基于核心素養(yǎng)的中考化學(xué)手持技術(shù)數(shù)字化實驗題探析

福建省廈門市翔安第一中學(xué)(361101) 洪茲田福建教育學(xué)院化學(xué)教育研究所(350025) 張賢金

手持技術(shù)數(shù)字化實驗題近幾年在全國各地中考化學(xué)實驗探究題中備受青睞。試題往往將實驗所得數(shù)據(jù)以圖表、曲線的形式呈現(xiàn)出來,綜合考查學(xué)生的信息獲取與分析能力以及實驗設(shè)計與探究能力。初中化學(xué)教學(xué)裝備配置標(biāo)準(zhǔn)(JY/T 0620-2019)中新增利用手持技術(shù)數(shù)字化儀器進(jìn)行科學(xué)探究學(xué)習(xí)活動。因此，以手持技術(shù)數(shù)字化實驗為載體的實驗探究題在中考化學(xué)復(fù)習(xí)中應(yīng)引起足夠重視。以2019年全國各省市中考化學(xué)試題為例，探析手持技術(shù)數(shù)字化實驗的命題立意、素養(yǎng)要求、考查視角和解題思維模型，通過變式訓(xùn)練提升學(xué)生對該類試題的應(yīng)變能力。

1 手持技術(shù)數(shù)字化實驗簡介

手持技術(shù)由傳感器(或探頭)、數(shù)字采集器、計算機配套的系統(tǒng)支持軟件3部分構(gòu)成。通過傳感器(或探頭)對壓強、濃度、pH、溫度、電導(dǎo)率等物理量進(jìn)行識別，再將這些物理量轉(zhuǎn)換為電信號，通過數(shù)據(jù)采集器及軟件將電信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字，并以數(shù)字、圖形結(jié)合形式呈現(xiàn)在計算機的屏幕上。學(xué)生可以非常直觀地對圖形進(jìn)行觀察，然后作出判斷或預(yù)測，發(fā)現(xiàn)隱藏在數(shù)據(jù)背后的化學(xué)規(guī)律和原理?？傊?，手持技術(shù)作為一種新型測量技術(shù)，具有實時、快速、自動采集大量數(shù)據(jù)、動態(tài)呈現(xiàn)曲線等優(yōu)點。

2 手持技術(shù)數(shù)字化實驗題的命題立意和素養(yǎng)要求

2.1 考查信息獲取與加工能力

考查學(xué)生從手持技術(shù)數(shù)字化實驗的變化曲線和實驗數(shù)據(jù)中獲取有效信息并進(jìn)行加工分析的能力，為進(jìn)一步獲得化學(xué)反應(yīng)的本質(zhì)和規(guī)律提供信息和技術(shù)支持。

2.2 考查“四重表征”思想

考查學(xué)生“宏觀—微觀—符號—曲線”四重表征化學(xué)變化的能力。通過將實驗操作過程與動態(tài)曲線關(guān)聯(lián)分析，從宏觀視角辨識化學(xué)反應(yīng)的現(xiàn)象，從微觀本質(zhì)探析化學(xué)變化的過程，最后應(yīng)用相關(guān)化學(xué)用語表征化學(xué)反應(yīng)的本質(zhì)和規(guī)律。

2.3 考查“證據(jù)推理”素養(yǎng)

考查學(xué)生基于手持技術(shù)數(shù)字化實驗獲得的曲線和數(shù)據(jù)信息，通過推理論證獲得相關(guān)結(jié)論(或知識)的學(xué)科能力，滲透“證據(jù)推理”素養(yǎng)。

2.4 考查“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識”素養(yǎng)

手持技術(shù)數(shù)字化實驗彌補了傳統(tǒng)實驗的某些不足，從關(guān)注定性研究到定量研究，從關(guān)注結(jié)果向過程和結(jié)果并重。通過對實驗動態(tài)曲線與實驗過程的精準(zhǔn)分析，培養(yǎng)學(xué)生的“科學(xué)研究與創(chuàng)新意識”，提升學(xué)生的高階思維品質(zhì)。

