一道高考實驗題的賞析與研究

徐明奎

摘要：2018年北京高考理科綜合第12題以考查學(xué)生化學(xué)核心素養(yǎng)申的“證據(jù)推理”和“科學(xué)探究”為主旨，具有情境選取貼近課堂、題干呈現(xiàn)新穎精煉、立意關(guān)注學(xué)科素養(yǎng)和功能導(dǎo)向課程改革的特點。通過對“犧牲陽極的陰極保護法”的研究，證實在一定條件下，以Zn為陽極，F(xiàn)e片可以被氧化，Zn對Fe存在不完全保護現(xiàn)象。

關(guān)鍵詞：犧牲陽極的陰極保護法，核心素養(yǎng)，試題研究

文章編號：1008-0546（2020）05-0080-03 中圖分類號：G632.41 文獻標(biāo)識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2020.05.021

高考化學(xué)試題由學(xué)科專家精心命制和打磨而成，新課程改革后的高考化學(xué)試題在題型總體保持穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，突出了對于化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的考查，一些具有創(chuàng)新性和示范性的高考試題值得我們深入學(xué)習(xí)和研究。本文所要賞析和研究的是2018年北京高考理科綜合第12題。

一、原題呈現(xiàn)

驗證犧牲陽極的陰極保護法，實驗如下（燒杯內(nèi)均為經(jīng)過酸化的3%NaCl溶液）

下列說法不正確的是

A.對比②③，可以判定Zn保護了Fe

B.對比①②，K₃[Fe（CN）₆]可能將Fe氧化

C.驗證Zn保護Fe時不能用①的方法

D.將Zn換成Cu，用①的方法可判斷Fe比Cu活潑

二、試題賞析

1.情境選取貼近課堂

情境是試題命制的載體，情境的真實性是試題科學(xué)性的保證。高考試題一直堅持以真實的工業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)研究、化學(xué)實驗等為情境，這對培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用所學(xué)知識分析解決實際問題的能力和認識化學(xué)學(xué)習(xí)的意義具有重要作用。與大多數(shù)試題情境雖然真實，但離學(xué)生的課堂學(xué)習(xí)太遠不同，本題的情境源自真實的課堂實驗，是人教版教材選修4《金屬的腐蝕與防護》一節(jié)中一個科學(xué)探究實驗。除缺少電壓表外，試題實驗中所用試劑和裝置與教材相同。試題所展示的實驗過程和結(jié)果并不是課堂實驗的原景再現(xiàn)，而是一次課堂實驗的“異?！奔昂罄m(xù)探究。如果課堂中沒有做過該實驗，僅是理論分析，學(xué)生能得出的實驗現(xiàn)象是“溶液中沒有藍色沉淀生成”，因為鋅比鐵活潑，電子由鋅流向鐵，可以防止鐵被腐蝕。高考試題命制時選取值得探究的教材實驗作為情境，能引導(dǎo)教師重視實驗教學(xué)，能為學(xué)生課堂上進行真實的實驗探究提供表現(xiàn)機會。

2.題干呈現(xiàn)新穎精煉

試題中包含的實驗情境有“課本實驗操作時出現(xiàn)異常現(xiàn)象”“對異?，F(xiàn)象發(fā)生原因的探究”，如果用文字方式來描述實驗情境，再用普通實驗探究題的格式來命制本道試題，試題題干必將包含大量的文字閱讀信息，與一般選擇題的體量不符。命題者創(chuàng)造性的用三幅圖示的形式完整地表示了實驗探究的全過程，還特別引導(dǎo)學(xué)生注意加入K₃[Fe（CN）₆]的位置這一細節(jié)，圖示的形式不僅豐富了化學(xué)試卷的呈現(xiàn)形式，還把信息呈現(xiàn)由抽象間接變?yōu)榱诵蜗笾苯?，非常有利于學(xué)生快速提取和分析信息。劉芳等認為：“對于學(xué)生而言，僅從大段的文字中提取有效信息是相對困難的，適當(dāng)配以圖或表反而有利于學(xué)生更好地理解題意。

