摘要： 以2020年全國化學(xué)Ⅱ卷27題為例進(jìn)行研究，歸納內(nèi)容分布，總結(jié)試題特點，拓展試題外延。結(jié)合對近四年全國卷實驗題部分設(shè)問的分析，發(fā)現(xiàn)全國卷實驗題與“實驗-性質(zhì)-原理”三元整合策略的具體內(nèi)涵與認(rèn)知方式存在關(guān)聯(lián)。使用該策略指導(dǎo)教學(xué)設(shè)計，以“基于鐵元素的三元整合教學(xué)”為例，探討三元整合策略在高三專題復(fù)習(xí)教學(xué)中的應(yīng)用，并提出若干教學(xué)建議。

關(guān)鍵詞： 實驗試題; 試題評析; “實驗-性質(zhì)-原理”三元整合; 教學(xué)啟示

文章編號： 1005-6629（2021）03-0089-06

中圖分類號： G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識碼： B

1? 試題評析

實驗題是每年高考化學(xué)的必考試題，其內(nèi)涵豐富，包含化學(xué)儀器的認(rèn)識、實驗操作的選用、實驗現(xiàn)象的描述、實驗結(jié)果的評價、物質(zhì)性質(zhì)的驗證、反應(yīng)原理的分析、未知事件的預(yù)測以及上述內(nèi)容的綜合應(yīng)用等，體現(xiàn)了化學(xué)學(xué)科知識、能力、方法、思想、情感與價值觀的統(tǒng)一[1]。

1.1? 2020年全國化學(xué)Ⅱ卷27題呈現(xiàn)

本題選自2020年全國化學(xué)Ⅱ卷： 苯甲酸可作食品防腐劑。實驗室可通過甲苯氧化制苯甲酸，反應(yīng)原理及有關(guān)數(shù)據(jù)簡示如下：

名稱相對分子質(zhì)量熔點/℃沸點/℃密度/g·mL-1溶解性

甲苯92-95110.60.867不溶于水，易溶于乙醇

苯甲酸122122.4（100℃左右開始升華）248—微溶于冷水，易溶于乙醇、熱水

實驗步驟：

（1） 在裝有溫度計、冷凝管和攪拌器的三頸燒瓶中加入1.5mL甲苯、100mL水和4.8g（約0.03mol）高錳酸鉀，慢慢開啟攪拌器，并加熱回流至回流液不再出現(xiàn)油珠。

（2） 停止加熱，繼續(xù)攪拌，冷卻片刻后，從冷凝管上口慢慢加入適量的飽和亞硫酸氫鈉溶液，并將反應(yīng)混合物趁熱過濾，用少量熱水洗滌濾渣。合并濾液和洗滌液，于冰水浴中冷卻，然后用濃鹽酸酸化至苯甲酸析出完全。將析出的苯甲酸過濾，用少量冷水洗滌，放在沸水浴上干燥。稱量，粗產(chǎn)品為1.0g。

（3） 純度測定： 稱取0.122g粗產(chǎn)品，配成乙醇溶液，于100mL容量瓶中定容。每次移取25.00mL溶液，用0.01000mol·L-1的KOH標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定。三次滴定平均消耗21.50mL的KOH標(biāo)準(zhǔn)溶液。

回答下列問題：

（1） 根據(jù)上述實驗藥品用量，三頸燒瓶的最適宜規(guī)格為? ? ? ? （填標(biāo)號）。

A. 100mL? ? B.250mL

C.500mL? ? D.1000mL

（2） 在反應(yīng)裝置中應(yīng)選用? ? ? ? 冷凝管（填“直形”或“球形”），當(dāng)回流液不再出現(xiàn)油珠即可判斷反應(yīng)已完成，其判斷理由是? ? ? ? 。

（3） 加入適量飽和亞硫酸氫鈉溶液的目的是? ? ? ? ;該步驟亦可用草酸在酸性條件下處理，請用反應(yīng)的離子方程式表達(dá)其原理? ? ? ? 。

