高考实验设计题型研究及解题思维模型的建立.pdf

年 月 日 第 期化学版:/.后续形成肉桂酸的步骤不做要求.本题考查学生的信息处理能力强调学生对核心合成原理的分析建构反应模型理解“羟醛缩合反应”与“珀金反应”在反应原理上的相通性注重学生思维的延伸性、开放性.试题总结与反思试题质量不仅仅在于计算复杂程度或思维设计的深度还需结合实践应用中问题进行创造性编制引导学生认识到理论与实践的联系.化学合成路线最终落脚工业实践以肉桂酸乙酯的合成工业为背景在试题中融入肉桂酸乙酯的工业科普内容在形式上拓宽了试题的格局发挥试题的情境育人价值在内容上注重有机反应原理的理解关注反应的微观视角及本质.通过调研发现新课标倡导的有机合成案例均可设计试题例如甲基丙烯酸甲酯、医用胶、长效缓释阿司匹林的合成试题开发充分引入情境设计融入有机化合物性质应用或工业生产的讨论设计问题让学生科学决策发挥社会性议题在试题考查中的重要作用.参考文献:李娟.肉桂酸乙酯的合成及热力学研究.华东理工大学.景临林金瑛张生勇等.抗癌药物多烯紫杉醇的合成.中国药物化学杂志():.蒋卫华崔爱军.肉桂酸合成方法研究进展.精细石油化工进展():.中华人民共和国教育部.普通高中化学课程标准(年版 年修订).北京:人民教育出版社.(收稿日期:)高考实验设计题型研究及解题思维模型的建立黄 谦(南京师范大学附属扬子中学 江苏 南京)摘 要:实验设计题是每一年化学高考的必考题型.从对高考实验设计题型的研究出发建立实验设计题型解题思维模型.关键词:实验方案实验设计思维模型高考作者简介:黄谦()男江苏南京人本科中学高级教师研究方向:中学化学教学.问题提出实验设计题是每一年化学高考的必考题型.普通高中化学课程标准(年版)(以下简称新课标)将化学学业质量水平分为 级.其中水平 是化学学业水平等级性考试的命题依据.水平 对实验设计的具体要求是“能在复杂的化学问题情境中提出有价值的实验探究课题能设计有关物质转化、分离提纯、性质应用等的综合实验方案能运用变量控制的方法探究并确定合适的反应条件安全、顺利地完成实验能用数据、图表、符号等描述实验证据并据此进行分析推理形成结论能对实验方案、实验过程和实验结论进行评价提出进一步探究的设想”.新课标明确指出了化学学业水平考试的命题框架是“坚持以化学学科核心素养为导向准确把握“素养”“情境”“问题”和“知识”个要素在命题中的定位与相互联系构建以化学学科核心素养为导向的命题框架”.化学实验设计题考什么?怎么考?笔者研究了最近几年江苏省高考化学试卷实验设计题型在高考中的呈现形式列见表.表 实验设计题型在最近几年江苏高考试题中的呈现形式年份题号考查角度涉及的知识内容()物质的制备实验基本操作、陌生情境下配合物的氧化还原反应、绿色化学()物质的制备实验基本操作、陌生情境下 图像和溶解度图像、晶体的制备()物质的制备实验基本操作、离子检验、除杂、提供氢氧化物沉淀的 范围()物质的制备实验基本操作、离子检验、除杂、提供氢氧化物沉淀的 范围化学版 年 月 日 第 期 .续表 年份题号考查角度涉及的知识内容()物质的制备实验基本操作、氧化还原、离子检验、陌生情境热分解图像分析()滴定操作实验设计陌生情境下氧化还原滴定操作 新高考中化学学业水平等级考试的命题充分体现了新课程理念.通过提供文字叙述、图像、表格等信息构建陌生的真实情境以核心素养为测试宗旨以具体的物质的制备或者是实验操作设计为测试任务.任何实验设计题型最终都归结为实验基本操作的组合而每一步操作的先后顺序、反应条件、药品用量等大多又都涉及化学反应原理知识.实验设计的本质就是将这些必备知识通过实验目的重新组装起来考查的就是关键能力和学科素养这是“考什么”的问题.其中涉及到的基础性、综合性、应用性、创新性是素质教育的评价维度在高考中的体现回答了“怎么考”的问题.本文从对高考实验设计题型的研究出发建立实验设计题型解题思维模型.建立模型关于实验设计题型的考查如何突破?笔者认为基本解答策略可以分为以下四个步骤或流程(如图 所示).根据实验目标分解实验步骤实验目标一般涉及物质的制备、提纯、除杂、验证等.