高考化學實驗探究題思維建模及教學啟示探究

新高考強調(diào)學生綜合素質(zhì)的提升，針對化學學科要求，學生在掌握基礎知識的同時，還要具備實驗操作、數(shù)據(jù)分析和解決問題的能力[1]。在新高考背景下，高中化學實驗探究式教學的重要性日益凸顯，對培養(yǎng)學生的實驗能力和核心素養(yǎng)具有關鍵作用[2]。化學實驗教學的創(chuàng)新與優(yōu)化對培養(yǎng)學生科學素養(yǎng)和實踐能力具有重要價值，尤其在新高考改革背景下，教學模式的改革已成為提升學生綜合能力的關鍵[3]。然而，當前高中生在面對復雜實驗問題時往往缺乏系統(tǒng)的思維框架，難以將實驗現(xiàn)象與理論知識有效融合。因此，如何通過科學合理的教學設計，引導學生建立結(jié)構(gòu)化的思維模型，成為提升實驗教學實效性的關鍵。本文以思維建模為核心，探討其在化學實驗探究教學中的應用路徑，并結(jié)合教學實踐提出具體的教學策略，具有重要的現(xiàn)實意義。

一、思維建模在化學實驗探究中的應用邏輯

新高考背景下高中化學實驗教學的各個環(huán)節(jié)均有了新的變化[4]。在高考化學實驗探究題中，學生面對復雜問題時往往缺乏清晰的解題思路，難以將現(xiàn)象與理論有效結(jié)合。思維建模為解決這一問題提供了系統(tǒng)化的認知工具和推理路徑。所謂“思維建模”，是指通過構(gòu)建結(jié)構(gòu)化、可視化的認知框架，幫助學生將隱性的科學探究過程顯性化，形成可操作、可遷移的思維程序。在化學實驗探究中，常見的建模方式包括“問題鏈一證據(jù)鏈一結(jié)論鏈”模型、“觀察一推理一修正”流程等，這些模型能夠引導學生從提出問題出發(fā)，通過收集和分析實驗證據(jù)，最終得出具有邏輯支撐的結(jié)論。思維建模的應用邏輯主要體現(xiàn)在三個方面：一是促進知識整合，幫助學生將零散的知識點串聯(lián)成體系；二是提升推理能力，使學生能夠在多變的情境中進行有依據(jù)的推斷；三是強化解題規(guī)范，提高學生應對高考實驗題的準確性和條理性。例如，在探究反應速率影響因素的實驗中，學生通過構(gòu)建問題鏈明確研究方向，設計對照實驗獲取證據(jù)鏈，并據(jù)此推導出結(jié)論鏈，從而實現(xiàn)對實驗本質(zhì)的深入理解。這種建模過程不僅提升了學生的科學素養(yǎng)，也為他們應對高考實驗探究類題目打下堅實基礎。

二、高中化學教學中的關鍵要素互動機制

（一）真實情境與證據(jù)提取的協(xié)同演化

真實情境是激發(fā)學生探究興趣、連接學科知識與生活經(jīng)驗的重要橋梁。在高中化學教學中，教師應善于創(chuàng)設貼近實際的問題情境，如工業(yè)廢水處理、食品添加劑檢測、金屬腐蝕防護等，引導學生從具體問題出發(fā)展開思考。這類情境不僅增強了學習的現(xiàn)實意義，也促使學生主動尋找解決問題的路徑。然而，真實情境本身并不能直接轉(zhuǎn)化為有效的學習資源，其價值在于能否引發(fā)學生進行有意義的證據(jù)提取。教師需引導學生在情境中識別關鍵變量，明確探究目標，并設計合理的實驗方案來獲取數(shù)據(jù)。例如，在“鐵釘生銹條件探究”中，學生基于日常生活中鐵制品易生銹的現(xiàn)象，提出“氧氣、水、鹽分是否影響生銹速度”的問題，并通過控制變量法進行實驗，記錄不同條件下鐵釘?shù)淖兓闆r。在此過程中，學生逐步學會如何從復雜情境中提取核心信息，形成初步的證據(jù)意識。真實情境與證據(jù)提取之間的協(xié)同演化關系，體現(xiàn)為情境驅(qū)動問題、問題引導探究、探究產(chǎn)生證據(jù)的循環(huán)過程。這種互動機制有助于學生建立“情境一問題一證據(jù)”的思維路徑，為后續(xù)的推理與結(jié)論奠定基礎。

