用好高考化學(xué)實驗題 培養(yǎng)學(xué)生證據(jù)意識

趙長宏

證據(jù)意識，是化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的重要內(nèi)容。教育部公布的《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》[1]指出：“具有證據(jù)意識，能基于證據(jù)對物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)及其變化提出可能的假設(shè)，通過分析推理加以證實或證偽；建立觀點、結(jié)論和證據(jù)之間的邏輯關(guān)系?！币虼?，化學(xué)教學(xué)中既要培養(yǎng)學(xué)生收集信息、處理信息、基于證據(jù)進(jìn)行科學(xué)分析和推理的能力；又要引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會搭建證據(jù)和結(jié)論間的思維路徑，做到分析推理結(jié)果的科學(xué)性和有效性。

一、問題的提出

在教學(xué)中經(jīng)常會發(fā)現(xiàn)學(xué)生對證據(jù)意識關(guān)注不夠。主要表現(xiàn)為：愿意做選擇題，不愿意做簡答題；愿意回答“是不是”“對不對”的問題，不會思考“為什么”的問題；在簡答題中，更多關(guān)注用到什么知識點，而不關(guān)注如何將知識點以完整的思維路徑進(jìn)行展示和表述；聽習(xí)題講評時，也只注重答題結(jié)果正確與否，而不關(guān)心解題證據(jù)的尋找和挖掘。長此以往，不僅損失了思維能力提升和鍛煉的機(jī)會，更缺少了科學(xué)研究所必需的證據(jù)推理意識。

二、解決問題的方法

學(xué)生的證據(jù)意識需要有意識地培養(yǎng)?；瘜W(xué)是以實驗為基礎(chǔ)的學(xué)科。由于化學(xué)的學(xué)科特點，在獲取證據(jù)的過程中，常會采用實驗的方法，以實驗現(xiàn)象和實驗數(shù)據(jù)做為檢驗假設(shè)的證據(jù)[2]，因此化學(xué)實驗是培養(yǎng)學(xué)生證據(jù)意識的重要素材。高考化學(xué)實驗題，在真實、復(fù)雜的實驗情境中，充分整合核心物質(zhì)性質(zhì)、物質(zhì)轉(zhuǎn)化途徑、物質(zhì)變化條件，實驗現(xiàn)象復(fù)雜多變，影響因素多種多樣。充分利用高考實驗素材，可以幫助學(xué)生學(xué)會如何有效篩選、提煉有用信息，結(jié)合已有的知識進(jìn)行分析、解釋和推理，完善分析推理路徑，從而不斷提高基于實驗事實或?qū)嶒炞C據(jù)的分析推理能力，提高證據(jù)意識。

1.精心挑選高考例題 準(zhǔn)確判斷思維難點

以2011年北京高考理綜第27題為例[3]。

題干闡述：甲、乙同學(xué)為探究SO2與可溶性鋇的強(qiáng)酸鹽能否反應(yīng)生成白色BaSO3沉淀，用圖1所示裝置進(jìn)行實驗(夾持裝置和A中加熱裝置已略，氣密性已檢驗)。

圖1 反應(yīng)裝置

題中已知：將Cu和濃硫酸的混合物加熱后，A中有白霧生成，銅片表面產(chǎn)生氣泡。將氣體通入B和C的可溶性鋇鹽溶液中，均得到不溶于稀鹽酸的白色沉淀。

選題理由：本題以銅和濃硫酸反應(yīng)生成的SO2的性質(zhì)為載體展現(xiàn)了一個完整的探究過程。該探究過程不僅含有“提出問題、猜想和假設(shè)、進(jìn)行實驗、收集證據(jù)、解釋和結(jié)論、反思與評價、表達(dá)與交流”等要素，而且蘊(yùn)含解決問題的科學(xué)方法和深入思維的過程。學(xué)生需要面對含有多種變量的問題，控制變量、進(jìn)行假設(shè)、運用實驗逐一驗證，這樣才能得到合理而科學(xué)的結(jié)論[3]。而這正是一個依據(jù)假設(shè)收集證據(jù)、利用證據(jù)支撐結(jié)論的過程。

對于高三的學(xué)生而言，結(jié)合已有的知識，可以分析得出，銅片和濃硫酸加熱反應(yīng)時生成SO2；從復(fù)分解反應(yīng)角度，學(xué)生也可以判斷得出，題中兩種可溶性鋇鹽中生成的不溶于稀鹽酸的白色沉淀，只能是BaSO4，不會是BaSO3，因此探究實驗的結(jié)論很明顯。但是，對于SO2通入B中的BaCl2溶液和C中的Ba(NO3)2溶液中，為什么都會出現(xiàn)BaSO4沉淀，需要學(xué)生主動調(diào)用已有的知識，并且通過對題中所給信息的仔細(xì)篩選、甄別和處理，進(jìn)行深入細(xì)致的對比分析、假設(shè)、推理和驗證，才能得出。