首先将实验目标分解为几个实验步骤小目标.历年高考实验设计题分解步骤如下:()设计从“过滤”后的滤液中获取单质 的实验方案(年).分析滤液 成分加入还原剂得到纯净.()补充完整由 溶液制备无水 的实验方案(年).由 溶液制备 溶液得到 晶体晶体的洗涤.()设计以水洗后的滤渣为原料制取 溶液的实验方案(年).滤渣成分分析滤渣溶解并除杂得到 溶液.()设计以 溶液、氨水 混合溶液为原料制备 的实验方案(沉淀需“洗涤完全”).(年).由 溶液得到 沉淀检验 沉淀是否洗涤完全.()由 制备较高产率的(年).由 热解制备锰的氧化物由锰的氧化物酸浸制备 检验 是否纯净.综上 年制备类实验设计题型步骤分解基本如下:分析初始原料成分加入某种试剂溶解、转化或者除杂产品的洗涤或净化.()用准确浓度的()()溶液滴定测定溶液中 的含量(年).取含 的待测液滴入指示剂用()()标准溶液滴定滴定终点判断.解题第一步分解实验步骤是粗线条的划分明确了解题思路的大方向具体的细化操作留待后面的步骤一一解决.明确药品用途甄选实验药品每一种药品在该实验中使用的目的和作用是什么需要学生自己逐一列出.()年给出了必须使用的药品:水合肼溶液、溶液.根据题中给出的信息常温时(水合肼)在碱性条件下能还原():().分析可得:水合肼溶液用做还原剂.硫酸的作用一般是提供酸性环境或者用于 的检验.本题中()的还原是碱性条件并且也不涉及 检验.参考题中信息溶液的用途只能是处理 尾气.体现了绿色化学的理念.()年 给 出 了 必 须 使 用 的 试 剂:盐 酸和().分析水洗后滤渣成分可知盐酸的作用是将完全转化为 同时、转化成、过滤除去.结合题中信息可知()的作用是调节 使 和 转化成()和()沉淀而除去.()年首次出现了可选用的试剂:溶液、溶液、溶液、溶液.在题目中出现多种药品的干扰项需要学生自己 年 月 日 第 期化学版:/.选择药品.高考试题的难度和要求进一步提高了.这里两种酸是第一组干扰项两种盐溶液是第二组干扰项.第一组干扰项分析.加入酸的目的是什么?将、等金属溶解除去.这是 的作用.加入 同时也引入了阴离子.、分别会对实验产生怎样的影响?根据题中所给信息“氧化性强于”可以推断可以将 氧化.因此酸浸步骤使用 溶液.第二组干扰项分析.题中提供两种用于检验的药品:溶液、溶液.溶液用于检验 溶液用于检验.由于酸浸步骤已经选用了 溶液所以此处选择 溶液.综上加入药品的目的一般为:调节(包括提供酸性或碱性环境)、用于物质转化(包括除杂)、离子的检验(杂质离子是否除尽)以及尾气的处理等.分析题中信息排出操作顺序除杂的先后顺序、氧化或者还原的先后顺序、药品加入的先后顺序等等.年先加水合肼溶液将()还原为单质 沉淀必须先通过氧化还原反应得到产品然后才是产品的分离.年根据含硫微粒与 的关系曲线图、溶解度曲线图分析可知:要得到 晶体必须先得到 溶液.要得到 溶液必须先通过 溶液调节 约为.年水洗后滤渣中含、和要从这些固体混合物中提取 必须先酸溶得到不溶物.由于 对后续操作没有影响可以在上层溶液中继续操作除去 和 杂质.根据题意“时()和()沉淀完全”所以此处调节 除杂不分先后最后一步过滤除去所有产生的沉淀.年由 溶液制备 沉淀时溶液和氨水 混合溶液的滴入顺序该如何确定?根据题中信息“()开始沉淀的 ”可以分析由于氨水 混合溶液呈碱性当将 溶液滴入氨水 混合溶液时会产生()沉淀与题意不符.所以操作时应在搅拌下向 溶液中缓慢加入氨水 混合溶液.年题干中给出“取一定量 置于热解装置中通空气气流”.实验设计从热解开始根据信息“加热条件下 在酸性溶液中转化为和 .”“与酸反应生成 ”做出转化路径图.通过转化路径图快速确定各步骤的先后顺序(如图 所示).步骤三是在步骤一基础上的继续细分需要根据题中所给信息仔细斟酌大步骤下的的小步骤其前后操作之间会产生怎样的相互影响或者关联.排演实验过程细化操作步骤反应条件是什么(浓度、温度、范围)以及如何控制这些条件药品的用量是多少(少量、适量、过量)、如何控制药品的用量通过怎样的现象得知药品的用量.