基于学情与实证的试题命制

2019-12-20周文荣

化学教与学 2019年11期

周文荣

摘要：针对一道数字化实验的试题分析了教师们质疑和争议的焦点，围绕质疑焦点进行了实验求证，解决了教师们的困惑，同时建议通过实验演示、同步分析、难点突破、归纳提升、拓展应用五个步骤对试题进行讲解。在此基础上，基于实验求证和试题讲解中发现的命题问题，从学情分析、实证研究和素养发展三个方面提出了命题的思考，并对试题进行了改进，促进教师对试题讲解及试题命制的深入思考与实践。

关键词：试题命制;试题讲解;学情分析;实验探究;素养发展

文章编号：1008-0546（2019） 11-0058-05

中图分类号：G633.8

文献标识码：B

doi： 10.3969/j.issn. 1008-0546.2019.11.016

区域内教师在网络教研时对某地区部分初中化学学业水平阶段性检测中一道关于数字化实验的试题[1]产生了质疑和争议，笔者尝试对质疑的焦点进行实验求证，引发了对试题的改进及命制的思考。一、原题呈现实验室用红磷燃烧的方法测定空气中氧气含量时测出的氧气含量常常远低于理论值。用红磷燃烧的方法为什么不能准确地测定空气中氧气的含量？

[进行实验]（1）将数显设备、三种传感器、测量装置（广口瓶）按装置图1进行连接。

（2）检查装置气密性。

（3）往广口瓶加水，使得液面与烧杯内液面相平，关闭活塞，将装有足量红磷的燃烧匙加热（点击电脑屏幕上的“开始采集”按钮），红磷燃烧后立即将燃烧匙伸入瓶中并塞紧橡皮塞。

（4）燃烧结束后，装置冷却到室温，打开导管活塞，待瓶内液面不再上升后再向烧杯中加入一定量的水，使烧杯和瓶内液面相平，得到实验曲线图2。

[数据分析]

（1）压强曲线A点表示红磷开始在集气瓶中燃烧，主要判断依据是___ 。

（2）压强曲线EF段略低于OA段是因为______。

二、质疑焦点

教师们对试题中的一些问题设置、实验的结果提出了质疑和争议，主要集中在以下两方面。

1.对实验结果图像的质疑

化学实验图像承载着数学意义和化学意义之间的对应关系，能培养学生从图像中收集数据、提取信息、应用数据的能力，从而结合化学概念、规律与原理综合分析问题、解决问题。试题中的图像，不仅仅体现着压强、温度、氧气浓度的定性变化趋势，同时还蕴含着数据上的定量变化。教师们质疑的是，虽然纵坐标体现的是氧气的体积百分含量，但在同一个坐标系中，压强变化大约应该是减少到起始的五分之四，而图2中压强变化超过了正常的变化范围，不利于图像中蕴含的定量思想的培育。

2.对某一问题答案的争议

对于问题“压强曲线A点表示红磷开始在集气瓶中燃烧，主要判断依据是什么？”教师们的争议焦点集中在A点压强增大能否作为红磷开始在集气瓶中燃烧的判断依据。一部分教师认为，红磷在集气瓶中燃烧放出热量，使得瓶内压强增大，所以A点压强增大能作为红磷开始在集气瓶中燃烧的判断依据;而另一部分老师认为在酒精灯上加热过的燃烧匙伸人瓶中的瞬间也可能会导致压强变大，因此A点压强增大无法判断是红磷燃烧导致的还是加热过的燃烧匙伸入瓶中带入的热量导致。

三、实验求证

1.关于实验结果图像的求证

原题中，燃烧匙和氧气浓度传感器在同一个橡皮塞上，为了减少燃烧匙加热以及塞紧橡皮塞时对瓶塞上氧气浓度传感器的影响，用四颈烧瓶代替原来的广口瓶进行了多次实验。

（1）实验仪器和实验药品

实验仪器：温度传感器、气体压强传感器、氧气浓度传感器、四颈烧瓶、烧杯、燃烧匙、带活塞的导管、配套的橡皮塞（五个）、数据采集器、电脑。

实验药品：红磷、水

（2）实验装置（如圖3）

（3）操作要点

①按图3连接好装置后检查装置气密性。

②打开四颈烧瓶上插有燃烧匙的橡皮塞，加水调节使四颈烧瓶和烧杯内液面相平，关闭活塞。

③设置基于时间的采集数据模式，设置取样速度1样本/秒、采集时间1000秒。用酒精灯将装有足量红磷的燃烧匙加热（点击电脑屏幕上的“开始采集”按钮），红磷燃烧后立即将燃烧匙伸入瓶中并塞紧橡皮塞。

