中學(xué)化學(xué)熱重曲線類試題文獻分析及建議

韓江濤 楊云

摘要：從文獻研究入手，基于有關(guān)中學(xué)化學(xué)熱重曲線試題及研究的28篇文獻，從試題考查思維方法、反應(yīng)類型、實驗氣氛、解題思路等4 個方面研究了熱重曲線試題的現(xiàn)狀和特征，指出失重方式不同是解答該類試題的關(guān)鍵所在，并從解讀教材實驗、重視識圖作圖、建立解題模式等方面給出適當(dāng)?shù)闹笇?dǎo)對策和建議。

關(guān)鍵詞：熱重曲線；試題研究；文獻分析；失重方式

文章編號：1005–6629（2016）7–0082–05 中圖分類號：G633.8 文獻標(biāo)識碼：B

1 問題提出

熱重曲線分析是近年來高考化學(xué)試題的常見題型，通過熱重法實驗獲得圖像數(shù)據(jù)。熱重法實驗是在一定條件下測量物質(zhì)的質(zhì)量隨溫度（時間）變化的規(guī)律，從而得出質(zhì)量隨溫度（時間）變化的曲線數(shù)據(jù)──熱重曲線。熱重曲線試題基于圖像數(shù)據(jù)考查學(xué)生的識圖、分析、推理、計算等能力和質(zhì)量守恒等重要的化學(xué)學(xué)科觀念，由于圖像往往擁有較大的信息量，能夠較全面地考查學(xué)生分析、比較、概括、歸納問題的能力，因此該類試題一直備受命題者青睞。為了解中學(xué)化學(xué)熱重曲線試題的特征，揭示其演變過程及本質(zhì)規(guī)律，更好地幫助學(xué)生領(lǐng)悟解題思路，提升中學(xué)生化學(xué)學(xué)科素養(yǎng)，本文對近年來有關(guān)的熱重曲線類試題和研究等文獻進行了統(tǒng)計、分析和建議，以期為化學(xué)教學(xué)提供有益的參考。

為了對熱重曲線類試題的研究現(xiàn)狀和趨勢做詳盡分析，從文獻研究入手，以中國知網(wǎng)學(xué)術(shù)期刊全文數(shù)據(jù)庫為檢索源，重點關(guān)注中學(xué)化學(xué)熱重曲線試題的解題思路，以“熱重曲線（分析）”和“解題方法”為關(guān)鍵詞組合進行檢索，時間跨度從2000至2015年，對所得28篇文獻共計42道熱重曲線類試題進行分析研究。其中專論熱重曲線及其解題方法的文章7篇，以個例闡述的文章21篇。鑒于現(xiàn)有文獻重于個例解題方法分析，缺乏概括性的解題方法指導(dǎo)，對試題所蘊涵的熱重法實驗更是視而不見，致使解題的思維僅停留在就事論事層面，所以本研究基于熱重法實驗原理，以考題思維方法、反應(yīng)類型、實驗氣氛、解題思路等方面作為研究維度，試圖分析熱重曲線試題現(xiàn)狀、特征及考查方向，為引導(dǎo)學(xué)生正確解題及提升思維品質(zhì)提供幫助。

2 研究結(jié)果與分析

2.1 試題考查思維方法

文獻所涉及熱重曲線類試題均以試樣熱重實驗曲線為依據(jù)編制。試題以試樣質(zhì)量（剩余固體質(zhì)量占原試樣質(zhì)量的百分比）隨溫度變化的曲線為載體，以圖像和文字組合的形式呈現(xiàn)，考查內(nèi)容以書寫方程式、判斷某溫度時物質(zhì)組成為重點，考查方式以填空、計算等形式較為常見。試題的考查方式往往影響學(xué)生的答題思維習(xí)慣，因此研究試題考查的思維方法，有助于培養(yǎng)思維品質(zhì)，完善思維結(jié)構(gòu)。根據(jù)熱重實驗所選試樣是否已知可分為兩類：第一類以已知試樣確定產(chǎn)物組成的目標(biāo)思維法考題；第二類以未知試樣需要確定組成的逆向思維法考題。統(tǒng)計文獻中18道試題（剔除重復(fù)試題）考查的思維方法數(shù)量如表1所示。

從表中可以看出，目標(biāo)思維法較多（14次，77.7%），逆向思維法較少（4次，22.3%）。這符合熱重分析法研究物質(zhì)的熱穩(wěn)定性、分解、脫水、解離、氧化、還原、成分等的實驗過程，也是目前工業(yè)、科研等機構(gòu)利用熱重分析開展科學(xué)研究的最常見思路，更主要的是該研究思路符合中學(xué)生的認知脈絡(luò)和邏輯順序，能最大限度地發(fā)揮試題立意、載體、設(shè)問等方式對學(xué)生思維發(fā)展水平的甄別、激勵和改進等多種功能[1]。

