一道典型中考化學實驗探究題的分析與啟示

摘要：以一道典型中考化學實驗探究題為例，從試題命制特點分析初中學業(yè)水平考試體現(xiàn)“落實立德樹人根本任務”“依據(jù)課程標準科學命題”“發(fā)揮促進學生發(fā)展”的導向作用；從試題解答分析考查內(nèi)容和學生存在的問題，并提出教學啟示，為化學教學、復習備考與試題命制提供參考。

關(guān)鍵詞：中考化學；實驗探究題；分析與啟示；課程標準；學科素養(yǎng)

文章編號：1008-0546（2023）11-0076-06" 中圖分類號：G632.41" 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2023.11.016

根據(jù)2019年11月教育部發(fā)布《關(guān)于加強初中學業(yè)水平考試命題工作的意見》（以下簡稱《意見》）的文件精神，初中化學中考命題將堅持落實立德樹人根本任務，依據(jù)課程標準科學命題，引導教師積極探索基于情境、問題導向、深度思維、高度參與的教育教學模式，［1］考查學生對化學雙基知識的理解、掌握程度，對化學學科特點、化學基本觀念的認識，對化學學習與研究的基本方法和學科價值的了解程度，運用化學知識分析、解決實際問題的能力，充分發(fā)揮學科育人的價值。［2］化學實驗探究題是中考化學試題中一類能較好地體現(xiàn)化學學科特質(zhì)的題型，該題型能夠較好地檢測學業(yè)水平和考查學生的化學學科素養(yǎng)。在教學實踐中，不少一線教師認為2021年福建省中考化學實驗探究題是一道符合《意見》要求，依據(jù)課標命題的典型試題，對實驗探究題命制和初三化學教學都有很好的導向作用，故選該題進行深入剖析，據(jù)此提出相應的教學啟示。

一、試題呈現(xiàn)

已知：H2+CuO Cu+H2O。有文獻報道：在氫氣還原氧化銅的一些實驗中，得到的固體產(chǎn)物是銅和氧化亞銅（Cu2O）組成的混合物。氧化亞銅為紅色固體，在空氣中溶于氨水得到藍色溶液。某興趣小組對此開展如下探究。

Ⅰ.設計如圖1實驗裝置，開展氫氣還原氧化銅實驗并檢驗固體產(chǎn)物。

（1）制取氫氣的化學方程式為。

（2）氧化鈣的作用是。

（3）取反應后的紅色固體于燒杯中，加入氨水并攪拌，觀察到，證明固體產(chǎn)物有Cu2O。

Ⅱ.探究反應生成Cu2O 的變化情況。

稱取若干份質(zhì)量均為0.6000 g 的CuO，在相同條件下分別用氫氣還原不同時間（t），檢測所得固體中 Cu2O 的質(zhì)量（m），結(jié)果如圖2所示。

