周萍

摘要： 近幾年江蘇高考中的“實驗方案設(shè)計與評價”是教師和學(xué)生備受困惑的考點。通過分析試題類型特點，并結(jié)合題型示例，利用建模思想引領(lǐng)和啟發(fā)學(xué)生解決各類相關(guān)問題，并提供一些思路及方法，讓學(xué)生在化學(xué)學(xué)科素養(yǎng)方面真正得到發(fā)展和提升。

關(guān)鍵詞： 思維建模; 實驗方案設(shè)計與評價; 案例介紹 文章編號： 10056629（2019）6008305??????中圖分類號： G6338??????文獻標識碼： B

隨著高中化學(xué)新課標的頒布，化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)成為教師十分關(guān)注的焦點。作為中學(xué)學(xué)習(xí)終端評價的高考也逐步從能力立意轉(zhuǎn)向以化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)為測試宗旨，新課標也要求教師開展“素養(yǎng)為本”的教學(xué)。因此，加強對高考的研究，尤其是近幾年高考試題中對學(xué)科核心素養(yǎng)的考查，顯得尤為重要，都將影響教師培育學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的認識和方法。

化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)包含了“宏觀辨識與微觀探析”、“變化觀念與平衡思想”、“證據(jù)推理與模型認知”、“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識”、“科學(xué)態(tài)度與社會責(zé)任”5個維度。王磊教授明確指出：“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識”是化學(xué)核心素養(yǎng)的實踐基礎(chǔ)、“證據(jù)推理與模型認知”是化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的思維核心。本文結(jié)合近三年江蘇高考實驗綜合題的考查，就如何培養(yǎng)學(xué)生思維建模能力方面做了一些探究和思考。

1?題型特點

實驗綜合題多以實際的工業(yè)背景為命題資料，給出需要補缺（實驗方案的設(shè)計）的實驗流程，輔以相關(guān)信息，多角度設(shè)問，對學(xué)生的考查要求較高，尤其是最后一問的實驗設(shè)計，更是有較大的難度，對考生有很大的挑戰(zhàn)。

創(chuàng)設(shè)真實情境

2016年19題以“工業(yè)廢渣回收制備MgCO3·3H2O”為主線，2017年19題以“光盤中少量金屬銀的提取”為背景，2018年19題以“制備N2H4·H2O（水合肼）和無水Na2SO3”為載體?？v觀近三年考題，都是以物質(zhì)的提取、制備、提純或是檢驗（定量和定性）為背景，創(chuàng)設(shè)真實的情境，體現(xiàn)相關(guān)化學(xué)知識在真實工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用價值，滲透了“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識”“科學(xué)態(tài)度與社會責(zé)任”等學(xué)科核心素養(yǎng)。

選取多元信息

試題都是以流程圖示實驗過程而設(shè)計的綜合性實驗題，輔以物質(zhì)的性質(zhì)、實驗裝置及圖像變化等信息，考查學(xué)生運用比較、分析等科學(xué)方法解決實際問題的能力，考查學(xué)生提取信息、理解和加工信息的核心素養(yǎng)，對學(xué)生邏輯思維的嚴密性、深刻性等方面的能力要求很高。

側(cè)重多項考點

試題重點考查學(xué)生對實驗流程的理解、化學(xué)（或離子）方程式的書寫、實驗裝置的觀察、信息的獲取加工、實驗原理和方法運用、實驗方案的設(shè)計和評價等能力。既有對三重表征的考查，又有對宏觀辨識與微觀探析、信息處理與證據(jù)推理、科學(xué)探究與創(chuàng)新意識等核心素養(yǎng)進行考查。涉及從易到難多個角度和層次，尤其是最后一問實驗方案的設(shè)計和評價，是學(xué)生最畏懼的，也是教師教學(xué)中最棘手的。筆者試圖通過建模的思想來突破本題的難點。

2?建模思想

教學(xué)實踐中，教師在組織實驗專題復(fù)習(xí)時，發(fā)現(xiàn)學(xué)生通過復(fù)習(xí)以后很難提升方法與技能，尤其是在“實驗方案設(shè)計與評價”上更是困惑，缺少對學(xué)生思維方法的指導(dǎo)，導(dǎo)致復(fù)習(xí)之后思維水平?jīng)]有得到明顯上升，不能快速地找到解決問題的思路和方法。實踐表明，思維建模是提高化學(xué)專題復(fù)習(xí)質(zhì)量的有效策略。