2.2 反應(yīng)類型

熱重曲線試題的類型與熱重法實驗中的試樣反應(yīng)類型有關(guān)，試樣反應(yīng)類型不同，試樣失重方式也不同，熱重法實驗測得的熱重曲線含義可能也不同，所以研究熱重實驗試樣失重反應(yīng)類型顯得非常重要。試樣失重方式基本集中在脫水、分解、氧化、還原等方式，不同的試樣失重方式可能是一種或多種組合，有的熱重實驗僅以一種反應(yīng)類型存在，相對簡單，較多的實驗試樣以兩種或兩種以上的反應(yīng)類型存在，導(dǎo)致熱重曲線試題難度增加，需要分步解答。文獻中18道試題根據(jù)失重方式不同分屬六大類型，具體不同試樣的失重方式統(tǒng)計如表2所示。

如以CuSO4·5H2O為試樣的熱重曲線試題在文獻中出現(xiàn)次數(shù)最多（20次），占全部試題總數(shù)近半（47.6%），其中19次均是以單一脫水反應(yīng)類型出現(xiàn)，只有1次是以多種組合的反應(yīng)類型出現(xiàn)的。房壽高在“熱重分析類化學(xué)計算題的解題方法”[2]中詳述了CuSO4·5H2O試樣在不同條件下以脫水、分解、氧化、還原反應(yīng)類型逐步失重過程，該熱重曲線試題較其他試題明顯不同。對比中凸顯出試樣失重方式與試題難易程度的相關(guān)性，而現(xiàn)有文獻中尚無此方面的論述，有關(guān)內(nèi)容需進一步研究。

2.3 實驗氣氛

熱重法實驗在不同的溫度條件下進行，試樣可能會和氣氛中的物質(zhì)反應(yīng)，所以實驗氣氛是影響熱重曲線的重要因素之一[3]。文獻中18道試題涉及試樣實驗氣氛統(tǒng)計如表3所示。

可以看出，未指明實驗氣氛情況的較多（14次，77.7%）；明確指出實驗氣氛情況較少，分別是空氣氣氛（2次，11.1%）、先氬氣后空氣氣氛（1次，5.5%）、隔絕空氣氣氛（1次，5.5%）。說明現(xiàn)有文獻中關(guān)于實驗氣氛條件敘述不夠明確，默認情況較多，忽視實驗氣氛對熱重曲線的影響?；蛟S是考慮到該因素較復(fù)雜，超出學(xué)生認知水平不屬于中學(xué)化學(xué)考查范圍而特意模糊處理。這與熱重實驗精密嚴謹相悖。在查閱資料中我們發(fā)現(xiàn)同樣的試樣實驗氣氛不同，失重反應(yīng)的類型也不同，熱重曲線也不盡相同。如胡金華在“看特點識圖表想原理巧整合”[4]中提到FeC2O4·2H2O先在氬氣氣氛中失重后在空氣氣氛中加熱的熱重曲線和李萬春在“明確圖像類型探究解題方法”[5]中提到FeC2O4·2H2O在隔絕空氣實驗氣氛的熱重曲線明顯不同。所以建議命題者結(jié)合具體情況謹慎確定實驗氣氛，盡可能減少不必要的歧義。

2.4 解題思路

不同試題有不同的解題方法，同樣的試題也有不同的解題方法。文獻中試題的解題方法統(tǒng)計如表4所示。

從表中可見，差量法（5次）出現(xiàn)次數(shù)最多，相對分子質(zhì)量法（摩爾質(zhì)量法）（4次）、設(shè)化學(xué)式再驗證的假設(shè)法（4次）次之，公式法[6]（1次，同一篇文獻出現(xiàn)4次，所以仍算1次）是最新解研究成果，次數(shù)最少，另外個別題目無解析過程不做分析?？梢钥闯鰺嶂厍€試題解題方法較多，說明試題蘊涵的信息較多，思維發(fā)散較好。同時我們發(fā)現(xiàn)各種方法亦各有優(yōu)劣，如差量法要求學(xué)生對失重物質(zhì)較為熟悉，且無法解決同時失重兩種物質(zhì)的情況；相對分子質(zhì)量法要求學(xué)生對物質(zhì)的化學(xué)式較熟悉，而大多數(shù)中學(xué)生對陌生的中間產(chǎn)物往往很難快速作出判斷，需要多次驗證；假設(shè)法要求學(xué)生有較充實的知識儲備，否則茫無目標(biāo)缺乏針對性；公式法基于金屬元素守恒結(jié)合相對分子質(zhì)量法，不考慮反應(yīng)過程，計算簡潔明了，但是要求學(xué)生強化記憶公式，很難培養(yǎng)學(xué)生的思維能力。所以各種方法混雜不利于學(xué)生構(gòu)建清晰的思維結(jié)構(gòu)，也不便于教師系統(tǒng)性講授和推廣，無疑增加了試題的難度。因此有必要深入研究熱重曲線試題的一般解題思路和模式，便于教師講授和學(xué)生接受。

