以實驗圖像育關鍵能力

沈紅兵

[摘 要]根據(jù)“一體、四層、四翼”理念，將高中化學學科的關鍵能力確定為化學表征能力、實驗與探究能力、化學方法和分析能力等七個方面的能力。以浙江省化學選考題中的實驗圖像為例，展現(xiàn)化學圖像題鮮明的學科特色，及其在考查學生化學關鍵能力方面的作用，強調化學實驗圖像分析對培養(yǎng)學生化學關鍵能力具有重要意義。

[關鍵詞]化學實驗;圖像;關鍵能力

[中圖分類號]? ? G633.8? ? ? ? ? ? [文獻標識碼]? ? A? ? ? ? ? [文章編號]? ? 1674-6058（2022）05-0075-03

在“一體、四層、四翼”理念中，“四層”是指必備知識、關鍵能力、學科素養(yǎng)、核心價值。其中的關鍵能力的內涵又是什么呢？楊季東、王后雄等人通過對多位專家進行問卷調查，歸納出高中化學學科的關鍵能力主要包括化學表征能力、實驗與探究能力、化學方法和分析能力、化學信息處理能力、發(fā)現(xiàn)與提出問題能力、證據(jù)推理與論證能力、模型認知能力等七個方面的能力。

化學實驗圖像題具有鮮明的化學學科特色，它將化學實驗信息外顯或內隱于圖像中，讓學生通過對圖像的觀察和解讀提取相關要素，再結合化學模型運用化學原理進行理解和作答，可以有效考查學生的關鍵能力。本文結合浙江省選考題就教學活動中如何基于實驗圖像落實對學生化學關鍵能力的培養(yǎng)展開討論。

一、化學關鍵能力的解讀

化學表征能力：對化學事物進行描述表征，包括從宏觀現(xiàn)象、微觀粒子、化學符號等角度解釋和理解化學物質變化和微粒相互作用的能力。實驗與探究能力：在化學問題的研究中能夠提出合理假設并確定實驗目的，設計實驗方案，運用化學實驗方法進行探究以驗證假設的正誤，獲得對化學現(xiàn)象的合理解釋的能力?；瘜W方法和分析能力： 對化學知識進行概括、比較，歸納總結物質性質與物質結構的相互聯(lián)系，能從氧化還原、化學平衡、宏觀與微觀結合等多個角度分析與解決實際問題的能力。化學信息處理能力：發(fā)現(xiàn)信息中的關鍵內容并將其與已有知識相聯(lián)系，進行遷移應用或判斷選擇等綜合處理的能力。發(fā)現(xiàn)與提出問題能力：具有科學精神和創(chuàng)新精神，敢于質疑，對化學實驗中的異象或數(shù)據(jù)處理中的偏差進行思考和分析，能夠從化學情境中發(fā)現(xiàn)和提出有價值的問題的能力。證據(jù)推理與論證能力：基于化學事實，結合物質組成和結構，根據(jù)物質性質提出假設，通過分析推理加以證實或證偽，在假設、證據(jù)和結論之間建立邏輯關系的能力。模型認知能力：認識研究對象的本質特征、構成要素及其相互關系，建立模型并能夠運用模型解釋化學現(xiàn)象的能力。

二、實驗圖像與關鍵能力的關系

化學實驗圖像既是考查學生關鍵能力的重要載體，又是培養(yǎng)學生關鍵能力的重要素材。一個化學實驗圖像可以包含對多種關鍵能力的考查。例如，2018年11月浙江選考化學第28題的實驗圖像如圖1所示。

該題對化學表征能力的考查體現(xiàn)在學生對前四支試管中的現(xiàn)象描述上;對化學方法和分析能力的考查體現(xiàn)在，學生對“濃硫酸與銅的化學反應”“二氧化硫具有漂白性和還原性，可以用堿性溶液進行尾氣處理，易溶于水，不能和氯化鋇溶液發(fā)生復分解反應”等知識點是否熟悉;對化學信息處理能力的考查體現(xiàn)在，學生能否提取題中試劑和裝置的有效信息，能否將實驗裝置與教材中的“濃硫酸與銅反應實驗”相整合，進而理解本實驗為濃硫酸與銅反應制備二氧化硫以及二氧化硫氣體的性質檢驗實驗;對證據(jù)推理與論證能力的考查體現(xiàn)在學生對試管Ⅱ加熱、冷卻時不同現(xiàn)象的原因解釋上;對模型認知能力的考查體現(xiàn)在，學生能否將本實驗納入氣體制備實驗的模型，并從一般模型出發(fā)認識到氣體制備裝置包括發(fā)生裝置、凈化裝置、收集（性質檢驗）裝置、尾氣處理裝置等。不同圖像所涉及的關鍵能力會有所不同，教學中教師需要采用不同的教學方法和策略進行針對性培養(yǎng)。

