一道高考實驗題的賞析與研究

徐明奎

摘要：2018年北京高考理科綜合第12題以考查學生化學核心素養申的“證據推理”和“科學探究”為主旨，具有情境選取貼近課堂、題干呈現新穎精煉、立意關注學科素養和功能導向課程改革的特點。通過對“犧牲陽極的陰極保護法”的研究，證實在一定條件下，以Zn為陽極，Fe片可以被氧化，Zn對Fe存在不完全保護現象。

關鍵詞：犧牲陽極的陰極保護法，核心素養，試題研究

文章編號：1008-0546（2020）05-0080-03 中圖分類號：G632.41 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2020.05.021

高考化學試題由學科專家精心命制和打磨而成，新課程改革后的高考化學試題在題型總體保持穩定的基礎上，突出了對于化學學科核心素養的考查，一些具有創新性和示范性的高考試題值得我們深入學習和研究。本文所要賞析和研究的是2018年北京高考理科綜合第12題。

一、原題呈現

驗證犧牲陽極的陰極保護法，實驗如下（燒杯內均為經過酸化的3%NaCl溶液）

下列說法不正確的是

A.對比②③，可以判定Zn保護了Fe

B.對比①②，K₃[Fe（CN）₆]可能將Fe氧化

C.驗證Zn保護Fe時不能用①的方法

D.將Zn換成Cu，用①的方法可判斷Fe比Cu活潑

二、試題賞析

1.情境選取貼近課堂

情境是試題命制的載體，情境的真實性是試題科學性的保證。高考試題一直堅持以真實的工業生產、科學研究、化學實驗等為情境，這對培養學生應用所學知識分析解決實際問題的能力和認識化學學習的意義具有重要作用。與大多數試題情境雖然真實，但離學生的課堂學習太遠不同，本題的情境源自真實的課堂實驗，是人教版教材選修4《金屬的腐蝕與防護》一節中一個科學探究實驗。除缺少電壓表外，試題實驗中所用試劑和裝置與教材相同。試題所展示的實驗過程和結果并不是課堂實驗的原景再現，而是一次課堂實驗的“異常”及后續探究。如果課堂中沒有做過該實驗，僅是理論分析，學生能得出的實驗現象是“溶液中沒有藍色沉淀生成”，因為鋅比鐵活潑，電子由鋅流向鐵，可以防止鐵被腐蝕。高考試題命制時選取值得探究的教材實驗作為情境，能引導教師重視實驗教學，能為學生課堂上進行真實的實驗探究提供表現機會。

2.題干呈現新穎精煉

試題中包含的實驗情境有“課本實驗操作時出現異?，F象”“對異?，F象發生原因的探究”，如果用文字方式來描述實驗情境，再用普通實驗探究題的格式來命制本道試題，試題題干必將包含大量的文字閱讀信息，與一般選擇題的體量不符。命題者創造性的用三幅圖示的形式完整地表示了實驗探究的全過程，還特別引導學生注意加入K₃[Fe（CN）₆]的位置這一細節，圖示的形式不僅豐富了化學試卷的呈現形式，還把信息呈現由抽象間接變為了形象直接，非常有利于學生快速提取和分析信息。劉芳等認為：“對于學生而言，僅從大段的文字中提取有效信息是相對困難的，適當配以圖或表反而有利于學生更好地理解題意。

3.立意關注學科素養

作為一道實驗探究題，試題立意重在考查學生化學核心素養中的“證據推理”和“科學探究”，作為一道“非典型”形式的實驗探究題，學生需要具備“科學探究”素養中的“水平4”才能完全理解試題中三幅圖在探究過程中的順序和作用。第一幅圖展示了課本實驗“驗證犧牲陽極的陰極保護法”的實驗過程和現象，預期的現象是“Fe片表面沒有藍色沉淀生成”，而“異?！爆F象是在Fe表面生成藍色沉淀。因為藍色沉淀的產生需要有Fe²⁺，由此引發兩個猜想：猜想1是“Fe片被H⁺或O₂氧化生成Fe²⁺”;猜想2是“Fe片被K3[Fe（CN）₆]氧化生成Fe²⁺”。作出“猜想2”的依據是K₃[Fe（CN）₆]中F。元素的化合價是+3價，可能將0價Fe氧化到+2價。為驗證“猜想1”是否成立，設計第二幅圖所示實驗，根據現象可知，Fe片未被H⁺或O₂氧化。由此得出試題中的結論“對比①②，K₃[F₃（CN）₆]可能將Fe氧化”。第二幅圖所示實驗還有一個作用，就是說明Zn對Fe片有保護作用，因為如果沒有Z。片，Fe片會被H⁺或O₂氧化，為驗證這一作用的存在，補充進行了第三幅圖所示實驗。命題者還利用選項C和D考查了學生“科學探究”素養中實驗方案設計的水平，要求學生能對實驗方案的科學性作出判斷。