3.立意關(guān)注學(xué)科素養(yǎng)

作為一道實驗探究題，試題立意重在考查學(xué)生化學(xué)核心素養(yǎng)中的“證據(jù)推理”和“科學(xué)探究”，作為一道“非典型”形式的實驗探究題，學(xué)生需要具備“科學(xué)探究”素養(yǎng)中的“水平4”才能完全理解試題中三幅圖在探究過程中的順序和作用。第一幅圖展示了課本實驗“驗證犧牲陽極的陰極保護法”的實驗過程和現(xiàn)象，預(yù)期的現(xiàn)象是“Fe片表面沒有藍色沉淀生成”，而“異常”現(xiàn)象是在Fe表面生成藍色沉淀。因為藍色沉淀的產(chǎn)生需要有Fe²⁺，由此引發(fā)兩個猜想：猜想1是“Fe片被H⁺或O₂氧化生成Fe²⁺”;猜想2是“Fe片被K3[Fe（CN）₆]氧化生成Fe²⁺”。作出“猜想2”的依據(jù)是K₃[Fe（CN）₆]中F。元素的化合價是+3價，可能將0價Fe氧化到+2價。為驗證“猜想1”是否成立，設(shè)計第二幅圖所示實驗，根據(jù)現(xiàn)象可知，F(xiàn)e片未被H⁺或O₂氧化。由此得出試題中的結(jié)論“對比①②，K₃[F₃（CN）₆]可能將Fe氧化”。第二幅圖所示實驗還有一個作用，就是說明Zn對Fe片有保護作用，因為如果沒有Z。片，F(xiàn)e片會被H⁺或O₂氧化，為驗證這一作用的存在，補充進行了第三幅圖所示實驗。命題者還利用選項C和D考查了學(xué)生“科學(xué)探究”素養(yǎng)中實驗方案設(shè)計的水平，要求學(xué)生能對實驗方案的科學(xué)性作出判斷。

4.功能導(dǎo)向課程改革

化學(xué)實驗是認識和學(xué)習(xí)化學(xué)的重要方法，實驗探究是學(xué)生綜合運用所學(xué)化學(xué)知識和技能、分析問題、設(shè)計方案、解決問題的實踐活動，是化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的構(gòu)成要素之一。核心素養(yǎng)的培養(yǎng)不僅需要在課堂教學(xué)中持續(xù)關(guān)注，也需要在考試中進行有效評價?！镀胀ǜ咧谢瘜W(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》在“學(xué)業(yè)水平考試命題建議”中提出如圖1所示的命題框架：

賞析本題不難發(fā)現(xiàn)，試題命制時遵循了課程標(biāo)準(zhǔn)的命題框架，以真實的“驗證犧牲陽極的陰極保護法”的實驗情境為測試載體，以探究和解釋實驗中的異?，F(xiàn)象為測試任務(wù)，以考查學(xué)生的證據(jù)推理與科學(xué)探究素養(yǎng)為測試宗旨。這樣的命題必然導(dǎo)向高中的化學(xué)學(xué)科教學(xué)應(yīng)符合課程標(biāo)準(zhǔn)的教學(xué)建議：“充分認識化學(xué)實驗的獨特價值，精心設(shè)計實驗探究活動”和“創(chuàng)設(shè)真實問題情境，促進學(xué)習(xí)方式的轉(zhuǎn)變”。

三、試題研究

1.提出問題

在賞析本題之余，筆者對于命題和實驗產(chǎn)生一些疑問：

疑問1：試題所選情境為教材實驗，探究的是實驗中的“異?！?，作為已經(jīng)使用10多年的高中化學(xué)教材，以該實驗為背景的試題情境選取是否會因為學(xué)生過于熟悉而使試題的效度不大？

