利用模型認(rèn)知探討綜合實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)專題解題策略

江蘇省南通市市直學(xué)校教育管理中心(226019) 徐小健

模型認(rèn)知是指通過分析、推理等方法認(rèn)識(shí)研究對(duì)象的本質(zhì)特征、構(gòu)成要素及其相互關(guān)系，建立認(rèn)知模型，并能運(yùn)用模型解釋化學(xué)現(xiàn)象，揭示現(xiàn)象的本質(zhì)和規(guī)律的一種認(rèn)識(shí)方法。

近年來，化學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)的題型以其獨(dú)有的魅力越來越受到命題者青睞，這類試題可以較好地考查學(xué)生獲取加工信息、綜合運(yùn)用所學(xué)化學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問題的能力，需要學(xué)生有物質(zhì)間轉(zhuǎn)化、物質(zhì)檢驗(yàn)、物質(zhì)分離與提純等基礎(chǔ)知識(shí)，并能建立以物質(zhì)性質(zhì)為依據(jù)的試劑選擇、混合順序等，能夠根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)試劑，運(yùn)用比較分析、類比遷移等科學(xué)方法，以“身臨其境”的狀態(tài)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)卦O(shè)計(jì)每一步實(shí)驗(yàn)操作，還要能根據(jù)實(shí)驗(yàn)步驟所要達(dá)到的目的結(jié)合現(xiàn)象準(zhǔn)確描述試劑用量。在語言表達(dá)上有些類似于語文中的小作文，所以解這類試題需要學(xué)生有較好的語文素養(yǎng)和化學(xué)素養(yǎng)。試題通常以工業(yè)上某種重要的無機(jī)物的制備、含量測定等為背景，體現(xiàn)了化學(xué)是“真實(shí)的”“有用的”[1]。

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版2020年修訂)》中要求學(xué)生“學(xué)習(xí)研究物質(zhì)性質(zhì)，探究反應(yīng)規(guī)律，進(jìn)行物質(zhì)分離、檢驗(yàn)和制備等不同類型化學(xué)實(shí)驗(yàn)及探究活動(dòng)的核心思路與基本方法。由于這類試題是基于真實(shí)問題情境下的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，所以在設(shè)計(jì)時(shí)要考慮得較為細(xì)致、具體、全面。綜合實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)題對(duì)學(xué)生的思維能力要求較高，主要涉及信息加工的整合能力、實(shí)驗(yàn)方案優(yōu)劣的評(píng)價(jià)能力、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析處理能力、實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)能力、規(guī)范的語言表達(dá)能力[2]。學(xué)生在這類試題的解決中會(huì)遇到較多問題，在教學(xué)中如何引導(dǎo)學(xué)生突破呢？實(shí)踐證明構(gòu)建解題模型能有效幫助學(xué)生有條不紊地解決此類問題。

1 設(shè)計(jì)物質(zhì)制備路線，建構(gòu)物質(zhì)轉(zhuǎn)化模型

1.1 路線格式

要想設(shè)計(jì)一個(gè)較為復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)方案，需要對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)原理有一個(gè)清晰的認(rèn)識(shí)。我們可以依照有機(jī)合成路線設(shè)計(jì)的格式，結(jié)合原料及所給試劑來設(shè)計(jì)物質(zhì)轉(zhuǎn)化路線，其格式如圖1所示，其中控制的條件包括溫度、溶液的pH值等，實(shí)驗(yàn)操作包括過濾、結(jié)晶等。設(shè)計(jì)時(shí)可以從原料出發(fā)，最終得到單一產(chǎn)品溶液(后續(xù)分離操作暫時(shí)可以不寫出)。