（4） “用少量熱水洗滌濾渣”一步中濾渣的主要成分是? ? ? ? 。

（5） 干燥苯甲酸晶體時，若溫度過高，可能出現(xiàn)的結(jié)果是? ? ? ? 。

（6） 本實驗制備的苯甲酸的純度為? ? ? ? ;據(jù)此估算本實驗中苯甲酸的產(chǎn)率最接近于? ? ? ? （填標(biāo)號）。

A. 70%B. 60%

C. 50%D. 40%

（7） 若要得到純度更高的苯甲酸，可通過在水中? ? ? ? 的方法提純。

1.2? 內(nèi)容分析

苯甲酸又稱安息香酸，可作為藥物或防腐劑。最初苯甲酸是由安息香膠干餾制得，工業(yè)上多是在催化劑條件下用空氣氧化甲苯制得，實驗室常用KMnO4在中性條件下氧化甲苯制得。

KMnO4在酸性和中性條件下都有氧化性，但還原產(chǎn)物不同。強(qiáng)酸性時Mn（+7）被還原為Mn2+，氧化能力太強(qiáng)，選擇性差，只適用于制備非常穩(wěn)定的化合物，且Mn2+鹽難以回收，工業(yè)上很少使用酸性氧化法;而在中性條件下，Mn（+7）被還原為MnO2，氧化能力適中，選擇性好，產(chǎn)物鉀鹽或鈉鹽易溶于水，產(chǎn)品的分離與精制簡單，副產(chǎn)品MnO2用途廣泛。

本題是以苯甲酸的制備、分離、純度測定為線索，是人教版選修五實驗“苯甲酸的重結(jié)晶”的升級版。它主要利用KMnO4在中性條件下氧化甲苯制取苯甲酸，主要操作包括： 回流反應(yīng)→分離提純→鹽酸酸化→純度測定等。表1從問題情境、必備知識、考綱要求、學(xué)科能力對20-Ⅱ題進(jìn)行分布狀況分析。

1.3? 試題特點

與近年全國卷實驗題風(fēng)格一致，本題特點是選用情境相對陌生、題目設(shè)問不是已有知識的簡單重現(xiàn)，而是以真實實驗情境為素材，凸顯化學(xué)實驗、物質(zhì)性質(zhì)、反應(yīng)原理的三元整合。本題設(shè)置由淺入深，層層推進(jìn)，不僅考查考生的實驗功底，更是考查考生能否基于物質(zhì)性質(zhì)和反應(yīng)原理的認(rèn)識角度去解決復(fù)雜陌生情境中的實驗問題。關(guān)于高考試題與三元整合策略的具體內(nèi)涵、認(rèn)知方式的關(guān)聯(lián)如圖1所示。

高考實驗題基本圍繞元素化學(xué)事實展開，知識上

旨在考查學(xué)生對相關(guān)元素及其化合物性質(zhì)、反應(yīng)等事實系統(tǒng)了解和掌握的程度;能力上旨在考查學(xué)生應(yīng)用元素化合物的性質(zhì)、基本反應(yīng)原理來分析陌生反應(yīng)的實驗裝置、實驗操作和預(yù)測實驗現(xiàn)象、實驗結(jié)論的能

力，甚至是在陌生情境中解決問題的能力[2];素養(yǎng)上強(qiáng)調(diào)宏微結(jié)合、變化觀念、平衡思想、證據(jù)推理的滲透。近年來全國卷高考實驗題部分設(shè)問必須要自覺從“三元整合”的認(rèn)識方式尋求突破口才能達(dá)到試題設(shè)計要求，表2所示的是基于“三元整合”角度評價近四年全國卷實驗題的部分設(shè)問。

實驗題題目設(shè)問節(jié)選基于三元整合的思路分析

2017年全國Ⅲ卷（3） 為探究硫酸亞鐵的分解產(chǎn)物……實驗后反應(yīng)管中殘留固體為紅色粉末。

① C、 D中溶液依次為? ? ? ? （填標(biāo)號）。C、 D中有氣泡冒出，并可觀察到的現(xiàn)象分別為? ? ? ? 。

a. 品紅? b. NaOH? c. BaCl2? d. Ba（NO3）2? e. 濃H2SO4

② 寫出硫酸亞鐵高溫分解反應(yīng)的化學(xué)方程式? ? ? ? 。① 根據(jù)實驗現(xiàn)象“紅色粉末”推知產(chǎn)物有Fe2O3。