3 總結(jié)和建議

針對熱重曲線試題的現(xiàn)狀、特征和考查內(nèi)容，筆者認為解答問題的關(guān)鍵是在正確識圖基礎(chǔ)上根據(jù)試樣失重的反應(yīng)類型，抽象概括出一般解題模式。在日常的教學(xué)活動中，可以通過深入探討教材中典型實驗，引領(lǐng)學(xué)生從識圖作圖訓(xùn)練中提高采集轉(zhuǎn)換圖像信息的能力，然后基于熱重試樣的失重方式探尋建立熱重曲線的一般解題模式。

3.1 探討教材實驗，多方式多角度解讀典型實驗

熱重分析法是大學(xué)知識，中學(xué)化學(xué)課本上沒有熱重法實驗及分析儀的介紹，而中、高考試題上卻有此類題目出現(xiàn)，說明熱重分析的原理并不難，且試題材料中均已給出。解決此類問題的知識技能符合課程標(biāo)準(zhǔn)要求，即教材中一定有此類知識的本源。教育解釋學(xué)認為，教材作為學(xué)生學(xué)習(xí)的資源和工具不是一個封閉體，教材的“空白”讓師生提供聯(lián)系和想象的源泉[7]?；诖?，一定能找到此類問題的本源知識點。分析熱重曲線試題發(fā)現(xiàn)其與質(zhì)量守恒定律及化學(xué)方程式計算有密切聯(lián)系，所以在教學(xué)過程中特別是實驗教學(xué)時，教師應(yīng)立足學(xué)生認知水平，圍繞知識技能目標(biāo)，重視呈現(xiàn)實驗數(shù)據(jù)產(chǎn)生的過程，幫助學(xué)生形成嚴密的正向思維結(jié)構(gòu)，而不僅僅是要求學(xué)生牢記實驗現(xiàn)象和結(jié)論。如初、高中化學(xué)教材中有溶解度曲線、酸堿中和滴定的pH變化曲線、溶液導(dǎo)電率測定曲線等等，教師在教學(xué)過程中，應(yīng)注重引領(lǐng)學(xué)生理解數(shù)據(jù)采集、繪制及變化趨勢的原因，嘗試從文字數(shù)據(jù)到圖像數(shù)據(jù)等多方位描述實驗本質(zhì)，不斷引導(dǎo)學(xué)生從文字知識向圖像知識遷移和能力提升，進而提高解答熱重曲線類問題的思維品質(zhì)。所以深入探討教材中的典型實驗，通過對實驗數(shù)據(jù)的采集、歸納、反思、積累，有利于提高學(xué)生理解、分析、綜合應(yīng)用圖像信息的能力，也有利于學(xué)生從被動接受學(xué)習(xí)方式向主動建構(gòu)學(xué)習(xí)方式的轉(zhuǎn)變。

3.2 重視識圖作圖，提高學(xué)生采集轉(zhuǎn)換信息能力

研究近幾年來的中、高考試題，發(fā)現(xiàn)圖像類試題的比重越來越大（譬如熱重曲線試題的風(fēng)靡），學(xué)生解答此類問題時遇到的障礙主要有：對圖形含義理解不清，沒有從作圖的角度去識圖；對失重過程中導(dǎo)致質(zhì)量差的緣由理解不清。有資料表明[8]，圖像數(shù)據(jù)的隱蔽性較表格數(shù)據(jù)、文字數(shù)據(jù)的隱蔽性強，學(xué)生對文字、表格、圖像數(shù)據(jù)吸收的有效信息依次減少，所以試題信息的呈現(xiàn)方式無疑會增加試題的難度，很大程度上影響學(xué)生的思維深度?？v觀熱重曲線試題考查的內(nèi)容無不基于圖像信息，所以解答此類問題的首要問題是識圖，正確認識熱重曲線中基本線段的涵義是突破思維障礙的關(guān)鍵。熱重曲線中涉及到的基本線段有三類，見圖1。水平線段a表明物質(zhì)質(zhì)量不隨溫度改變，即在此溫度范圍內(nèi)物質(zhì)不失重；垂直線段b表明在某溫度下物質(zhì)失重（方向向下）或增重（方向向上）；傾斜線段c、d，其中向右下傾斜線段c表明物質(zhì)隨溫度升高逐漸失重，向右上傾斜線段d表明物質(zhì)隨溫度升高逐漸增重。上述線段a對應(yīng)物質(zhì)不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，b、c、d對應(yīng)物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。