圖1 物質(zhì)制備路線示意圖

1.2 典型例題

例1：工業(yè)廢鋁屑(主要成分為鋁，還含有少量氧化鐵、氧化鋁)可用于制取硫酸鋁晶體[Al2(SO4)3·18H2O]。請(qǐng)補(bǔ)充完整由廢鋁屑為原料制備硫酸鋁晶體的實(shí)驗(yàn)方案：取一定量廢鋁屑，放入燒杯中，____，得硫酸鋁晶體。[已知：pH=5時(shí)，Al(OH)3沉淀完全；pH=8.5時(shí)，Al(OH)3沉淀開始溶解。須使用的試劑：3 mol·L-1H2SO4溶液、2 mol·L-1NaOH溶液、冰水]

1.3 思維建模

對(duì)比原料與產(chǎn)品可知，此處需要的元素是鋁元素，所以氧化鐵為雜質(zhì)。結(jié)合所給試劑可知有兩種方式：(1)用3 mol·L-1H2SO4溶液溶解廢鋁屑后，再用2 mol·L-1NaOH溶液調(diào)節(jié)溶液pH除去Fe3+，但題中未給出Fe3+完全沉淀時(shí)的pH，所以排除此方式；(2)用2 mol·L-1NaOH溶液溶解廢鋁屑并過濾除去氧化鐵后，再用3 mol·L-1H2SO4溶液調(diào)節(jié)溶液pH，此時(shí)又有兩種選擇：①調(diào)至pH為5～8.5，使Al(OH)3完全沉淀，過濾后再加入3 mol·L-1H2SO4溶液將沉淀完全溶解，②直接滴加3 mol·L-1H2SO4溶液，使生成的Al(OH)3沉淀恰好溶解，但顯然此方式中會(huì)混有Na2SO4雜質(zhì)，排除此方式。所以在分析轉(zhuǎn)化過程時(shí)，不僅要從所給試劑等信息揣摩命題意圖，還要通過對(duì)比判斷哪種方式更可控、更能使最終的產(chǎn)品純凈，進(jìn)而確定最終路線。本題最終確定如圖2所示的物質(zhì)制備路線圖。

1.4 拓展練習(xí)

例2：某研究性學(xué)習(xí)小組欲從蝕刻鍍銅電路板所得廢液(溶質(zhì)為FeCl2、CuCl2、FeCl3)中制備出單質(zhì)銅和FeCl3·6H2O。請(qǐng)補(bǔ)充完整由蝕刻廢液制備單質(zhì)銅和FeCl3·6H2O的實(shí)驗(yàn)步驟：向廢液中加入足量鐵粉，充分反應(yīng)后過濾；________；調(diào)節(jié)溶液pH，將溶液蒸發(fā)濃縮、冷卻結(jié)晶、過濾、洗滌干燥得FeCl3·6H2O。(可選用的試劑：鐵粉、鹽酸、NaOH溶液和H2O2溶液)

點(diǎn)撥：本題中鐵元素與銅元素都是所需要的，向廢液中加入足量鐵粉，充分反應(yīng)后過濾得到的濾渣中含有金屬銅和過量的鐵粉，所以要進(jìn)一步將過量鐵粉分離出來并參與后續(xù)反應(yīng)，以提高原料的利用率，可以得到如圖3所示的物質(zhì)制備路線圖。

圖3 廢液制備銅和六水合氯化鐵的物質(zhì)制備路線圖

2 結(jié)合實(shí)驗(yàn)操作細(xì)節(jié)，建構(gòu)方案設(shè)計(jì)模型

有了物質(zhì)轉(zhuǎn)化路線圖就有了實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)的主線，相當(dāng)于寫作文擬的提綱。此時(shí)再結(jié)合具體實(shí)驗(yàn)操作細(xì)節(jié)，從實(shí)驗(yàn)操作層面分析每個(gè)環(huán)節(jié)需要注意的問題，即可設(shè)計(jì)出較完美的實(shí)驗(yàn)方案。

2.1 盤點(diǎn)操作細(xì)節(jié)

參照工業(yè)流程圖，將整個(gè)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)劃分為提供原料、核心反應(yīng)和目標(biāo)產(chǎn)品三個(gè)部分進(jìn)行分析。