② 根據(jù)氧化還原反應(yīng)從Fe元素升價推知產(chǎn)物有SO2;根據(jù)元素守恒原理推出產(chǎn)物有SO3。

③ 確定檢驗對象后要有檢驗型實驗設(shè)計防干擾的意識，主動判斷檢驗順序。

④ 要有扎實的物質(zhì)性質(zhì)知識基礎(chǔ)，知道SO3極易和水完全化合，只能先檢驗;SO2有強(qiáng)還原性，易被硝酸鹽溶液氧化，所以不能利用Ba（NO3）2檢驗SO3。

2018年全國Ⅰ卷（2） 將過量鋅粒和氯化鉻固體置于c中，加入少量蒸餾水，按圖連接好裝置，打開K1、 K2，關(guān)閉K3。

① c中溶液由綠色逐漸變?yōu)榱了{(lán)色，該反應(yīng)的離子方程式為? ? ? ? 。

② 同時c中有氣體產(chǎn)生，該氣體的作用是? ? ? ? 。① 根據(jù)實驗現(xiàn)象——溶液顏色和氣體，推測合理產(chǎn)物。

② 結(jié)合產(chǎn)物推出兩個競爭反應(yīng)機(jī)理： Zn+2Cr3+Zn2++2Cr2+， Zn+2H+Zn2++H2↑。

③ 要有靈敏的物質(zhì)性質(zhì)意識，根據(jù)“氧氣吸收劑”能推測出醋酸亞鉻有強(qiáng)還原性，因此要排盡裝置中空氣，防止被氧化變質(zhì)。

2019年全國Ⅰ卷（2） ……鐵屑中含有少量硫化物，反應(yīng)產(chǎn)生的氣體需要凈化處理，合適的裝置為? ? ? ? （填標(biāo)號）。

① 這是對實驗過程中尾氣處理的考查。

② 要有扎實的物質(zhì)性質(zhì)知識基礎(chǔ)： A.硫化物與非氧化性酸生成H2S;B.H2S在水中溶解度不大，用水吸收效果差;C.H2S是酸性氣體，可用NaOH溶液吸收。

③ 要有實驗評價意識，不能簡單考慮H2S量少、不容易倒吸直接選用導(dǎo)管。

④ 要有反應(yīng)原理意識，能從導(dǎo)管口氣液接觸面積小分析，尤其大量H2逸出時H2S吸收不充分，故倒扣漏斗更好。

2020年全國Ⅱ卷……實驗室可通過甲苯氧化制苯甲酸，其反應(yīng)原理簡示如下：

實驗步驟：

（1） ……并加熱回流至回流液不再出現(xiàn)油珠。

（2） ……從冷凝管上口慢慢加入適量飽和亞硫酸氫鈉溶液，并將反應(yīng)混合物趁熱過濾，用少量熱水洗滌濾渣。合并濾液和洗滌液，于冰水浴中冷卻，然后用濃鹽酸酸化至苯甲酸析出完全……

（3） 加入適量飽和亞硫酸氫鈉溶液的目的是? ? ? ? 。① 關(guān)于實驗試劑作用的判斷，要有完善的實驗觀，能從物質(zhì)制備和分離提純的認(rèn)識角度思考。

② 要有扎實的物質(zhì)性質(zhì)知識基礎(chǔ)，能從NaHSO3有還原性方面思考，結(jié)合反應(yīng)混合體系的成分考慮作用。

③ 結(jié)合轉(zhuǎn)化過程的反應(yīng)原理和實驗現(xiàn)象——回流液不再出現(xiàn)油珠進(jìn)行證據(jù)推理： 說明甲苯完全反應(yīng)，KMnO4有剩余。

④ 再結(jié)合KMnO4有強(qiáng)氧化性能氧化濃鹽酸，使后續(xù)第二步原料利用率降低，必須要先除去過量的KMnO4。

1.4? 試題拓展

本題屬中檔題，但背后有很多值得從“三元整合”方面去挖掘的地方，見表3。

問題層次拓展問題參考答案基于三元整合的思路分析

單一版塊冷凝管作用是什么？冷凝回流，提高原料利用率。從有機(jī)物易揮發(fā)的性質(zhì)考慮。

攪拌器作用是什么？增大兩相接觸面積，加快反應(yīng)速率。從反應(yīng)速率的影響因素考慮。

趁熱過濾意義是什么？防止溶液溫度下降使苯甲酸鉀鹽析出。從物質(zhì)溶解性隨溫度變化分析。

粗產(chǎn)品中含有的主要雜質(zhì)是什么或從析出苯甲酸后的濾液回收利用的主要物質(zhì)是什么？KCl。從物質(zhì)轉(zhuǎn)化的過程原理分析成分。