4.功能導向課程改革

化學實驗是認識和學習化學的重要方法，實驗探究是學生綜合運用所學化學知識和技能、分析問題、設計方案、解決問題的實踐活動，是化學學科核心素養的構成要素之一。核心素養的培養不僅需要在課堂教學中持續關注，也需要在考試中進行有效評價?！镀胀ǜ咧谢瘜W課程標準（2017年版）》在“學業水平考試命題建議”中提出如圖1所示的命題框架：

賞析本題不難發現，試題命制時遵循了課程標準的命題框架，以真實的“驗證犧牲陽極的陰極保護法”的實驗情境為測試載體，以探究和解釋實驗中的異?，F象為測試任務，以考查學生的證據推理與科學探究素養為測試宗旨。這樣的命題必然導向高中的化學學科教學應符合課程標準的教學建議：“充分認識化學實驗的獨特價值，精心設計實驗探究活動”和“創設真實問題情境，促進學習方式的轉變”。

三、試題研究

1.提出問題

在賞析本題之余，筆者對于命題和實驗產生一些疑問：

疑問1：試題所選情境為教材實驗，探究的是實驗中的“異?！?，作為已經使用10多年的高中化學教材，以該實驗為背景的試題情境選取是否會因為學生過于熟悉而使試題的效度不大？

疑問2：教材中所示實驗裝置如圖2所示，而試題中的實驗裝置不含電壓表，電壓表的省去是否是命題者有意為之，目的是什么？

疑問3：試題情境中的“異?！爆F象，是否已經有老師進行過研究？

疑問4：試題的實驗探究是通過證明“Fe片被H⁺或O₂氧化”不成立，從而間接證明“Fe片被K₃[Fe（CN）₆]氧化”成立。K₃[Fe（CN）₆]能氧化Fe，選擇題中給出的結論是可能，如能直接氧化，為什么Zn片能保護Fe片不在酸化的3%NaCl溶液中被氧化，而不能保護Fe片被K₃[Fe（CN）₆]氧化？

疑問5：該實驗中Zn片對Fe有沒有保護作用，如果有，如何證明？

2.命題揣摩

對于疑問1和疑問2，因為無法與命題者直接交流，所以只能借助于調查和分析來揣摩命題者的想法。筆者對本地區的高中進行了調研，發現老師們在授課時沒有進行該實驗，都是引導學生進行了理論分析。沒有進行該實驗的原因是認為學生已經學習了電化學的相關知識，實驗現象可以根據理論推導得出。從調研中還了解到，老師也不知道該實驗現象會存在“異常”，沒有進行過實驗驗證和探究。因此試題以該實驗情境為背景來命制，情境具有陌生度，能考查學生真實的科學探究素養水平。

對于疑問2，因為實驗指向的結論之一是“驗證Zn保護Fe時不能用①的方法”，如裝置中使用了電壓表或電流表，則均可證明實驗時有電子從Zn片流向了Fe片，電子的流向可以證明Zn片對Fe片具有保護作用，這與本題期待得到的結論相矛盾，猜想命題者在命題時將電壓表舍去，以免引起爭議。

3.已有研究

通過知網查詢，有三位老師的研究與本題情境相關。朱正德用圖3所示的實驗裝置研究發現：電壓表指針偏轉，往Fe電極附近滴人K₃[Fe（CN）₆]溶液，溶液變藍色。朱正德認為是由于鐵片含有雜質，在酸性條件下發生原電池反應有Fe²⁺生成所致。