2.1.1 從提供原料角度

提供的原料一般是固體原料，若已結(jié)塊則先粉碎，若含有受熱易分解的雜質(zhì)則先灼燒至固體質(zhì)量不再變化。其他情況則一般先溶解制得溶液，為確保固體中的有效成分完全溶解而又不至于浪費(fèi)過多溶液，在實(shí)驗(yàn)操作時(shí)應(yīng)分批加入。

提供的原料如果全部是溶液，為確保X溶液中的有效成分完全反應(yīng)而又不至于浪費(fèi)過多Y溶液，在實(shí)驗(yàn)操作時(shí)應(yīng)逐滴加入，直至反應(yīng)結(jié)束。文字可描述為“邊攪拌邊向X溶液中滴加Y溶液直至固體完全溶解(或不再減少)”，可從以下幾個(gè)角度指明反應(yīng)完成的特征：①沉淀不再增多(產(chǎn)生大量沉淀后，靜置，向上層清液中繼續(xù)滴入少量X溶液，無沉淀產(chǎn)生)；②不再產(chǎn)生氣泡；③顏色變?yōu)?色；④溶液pH在a～b之間。如果沒有明顯的完成特征，則要指明將哪種物質(zhì)完全轉(zhuǎn)化。

此外，務(wù)必關(guān)注題中提供的是“須使用的試劑”還是“可選用的試劑”，可借助這些試劑的性質(zhì)和作用分析制備的流程。

2.1.2 從核心反應(yīng)角度

在進(jìn)行核心反應(yīng)設(shè)計(jì)時(shí)要考慮：是否要注意加料方式？是否要控制反應(yīng)條件？若生成污染性氣體，則要進(jìn)行尾氣處理。文字描述可參考2.1.1中的文字描述。

2.1.3 從目標(biāo)產(chǎn)品角度

如果目標(biāo)產(chǎn)品是難溶性固體，則一般流程是：在制備反應(yīng)完成后，靜置、過濾，再充分洗滌濾渣直至向最后一次的洗滌濾液中加入Y溶液無沉淀產(chǎn)生，低溫干燥。

如果目標(biāo)產(chǎn)品是可溶性固體，則一般流程是：在制備反應(yīng)完成后，根據(jù)溶質(zhì)溶解度隨溫度的變化情況和溶質(zhì)熱穩(wěn)定性選擇合適的結(jié)晶方式，對(duì)溶解度隨溫度升高而緩慢增大的晶體，采用蒸發(fā)溶液至出現(xiàn)較多晶體時(shí)(趁熱)過濾的方式，對(duì)溶解度隨溫度升高而迅速增大或熱穩(wěn)定性差的晶體，采用蒸發(fā)濃縮(至溶液表面產(chǎn)生一層晶膜)、冷卻結(jié)晶、過濾，然后用冰水或無水乙醇洗滌，再低溫干燥的方式。

如果目標(biāo)產(chǎn)品是溶液，則在制備反應(yīng)完成后進(jìn)行除雜即可。

2.2 建構(gòu)思維導(dǎo)圖

在教學(xué)中，教師可以將綜合實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)各環(huán)節(jié)列出，然后讓學(xué)生盡可能多地羅列出各環(huán)節(jié)注意事項(xiàng)，建構(gòu)思維導(dǎo)圖，這樣可以讓整個(gè)過程一目了然，更有利于整體架構(gòu)。比如物質(zhì)制備綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)可以建構(gòu)圖4所示的思維導(dǎo)圖。