（4）由圖2可知，氫氣還原氧化銅反應過程中， Cu2O質(zhì)量的變化趨勢是。

（5）為確保氫氣還原氧化銅所得固體產(chǎn)物不含 Cu2O，應采取的措施是。

Ⅲ.探究反應生成Cu2O 的原因。

為解釋實驗結(jié)果，興趣小組對氫氣還原氧化銅的反應過程提出如下假設：

假設1：經(jīng)歷2CuO+H2 Cu2O+H2O、H2+Cu2O 2Cu+H2O兩個反應，且在同一條件下兩個反應同時進行。

假設2：經(jīng)歷 H2+CuO Cu+H2O、Cu+CuO Cu2O、H2+Cu2O 2Cu+H2O三個反應。

（6）結(jié)合探究Ⅱ的計算分析，假設Ⅰ中“在同一條件下兩個反應能同時進行”合理的依據(jù)是。

（7）若要確認“假設2”是否合理，在探究Ⅱ的基礎(chǔ)上，還需進行的實驗是。

二、試題命制特點分析

1.主題突出，情境真實

試題引用文獻報道中的一段內(nèi)容為情境，圍繞“固體產(chǎn)物之一 Cu2O”為主題分三個步驟進行實驗探究，分別是“開展氫氣還原氧化銅實驗并檢驗固體產(chǎn)物”“反應生成氧化亞銅的變化情況”“反應生成氧化亞銅的原因”。命題從宏觀辨識到微觀探析，從定性研究到定量分析，多角度分層次地考查學生認知水平和關(guān)鍵能力。這種主題式命題形式的特點就是研究對象相對固定，側(cè)重于考查學習者觀察的全面性、思維的深刻性和系統(tǒng)性，命題立意由知識的考查轉(zhuǎn)向能力素養(yǎng)的考查，能力考查也由低階逐漸過渡到高階。［3］

根據(jù)知網(wǎng)文獻查閱，試題的題源與《化學教學》中的兩篇文章有關(guān)聯(lián)。張亞東在《氫氣還原氧化銅所得紅色固體一定是金屬銅嗎》的文章中，提出了氫氣還原氧化銅分兩步進行反應：第一步，氫氣先把氧化銅還原成紅色的氧化亞銅；第二步，過量的氫氣再與氧化亞銅繼續(xù)反應生成紫紅色的銅。并通過加足量濃硝酸和足量稀硫酸分別進行檢驗，定性研究固體產(chǎn)物是銅與氧化亞銅的混合物。［4］但由于銅與濃硝酸反應產(chǎn)生有毒氣體污染環(huán)境，試題探究Ⅰ中設置的問題改為檢驗固體產(chǎn)物含有氧化亞銅，不再檢驗銅。與探究Ⅱ、Ⅲ相呼應，直接圍繞著固體產(chǎn)物之一氧化亞銅，從不同角度進行探究。而題目提供信息是利用氧化亞銅在空氣中能與氨水反應生成［Cu（NH3）4］2+，溶液變藍進行檢驗，而不是利用與稀硫酸發(fā)生歧化反應進行鑒別，可能考慮到生成物中有銅的存在，也考慮到題目的創(chuàng)新性。唐飛等人在《氫氣和一氧化碳還原氧化銅實驗反應機理的探究》文章中闡述通過定量研究，測定氧化亞銅在反應過程中的產(chǎn)率，著重研究實驗過程中，中間產(chǎn)物氧化亞銅的產(chǎn)率隨加熱時間的變化規(guī)律，結(jié)合熱力學分析，得出氫氣還原氧化銅分兩步進行的機理是合理的。［5］該文獻為命題者設置化學問題，有效測試學生的能力和化學學科素養(yǎng)，提供了真實有意義的情境素材。根據(jù)《普通高中化學課程課標（2017年版2020年修訂）》要求，以核心素養(yǎng)為測試宗旨的命題是以真實的情境為測試載體，以實際問題為測試任務，以化學知識為解決問題的工具為原則的。［6］真實的情境保證了探究的科學性；陌生的情境能提高學生認知，促進認識發(fā)展，也保證考試的公平性；有意義的情境體現(xiàn)了探究的價值性，彰顯育人功能，是落實立德樹人的重要依據(jù)。

2.內(nèi)容豐富，結(jié)構(gòu)多樣

試題的內(nèi)容豐富，除了題號和分值，還有情境設置、信息提供、任務探究、問題設計、學生作答。試題的結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)形式多樣，涵蓋化學式和化學方程式等化學用語、文字描述、圖像、數(shù)字與符號等，具體見表1。情境、信息、問題是實驗探究題的核心內(nèi)容。情境是為設置問題服務的，信息呈現(xiàn)是為解決問題服務的。學會用觀察、實驗等方法獲取信息，能用文字、圖表和化學用語表述有關(guān)信息；運用比較、分類、歸納和概括等方法對獲取的信息進行加工，是課程標準的明確要求。因而試題呈現(xiàn)多樣化的信息，是命題者在命制過程中必然考慮的因素。問題的設置也是由淺入深，相互聯(lián)系，環(huán)環(huán)相扣，符合學生的認知特點和發(fā)展規(guī)律?？疾閷W生也是從基本知識、概念、方法、原理入手，逐步轉(zhuǎn)入綜合能力的考查和素養(yǎng)的測試，為落實依據(jù)課程標準科學命題服務。