思維建模就是對思維過程建立模型，從而使繁復(fù)的思維形態(tài)或方法外顯并簡約化的過程。關(guān)于思維建模，從不同的角度可以有不同的分類。根據(jù)建模對象的不同，思維建模分為領(lǐng)域類知識建模、為系統(tǒng)建模、為問題建模、為經(jīng)驗內(nèi)容建模、為思想（認知模擬）建模等類型。其中，“為問題建?！本褪菫榱藦膶嵸|(zhì)上成功地解決相關(guān)問題，建立解決該類問題的模型。在“為問題建?！钡倪^程中，首先要分析問題中的相關(guān)因素及其特定關(guān)系，然后確定解決問題的一般思路，再將內(nèi)在的思維過程建立模型，并在解決具體問題的過程中檢驗和完善，最后形成并表達解決問題的模型[1]。

示例1： 2016年江蘇高考化學(xué)卷19題（部分）

實驗室以一種工業(yè)廢渣（主要成分為MgCO3、 Mg2SiO4和少量Fe、 Al的氧化物）為原料制備MgCO3·3H2O。實驗過程如下：

（4） 請補充完整由萃取后得到的水溶液制備MgCO3·3H2O的實驗方案： 邊攪拌邊向溶液中滴加氨水，????，過濾、用水洗滌固體2～3次，在50℃下干燥，得到MgCO3·3H2O。[已知該溶液中pH=85時Mg（OH）2開始沉淀;pH=50時Al（OH）3沉淀完全][2]

明確實驗?zāi)康?/p>

由萃取分液后的溶液制備MgCO3沉淀。

建構(gòu)操作流程

分析萃取后溶液的組成，結(jié)合題中所給關(guān)鍵信息，梳理核心物質(zhì)的轉(zhuǎn)化如下。

優(yōu)化實驗方案

（1） 實驗方案的關(guān)鍵點1： pH的控制。據(jù)題意要使Al3+沉淀完全而Mg2+完全保留在溶液中，依據(jù)信息判斷滴加氨水需要控制的溶液pH范圍是5.0

（2） 實驗方案的關(guān)鍵點2： 沉淀劑的選擇。MgCO3沉淀的制備，需要加入CO2-3，由于題中未給出供選擇的試劑，一般可選用Na2CO3溶液。

（3） 實驗方案的關(guān)鍵點3： 檢驗沉淀完全的操作。這一步較易忽略，平時如果作為單獨的檢驗沉淀是否完全，也許學(xué)生會回答得頭頭是道，但結(jié)合在真實、復(fù)雜的實驗情境中就未必能考慮周全。因此，平時教學(xué)中要注重培養(yǎng)學(xué)生的動手操作能力，感知每一步操作的流程，才能提高實驗探究的綜合能力。

精準表達方案

由萃取后得到的水溶液制備MgCO3·3H2O的實驗方案： 邊攪拌邊向溶液中滴加氨水，至50

示例2： 2017年江蘇高考化學(xué)卷19題（部分）

某科研小組采用如下方案回收一種光盤金屬層中的少量Ag（金屬層中其他金屬含量過低，對實驗的影響可忽略）。

（5） 請設(shè)計從“過濾Ⅱ”后的濾液中獲取單質(zhì)Ag的實驗方案： ????（實驗中須使用的試劑有： 2mol·L-1水合肼溶液，1mol·L-1H2SO4溶液）[3]。

明確實驗?zāi)康?/p>

從“過濾Ⅱ”后的濾液中獲取單質(zhì)Ag。

建構(gòu)操作流程

分析“過濾Ⅱ”后的濾液成分，主要含有Ag（NH3）?+2、 Cl-、 NH3·H2O，結(jié)合題中所給關(guān)鍵信息，梳理核心物質(zhì)的轉(zhuǎn)化如下。

優(yōu)化實驗方案

對已知的核心反應(yīng)“4Ag（NH3）?+2+N2H4·H2O4Ag↓+N2↑+4NH+4+4NH3↑+H2O”從多角度深入研究。

（1） 實驗方案的關(guān)鍵點1： 產(chǎn)物的角度。NaClO與水合肼溶液聯(lián)用進行金屬Ag回收的方案是目前工業(yè)上采用的綠色回收方法，此反應(yīng)產(chǎn)物中有氨氣生成，必須考慮尾氣處理，突出所給試劑硫酸的作用。

（2） 實驗方案的關(guān)鍵點2： 試劑用量的控制。因該反應(yīng)無需條件且產(chǎn)生大量氣體，所以水合肼只能逐步加入;用硫酸處理產(chǎn)生的氨氣也要注意加入硫酸的用量，可以通過氣泡這一現(xiàn)象做出用量的判斷。