（二）多元證據(jù)向系統(tǒng)推理的轉(zhuǎn)化機理

在化學實驗探究過程中，學生通常會獲得多種類型的證據(jù)，包括定性觀察、定量數(shù)據(jù)、圖表趨勢、誤差分析等。如何將這些多元證據(jù)有機整合，進而轉(zhuǎn)化為具有邏輯支撐的推理過程，是培養(yǎng)學生科學思維的關鍵環(huán)節(jié)。首先，教師應引導學生對所獲取的證據(jù)進行分類整理，區(qū)分主次信息，識別異常數(shù)據(jù)，避免因片面信息導致錯誤判斷。其次，要鼓勵學生運用已有知識對證據(jù)進行解釋，嘗試建立證據(jù)與理論之間的聯(lián)系。例如，在探究酸堿中和反應的熱量變化時，學生可能獲得溫度變化曲線、pH值變化、反應前后溶液質(zhì)量等多項數(shù)據(jù)。此時，教師可以引導學生綜合這些證據(jù)，分析反應過程中的能量變化規(guī)律，從而推導出反應放熱的結(jié)論。此外，推理過程應強調(diào)因果關系的邏輯性。教師可通過提問引導學生思考：“這個現(xiàn)象為什么會發(fā)生？”“哪些證據(jù)支持你的觀點？”“有沒有其他可能性？”等問題，幫助學生建立“證據(jù)一推理一結(jié)論”的閉環(huán)結(jié)構(gòu)。這種由多元證據(jù)向系統(tǒng)推理的轉(zhuǎn)化機制，不僅提升了學生的分析能力，也有助于他們在高考實驗題中更高效地組織答題邏輯。

（三）深度對話對批判性思維的催化作用

深度對話是促進學生批判性思維發(fā)展的有效途徑。在高中化學教學中，教師應營造開放、平等的討論氛圍，鼓勵學生表達不同觀點，質(zhì)疑既有結(jié)論，提出合理反駁，從而推動思維的深入發(fā)展。在實驗探究過程中，學生常常基于直觀經(jīng)驗或表面現(xiàn)象做出判斷，容易忽略背后的科學原理。通過深度對話，教師可以引導學生反思自己的推理過程，檢驗假設的合理性。例如，在探究“鈉與水反應生成物”時，部分學生可能僅憑氣體點燃爆鳴聲就判斷為氫氣，而忽視了氧氣的可能性。此時，教師可以通過提問引導學生思考：“你是否排除了氧氣的存在？”“你的實驗是否能完全支持你的結(jié)論？”此類問題能夠激發(fā)學生重新審視證據(jù)，完善推理過程。同時，小組討論、辯論等形式也為學生提供了多角度思考的機會。在交流中，學生不僅能聽到不同的聲音，還能鍛煉表達與論證能力，進一步提升批判性思維水平。深度對話的核心在于引導學生不斷追問、質(zhì)疑與重構(gòu)，使其在互動中深化理解、拓寬視野。

（四）動態(tài)評價與能力發(fā)展的反饋循環(huán)

