過程中的注意事項

當學生得知自己在總復習階段還能有到實驗室做探究實驗的機會時，無不歡呼雀躍。然而，在走進實驗室之前，我們首先要給這些急于動手的學生“降溫”。實際上高三學生進實驗室的價值不僅在于動手操作，更在于實驗方案的設計和對實驗現象的分析。上課過程中，教師對于課堂的把控顯得尤為重要。大部分時間教師要學會“揣著明白裝糊涂”，讓學生自己發現問題，設法解決問題，關鍵時刻又要及時地點評和指導，將學生引到有價值的探究方向上去。實驗課上教師注意觀察記錄學生的表現，對經典實驗現象和操作進行拍照，課后及時收集學生的實驗報告，將有價值的內容截圖整理，在后續的常態課上再進行總結評價。

3.3 與傳統實驗復習方式的比較

以往高三階段的實驗復習多是依靠大量高考真題、模擬題“紙上談兵”。但學生在脫離真實情境做題時，由于提取不到題目中的有效信息，有時會苦于找不到思路，有時又會憑空想象，鉆牛角尖；而教師在脫離真實情境講題時也不容易讓學生信服，難以調動學生的學習積極性。為了在實驗復習專題上尋求突破，我校從去年起開設了高三走進實驗室的課程。上述兩個實驗案例分別是以2014年東城一模和2015年海淀一模為背景設計的。我們明顯感覺到，學生在走進實驗室后再來做這兩道題，思路更加清晰，而教師講題時也不必糾纏于細節，只要強調整體的思路方法即可。去年畢業的學生普遍反映，在緊張的高三生活中還能再次走進實驗室是一段令他們倍加珍惜的經歷，在動手實踐的過程中他們對于以往教師講過的實驗思想和方法有了更深切的體會，在考場上面對實驗探究題時更容易理清試題的整體邏輯結構，對實驗現象的描述也更加準確。

總之，我們對于高三走進實驗室課程的設計主旨是把握高考命題的考查趨勢，精心設計，大膽嘗試，讓學生在實踐中真正提高實驗能力，高考成績的提升自然是水到渠成。

參考文獻：

[1]吳淑花.關注化學實驗中的條件控制[J].教學儀器與實驗，2015，（9）：21～24.

[2]陳碧華.氯化鐵溶液與碘化鉀溶液反應限度實驗探究[J].化學教學，2008，（9）：17～18.

[3]顧曄.“過氧化鈉與水反應后滴加酚酞”實驗在高中不同階段的教學功能挖掘[J].化學教學，2014，（8）：42～45.

[4]章建鋒，葉蘭峰.對FeCl3溶液與KI溶液反應限度實驗“怪相”的探究與分析[J].中學化學教學參考，2015，（7）：55～57.endprint