（3） 實驗方案的關(guān)鍵點3： 反應(yīng)的條件和試劑加入的順序。由于這一反應(yīng)要在堿性條件下進行，因此水合肼和硫酸不能一起加入到還原反應(yīng)體系中，只能用1mol·L-1 H2SO4溶液吸收反應(yīng)中放出的NH3。

精準表達方案

從“過濾Ⅱ”后的濾液中獲取單質(zhì)Ag的實驗方案： 向濾液中滴加2mol·L-1水合肼溶液，攪拌使其充分反應(yīng)，同時用1mol·L-1 H2SO4溶液吸收反應(yīng)中放出的NH3，待溶液中無氣泡產(chǎn)生，停止滴加，靜置，過濾，洗滌，干燥（實驗中須使用的試劑有： 2mol·L-1水合肼溶液，1mol·L-1H2SO4溶液）。

示例3： 2018年江蘇高考化學(xué)卷19題（部分）

以Cl2、 NaOH、 （NH2）2CO（尿素）和SO2為原料可制備N2H4·H2O（水合肼）和無水Na2SO3，其主要實驗流程如下： ??（3） 步驟Ⅳ用步驟Ⅲ得到的副產(chǎn)品Na2CO3制備無水Na2SO3（水溶液中H2SO3、 HSO?-3、 SO2-3隨pH的分布如題19圖

2所示，Na2SO3的溶解度曲線如題19圖3所示）。

① 邊攪拌邊向Na2CO3溶液中通入SO2制備NaHSO3溶液。實驗中確定何時停止通SO2的實驗操作為????????。

② 請補充完整由NaHSO3溶液制備無水Na2SO3的實驗方案： ????????，用少量無水乙醇洗滌，干燥，密封包裝[4]。

明確實驗?zāi)康?/p>

由NaHSO3溶液制備無水Na2SO3。

建構(gòu)操作流程

NaHSO3溶液的獲取是由Na2CO3溶液和SO2反應(yīng)得到，結(jié)合題中所給關(guān)鍵信息，梳理核心物質(zhì)的轉(zhuǎn)化如下。

優(yōu)化實驗方案

題中用兩張圖代替以往所給的直觀信息，對學(xué)生讀圖析圖的能力要求更高，要求學(xué)生從宏觀層面利用圖表、圖像、數(shù)據(jù)等信息進行推理判斷，綜合考慮實驗方案的設(shè)計，充分體現(xiàn)高考化學(xué)試題的素養(yǎng)立意。

（1） 實驗方案的關(guān)鍵點1： pH的控制。由NaHSO3轉(zhuǎn)化為Na2SO3，依據(jù)題中所給試劑，可加入NaOH溶液實現(xiàn)，結(jié)合圖表“含硫微粒與pH的關(guān)系”，要使HSO?-3完全轉(zhuǎn)化為SO2-3，應(yīng)調(diào)節(jié)溶液的pH約為10。

（2） 實驗方案的關(guān)鍵點2： 提純方式的選擇和溫度的控制。依據(jù)圖1（a）中Na2SO3的溶解度曲線，溫度低于34℃析出Na2SO3·7H2O，高于34℃才能析出無水Na2SO3，因此要從Na2SO3溶液中獲得無水Na2SO3，不能直接采用降溫結(jié)晶的方式進行，必須采用“加熱濃縮、趁熱過濾”的方式實現(xiàn)，而且必須控制溫度在34℃以上。

4精準表達方案

（1） 實驗中確定何時停止通SO2的實驗操作為測量溶液的pH，若pH約為4，停止通SO2。

（2） 由NaHSO3溶液制備無水Na2SO3的實驗方案： 邊攪拌邊向NaHSO3溶液中滴加NaOH溶液，測量溶液pH， pH約為10時，停止滴加NaOH溶液，加熱濃縮溶液至有大量晶體析出，在高于34℃條件下趁熱過濾，用少量無水乙醇洗滌，干燥，密封包裝。

3?方法提煉

實驗方案設(shè)計的建模過程

實踐證明，學(xué)生一旦形成對某一問題的認知模型，那么在遇到類似的問題時，學(xué)生將會自覺地運用已有的認知模型去分析和解決問題，即“借助建構(gòu)出來的模型進行學(xué)習(xí)與遷移”。同時，隨著新問題的不斷出現(xiàn)，原有的認知模型或強化或修正，將已建立起來的認知模型從簡略的模型發(fā)展成較完整的基本模型[5]。在專題復(fù)習(xí)中滲透化學(xué)建模的思想，“為問題建?！?，將模型建構(gòu)和復(fù)習(xí)內(nèi)容進行有效整合，注重知識和方法的概括提煉，形成解決這類問題的化學(xué)思維模型，從而讓學(xué)生在遇到類似問題時，能在有限的思維時間中找到與當(dāng)前問題相匹配的模型而進行問題解決，此為“建?！焙汀坝媚！钡倪^程。