3 手持技術(shù)數(shù)字化實驗題的解題思維模型

手持技術(shù)數(shù)字化實驗題解題時要善于從圖表、曲線中獲取相關(guān)實驗數(shù)據(jù),并對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為與探究方法相關(guān)的實驗結(jié)論。解答此類試題的關(guān)鍵是基于“宏觀-微觀-符號-曲線”四重表征思想分析曲線，運用證據(jù)推理分析化學(xué)變化本質(zhì)與規(guī)律。解題思維模型如下:

(1)曲線分析:直接讀出曲線坐標(biāo)中的2個變量(橫、縱坐標(biāo))之間的變化關(guān)系，特別要關(guān)注曲線的起點、終點及變化趨勢。

(2)宏觀辨識:分析縱坐標(biāo)中相關(guān)物理量(如壓強、濃度、pH等)發(fā)生變化的原因。

(3)微觀探析:分析化學(xué)反應(yīng)的微觀過程，形成對化學(xué)變化規(guī)律的認(rèn)識。

(4)符號表征:用相關(guān)的化學(xué)用語(如化學(xué)方程式等)對化學(xué)反應(yīng)及過程進(jìn)行表征。

上述思維模型為以不同類型傳感器為情境的手持技術(shù)數(shù)字化實驗的通用模型。

4 手持技術(shù)數(shù)字化實驗題的考查視角

4.1 以壓強傳感器為情境

例1(2019·北京)：用圖1裝置進(jìn)行實驗，先后將溶液快速全部推入，測得一段時間內(nèi)壓強變化如圖2所示。

(1)先推入的溶液是________。

(2)bc段壓強不變的原因是

。

(3)cd段壓強變大，用化學(xué)方程式解釋

。

解析:(1)ab段壓強先減小，是因為CO2與先推入的NaOH溶液，導(dǎo)致裝置內(nèi)氣體減少。答案:NaOH溶液。

(2)bc段壓強基本不變，是因為CO2與NaOH溶液完全反應(yīng)，反應(yīng)停止。答案:NaOH溶液與CO2充分反應(yīng)，反應(yīng)停止。

小結(jié):以氣體壓強傳感器為情境的數(shù)字化實驗題解題四部曲。

首先，分析“壓強-時間”曲線中，壓強隨時間的變化規(guī)律。如本題中，ab段壓強減少—bc段壓強不變—cd段壓強變大。

其次，分析壓強發(fā)生變化的原因。如本題中，氣體體積變化引起壓強變化，氣體體積變化的過程：減少—不變—變大。

再次，分析氣體體積變化的原因。如本題中，反應(yīng)經(jīng)歷3個主要階段:NaOH與CO2反應(yīng)—NaOH與CO2反應(yīng)停止—Na2CO3與稀鹽酸反應(yīng)。

4.2 以pH傳感器為情境

例2(2019·咸寧,改編)：某同學(xué)對石灰石與稀鹽酸反應(yīng)制取CO2后所得溶液感興趣。他取適量反應(yīng)后過濾的濾液，逐滴滴入Na2CO3溶液，并用pH傳感器連續(xù)監(jiān)測，得到圖3曲線圖(已知:CaCl2溶液顯中性，Na2CO3溶液顯堿性)。

(1)圖中AB段內(nèi)發(fā)生反應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)方程式是。

(2)圖中BC段pH不變的原因是

。

(3)圖中CD段上升的原因是

。

(2)當(dāng)Na2CO3與HCl完全反應(yīng)后，滴入的Na2CO3繼續(xù)與CaCl2反應(yīng)生成CaCO3沉淀和NaCl(即BC段)，因CaCl2溶液和生成的NaCl溶液均顯中性,故pH不變。答案:BC段是CaCl2與Na2CO3反應(yīng)生成CaCO3沉淀和NaCl的過程，而CaCl2溶液和NaCl溶液均顯中性,故pH不變。