如何清洗沉淀如何知道沉淀已经洗净等等.年往滤液中加入水合肼的用量控制 搅拌使其充分反应至沉淀的量不再增加用硫酸吸收氨气尾气的用量控制 待溶液中无气泡产生停止滴加.年将 溶液转化为 溶液时如何将 调节为?又如何知道 已经被调节为 了?题中没有给出更多的信息.在不引入新杂质的原则下考虑逐滴滴入 溶液并不断搅拌同时用 试纸或 测量仪测量 直至满足要求为止.年酸溶时如何知道滤渣已经反应完毕 在搅拌下向足量盐酸中分批加入滤渣直至观察不到气泡为止.要使()和()沉淀完全同时生成的()不溶解必须控制 介于 .之间.如 何 控 制?向 滤 液 中 分 批 加 入 少 量()用 试纸测量溶液.年由 溶液制备 时如何不产生()控制溶液 不大于.如何控制溶液 不大于.向 溶液中缓慢加入氨水 混合溶液并不断测量溶液.如何洗涤沉淀 少量蒸馏水洗涤 次.如何检验沉淀已经洗净 取最后一次洗涤后的滤液滴加盐酸酸化的 溶液若不出现白色沉淀则已洗净.年热解后的固体如何进入下一步操作 化学版 年 月 日 第 期 .冷却后研成粉末.得到的 如何洗涤 用少量蒸馏水洗涤直到最后一次洗涤滤液加盐酸酸化的 溶液不变浑浊说明已经洗净.年以苯代邻氨基苯甲酸为指示剂时滴定终点如何判断 当滴入最后半滴标准液时溶液由紫红色变为亮黄色且半分钟内不变色即达到滴定终点记录标准液的体积.细化的实验操作都是实验基本操作的组合注意在解答中文字叙述的准确性和规范性这都是高考实验题中最常见失分点.模型应用应用实验设计题型解题思维模型解答模考试题强化思维模型的训练与应用.(年江苏省南京市盐城市高三 月第二次模拟考试 题)硫酸亚铁晶体()可用于生产聚合硫酸铁.以钕铁硼二次废渣(主要含、等)为原料制备硫酸亚铁晶体的实验流程如图 所示:()固定其他条件不变反应温度、反应时间、铁粉过量系数投入()理论()分别对“滤液”中 还原率的影响如图、图、图 所示.设计由“滤液”其中().制备硫酸亚铁粗品的实验方案:.(须使用的试剂和仪器:铁粉、冰水、真空蒸发仪)解答流程如下:第一步:分解实验步骤.阶段:除杂(除去 杂质)阶段:由 溶液得到粗品 阶段:粗品的提纯(根据题意本步骤可略去).第二步:明确药品用途.本题提供的药品不存在选择问题只需要明确用途即可.铁粉的作用:做还原剂除去 杂质.真空蒸发仪的作用:除去 溶液中过多的水分.传统的操作是蒸发浓缩、冷却结晶.但是 易被氧化所以需要隔绝空气蒸发除水.冰水的作用:降温.究竟是使气体降温还是使液体降温?如果使气体降温冰水的作用一般是冷凝.如果使液体降温降温的目的:使 降温结晶为反应提供低温的环境.由图 可知本题反应温度为 所以冰水的作用只能是使 降温结晶.第三步:排出操作顺序.由于本题必须使用的药品种类有限此步骤可以略过.第四步:细化操作步骤.由图、图、图 可知本实验的反应最佳条件是:、反应时间、铁粉过量系数.如何控制 水浴加热.铁粉过量系数.如何定量控制 由“滤液”中().可计算消耗铁粉理论值为.克.再用过量系数.计算可得实际投入铁粉.克.克铁粉完全反应完了吗 理论值需要.克.多出来的铁粉混在体系中可能起到了防止 被氧化的作用.在制备 粗品时需要过滤除去.综合以上思考得出实验方案:在 水浴加热条件下向“滤液”中加入.铁粉搅拌下反应后过滤滤液在真空蒸发仪中蒸发、在冰水浴中冷却结晶、过滤得到产品.实际教学中建模思维的运用要注意:()要加强解题训练以此强化学生的建模思想()强化学生对于基础知识的掌握()强化学生实验细节的书写练习做到书写的准确性和规范性.实验设计题型的解答都是由基本实验操作和化学反应原理等化学知识为解决问题的工具注重考查学生灵活运用结构化知识解决实际问题的能力.设计实验方案时根据限定必须使用的试剂结合题中所给信息注意反应条件的控制以及实验试剂的量的控制按照“分解实验步骤甄选实验药品排出操作顺序细化操作步骤”思路对细节进行耐心的优化直至得到完美方案.参考文献:中华人民共和国教育部.普通高中化学课程标准(年版).北京:人民教育出版社.教育部考试中心.中国高考评价体系.北京:人民教育出版社.(收稿日期:)