模型建構(gòu)的相關(guān)說明

實驗條件的控制包含： （1）試劑用量的控制。例如： 利用pH的范圍來控制用量;依據(jù)特定的實驗現(xiàn)象進行判斷;通過沉淀完全的檢驗來控制沉淀劑的用量;適量、過量或是計算量等關(guān)鍵詞的科學(xué)描述;（2）實驗溫度的控制。例如： 涉及到物質(zhì)的具體性質(zhì)，依據(jù)題設(shè)信息作出合理選擇;涉及物質(zhì)的分離提純，結(jié)合圖像等相關(guān)信息進行推理判斷。

綠色化學(xué)的理念，即實驗過程中應(yīng)遵循的5個“R”原則（百度百科）： 減量使用原料，減少實驗廢棄物的產(chǎn)生和排放（Reduction）;循環(huán)使用、重復(fù)使用（Reuse）;回收，實現(xiàn)資源的回收利用，從而實現(xiàn)“省資源、少污染，減成本”（Recycling）;再生，變廢為寶，資源和能源再利用，是減少污染的有效途徑（Regeneration）;拒用有毒有害品，對一些無法替代又無法回收、再生和重復(fù)使用的有毒副作用及會造成污染的原料，拒絕使用，這是杜絕污染的最根本的辦法（Rejection）。中學(xué)階段的“實驗方案設(shè)計與評價”中，更多涉及環(huán)保節(jié)能方面，如防污染（尾氣處理）等;反應(yīng)增效方面，如加熱加速溶解等;節(jié)約成本方面，如試劑的循環(huán)使用等。

4?教學(xué)反思

在教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生在遇到“實驗方案設(shè)計與評價”時通常存在以下幾個問題： （1）對基本的實驗操作不夠熟悉;（2）對基本的實驗原理的理解有缺失，容易顧此失彼;（3）對實驗方法和實驗條件的控制不會提取有價值的信息進行分析;（4）缺乏綜合分析探究的能力，找不到解題的突破口;（5）文字表述不夠精準，不能從實驗?zāi)康某霭l(fā)進行描述，對于具體的操作細節(jié)關(guān)注不到，往往是常規(guī)解答教條地照搬，導(dǎo)致文不對題、答非所問的情況。

這也說明我們在平時的教學(xué)中對實驗教學(xué)投入的時間和精力還不夠，教師往往為了趕進度，犧牲了一部分本可以讓學(xué)生親自動手操作的機會和時間;另一方面也在于我們在設(shè)計一些探究性實驗時，往往還是以驗證性為主，開放度不夠，探究的氛圍不濃，問題的質(zhì)量不高。研究近幾年此類高考試題，我們會發(fā)現(xiàn)試題所選素材意在引導(dǎo)中學(xué)化學(xué)實驗教學(xué)要重視真實問題的探究，要重視實驗教學(xué)環(huán)節(jié)，要拓展認識問題的視角，培養(yǎng)和提高學(xué)生運用化學(xué)實驗方法解決綜合性問題的能力。

因此，我們在教給學(xué)生實驗方案設(shè)計與評價模型建構(gòu)方法的同時也要多創(chuàng)設(shè)條件讓他們動手實踐，通過真實的實驗過程掌握各項實驗技能，加深對實驗基本原理和操作的體驗，學(xué)會分析解決各類相關(guān)問題，讓學(xué)生在“實驗探究與創(chuàng)新意識”、“證據(jù)推理與模型認知”、“科學(xué)態(tài)度與社會責(zé)任”等學(xué)科核心素養(yǎng)上真正得到發(fā)展和提升。

參考文獻：

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[2]?江蘇省教育考試院試題分析編寫組. 2016年高考（江蘇卷）試題分析[M]. 南京： 東南大學(xué)出版社， 2016： 141～185.

[3]?江蘇省教育考試院試題分析編寫組. 2017年高考（江蘇卷）試題分析[M]. 南京： 東南大學(xué)出版社， 2017： 145～193.

[4]?江蘇省教育考試院試題分析編寫組. 2018年高考（江蘇卷）試題分析[M]. 南京： 江蘇鳳凰教育出版社， 2018： 141～185.

[5]?吳翀云. 從工藝流程的解讀談化學(xué)工藝建模教學(xué)[J]. 化學(xué)教學(xué)， 2018， （1）： 29～34.