三、基于實驗圖像培養(yǎng)關鍵能力的策略

（一）積累實驗經(jīng)驗，重視“原型”聯(lián)想

“原型”是學生在平時學習過程中對基礎知識特別是書本知識形成的模板記憶，它能夠讓學生“觸景生情”，快速找到思路。高中化學教學中，教師應盡量為學生親身體驗實驗過程創(chuàng)造條件，這樣學生才能在大腦中形成實驗“原型”。例如，2019年4月浙江選考化學第31題考查裝置連接，題目圖像如圖2所示。

圖2中的儀器都是高中化學實驗中常用的，其原型為氣體實驗裝置。如果學生有豐富的實驗積累，熟悉氣體制備和吸收處理裝置，對圖2中儀器的選擇、使用和連接就會駕輕就熟。從化學實驗的思維參與量的角度出發(fā)，我們不妨將實驗分為硬件部分和軟件部分。硬件部分主要包括對實驗儀器的認識和基本操作的掌握。由于現(xiàn)實情況是部分學生極少有機會真正參與到化學實驗中，這使得學生對一些中學常見實驗儀器并不熟悉。例如，部分學生對直形冷凝管和球形冷凝管的使用混淆不清，我們在課堂中可以通過實驗來直接對比。如海帶中碘元素的提取實驗，要對碘的四氯化碳溶液進行蒸餾，分別用直形冷凝管和球形冷凝管進行實驗，明顯發(fā)現(xiàn)球形冷凝管的球泡部分有積液;在溴苯制備實驗中三頸燒瓶配套兩種冷凝管進行實驗，觀察冷凝效果。只有真正使用過，學生才能將“原型”刻在腦海中。在基本操作上學生表現(xiàn)出的問題主要是不規(guī)范，一方面原因是接觸實驗的機會少，另一方面是教師不夠重視，甚至為應對考試出現(xiàn)“背操作”的情況，當題目較為靈活時學生就會一籌莫展。軟件部分主要指對實驗目的、原理、設計思路的理解等，尤其是對教材實驗的方案設計一定要有深刻的理解。

（二）準確理解題意，強化信息處理

信息處理能力是化學關鍵能力的重要組成部分，它主要體現(xiàn)在審題環(huán)節(jié)?？茖W的審題方式有助于學生準確理解題意從而順利作答。在教學過程中，教師可以從以下兩個方面對學生進行針對性指導和訓練。

（1）分門別類，整理外顯信息

實驗圖像題往往信息繁多，不同的信息具體該用在哪里、怎么使用，是學生在審題過程中遇到的常見問題。教師可以通過指導學生對題目信息進行分類和整理加以解決。例如，2017 年11月浙江選考化學第31題的圖像如圖3所示。

可以將題中所給信息分為實驗試劑信息（包括鋁箔、氫氧化鈉溶液、二氧化碳、氫氧化鋁、硫酸溶液、硫酸鉀溶液、氧化鋁、明礬、鹽酸、氯化氫氣體、六水合氯化鋁）和實驗操作信息（包括洗滌、灼燒、冷水浴、抽濾、干燥、晶體培養(yǎng)），實驗試劑主要對應物質轉化，實驗操作主要對應分離提純。整個流程分為4個部分，第一部分由鋁箔獲得氫氧化鋁，涉及的試劑有鋁箔、氫氧化鈉溶液和過量二氧化碳，操作涉及過濾。第二部分由氫氧化鋁轉變?yōu)檠趸X，涉及的操作是灼燒。第三部分由氫氧化鋁得到明礬晶體，涉及的試劑有硫酸溶液和硫酸鉀溶液。第四部分由氫氧化鋁制得六水合氯化鋁，涉及的試劑為氯化氫氣體，操作有抽濾、洗滌、干燥。分類整理后學生就容易理解整個流程為鋁箔和氫氧化鈉溶液反應生成偏鋁酸鈉，通入過量二氧化碳又生成氫氧化鋁沉淀;采用過濾法分離難溶性液體和固體，因此膠狀固體為氫氧化鋁固體;加入鹽酸又反應生成氯化鋁，所以溶液A的主要溶質為氯化鋁;經(jīng)蒸發(fā)濃縮、冷卻結晶、過濾、洗滌、干燥系列操作得到氯化鋁結晶水合物。另外，工藝流程圖中以箭頭表示的流程步驟也是很有價值的信息，對理解過程變化有很大的幫助。例如，上述流程中由鋁箔變成的膠狀固體在分離步驟前處于水溶液體系中，而分離步驟后只剩膠狀固體，由此可斷定分離操作為過濾。

（2）多設疑問，挖掘內隱信息

有些實驗圖像題給人關鍵信息缺失或者部分信息無法理解的感覺，這是命題者在設置題目時將部分可闡明題意的關鍵點內隱所致。這類問題主要出現(xiàn)在條件控制和方法選擇上，教師可以引導學生多設疑問、層層推進加以解決。例如，2017年4月浙江選考化學第31題的圖像如圖4所示。