教學評價不僅是對學生學習成果的檢驗，更是促進其能力持續(xù)發(fā)展的關鍵手段。傳統(tǒng)的終結(jié)性評價往往關注結(jié)果而忽視過程，難以全面反映學生的思維成長。因此，構(gòu)建動態(tài)評價機制，實現(xiàn)“以評促學”的功能尤為重要。動態(tài)評價強調(diào)評價內(nèi)容的過程性、多樣性與即時性。教師應在教學過程中設置多個評價節(jié)點，關注學生在問題提出、證據(jù)收集、推理建構(gòu)、結(jié)論得出等環(huán)節(jié)的表現(xiàn)，并給予及時反饋。例如，在實驗探究的不同階段，教師可通過觀察學生記錄、聽取匯報、批改報告等方式了解其思維進展，指出優(yōu)點與不足，并提出改進建議。此外，評價標準應具有明確性和可操作性，便于學生理解自身表現(xiàn)并調(diào)整學習策略。例如，可從“問題提出的準確性”“證據(jù)收集的完整性”“推理的邏輯性”“結(jié)論的合理性”等多個維度制定評價量表，使學生在自我評估和同伴互評中不斷提升思維品質(zhì)。

三、基于思維建模的高考化學實驗探究題教學策略—以人教版高一化學必修第一冊第一章第三節(jié)《氧化還原反應》為例

（一）構(gòu)建“問題鏈—證據(jù)鏈一結(jié)論鏈”模型，強化探究思維的邏輯性

高中化學作為高中時期的重要學科之一，為了更好地適應新高考要求，教師要創(chuàng)新教學模式提升化學教學質(zhì)量，發(fā)展學生核心素養(yǎng)和關鍵能力[5]。構(gòu)建“問題鏈一證據(jù)鏈一結(jié)論鏈”模型的核心在于將實驗探究的隱性思維顯性化，幫助學生掌握“以證推理”的核心邏輯。教師需以高考實驗題的典型考查點如物質(zhì)性質(zhì)探究、反應條件優(yōu)化為載體，從實驗目的出發(fā)，引導學生逐步拆解關鍵問題即問題鏈、收集支撐問題的實驗證據(jù)即證據(jù)鏈、基于證據(jù)推導合理結(jié)論即結(jié)論鏈，最終形成“問題引導證據(jù)、證據(jù)支撐結(jié)論”的思維閉環(huán)。

在“探究鐵與稀硫酸反應速率的影響因素”實驗教學中，教師圍繞“問題鏈一證據(jù)鏈一結(jié)論鏈”模型展開教學。首先，明確實驗目的為確定影響鐵與稀硫酸反應速率的主要因素，并引導學生提出問題鏈：“反應速率可能與哪些因素有關？”“如何驗證各因素的影響？”“哪個因素對速率影響最大？”接著，學生分組討論后，教師組織設計證據(jù)鏈：第一組控制硫酸濃度分別為0.5mol/L、1mol/L和 2mol/L ，保持溫度為 25°C 、鐵的形狀為鐵粉不變，記錄不同濃度下產(chǎn)生氫氣體積隨時間變化的數(shù)據(jù)；第二組控制溫度分別為 25^°C 、 40^°C 和 55^°C ，保持硫酸濃度為1mol/L、鐵的形狀不變，記錄相同時間內(nèi)氣體體積的變化；第三組控制鐵的形狀分別為塊狀和粉末狀，保持濃度和溫度不變，觀察氣泡產(chǎn)生的劇烈程度。在證據(jù)收集環(huán)節(jié)，學生通過實驗獲得數(shù)據(jù)：濃度組中 2mol/L 硫酸的產(chǎn)氣速率最快；溫度組中 55^°C 時產(chǎn)氣速率顯著提升；形狀組中粉末狀鐵的反應更劇烈。教師引導學生分析證據(jù)鏈與問題鏈之間的對應關系：濃度數(shù)據(jù)支撐“濃度升高反應速率加快”的假設，溫度數(shù)據(jù)驗證“溫度升高反應速率加快”的推論，形狀數(shù)據(jù)說明“接觸面積增大反應速率加快”。在此基礎上，學生綜合三組證據(jù)推導得出結(jié)論鏈：鐵與稀硫酸的反應速率受濃度、溫度、接觸面積共同影響，其中濃度變化對速率的影響最顯著，依據(jù)是 2mol/L 組的產(chǎn)氣速率是0.5mol/L組的3倍。整個過程中，教師通過“問題鏈”引導探究方向，通過“證據(jù)鏈”規(guī)范推理依據(jù)，通過“結(jié)論鏈”確保邏輯嚴謹，學生不僅得出“影響反應速率的因素”這一結(jié)論，更掌握了“從問題到證據(jù)再到結(jié)論”的科學探究思維程序，有效提升了實驗探究題的解題邏輯性。