疑問2：教材中所示實驗裝置如圖2所示，而試題中的實驗裝置不含電壓表，電壓表的省去是否是命題者有意為之，目的是什么？

疑問3：試題情境中的“異常”現(xiàn)象，是否已經(jīng)有老師進行過研究？

疑問4：試題的實驗探究是通過證明“Fe片被H⁺或O₂氧化”不成立，從而間接證明“Fe片被K₃[Fe（CN）₆]氧化”成立。K₃[Fe（CN）₆]能氧化Fe，選擇題中給出的結(jié)論是可能，如能直接氧化，為什么Zn片能保護Fe片不在酸化的3%NaCl溶液中被氧化，而不能保護Fe片被K₃[Fe（CN）₆]氧化？

疑問5：該實驗中Zn片對Fe有沒有保護作用，如果有，如何證明？

2.命題揣摩

對于疑問1和疑問2，因為無法與命題者直接交流，所以只能借助于調(diào)查和分析來揣摩命題者的想法。筆者對本地區(qū)的高中進行了調(diào)研，發(fā)現(xiàn)老師們在授課時沒有進行該實驗，都是引導(dǎo)學(xué)生進行了理論分析。沒有進行該實驗的原因是認為學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了電化學(xué)的相關(guān)知識，實驗現(xiàn)象可以根據(jù)理論推導(dǎo)得出。從調(diào)研中還了解到，老師也不知道該實驗現(xiàn)象會存在“異?！?，沒有進行過實驗驗證和探究。因此試題以該實驗情境為背景來命制，情境具有陌生度，能考查學(xué)生真實的科學(xué)探究素養(yǎng)水平。

對于疑問2，因為實驗指向的結(jié)論之一是“驗證Zn保護Fe時不能用①的方法”，如裝置中使用了電壓表或電流表，則均可證明實驗時有電子從Zn片流向了Fe片，電子的流向可以證明Zn片對Fe片具有保護作用，這與本題期待得到的結(jié)論相矛盾，猜想命題者在命題時將電壓表舍去，以免引起爭議。

3.已有研究

通過知網(wǎng)查詢，有三位老師的研究與本題情境相關(guān)。朱正德用圖3所示的實驗裝置研究發(fā)現(xiàn)：電壓表指針偏轉(zhuǎn)，往Fe電極附近滴人K₃[Fe（CN）₆]溶液，溶液變藍色。朱正德認為是由于鐵片含有雜質(zhì)，在酸性條件下發(fā)生原電池反應(yīng)有Fe²⁺生成所致。

楊頤鋼用教材所示實驗裝置進行實驗，研究發(fā)現(xiàn)，電壓表所示指數(shù)隨溶液酸性增強而逐漸增大，當(dāng)使用高純鐵片，不會出現(xiàn)藍色沉淀，使用普通鐵片時，在pH=1-3時有藍色沉淀，pH=4-6時，無明顯藍色沉淀。楊頤鋼認為Fe片純度高時，溶液的pH對實驗無影響，溶液的pH低時，F(xiàn)e片的純度會影響實驗。

房壽高通過理論分析和實驗探究，結(jié)果均表明，K₃[Fe（CN）₆）溶液能將F_e氧化，生成藍色的Fe₃[Fe（CN）₆]₂沉淀。同時提出加入NaCl溶液能破壞Fe片表面的氧化膜，有利于Fe片的氧化。

綜合上述研究，朱正德和楊頤鋼認為藍色沉淀是Fe片在酸性條件下先被H⁺氧化為Fe²⁺，后Fe²⁺與[Fe（CN）₆]^3-反應(yīng)生成藍色沉淀。而藍色沉淀是否存在于鐵片表面、以及藍色沉淀的產(chǎn)生是否是K₃[Fe（CN）₆]將Fe氧化后所致，兩位老師因未能考慮到K₃[Fe（CN）₆]的氧化性，所以研究未涉及。