④燃烧完全后，冷却到室温，打开四颈烧瓶与烧杯之间的活塞。

（4）实验结果和结论

实验结果如图4所示，压强、温度、氧气的浓度变化趋势总体与原题一致，但图4实验结果在同一坐标系中更能体现出三者的定量变化关系，尤其是压强的变化更加与客观事实相符，也更加贴近学生已有的认知。

2.关于某一问题答案的求证

对问题“压强曲线A点表示红磷开始在集气瓶中燃烧，主要判断依据是什么？”答案质疑的焦点在于在酒精灯上加热过的燃烧匙伸入瓶中的瞬间导致的压强变化是否明显。利用图3装置，“将装有足量红磷的燃烧匙加热”改为“用酒精灯加热空的燃烧匙相同时间”进行实验，得到压强变化的曲线如图5所示。

从图5可以看出，“用酒精灯加热空的燃烧匙”插入四颈烧瓶的瞬间压强变化很明显。因此，压强曲线A点压强增大可能是红磷燃烧导致，也可能是加热过的燃烧匙伸入瓶中带入的热量导致，A点压强增大不能作为红磷开始在集气瓶中燃烧的判断依据。判断红磷开始在集气瓶中燃烧的依据要从反应本质出发，本试题中主要从反应物氧气浓度减少的视角考虑。

四、试题讲解

试题讲解是根据试题的特点、难点和学生的薄弱点、困惑点，帮助学生突破难点，加深理解，提升素养的过程。本试题的讲解建议分为以下五个过程。

1.实验演示

数字化实验在初中教材中没有出现过，学生相对比较陌生。试题讲解时，首先介绍数字化实验，让学生了解数字化实验的基本构成。其次，让学生知道传感器的用途，本实验中三种传感器分别用于检测密闭体系内的气压、氧气浓度和温度的变化。同时让学生了解到实验的结果主要是在电脑上以具体的数据及根据数据变化得到的图像形式呈现出来。最后，教师利用图1装置在课堂演示该实验，让学生认识和体验数字化实验的过程，了解图像的真实来源。

2.同步分析

实验图像的分析重点在于曲线的起点、终点、拐点及曲线变化趋势，而数字化实验图像的变化与实验操作的过程有着密切的相关性。讲解试题时，教师先带领学生发现实验步骤与实验过程中图像变化的关系，再引导学生把需要解决的问题与实验步骤、实验图像进行同步分析，从而促进学生对图像每一个细节的理解。

3.难点突破

此试题讲解的难点是“为什么压强曲线EF段略低于OA段”和实验步骤（4）中加水液面变平时压强曲线的变化。九年级学生物理学知识和思维能力还比较薄弱，除了从物理学的角度给学生进行分析和解释外，为了帮助学生更好地理解，课堂上教师设计如图6的实验装置并通过演示来突破难点。

实验过程见图7，在U型管中倒入一定量的紫色高锰酸钾溶液（主要为了便于观察液面的变化），将U型管向左边倾斜后塞上连有压强传感器的橡皮塞，将U型管回正后发现左边液面高于右边液面，电脑曲线显示的压强低于大气压。往U型管右边逐滴滴加高锰酸钾溶液至两边液面相平，引导学生观察在滴加高锰酸钾溶液时压强在逐渐变大，当两边液面相平时压强等于大气压。通过演示，让学生直观地看到曲线的变化，很好地理解压强变化的原因，有效地突破思维障碍。

4.归纳提升

试题讲解的根本目的是通过对一道试题的讲解，触类旁通，加深对一类试题本质的认识，形成解决一类试题的有效方法。因此，试题讲解在注重难点重点突破的同时，更要注重化学学科思想和学科方法的归纳与提升。该试题讲解结束后，教师一方面要带领学生对图像的认识与理解进行归纳，提升学生从定性、定量以及图像与实验操作的联系等维度观察与分析图像的能力与素养，另一方面教师要引导学生能够从宏观和微观的视角认识化学反应的本质，归纳出化学反应的本质从微观上是旧化学键的断裂、新化学键的形成，体现在宏观上就是反应物减少，有新的物质生成，从而理解化学反应发生的判断依据。

5.拓展应用

对于一类试题的解决最关键是要进行及时地巩固与评价，加深对具体学科知识和学科方法的体验和应用，拓展思维，深化理解。教师可设计新的实验情境，让学生对数字化实验及实验图像进行巩固与拓展，加深对习题解决方法的认知与思考。

（1）演示实验

教师更换实验情境，演示新的数字化实验，实验装置如图8所示。用500mL的四颈烧瓶收集一定量的二氧化碳气体，点击电脑屏幕上的“开始采集”按钮，用针筒向其中加入40mL澄清石灰水，用磁力搅拌器搅拌，再用针筒向其中加入40mL氢氧化钠溶液，再用磁力搅拌器搅拌。