考題設問“冰水浴冷卻的目的是什么”并要求回答出兩種。分析可知，冰水浴瓶為制取NaClO2的主反應場所，冰水浴意為控制低溫條件。設疑1：條件控制和什么相關？（與物質性質相關）設疑2：瓶內物質有哪些？（ClO2、H2O2和NaOH）設疑3：這些物質的性質中與溫度有關的有哪些？（ClO2常溫下為氣體，溫度越高溶解度越小，低溫有利于ClO2在水中溶解，充分反應;H2O2熱穩(wěn)定性差，低溫可以減少分解）通過這樣的層層設疑，將題目中內隱的ClO2和H2O2的性質挖掘出來，使學生能夠正確理解題意并解答。

（三）夯實基礎知識，加深模型認知

高考命題要求立足中學知識來解決實際問題，因此許多考題的題干中會給出超出考試大綱的提示信息，要求學生結合已有知識模型，運用提示信息來完成推導過程，并基于提示信息和已有知識推理反應原理和條件控制。在教學中教師要引導學生觀察提示信息，聯(lián)系知識模型。例如，圖5為2016年10月浙江選考化學第31題的圖像。

其知識模型來自蘇教版《實驗化學》中摩爾鹽制備課題和七水硫酸鋅晶體制備的拓展課題，通過教學應使學生建立從溶液中獲得結晶水合物的一般操作模型。類比題目中的硝酸銅晶體同樣帶有結晶水，從而得出蒸發(fā)濃縮的操作應為蒸發(fā)至溶液表面出現(xiàn)晶膜為止。

又如，2020年1月浙江選考化學第30題（4）的圖像如圖6所示。

已知LiI·3H2O在75～80 ℃轉變成LiI·2H2O，80～120 ℃轉變成LiI·H2O，300 ℃以上轉變成無水LiI;LiI在空氣中受熱易被氧化。問設備X的名稱并說明采用該方案可以提高LiI純度的理由。學生結合圖給的300 ℃的信息分析判斷出LiI·3H2O完全失去結晶水，提示中還提到LiI易被氧化，結合這些信息推理出設備X的作用應為減少裝置內的空氣，由此推斷它為減壓裝置（抽氣裝置）。

對工藝流程類型的問題可以建立如下模型：①從物質轉化角度可以理解為由原料到產品。觀察產品的元素組成，分析原料中哪些元素是必需元素，分別由什么物質提供，哪些元素是雜質元素;對比原料和產品中核心元素的化合價，判斷是否需要加入氧化劑或者還原劑，若需要，原料中什么物質起氧化或還原作用。②從實驗操作角度可以理解為分離提純。厘清雜質元素分別在什么步驟中去除，利用了什么性質，采用了什么操作方法。③從變化原理角度可以理解為條件控制。原料、產品、添加劑分別具有什么性質特點，采用什么溫度、溶液、催化劑等條件對流程最有利。通過這樣的模型構建，學生便于把握工藝流程的題解題思路，形成關鍵能力。

（四）注重思維培養(yǎng)，提升分析能力

化學教學的目的應體現(xiàn)在對學生思維習慣和分析能力的培養(yǎng)上。如對于實驗數(shù)據(jù)的曲線圖像，怎樣引導學生以面（橫縱坐標的意義）、線（變化趨勢）、點（特殊點的理解）的順序進行觀察和理解，建立一般方法成了教學重點。例如，2018年11月浙江選考化學第31題的圖像如圖7所示。

設問為“為了得到顆粒大小相對均一的較大晶粒，宜選擇何種方式進行冷卻結晶”。學生的錯誤解答主要有以下幾種：一是誤以為快速降溫的曲線最平緩，故顆粒大小相對均一;二是變速降溫的曲線有縱坐標最高點，故選擇變速降溫（答案雖正確，但學生并未真正理解圖像意義）;三是忽視題目信息，機械教條地認為緩慢降溫一定能得到較大顆粒的晶體;四是無法將橫縱坐標建立聯(lián)系，只能盲選。要正確解答需弄清不同的結晶方式下不同顆粒大小的晶粒的分布。固定橫坐標，曲線上點的縱坐標高低代表質量分數(shù)的大小，而質量分數(shù)大意味著該大小的晶粒占比大，相同大小的晶粒占比大又意味著晶粒相對均一，所以選擇變速降溫。

總之，化學實驗圖像題除了注重考查理論知識，還注重考查學生的關鍵能力。在平時教學中教師應深入研究和分析化學實驗圖像題考查關鍵能力的方式和類型，從而更好地指導學生，真正有效地培養(yǎng)學生的化學關鍵能力。

[? ?參? ?考? ?文? ?獻? ?]

[1]? 李似麒，林玉瓊.高考理綜Ⅰ卷化學圖像題對“證據(jù)推理與模型認知”的考查及啟示[J].福建教育學院學報，2017（11）：126-128.

[2]? 蔡春鋒. 高中化學圖像題解題技巧分析[J].中學生數(shù)理化（自主招生），2019（9）：41.

[3]? 李增坤. 高中化學圖像題解題思維的運用和技巧分析[J].學苑教育，2015（23）：81.

[4]? 楊季冬，王后雄.高中化學關鍵能力的內涵及構成要素研究[J].化學教學，2019（4）：3-6，12.

（責任編輯 羅 艷）