4.實驗研究

為驗證試題中的實驗現(xiàn)象及探究Zn片對Fe片是否有保護作用，筆者進行了下列實驗：

實驗1：連接如試題所示的裝置①，其中酸化后3%NaCl溶液的pH約為2。1分鐘后，在Fe片附近滴加K₃[Fe（CN）₆]溶液，可以觀察到Fe片的邊緣、劃痕處出現(xiàn)明顯的藍色物質(zhì)，藍色物質(zhì)逐漸擴散到溶液中，但藍色物質(zhì)總量不多。

實驗2：連接如試題所示的裝置①，其中酸化后3%NaCl溶液的pH約為1。10分鐘后，在Fe片附近滴加K₃[Fe（CN）₆]溶液，可以觀察到Fe片附近出現(xiàn)明顯的藍色物質(zhì)。

實驗3：將實驗1中的Zn片從溶液中取出，F(xiàn)e片表面立即有較多新的藍色物質(zhì)出現(xiàn)。

根據(jù)已有研究和實驗1、2，可以得出結(jié)論：在3%NaCI溶液的環(huán)境中，當(dāng)溶液酸性較弱時，藍色沉淀產(chǎn)生于Fe片的表面，F(xiàn)e²⁺主要來自于K₃[Fe（CN）₆]溶液對Fe片的氧化;當(dāng)溶液酸性較強時，溶液中的H⁺和K₃[Fe（CN）₆]均能氧化Fe片。

在不使用電流表的情況下，根據(jù)實驗1、3的現(xiàn)象對比，可以證明Zn片對Fe存在一定的保護作用，因為當(dāng)將Zn片從溶液中取出，F(xiàn)e片表面立刻新生成更多的藍色物質(zhì)。這一結(jié)論對“犧牲陽極的陰極保護法”的教學(xué)和實驗均具有重要的意義，因為多數(shù)教師和學(xué)生均認為，只要鐵與更活潑的金屬相連，或鐵與直流電源的負極相連，那么在電解質(zhì)溶液中，鐵片一定不會被腐蝕。查閱資料發(fā)現(xiàn)，利用電化學(xué)法保護金屬不被腐蝕，金屬必須達到它的最小保護電位，最小保護電位即金屬達到完全保護時所需要的最低電位值。而最小保護電位值與金屬的種類、腐蝕介質(zhì)的條件（成分、濃度、溫度等）因素相關(guān)，如果達不到最小保護電位值，金屬是不能完全被保護的。本實驗中，當(dāng)溶液酸性過強或有K₃[Fe（CN）₆]存在時，F(xiàn)e片達不到它的最小保護電位而被氧化。日常生活中，我們經(jīng)常能發(fā)現(xiàn)鍍鋅鐵管在鍍層并沒有完全被腐蝕的情況下，鐵管局部有生銹現(xiàn)象，這也說明在一定的環(huán)境中，Zn不能起到完全保護的作用。

四、研究啟示

在教學(xué)中，對于陌生的實驗情境，我們有時會不經(jīng)過實驗就推導(dǎo)出“理想”的實驗現(xiàn)象，或者在實驗出現(xiàn)“異常”現(xiàn)象時，不經(jīng)過研究就給出可能的原因，這些做法都不利于學(xué)生化學(xué)核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。而要改變這一現(xiàn)狀，需要教學(xué)和評價兩個方面都能重視實驗，尤其是貼近學(xué)生學(xué)習(xí)實際的實驗。倪娟認為：真實性的試題可以糾正學(xué)生所學(xué)不科學(xué)、不完整的化學(xué)知識，教學(xué)如能圍繞學(xué)生的實驗、學(xué)生的研究性學(xué)習(xí)等真實的學(xué)習(xí)過程，是能增加學(xué)生對化學(xué)的學(xué)習(xí)興趣的。

我們要培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究的核心素養(yǎng)，就應(yīng)該在課堂中多創(chuàng)設(shè)科學(xué)探究的機會。我們要培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)精神的核心素養(yǎng)，則自己首先就要具備科學(xué)精神。