（二）設計“原型實驗—變式實驗—綜合實驗”序列，提升思維遷移的靈活性

設計“原型實驗一變式實驗—綜合實驗”序列的核心在于通過階梯式實驗任務推動學生從“掌握單一實驗”到“遷移思維模型”的能力躍升。教師需以教材經(jīng)典實驗為原型，通過變量調(diào)整、情境拓展、知識整合三個維度設計遞進式實驗序列：首先，選取原理清晰、操作典型的教材實驗如“鐵離子的檢驗”作為原型，幫助學生掌握基礎探究程序；其次，通過改變實驗變量如試劑濃度、反應條件或拓展應用情境如工業(yè)廢水檢測、生物樣品分析設計變式實驗，訓練學生在“微變情境”中調(diào)整思維模型的能力；最后，整合多模塊知識如元素性質(zhì)、實驗操作、定量分析設計綜合實驗，要求學生綜合運用建模思維解決復雜問題，實現(xiàn)思維遷移的靈活性提升。

在“鐵離子的檢驗”實驗教學中，教師按照“三實驗序列”組織教學。在原型實驗階段，教師選取教材基礎實驗“用KSCN溶液檢驗 Fe³⁺ ”作為原型，引導學生掌握“觀察現(xiàn)象一關聯(lián)知識一得出結(jié)論”的基礎程序。課堂上，教師演示向 FeCl₃ 溶液中滴加KSCN的實驗，學生記錄到溶液變?yōu)檠t色的現(xiàn)象，并結(jié)合教材知識 Fe³⁺ 與SCN生成絡合物推導出“溶液變血紅色說明含 Fe³⁺ ”的結(jié)論。此階段重點是讓學生熟悉“檢驗類實驗”的基本思維框架：明確目標離子 $$ 選擇特征試劑 $$ 觀察特征現(xiàn)象→驗證結(jié)論。進入變式實驗階段，教師通過“變量調(diào)整”與“情境拓展”設計變式任務。一方面，提供不同濃度的 FeCl₃ 溶液 （0.1mol/L.0.01mol/L.0.001mol/L） 要求學生使用相同濃度的KSCN溶液進行檢驗，觀察血紅色深淺與 Fe³⁺ 濃度的關系，思考低濃度 Fe³⁺ 是否仍可用KSCN檢驗以及是否需要輔助試劑。另一方面，設置工業(yè)廢水樣品檢驗任務，給出含 Fe³⁺ 、Fe²⁺ 、 Cu²⁺ 的混合溶液，要求學生設計實驗檢驗其中的 Fe³⁺ ，并考慮如何排除 Fe²⁺ 、 Cu²⁺ 的干擾。學生通過小組討論提出方案：先加入KSCN觀察是否變血紅色以檢驗 Fe³⁺ ，再加入 H₂O₂ 將 Fe²⁺ 氧化為Fe³⁺ ，觀察顏色是否加深以驗證 Fe²⁺ 的存在，同時通過調(diào)節(jié)pH值排除 Cu²⁺ 的沉淀干擾。教師引導學生對比原型與變式的差異，總結(jié)出“檢驗類實驗需考慮濃度影響與干擾離子排除”的思維要點。在綜合實驗階段，教師整合“鐵的化合物性質(zhì)”“實驗操作”“定量分析”等知識，設計“某鐵礦石中Fe³⁺ 含量測定”的綜合性實驗任務。學生需完成以下步驟： ① 用鹽酸溶解鐵礦石樣品，涉及 Fe₂0₃ 與HCl的反應原理； ② 加入過量KSCN溶液，使 Fe³⁺ 轉(zhuǎn)化為血紅色絡合物，關聯(lián)原型實驗知識； ③ 使用分光光度計測定溶液吸光度，通過標準曲線計算Fe³⁺ 濃度，整合定量分析方法； ④ 分析實驗誤差來源如溶解不充分、試劑用量不足，并提出改進方案如延長溶解時間、增加KSCN用量。此階段學生需綜合運用“檢驗一定量一誤差分析”的建模思維，將單一實驗能力遷移至復雜問題的解決中。通過“原型打基礎一變式練遷移一綜合促融合\"的實驗序列，學生不僅掌握了“鐵離子檢驗”的具體方法，更學會了如何根據(jù)情境變化調(diào)整思維模型，真正實現(xiàn)了從“會做一個實驗\"到“會做一類實驗\"的能力跨越。