三元整合為何選用中性KMnO4氧化甲苯，而不選用酸性條件？中性條件Mn（+7）被還原為MnO2，氧化能力適中，選擇性好;產(chǎn)物鉀鹽易溶于水，產(chǎn)品的分離與精制簡單，副產(chǎn)品MnO2用途廣泛。① 了解物質(zhì)氧化性強(qiáng)弱與環(huán)境酸堿性有關(guān);

② 從原理上明白有機(jī)反應(yīng)大多存在副反應(yīng)，氧化性太強(qiáng)容易引起副反應(yīng);

③ 從實驗評價角度判斷出生成MnO2較Mn2+更有利于后續(xù)分離提純，且MnO2可回收利用。

判斷用H2O2代替NaHSO3溶液是否合理，并說明原因？合理： H2O2能還原KMnO4，且不引進(jìn)雜質(zhì);

不合理： 反應(yīng)混合物中有大量MnO2，會使加入的H2O2劇烈分解。① 要有扎實的物質(zhì)性質(zhì)知識基礎(chǔ)，知道H2O2有還原性，能除去過量KMnO4。另外，要知道MnO2是H2O2分解的催化劑;

② 要從原理上認(rèn)識MnO2催化H2O2分解是一個速率極快的反應(yīng);

③ 從評價實驗原料H2O2利用率的角度判斷出不合理性。

寫出加入NaHSO3溶液發(fā)生反應(yīng)的離子方程式。2MnO-4+3HSO-32MnO2↓+3SO2-4+H++H2O① 要有扎實的物質(zhì)性質(zhì)知識基礎(chǔ)，知道NaHSO3和KMnO4發(fā)生氧化還原反應(yīng);

② 了解物質(zhì)氧化機(jī)理與環(huán)境有關(guān)，根據(jù)題目的轉(zhuǎn)化原理能初步判斷出在中性條件下KMnO4的還原產(chǎn)物是MnO2;

③ 根據(jù)題目提示的操作“趁熱過濾”進(jìn)一步推理得出加入NaHSO3后KMnO4的還原產(chǎn)物是MnO2。

2? 教學(xué)啟示

近幾年來全國卷實驗題在情境維度和知識維度的水平有所降低，但是很多來自課內(nèi)元素化合物實驗及其遷移在認(rèn)知進(jìn)程維度方面的水平有所提升，特別是分析與解決問題中高階水平考查比重增大，化學(xué)實驗、物質(zhì)性質(zhì)和反應(yīng)原理的整合考查日趨明顯，與三元整合策略指導(dǎo)下的課堂教學(xué)有著共同目標(biāo)。

2.1? 三元整合策略的定義與理論依據(jù)

“三元整合策略”是指教師以某種元素為核心的一系列物質(zhì)設(shè)計成整合型情境，對化學(xué)實驗、物質(zhì)性質(zhì)和反應(yīng)原理進(jìn)行綜合學(xué)習(xí)的教學(xué)方法[3]。

三元整合策略的核心理論依據(jù)是問題本位學(xué)習(xí)理論，這是近年來受到廣泛重視的基于建構(gòu)主義教學(xué)改革的一種教學(xué)思路。“問題本位學(xué)習(xí)”強(qiáng)調(diào)把學(xué)習(xí)設(shè)置于復(fù)雜的、有意義的問題情境中，通過讓學(xué)習(xí)者合作解決真實性問題來學(xué)習(xí)隱含于問題背后的科學(xué)知識，形成解決問題的技能，并形成自主學(xué)習(xí)的能力[4]。