(3)當(dāng)?shù)稳氲腘a2CO3與CaCl2完全反應(yīng)后，繼續(xù)滴入過量Na2CO3溶液(即CD段)，由于Na2CO3溶液顯堿性，因此溶液的堿性逐漸增強，即pH變大。答案:滴入過量堿性的Na2CO3溶液，溶液的堿性逐漸增強，pH變大。

小結(jié):以pH傳感器為情境的數(shù)字化實驗題解題四部曲。

首先，分析“pH-時間”曲線中，pH隨時間的變化規(guī)律。如本題中，pH經(jīng)歷了如下階段:變大(AB)—不變(BC)—變大(CD)—不變(DE)。

其次，分析pH發(fā)生變化的原因。如本題中，pH變化的原因是H+(或OH-)變化引起的。

再次，分析H+(或OH-)變化的原因。如本題中，反應(yīng)經(jīng)歷3個主要階段:Na2CO3與濾液中的HCl反應(yīng)消耗H+；Na2CO3與濾液中的CaCl2反應(yīng)生成CaCO3沉淀和NaCl，溶液顯中性；繼續(xù)加Na2CO3，溶液的堿性增強；最后溶液的pH基本不變。

值得注意的是，針對以各類傳感器為情境的數(shù)字化實驗題，基本按照“宏觀—微觀—符號—曲線”四重表征建立解題模型。若是遇到各類傳感器的綜合應(yīng)用，應(yīng)采取分類突破策略，同時適當(dāng)兼顧關(guān)聯(lián)分析。

5 手持技術(shù)數(shù)字化實驗題的變式訓(xùn)練

例3(2019·蘭州市，節(jié)選)：化學(xué)老師利用圖4裝置測定空氣中氧氣的含量并結(jié)合現(xiàn)代傳感器技術(shù)，測得過程中容器內(nèi)氣體壓強、溫度、氧氣濃度的變化趨勢如圖5所示。

(1)t2時打開止水夾，最終集氣瓶中水平面大約上升至刻度________處。

(2)結(jié)合曲線，解釋AB段氣體壓強變化的原因。

解析:本題考查氣體壓強傳感器、溫度傳感器和氧氣濃度傳感器的綜合應(yīng)用。

(1)因空氣中O2約占空氣總體積的1/5。故t2時打開止水夾，水平面約上升1/5。答案:1。

(2)壓強受溫度、氣體體積的影響。AB段氣體壓強瞬間增大的原因是紅磷燃燒放出大量熱。答案:紅磷燃燒放出了大量的熱，使容器內(nèi)氣體壓強增大。

例4(2019·咸寧，節(jié)選)：某興趣小組學(xué)生對稀鹽酸和X溶液發(fā)生中和反應(yīng)(見圖6)進(jìn)行了如下探究:用pH傳感器測得燒杯內(nèi)溶液的pH變化圖像(見圖7)，同時用溫度傳感器測得燒杯內(nèi)溫度變化圖像(見圖8)，實驗過程中保溫良好，忽略熱量散失。

(1)分析圖8得到的結(jié)論為

。

(2)圖8中A點對應(yīng)溶液的溶質(zhì)成分是。

解析:本題考查pH傳感器和溫度傳感器的綜合應(yīng)用。

(1)由圖6和圖7可知，此反應(yīng)是將NaOH(X)溶液滴入鹽酸中。結(jié)合圖8的溫度變化可知該反應(yīng)為放熱反應(yīng)。答案:稀鹽酸和NaOH溶液反應(yīng)放出熱量。

(2)由圖8可知，加入30 g NaOH溶液恰好完全反應(yīng)生成NaCl和水，同時A點對應(yīng)的X(NaOH)溶液過量，故A點對應(yīng)溶質(zhì)為NaCl和NaOH。答案:NaCl和NaOH。