明確熱重曲線中線段的涵義后，在日常教學(xué)過程中，要善于結(jié)合實驗引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)物質(zhì)的狀態(tài)、變化等繪制熱重曲線草圖。如在實驗室加熱高錳酸鉀制氧氣的實驗中，有關(guān)實驗數(shù)據(jù)[9]表明加熱至200℃時開始分解失重，200～400℃范圍逐漸失重至完全，400℃以上物質(zhì)質(zhì)量不再改變。在此基礎(chǔ)上引導(dǎo)學(xué)生把實驗數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成圖像信息，繪制高錳酸鉀制氧氣的熱重曲線，如圖2所示。因此，我們在日常的教學(xué)中重視對學(xué)生識圖作圖能力的培養(yǎng)，久而久之會使學(xué)生養(yǎng)成正確的文字數(shù)據(jù)-曲線信息-化學(xué)符號認知思維習(xí)慣，提高思維的整體性，從而使學(xué)生的創(chuàng)造性思維得到發(fā)展，為考試中能迅速從陌生的圖像信息中采集、吸收、轉(zhuǎn)換、整合化學(xué)信息的能力奠定基礎(chǔ)。

3.3 分析失重方式，探尋熱重曲線試題解題模式

從現(xiàn)有文獻中發(fā)現(xiàn)，熱重曲線類試題解題策略較為分散沒有系統(tǒng)模式可以遵循，不便于教師講授，也不利于學(xué)生構(gòu)建知識體系，很難形成嚴密的思維結(jié)構(gòu)。教育解釋學(xué)認為，要從根本上提高學(xué)生的解題能力就要突出程序性知識和策略性知識的地位[10]。而建立解題模式，無疑是實現(xiàn)低耗高效提高效率的有效途徑。通過上述研究發(fā)現(xiàn)，試樣的失重反應(yīng)類型是熱重法實驗的關(guān)鍵所在，失重方式?jīng)Q定了熱重曲線的類型，影響解題思路。通常熱重法實驗中試樣失重方式集中在脫水、分解、氧化、還原上，所以基于此可以嘗試探索解題模式如下（以水合物脫水、氫氧化物分解和氧化物氧化為例），如圖3所示。具體運用詳見下例分析。

例 將1.000g FeC2O4·2H2O固體樣品放在熱重分析儀中進行熱重分析，測得其熱重分析曲線（樣品質(zhì)量隨溫度變化的曲線），如圖4所示。已知：①草酸鹽受熱分解易放出碳的氧化物。②500℃之前，該熱重分析儀的樣品池處于氬氣氣氛中，500℃時起，樣品池與大氣相通。完成下列填空：（有刪減）

（1）300℃時是樣品脫水的過程，試確認350℃時樣品是否脫水完全 （填“是”或“否”），判斷的理由是 （要求寫出推算過程）。

（2）400℃時發(fā)生變化的化學(xué)方程式是。

（3）將1500℃時樣品池中殘留的固體隔絕空氣冷卻后，實驗表明此固體中既含有+2價鐵元素，也含有+3價鐵元素。試寫出圖中1400℃時發(fā)生反應(yīng)的化學(xué)方程式 。

分析：

（1）在0～500℃草酸亞鐵晶體在氬氣氣氛中失重，不考慮實驗氣氛影響，300℃草酸亞鐵晶體先以脫水方式失重，根據(jù)脫水方式失重解題模式設(shè)化學(xué)方程式：

上述例題中試樣分別以脫水、分解、氧化等多種失重方式，根據(jù)解題模式依次分別解答，思路清晰，步驟明確。所以根據(jù)失重方式構(gòu)建的解題模式可以幫助學(xué)生理解整個反應(yīng)過程，弄清反應(yīng)實質(zhì)，有助于提高處理圖像信息的能力，有助于構(gòu)建高品質(zhì)的思維結(jié)構(gòu)。

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