因此，適合選做例題，指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行證據(jù)分析和推理的實踐。

2.“聚焦—拆解—分析—引導(dǎo)”凸顯證據(jù)推理過程

(1)依據(jù)學(xué)情 實現(xiàn)問題聚焦

關(guān)于SO2通入C中的Ba(NO3)2溶液中出現(xiàn)BaSO4沉淀的原因，學(xué)生很容易發(fā)現(xiàn)過程中S元素化合價發(fā)生了變化，并能夠結(jié)合已有的氧化還原反應(yīng)知識，在體系中尋找引起化合價變化的原因：因為SO2溶于水后溶液呈酸性，酸性溶液中NO3—具有強(qiáng)氧化性，將+4價的S元素氧化為+6價S元素，從而生成BaSO4沉淀。所以，可以判斷出C中溶液體系中自身存在的氧化劑是出現(xiàn)BaSO4沉淀原因。

而對比B中的BaCl2溶液，體系自身并沒有提供強(qiáng)氧化劑，但是也產(chǎn)生了BaSO4沉淀。因此，教學(xué)中將問題聚焦為“B中的BaCl2溶液中可產(chǎn)生不溶于稀鹽酸的BaSO4沉淀產(chǎn)生的原因”。

(2)改編信息 實現(xiàn)難點拆解

結(jié)合學(xué)生已有知識和對題意的分析掌握程度，設(shè)計驅(qū)動性問題，將聚焦的難點問題進(jìn)一步拆解、轉(zhuǎn)化，引導(dǎo)學(xué)生再思考。

問題1：SO2能和Ba(NO3)2溶液反應(yīng)生成BaSO4沉淀，為什么？

意圖：引導(dǎo)學(xué)生回憶實現(xiàn)物質(zhì)轉(zhuǎn)化的氧化還原反應(yīng)視角。

問題2：SO2能和BaCl2溶液反應(yīng)生成BaSO3沉淀嗎？為什么？

意圖：探查學(xué)生關(guān)于物質(zhì)反應(yīng)的判斷視角是否全面，引導(dǎo)學(xué)生從物質(zhì)類別和化合價變化兩個角度實現(xiàn)物質(zhì)轉(zhuǎn)化。

問題3：若使SO2和BaCl2溶液反應(yīng)生成BaSO3沉淀，需要補(bǔ)加哪些物質(zhì)？為什么？

意圖：在“補(bǔ)加”物質(zhì)的任務(wù)驅(qū)動下，引導(dǎo)學(xué)生觀察在沒有化合價變化的前提下，只從物質(zhì)類別轉(zhuǎn)化角度，引導(dǎo)學(xué)生思考反應(yīng)發(fā)生的條件和實現(xiàn)反應(yīng)的路徑。

問題4：若使SO2和BaCl2溶液反應(yīng)生成BaSO4沉淀，需要補(bǔ)加哪些物質(zhì)？為什么？

意圖：通過改變產(chǎn)物中S元素化合價，引導(dǎo)學(xué)生思考既有物質(zhì)類別變化、又有化合價變化的情況下，思考轉(zhuǎn)化原理，選擇“補(bǔ)加”物質(zhì)，再次夯實實現(xiàn)物質(zhì)轉(zhuǎn)化的兩個常見角度。

(3)對比分析 實現(xiàn)思維外顯

對于SO2能和Ba(NO3)2溶液反應(yīng)生成BaSO4的思考路線如圖2所示。

對于SO2通入BaCl2溶液中出現(xiàn)BaSO4沉淀的思考路線如圖3所示。

圖3 SO2通入BaCl2溶液中反應(yīng)過程的思考路線

由此，制造認(rèn)知沖突：兩個體系中雖然都生成了BaSO4沉淀，但是原因是不一樣的。前者很容易在體系中找到氧化劑，而后者在體系中并沒有合適的氧化劑。因此，將SO2通入BaCl2溶液中，若發(fā)生氧化還原反應(yīng)，需要在環(huán)境中尋找是否有合適的氧化劑；若不發(fā)生氧化還原反應(yīng)，需要思考何種反應(yīng)、何種物質(zhì)的介入可以產(chǎn)生BaSO4沉淀。從而引領(lǐng)學(xué)生深入思考，除了SO2氣體外，同時還有何種氣體可能進(jìn)入了可溶性鋇鹽溶液，如何證明？這樣，將學(xué)生的分析思路由單一的氧化還原反應(yīng)實現(xiàn)物質(zhì)轉(zhuǎn)化，引向?qū)崿F(xiàn)物質(zhì)轉(zhuǎn)化的多角度的分析；將學(xué)生的觀察視角由單一的反應(yīng)體系內(nèi)物質(zhì)的觀察，引向?qū)w系、環(huán)境、反應(yīng)條件等多重因素的全面審視。

(4)引導(dǎo)推理 實現(xiàn)證據(jù)支撐

關(guān)于第一種可能性，SO2和BaCl2溶液反應(yīng)生成BaSO4沉淀的原因是發(fā)生氧化還原反應(yīng)，那么環(huán)境中是否有合適氧化劑？觀察實驗裝置示意圖，學(xué)生可以發(fā)現(xiàn)，因為實驗前沒有進(jìn)行排空操作，所以空氣中氧氣可能是潛在的氧化劑。而證實假設(shè)的方法就是先排空后再進(jìn)行實驗。這在原題中第四個小問題設(shè)問及解答過程中有所體現(xiàn)，教學(xué)中可以作為實驗證據(jù)提供支持。