3.考查全面，能力綜合

由于初中學業(yè)水平考試除了落實立德樹人的根本任務，還承載著選拔功能。實驗探究題往往作為試卷的壓軸題出現(xiàn)，設置的分值高，難度大，綜合性強，內(nèi)容廣泛。既有化學知識考查，又有化學觀念考查；能力考查也由低到高，逐步遞增，化學學科素養(yǎng)考查全面，對學生的優(yōu)劣區(qū)分明顯，具體見表2。其中必備的知識都是核心與主干知識，涉及課程一級主題四部分內(nèi)容，說明依據(jù)課程標準命題，體現(xiàn)基礎(chǔ)性特點；考查化學觀念與化學研究的基本方法，說明關(guān)注目標素養(yǎng)，體現(xiàn)時代性特點；考查知識的應用，說明結(jié)合實際問題，體現(xiàn)應用性特點；考查能力與學科素養(yǎng)，指明今后命題的趨勢，體現(xiàn)導向性特點；考查化學實驗探究能力，突出化學學科特征，體現(xiàn)科學性特點。

三、試題解答分析

1.從解題思路分析

試題第（1）問主要考查學生制取氫氣的反應原理，讓學生書寫化學反應方程式。制取氫氣的方法很多，如：有水電解；活潑金屬與稀鹽酸或稀硫酸反應等。但題目探究任務Ⅰ制取氫氣的藥品是鋅與稀硫酸，所以應認真審題，根據(jù)題意答題，否則很容易出錯。本題設問運用的知識是初中化學的核心知識，化學方程式的書寫也不復雜，而且反應物在圖中已經(jīng)提示，只要掌握置換反應的原理和金屬與酸反應的性質(zhì)，就可以書寫出來，屬于淺層思維，但也涉及到觀察、簡單地分析推理能力的運用。

第（2）問主要考查氧化鈣的用途。根據(jù)“性質(zhì)決定用途”的化學觀，欲回答氧化鈣的作用，必須要知道氧化鈣的性質(zhì)。由于生石灰極易與水反應后變成熟石灰，具有強烈的吸水性，人們常利用這一性質(zhì)，用它做干燥劑。從實驗裝置圖可知，制取氫氣是在液體環(huán)境下進行的，產(chǎn)生的氫氣常混有水蒸氣，必須除去才不會影響“氫氣還原氧化銅”的實驗。此處解答除了與（1）問中的知識相關(guān)聯(lián)，還考查學生對整個實驗流程的理解與分析判斷，涉及化學觀念和分析、判斷、推理能力的運用。

第（3）問主要考查物質(zhì)的檢驗方法。物質(zhì)在發(fā)生化學變化時，常常會產(chǎn)生氣泡，出現(xiàn)沉淀，溶液顏色改變等明顯特征，是我們檢驗物質(zhì)與眾不同的判斷依據(jù)。檢驗物質(zhì)的方法包括取樣、加藥品、觀察現(xiàn)象、得出結(jié)論四個部分，敘述時應表達完整。對于“未知物質(zhì)Cu2O”設置的問題，解題的思路應根據(jù)已知的知識，結(jié)合題目中提供的信息“氧化亞銅為紅色固體，在空氣中溶于氨水得到藍色溶液”給予解決，涉及到信息的分析、提取與運用。這部分信息比較顯性，處理起來不難，直接可從題目中查詢就可以解答。

第（4）（5）問是在探究任務Ⅱ中進行的，信息中提供了 Cu2O 的質(zhì)量與時間關(guān)系的變化曲線圖，主要考查學生看坐標圖分析問題的能力和語言表達能力，解題時重點在于在分析圖中的點、線、面。先看面——坐標平面，即對應橫坐標和縱坐標各是什么；再看線——坐標曲線的變化走勢；最后細看點——起點，拐點，終點。問題（4）相對簡單，根據(jù)題目提示“由圖可知，Cu2O質(zhì)量在反應過程中的變化趨勢”，是引導學生看圖分析，主要與坐標面中的曲線有關(guān)，很容易作出正確判斷是先增大后減小。問題（5）難度相對增大，除了看坐標平面和變化曲線，最后還要看點，尤其是終點。隨著時間的不斷推移，氧化亞銅越來越少，最終質(zhì)量接近0，說明采取的措施是確保加熱條件下通氫氣的時間足夠長。