楊頤鋼用教材所示實驗裝置進行實驗，研究發現，電壓表所示指數隨溶液酸性增強而逐漸增大，當使用高純鐵片，不會出現藍色沉淀，使用普通鐵片時，在pH=1-3時有藍色沉淀，pH=4-6時，無明顯藍色沉淀。楊頤鋼認為Fe片純度高時，溶液的pH對實驗無影響，溶液的pH低時，Fe片的純度會影響實驗。

房壽高通過理論分析和實驗探究，結果均表明，K₃[Fe（CN）₆）溶液能將F_e氧化，生成藍色的Fe₃[Fe（CN）₆]₂沉淀。同時提出加入NaCl溶液能破壞Fe片表面的氧化膜，有利于Fe片的氧化。

綜合上述研究，朱正德和楊頤鋼認為藍色沉淀是Fe片在酸性條件下先被H⁺氧化為Fe²⁺，后Fe²⁺與[Fe（CN）₆]^3-反應生成藍色沉淀。而藍色沉淀是否存在于鐵片表面、以及藍色沉淀的產生是否是K₃[Fe（CN）₆]將Fe氧化后所致，兩位老師因未能考慮到K₃[Fe（CN）₆]的氧化性，所以研究未涉及。

4.實驗研究

為驗證試題中的實驗現象及探究Zn片對Fe片是否有保護作用，筆者進行了下列實驗：

實驗1：連接如試題所示的裝置①，其中酸化后3%NaCl溶液的pH約為2。1分鐘后，在Fe片附近滴加K₃[Fe（CN）₆]溶液，可以觀察到Fe片的邊緣、劃痕處出現明顯的藍色物質，藍色物質逐漸擴散到溶液中，但藍色物質總量不多。

實驗2：連接如試題所示的裝置①，其中酸化后3%NaCl溶液的pH約為1。10分鐘后，在Fe片附近滴加K₃[Fe（CN）₆]溶液，可以觀察到Fe片附近出現明顯的藍色物質。

實驗3：將實驗1中的Zn片從溶液中取出，Fe片表面立即有較多新的藍色物質出現。

根據已有研究和實驗1、2，可以得出結論：在3%NaCI溶液的環境中，當溶液酸性較弱時，藍色沉淀產生于Fe片的表面，Fe²⁺主要來自于K₃[Fe（CN）₆]溶液對Fe片的氧化;當溶液酸性較強時，溶液中的H⁺和K₃[Fe（CN）₆]均能氧化Fe片。

在不使用電流表的情況下，根據實驗1、3的現象對比，可以證明Zn片對Fe存在一定的保護作用，因為當將Zn片從溶液中取出，Fe片表面立刻新生成更多的藍色物質。這一結論對“犧牲陽極的陰極保護法”的教學和實驗均具有重要的意義，因為多數教師和學生均認為，只要鐵與更活潑的金屬相連，或鐵與直流電源的負極相連，那么在電解質溶液中，鐵片一定不會被腐蝕。查閱資料發現，利用電化學法保護金屬不被腐蝕，金屬必須達到它的最小保護電位，最小保護電位即金屬達到完全保護時所需要的最低電位值。而最小保護電位值與金屬的種類、腐蝕介質的條件（成分、濃度、溫度等）因素相關，如果達不到最小保護電位值，金屬是不能完全被保護的。本實驗中，當溶液酸性過強或有K₃[Fe（CN）₆]存在時，Fe片達不到它的最小保護電位而被氧化。日常生活中，我們經常能發現鍍鋅鐵管在鍍層并沒有完全被腐蝕的情況下，鐵管局部有生銹現象，這也說明在一定的環境中，Zn不能起到完全保護的作用。

四、研究啟示

在教學中，對于陌生的實驗情境，我們有時會不經過實驗就推導出“理想”的實驗現象，或者在實驗出現“異?！爆F象時，不經過研究就給出可能的原因，這些做法都不利于學生化學核心素養的培養。而要改變這一現狀，需要教學和評價兩個方面都能重視實驗，尤其是貼近學生學習實際的實驗。倪娟認為：真實性的試題可以糾正學生所學不科學、不完整的化學知識，教學如能圍繞學生的實驗、學生的研究性學習等真實的學習過程，是能增加學生對化學的學習興趣的。

我們要培養學生科學探究的核心素養，就應該在課堂中多創設科學探究的機會。我們要培養學生科學精神的核心素養，則自己首先就要具備科學精神。