關(guān)于第二種可能性，若不發(fā)生氧化還原反應(yīng)，從BaCl2的性質(zhì)考慮，可以通過發(fā)生復(fù)分解反應(yīng)，和可溶性硫酸鹽或者硫酸生成BaSO4沉淀。根據(jù)硫酸鹽和硫酸沸點分析比較，硫酸銅揮發(fā)的可能性極小，因此可能是加熱條件下?lián)]發(fā)出的硫酸蒸氣進(jìn)入體系。證實的方式是將SO2氣體通過飽和NaHSO3溶液除雜后再進(jìn)行實驗。這個假設(shè)和驗證同樣在原高考題的第四個小問題設(shè)問中有所體現(xiàn)。

至此，教學(xué)中設(shè)計“問題聚焦—難點拆解—思維外顯—證據(jù)尋找”的過程，幫助學(xué)生體驗了收集信息、處理信息的過程，依據(jù)信息提出合理假設(shè)，并基于證據(jù)進(jìn)行科學(xué)分析和推理、證實或證偽。學(xué)生能夠體會到，在解決真實復(fù)雜實驗問題時，學(xué)會全面關(guān)注體系、環(huán)境或者反應(yīng)物、生成物以及副反應(yīng)、副產(chǎn)物的出現(xiàn)，學(xué)會分析干擾因素、篩選信息，選擇確鑿的證據(jù)，學(xué)會搭建證據(jù)和結(jié)論間的思維路徑，是實驗結(jié)果具有科學(xué)性和有效性的重要保證。

三、教學(xué)后的感悟

1.設(shè)計良好驅(qū)動性問題 示范推理路徑 有利于學(xué)生證據(jù)意識培養(yǎng)

學(xué)生證據(jù)意識的培養(yǎng)，需要學(xué)生自主發(fā)現(xiàn)問題、提出假設(shè)以及收集證據(jù)、獲得結(jié)論[1]。而這種自主性的培養(yǎng)，需要在教師精心設(shè)計驅(qū)動性問題的引領(lǐng)下逐漸形成。精心設(shè)計的驅(qū)動性問題，不僅可以幫助學(xué)生夯實典型物質(zhì)性質(zhì)，鞏固物質(zhì)轉(zhuǎn)化思路，更能引導(dǎo)學(xué)生思維逐漸走向高階，由單一到多元、由孤立到全面，在理論猜想的基礎(chǔ)上敢于調(diào)動已有知識和能力進(jìn)行大膽的實驗設(shè)計和驗證，在不知不覺中體會真實復(fù)雜問題解決過程中證據(jù)推理過程和證據(jù)意識的重要性。

2.認(rèn)真選擇高考例題 制造認(rèn)知沖突 讓高考題成為高考教學(xué)的真實素材

不將高考題照搬全抄，而是對精選高考題根據(jù)教學(xué)需要進(jìn)行節(jié)選或者改編，從學(xué)生已知的、熟悉的物質(zhì)反應(yīng)和物質(zhì)變化入手，讓學(xué)生經(jīng)歷“理論分析”和“真實問題解決”過程中的認(rèn)知沖突，幫助學(xué)生逐步完善有效證據(jù)和科學(xué)結(jié)論間的分析推理路徑，提升學(xué)生證據(jù)意識和科學(xué)精神。使得在整個教學(xué)過程中，學(xué)生始終圍繞明確教學(xué)主題展開思考和討論，注意力集中，不僅提高課堂效率，更體現(xiàn)了高考題作為教學(xué)素材要為高考教學(xué)服務(wù)的宗旨。

3.教師適當(dāng)展開追問 引導(dǎo)思維生長 幫助學(xué)生構(gòu)建證據(jù)和結(jié)論間的關(guān)聯(lián)

探究教學(xué)的核心是學(xué)生基于自己的基礎(chǔ)和經(jīng)驗對問題做出假設(shè)，并在證據(jù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行合理解釋。思維水平高的學(xué)生可以解決難度大、開放度大的問題，而思維水平較低的學(xué)生可以選擇難度較小的問題進(jìn)行探究活動，活動過程中教師還可以根據(jù)學(xué)生的情況，隨時給予引導(dǎo)和支持[2]。不同思維水平的學(xué)生探究能力各不相同。教師圍繞具體細(xì)節(jié)問題進(jìn)行有目的地追問，盡量外顯完整思維路徑，可以幫助思維水平較低的學(xué)生在問題驅(qū)動下，不斷收集、篩選和應(yīng)用信息，進(jìn)行基于證據(jù)的分析推理。讓學(xué)生認(rèn)識到真實問題的復(fù)雜性和多變性，養(yǎng)成有意識梳理證據(jù)和結(jié)論間關(guān)聯(lián)的思維習(xí)慣，更讓學(xué)生體會到在具體問題解決中，證據(jù)和推理路徑的重要性，不斷提升證據(jù)意識。