第（6）問是在探究任務Ⅲ下進行的，根據(jù)本題中的信息“結(jié)合探究Ⅱ結(jié)果計算分析”提示，說明一要看坐標圖分析結(jié)果，二要進行計算。要判斷假設1中“在同一條件下兩個反應能同時進行”合理的依據(jù)，還要結(jié)合任務Ⅲ中提供氫氣還原氧化銅的反應機理進行對比分析，作出合理的判斷和解答。由于計算要有數(shù)據(jù)，因而暗示我們應從提供的信息中尋找。題中的有效數(shù)字只有兩個，一個是0.6000 g 的CuO，另一個是坐標頂點的數(shù)據(jù)（5，0.3218）。通過化學方程式計算，若分步進行反應，Cu2O 的最大質(zhì)量應為0.5400 g，不是0.3218 g，所以反應是同時進行較為合理。這種隱性的信息提示，非?？简瀸W生對信息的處理和判斷推理能力。而且在正面證實不好取證的情況下，需要換角度思考問題，通過這種證偽的方式，運用排除法證明分步進行是錯誤，是屬于思維方法的考查。

第（7）問是在探究Ⅱ的基礎(chǔ)上進行實驗設計，證明“假設2”的合理性，所以又要回歸看坐標圖分析。由于反應過程中始終有Cu2O存在的，如果“假設2”合理，那么 Cu2O 是通過氧化銅與銅在加熱的條件下生成的，這是“假設1”中沒有的反應，因而只要單獨設計實驗方案探究“隔絕空氣加熱氧化銅和銅混合物，把所得固體加入氨水攪拌，觀察溶液是否變藍”就可以。解決這個問題需要逆向思維，縱向聯(lián)系才能達成，屬于深度思考，高階思維。當然問題（3）的解決為（7）的方案設計埋下伏筆，做好鋪墊。而且對實驗方案的設計與評價又是實驗探究最難的部分，對初中生來說在中考有限的時間內(nèi)能考慮周全確實難度極大，挑戰(zhàn)性極強。

綜上所述，本題考查的內(nèi)容從核心價值方面分析，主要是對學生科學精神、科學方法、科學態(tài)度、科學探究能力和邏輯思維能力的考查，促進學生樹立勇于創(chuàng)新、求真求實的思想品質(zhì)，體現(xiàn)命題對立德樹人根本任務的有效落實；從學科雙基方面分析，主要是對“基本知識技能”“基本方法觀念”的考查，主要包括學科知識、思維方法、學科觀念三個方面，體現(xiàn)命題對課標的基本遵循；從行為習慣方面分析，主要考查學生在正確觀念指導下，合理運用科學的思維方法解決實際問題的綜合能力行為、素養(yǎng)行為及認知操作的實踐行為，促進學生的發(fā)展。

考查的過程從宏觀辨識對物質(zhì)的檢驗進入微觀探析揭示氧化亞銅生成的本質(zhì)原因和反應機理；從對氧化亞銅隨時間推移發(fā)生質(zhì)量變化的曲線模型認知逐漸轉(zhuǎn)入結(jié)合計算取證，并進行推理邏輯確定假設1合理的依據(jù)；從氫氣還原氧化銅過程中發(fā)生多種反應的變化觀念轉(zhuǎn)入運用質(zhì)量守恒定律中的定比定律進行計算的平衡思想；從分步進行科學探究到最后實驗方案設計，考查學生的創(chuàng)新意識；從對反應異?，F(xiàn)象的探究，體現(xiàn)嚴謹求真的科學態(tài)度，到設計實驗方案應考慮安全、環(huán)保、節(jié)約藥品等有關(guān)社會責任的理念。考查難度逐步加大，能力不斷綜合，素養(yǎng)全面覆蓋。