圖4 物質(zhì)制備綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思維導(dǎo)圖

2.3 設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案

有了實(shí)驗(yàn)操作細(xì)節(jié)的經(jīng)驗(yàn)后，就可以沿著物質(zhì)轉(zhuǎn)化路線圖這一主線進(jìn)行實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)了。例1可設(shè)計(jì)為“邊攪拌邊分批加入2 mol·L-1NaOH溶液，直至不再有氣泡產(chǎn)生，過濾；攪拌時(shí)向?yàn)V液中滴加3 mol·L-1H2SO4，調(diào)至pH為5～8.5，過濾，洗滌濾渣2～3次；將濾渣轉(zhuǎn)移至燒杯中，邊攪拌邊分批加入稍過量的3 mol·L-1H2SO4至固體完全溶解；將溶液蒸發(fā)濃縮、冷卻結(jié)晶、過濾、用少量冰水洗滌濾渣，干燥”。例2可設(shè)計(jì)為“邊攪拌邊向?yàn)V渣中分批加入稍過量鹽酸至不再產(chǎn)生氣泡，過濾、洗滌、干燥得銅粉；將兩次過濾所得濾液合并，向其中加入適量H2O2溶液至Fe2+全部生成Fe3+”。

3 參照方案評(píng)價(jià)要點(diǎn)，完善實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)

3.1 評(píng)價(jià)目的

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版2020年修訂)》中提出“積極倡導(dǎo)‘教、學(xué)、評(píng)’一體化，使每個(gè)學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)得到不同程度的發(fā)展。化學(xué)日常學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)不能游離于化學(xué)教與學(xué)之外，應(yīng)與化學(xué)教與學(xué)活動(dòng)有機(jī)融合在一起。”在綜合實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)教學(xué)中，教師可以在學(xué)生獨(dú)立完成的基礎(chǔ)上，給出評(píng)分依據(jù)，讓學(xué)生根據(jù)評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)在小組內(nèi)互評(píng)，這樣學(xué)生就可以站在閱卷者視角來審視別人的實(shí)驗(yàn)方案并反思優(yōu)化自己設(shè)計(jì)的方案。評(píng)分后選擇代表進(jìn)行展示，師生進(jìn)一步交流和優(yōu)化評(píng)價(jià)的合理性，這樣操作既減輕了教師逐一批閱的困難，又讓學(xué)生了解到閱卷的標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)而提升了實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)水平，提高了課堂教學(xué)效果。

3.2 評(píng)價(jià)角度

評(píng)價(jià)時(shí)一般可以從以下六個(gè)方面進(jìn)行：①試劑的選擇、使用順序是否正確(即實(shí)驗(yàn)原理是否正確)？若不正確，則不得分。②反應(yīng)完成的特征描述是否準(zhǔn)確？若沒有描述或描述不準(zhǔn)確，則不得分。③實(shí)驗(yàn)基本操作是否規(guī)范、完整？若不完整或不規(guī)范，則酌情評(píng)分。④條件控制是否正確？若沒有或不準(zhǔn)確，則不得分。⑤實(shí)驗(yàn)步驟中，對(duì)象描述是否明確？若沒有指明對(duì)象，則酌情評(píng)分。⑥文字描述是否完整？若文字描述不完整，則酌情評(píng)分。

3.3 分點(diǎn)評(píng)分

為了讓學(xué)生在評(píng)分時(shí)有可操作性，需要給出分點(diǎn)評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)。如果將綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)題分值設(shè)為4～5分，可以將得分細(xì)化。

實(shí)踐證明，學(xué)生抓住物質(zhì)制備路線圖主線，結(jié)合各環(huán)節(jié)注意事項(xiàng)，語言學(xué)術(shù)化、操作程度化、試劑定量化[3]，一定能夠設(shè)計(jì)出較為完整的實(shí)驗(yàn)方案，教師要引導(dǎo)學(xué)生不斷進(jìn)行歸納、總結(jié)、發(fā)散、創(chuàng)新，使學(xué)生從設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)中深化和發(fā)展知識(shí)，發(fā)展創(chuàng)新思維，增強(qiáng)思維的嚴(yán)謹(jǐn)性、全面性、邏輯性[4]，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)。