三元整合策略主張基于學(xué)生在化學(xué)實驗、物質(zhì)性質(zhì)和反應(yīng)原理三大版塊的已有知識創(chuàng)設(shè)認(rèn)知沖突，以“認(rèn)知沖突”作為課堂教學(xué)的研究線索，以課標(biāo)考綱的知識、方法、能力和素養(yǎng)為教學(xué)暗線，圍繞驅(qū)動性問題不斷提出解釋和修正解釋，結(jié)合實驗強(qiáng)化學(xué)生有序觀察現(xiàn)象的能力和建立有效解決問題的思維程序。通過三重表征教學(xué)提高學(xué)生的邏輯思維與語言表達(dá)能力，在運用已有知識對外輸出的過程中培育學(xué)生宏微結(jié)合、變化觀念、證據(jù)推理、實驗探究等核心素養(yǎng)。

2.2? 基于三元整合策略的教學(xué)案例實施

“基于鐵元素的三元整合教學(xué)”是三元整合策略在高三實驗專題備考復(fù)習(xí)課的具體應(yīng)用。通過5個檢驗型實驗串起整個課堂，其教學(xué)內(nèi)容和物質(zhì)檢驗?zāi)K基于思維進(jìn)階的教學(xué)設(shè)計模型見表4和圖2。

實驗實驗?zāi)康膶嶒灢僮鲉栴}拓展

1檢驗FeSO4是否變質(zhì)并制備Fe（OH）2（1） 描述實驗操作;

（2） 預(yù)測現(xiàn)象并說出判斷依據(jù)。

2檢驗Fe（OH）2是否被氧化（1） 描述實驗操作;

（2） 預(yù)測現(xiàn)象并說出判斷依據(jù)。

3實驗2血紅色溶液性質(zhì)的檢驗取少量實驗2得到的血紅色溶液于試管中，加入足量鐵粉，充分振蕩。（1） 預(yù)測現(xiàn)象并說出判斷依據(jù);

（2） 書寫過程中涉及反應(yīng)的離子方程式。

4對預(yù)測反應(yīng)發(fā)生與否的檢驗取少量實驗2得到的血紅色溶液于試管中，加入過量的KI溶液，充分振蕩。（1） 預(yù)測現(xiàn)象并說出判斷依據(jù);

（2） 猜測發(fā)生哪些反應(yīng)，寫出相應(yīng)離子方程式;

（3） 設(shè)計盡可能多的實驗方案證明你的猜測（方案包括操作、現(xiàn)象和結(jié)論，下同）。

5綜合應(yīng)用取少量硫酸鐵溶液于試管中滴加幾滴KSCN溶液，再加入稍過量Na2SO3固體，充分振蕩。（1） 預(yù)測現(xiàn)象并說出判斷依據(jù);

（2） 猜測發(fā)生哪些反應(yīng)，并寫出離子方程式;

（3） 設(shè)計盡可能多的實驗方案證明你的猜測。

2.3? 備考教學(xué)建議

高考實驗題命題嚴(yán)格遵循考試大綱，以無機(jī)物、實驗基礎(chǔ)與探究、化學(xué)反應(yīng)原理作為主要考查內(nèi)容，注重考查化學(xué)觀念、思維方法、關(guān)鍵能力，滲透化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。而三元整合策略是核心素養(yǎng)視角下實驗專題復(fù)習(xí)課的有效教學(xué)取向。對使用三元整合策略構(gòu)思高三微專題課堂復(fù)習(xí)提出以下教學(xué)建議： （1）結(jié)合復(fù)習(xí)專題，利用熟悉的內(nèi)容制造一系列不能用已有知識經(jīng)驗直接處理而感到疑難的問題情境，模仿高考命題素材的陌生化;（2）制造或設(shè)置促使學(xué)生自覺地從不同知識角度（如物質(zhì)性質(zhì)、基本理論等）、從不同思維角度（如類比、模型等）去分析問題和解決問題的問題鏈，貼近高考命題的思維角度;（3）課堂上充分調(diào)動學(xué)生根據(jù)已有知識、基本觀念（元素觀、分類觀、變化觀、守恒觀等）、化學(xué)素養(yǎng)（宏微結(jié)合、變化觀念、平衡思想、模型認(rèn)知等）進(jìn)行證據(jù)推理，最終形成問題解決的認(rèn)知模型，以實現(xiàn)高考命題的問題解決要求。建設(shè)這種課堂，必定有利于形成解決問題的原理或規(guī)則，并成為認(rèn)知結(jié)構(gòu)中的一個組成部分，對解決陌生情境下的高考實驗題有十分重要的意義。

參考文獻(xiàn)：

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