2.從學生答題情況分析

學生的答題情況直接反映出學生對知識的掌握程度，也體現(xiàn)學生的能力水平和學科素養(yǎng)。本題中學生常見的錯誤有以下幾點：

（1）化學用語沒掌握好。如；硫酸的化學式寫成“HSO4”“SO4”；硫酸鋅的化學式寫成“Zn2SO4”；氫氣的化學式寫成“H”；書寫化學方程式時氫氣的上標“↑”漏寫；體現(xiàn)了部分學生對元素符號、化合價、化學式、化學方程式等知識的認識、理解、掌握沒到位。

（2）語言表達能力較差。把氧化鈣的作用寫成“過濾氫氣”；氧化亞銅質(zhì)量的變化趨勢寫成“先上升后下降”或“逐漸增大”“逐漸減小”；檢驗氧化亞銅的現(xiàn)象寫成“有藍色沉淀生產(chǎn)”。說明了語言表達不規(guī)范或敘述錯誤。

（3）審題能力不足。制取氫氣的化學方程式寫成水電解，很顯然是沒根據(jù)題意，分析流程圖解答；在回答假設1成立的合理依據(jù)時，絕大部分同學沒根據(jù)題目的提示要求“結(jié)合探究Ⅱ的結(jié)果計算”進行分析解答，導致本道題得分率是全卷最低的原因之一。

（4）信息處理能力缺乏。本題的有效信息較多，問題（3）是根據(jù)有效信息回答相對比較容易的設問，但難度值是0.52。說明了學生回答錯誤的還很多，信息的提取能力較差，或者是有效信息提取的方法沒掌握。

（5）思維不夠嚴謹，辨析和推理能力較差。如問題（5）的難度值是0.32，部分學生寫成“加熱時間長點”或“通氫氣時間久點”，說明考慮問題不夠嚴密周全；多數(shù)學生留空，說明他們根據(jù)坐標曲線分析的能力較差，不會結(jié)合提供信息進行邏輯推理；問題（7）的難度值是0.09，說明本題學生基本淪陷，有的答非所問，有的根本不知如何分析解答，少部分能回答的學生也寫得不完整，缺少隔絕空氣加熱。

四、教學啟示

通過以上分析可以發(fā)現(xiàn)，中考化學實驗探究題很好地體現(xiàn)試題命制理念，解決“為什么考”“考什么”“怎么考”的問題，對教師教學與試題命制給予很大的啟示。

1.從試題命制中探索實驗探究題教學新模式

分析試題科學命制特點，了解試題命制流程，探索把中考實驗探究題轉(zhuǎn)化為素養(yǎng)為本的實驗教學模式，如項目式教學、主題式復習等，把對學生素養(yǎng)的考查轉(zhuǎn)化為學科素養(yǎng)的培育。仔細研究《義務教育化學課程標準（2022年版）》（以下簡稱《初中新課標》）的內(nèi)容，根據(jù)學業(yè)質(zhì)量的要求，制定雙向多維細目表，把實驗探究題考查的知識點、能力點及素養(yǎng)要求制定成教學目標；通過試題中真實的實驗情境素材，結(jié)合探究的任務，設置成有價值層級性強的問題，引導學生積極參與討論，進行實驗探究，重視實踐過程體驗，倡導“做中學”“用中學”“創(chuàng)中學”，從討論和解決實際問題中運用知識，發(fā)展思維能力，樹立嚴謹求實的科學態(tài)度和創(chuàng)新意識，培養(yǎng)批判質(zhì)疑的科學精神。