（三）實施“觀察記錄—推理驗證—反思修正”教學流程，優(yōu)化實驗教學的設計邏輯

實施“觀察記錄—推理驗證一反思修正”教學流程的核心在于將實驗探究的思維過程顯性化、步驟化，使教學活動與思維建模同步，提升學生的思維參與度。教師需按照“觀察一推理一修正”的邏輯設計課堂流程：首先，引導學生細致觀察實驗現(xiàn)象并完整記錄如顏色變化、氣體產(chǎn)生、溫度升降等，確保信息采集的準確性；其次，基于觀察結(jié)果關聯(lián)已有知識，如物質(zhì)性質(zhì)、反應原理，提出合理假設，如“產(chǎn)生氣泡可能是因為生成氫氣”；最后，通過小組討論或教師引導，檢驗假設的邏輯性，如“是否符合氧化還原反應規(guī)律”，修正不合理部分，如“氣泡成分可能是氧氣而非氫氣”，最終形成科學結(jié)論。

在“鈉與水反應”的實驗教學中，教師圍繞“觀察記錄一推理驗證一反思修正”流程組織教學。在觀察記錄階段，教師演示鈉與水的反應實驗，學生以表格形式記錄現(xiàn)象包括浮、熔、游、響、紅五個方面：鈉浮在水面；鈉熔成小球；鈉在水面游動；發(fā)出嘶嘶聲；酚酞試液變紅。教師強調(diào)記錄要求：不僅要描述現(xiàn)象如“熔成小球”，還要標注細節(jié)如“小球迅速移動”“溶液逐漸變紅”，避免遺漏關鍵信息。在推理驗證階段，教師引導學生基于觀察結(jié)果提出假設。學生分組討論后，提出初步推理：① “浮”說明鈉的密度比水小； ② “熔”可能是反應放熱使鈉熔化且鈉熔點較低； ③ “游”可能是反應產(chǎn)生氣體推動鈉移動； ④ “響”可能是氣體燃燒或與水摩擦產(chǎn)生； ⑤ “紅”說明反應生成堿性物質(zhì)酚酞遇堿變紅。教師進一步引導學生關聯(lián)已有知識驗證假設：回顧金屬活動性表，鈉較為活潑，推測反應可能生成NaOH和 H₂ ，并寫出初步反應式： ↑。在反思修正階段，教師組織學生通過“質(zhì)疑—論證”修正假設。首先，針對“氣體成分”的爭議，學生提出驗證方案：用小試管收集氣體，點燃聽爆鳴聲，若有爆鳴聲則為 H₂ 。實驗驗證后確認氣體為 H₂ ，修正反應式為 2Na+2H₂O=2NaOH+H₂ ↑。其次，針對“熔成小球”的原因，學生結(jié)合鈉的熔點 97.8°C 與反應放熱的關系，明確“熔”是因反應放熱使鈉達到熔點，而非單純溫度升高。最后，教師總結(jié)修正要點：假設需同時滿足現(xiàn)象觀察與理論依據(jù)如金屬活動性、物質(zhì)性質(zhì)，推理過程需排除干擾如“響”是H₂ 與空氣混合燃燒的聲音，而非摩擦聲。