2.研究化學用語有效教學的策略與方法

“宏觀辨識、微觀探析、符號表征”是中考化學探究題的高頻考點，化學用語是教師教學的難點，也是學生痛點。師生都深知非常重要，但多數(shù)的學生還是沒學好，可能存在如下原因：一是教師教學時沒把知識與原理講透，導致學生一知半解；所以教師平時要重視教學策略與方法的研究，教學時可從宏觀現(xiàn)象入手，借助實物模型、顯微鏡等教學工具和動畫視頻等現(xiàn)代技術(shù)手段去揭示微觀本質(zhì)，讓學生了解物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及其轉(zhuǎn)化的真相與規(guī)律，然后引導學生用符號表征，感受化學符號的簡約與美麗，也讓學生體會解決實際問題的化學基本思路和化學學科的特點，知道學習的重要性。二是訓練的時間不夠，怕耽誤教學進度，草草收場，導致學生掌握不夠扎實?；瘜W用語既是知識又是技能，教學時既要講透又要練夠。作為技能就必須要經(jīng)過定向、模仿、整合、熟練的四個階段反復訓練，才能內(nèi)化為能力與素養(yǎng)。三是知識比較抽象，學起來枯燥無味。所以教師可結(jié)合圖像，卡片、游戲，猜謎，小品等學生喜聞樂見的形式寓教于樂，增強學生的學習興趣，使學生樂于學習，愿意訓練。

3.探索有效信息處理方法的指導

由于實驗探究題選擇的情景素材很多來自學生陌生的文獻資料，試題在設置問題時考慮到學生利用已有知識解決是不夠的，必須提供一些與解決問題相關(guān)的信息，考查學生的處理能力。因而解題時對信息的加工、處理、分析特別重要，需要教師積極探索有效的處理方法指導學生?？梢园匆韵滤膫€步驟進行：一泛讀；二精讀；三細讀；四反復讀。泛讀，是指在第一遍讀題時大體了解題目意思，知道探究的任務，設置的問題，提供的信息。精讀，是指在第二遍讀題時應結(jié)合問題用筆重點畫出有效信息。細讀，是在答題時應細致審題，運用已有知識，結(jié)合有效信息，通過科學分析用學科準確的語言表達。反復讀，是指在解決難度比較大的問題，一時不知如何入手時，就應該反復細讀，尋找是否有遺漏的信息沒有使用或者隱性的信息沒有關(guān)注到，反復推敲這些沒有用到的信息對解題有何幫助。因為作為中考試卷惜字如金，提供的信息如果沒有被應用于解題，一般是不會隨意出現(xiàn)的。這是處理使用信息解決問題的有效方法，對解題思路有很大的幫助。

4.探尋解題思維方法的構(gòu)建

構(gòu)建解題思維方法模型，是解決實驗探究題的重要途徑之一。它能幫助學生學會如何分析題意，理清思路，抓住重點，化解難點，規(guī)范答題，對培養(yǎng)學生的理解與辨析能力、分析與推理能力、探究與創(chuàng)新能力、語言表達能力等都有非常重要的意義。構(gòu)建思維模型也有利于學生平時思維能力有針對性地訓練，并在反復的訓練中內(nèi)化為能力與素養(yǎng)。根據(jù)多年實踐探索，筆者構(gòu)建的解題思維模型，結(jié)合試題進行適當訓練，發(fā)現(xiàn)是行之有效的。詳見圖3。

五、結(jié)語

在新中考改革的形勢下，基于化學學科素養(yǎng)視角下的命題是今后的必然趨勢。領(lǐng)悟命題者的意圖，體會試題的特點，從應答者的答題情況中深刻反思教學，指導教學實踐，改變育人方式，從記憶、理解為出發(fā)點的教學，走向以問題解決為導向的素養(yǎng)為本教學是《初中新課標》的要求。［7］教學中堅持以解決問題為出發(fā)點，把學習知識置于真實的情境中，在思中學、用中學、做中學中培養(yǎng)學生探究解決實際問題的觀察辨析、邏輯推理、探究創(chuàng)新等關(guān)鍵能力，激發(fā)學生學習探究欲望，培養(yǎng)科學的態(tài)度與責任，促進學生全面發(fā)展?？傊?，依據(jù)新課標理念，以學業(yè)質(zhì)量標準為基準，以核心素養(yǎng)培育為指向，堅持教、學、評、考一致性原則，將是新一輪教育教學改革的方向。

參考文獻

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