（四）建立“過程表現(xiàn)一成果質(zhì)量一遷移效果”評價體系，推動教學評價的精準化

建立“過程表現(xiàn)一成果質(zhì)量一遷移效果”評價體系的核心在于通過多維度、可觀測的評價指標，將實驗探究能力從“模糊感知\"轉(zhuǎn)化為“精準診斷”。教師需從思維過程、實驗成果、遷移能力三個維度設計評價量表：思維過程維度關注學生在實驗探究中的步驟完整性，如是否完成“觀察一推理一修正”全流程，邏輯嚴謹性，如證據(jù)與結(jié)論的關聯(lián)性；成果質(zhì)量維度考查實驗結(jié)論的準確性，如假設與事實的匹配度，方案的合理性，如變量控制是否科學；遷移效果維度評估學生將建模思維應用于新情境的能力，如解決同類新問題的正確率。

在“鈉與水反應”實驗教學中，教師圍繞“三維評價體系”組織評價活動。在評價量表設計階段，教師基于實驗目標掌握鈉的化學性質(zhì)、理解反應原理，制定三級評價指標： ① 過程表現(xiàn)占 30% ，包括觀察記錄的完整性，如是否記錄“浮、熔、游、響、紅”全部現(xiàn)象，推理步驟的邏輯性，如“熔成小球”是否關聯(lián)反應放熱與鈉的熔點； ② 成果質(zhì)量占 40% 包括反應式書寫的準確性，如是否配平、氣體符號是否標注，結(jié)論的合理性，如“生成NaOH和 H₂ ；是否基于現(xiàn)象與理論推導； ③ 遷移效果占 30% ，包括解決“鉀與水反應”新問題的正確率，如是否能類比鈉的性質(zhì)預測鉀的反應現(xiàn)象。在數(shù)據(jù)收集與分析階段，教師通過多種方式獲取學生表現(xiàn)：在課堂觀察中，教師通過“思維過程記錄表”跟蹤學生表現(xiàn)。通過這一評價體系，教師不僅能判斷學生“是否學會”，更能明確“哪里沒學會”，真正實現(xiàn)了從“模糊評價”到“精準診斷”的轉(zhuǎn)型，為實驗教學的個性化指導與針對性改進提供了堅實支撐。

結(jié)束語

本文從思維建模的角度出發(fā)，系統(tǒng)分析了其在高考化學實驗探究教學中的應用邏輯與關鍵教學要素的互動機制。文章所提策略不僅有助于學生理解和掌握實驗本質(zhì)，更能在應對高考實驗探究題時展現(xiàn)出更強的邏輯性與規(guī)范性。未來教學中，教師應進一步深化思維建模的應用，將其融入課堂教學全過程，推動學生從被動接受知識向主動建構(gòu)理解轉(zhuǎn)變，真正實現(xiàn)核心素養(yǎng)導向下的高質(zhì)量化學教學。

參考文獻

[1]阮芳芳.新高考背景下高中化學實驗試題復習策略分析[].高考，2025（12）：18-20.

[2]林桂英.新高考背景下高中化學實驗探究式教學研究[.名師在線（中英文），2025，11（11）：64-66.

[3]孫濤.新高考改革下高中化學實驗教學創(chuàng)新策略[J].高考，2025（11）：113-115.

[4]米日姑麗·烏卜力.新高考背景下高中化學實驗有效教學策略[].高考，2025（3）：15-17.

[5]曾麗翹.新高考背景下趣味實驗在高中化學教學中的運用研究[J].高考，2025（2）：100-102.