利用压强传感器和二氧化碳传感器测得四颈烧瓶内压强和二氧化碳体积分数的变化情况如图9所示。

（2）讨论交流

基于实验过程及实验结果，教师组织学生分组讨论并交流以下问题：

①在T1时，进行了什么操作？此时密闭容器内压强为什么增大？

②从T2到T3时，不断搅拌，什么原因导致密闭容器内压强又逐渐减小？（用化学方程式表示）

③当时间到T3以后，压强上升后又下降的原因是什么？此过程中，二氧化碳的浓度如何变化？通过这个实验，你认为用澄清石灰水还是氢氧化钠溶液吸收二氧化碳效果较好？

通过讨论交流，让学生体验和应用本节课分析数字化实验及其图像的思路与方法，让学生在自我分析问题、自主解决问题的过程中得到提升。

（3）反思拓展

为提升学生的学科素养，教师可继续在巩固基础知识和基本方法的前提下，进一步启发学生进行深入地观察、反思与拓展。例如引导学生思考为了确保实验曲线的准确性，实验过程中還需要注意什么？针对图9左图的曲线，能不能有什么新的发现？

（4）自主命题

通过学生对实验操作细节的分析及实验图像变化的讨论，教师在最后可以让学生尝试根据自己的理解将前面的交流过程转化为一道试题。自主命题是一种体验式的学习活动，学生既要明晰学科知识，又要明了考查方式，还要明白试题的呈现形式，从而在命题的过程中巩固知识，提升素养，促进可续持发展。

五、命题思考

在对教师的质疑焦点进行实验求证及试题讲解过程中发现了原试题的部分缺陷和欠妥之处，引发了对命题的一些思考。

1.基于学情分析

命题的学情分析主要指在命题时要对与试题情境、学科知识、素养发展等相关的学生情况进行前期的研究与分析。只有基于准确的学情分析，才能确定合理的试题考查目标，选择合适的命题情境素材;只有基于准确的学情分析，才能精准把控命题的重难点，科学设计问题的有效度。

原试题中涉及的数字化实验初中学生了解较少，虽然部分学校、部分老师已经开始尝试借助数字化实验辅助教学，但不同学校间学生的认识仍然存在着较大的差异。因此，命题时要给学生必要的关于数字化实验的信息，才能体现试题情境的公平性，让学生处在同一起跑线上，便于选拔具有发展潜力的优秀人才。化学试题命制鼓励跨学科的综合素养的考查，培养学生将其他学科的学科思想、学科方法应用于化学问题的解决，但不能过多依赖于其他学科的学科知识。原试题中对压强与温度、体积之间的变化关系由于物理课学习也较少，学生在理解上存在一定的障碍，物理学科知识成为了解决问题的必要因素，缺少了试题对化学理解的区分度。这些都需命题者进行必要的学情研究和分析。

2.基于实证研究

“证据推理与模型认知”是《普通高中化学课程标准（2017年版）》提出的化学学科五个核心素养之一。作为启蒙阶段的初中化学，渗透和发展学生的证据意识尤为重要。发展学生的证据意识，就是让学生为他们的想法寻找理由及证据，进而提高思考和解决问题能力，促进学生科学理性地发展[2]。要发展学生的证据意识，作为试题，应该给学生提供真实有力的证据;作为命题者，更应该对命题的素材在文献学习的基础上进行实证研究。

命题要尽量提供真实的、科学的、符合客观事实的数据和图表，要杜绝主观随意性或凭空杜撰，图像的给与、答案的得出都要仔细推敲、精雕细琢。因此，在试题的命制过程中，在教材、课标中得到大家认可或者已经经过实践检验的数据、图表可以直接引用，而对于只停留在理论层面上或者个别文献中的资料，命题者必须亲自查阅大量文献，收集各类资料，进行多次实验，开展反复论证，为科学命题展开实证研究。

3.基于素养发展

试题一方面考查学生的基础知识和基本技能，另一方面也要促进学生学科核心素养的发展。因此，试题命制要逐渐从知识立意、能力立意走向素养立意，体现和践行发展学生的核心素养。

试题中可以通过提出问题、作出猜想、设计方案、完成实验、收集证据、得出结论、反思评价等过程，让学生体验和经历实验探究的主要过程，同时将实验探究过程的模型认知、证据意识渗透其中，促进学生对学科知识的理解和学科素养的提升。另外还可以设计从宏观现象、微观本質、符号、图像等方式对磷的燃烧进行多重表征，凸显化学反应的本质。试题讲解过程中，倡导学生自主命题，可以促进学生科学探究、创新意识和科学态度等素养的逐步提升。

六、试题改进

基于对原试题命题的思考，笔者尝试对试题进行了适当的改进。

1.信息改进

基于学情分析，题头增加关于数字化实验及传感器的简单介绍，让学生初步了解什么是数字化实验及传感器的作用。

2.图像改进

原有装置图中传感器标记位置有干扰，用图3替换原有的装置图。原实验结果图无法体现定量变化关系，基于实验求证，用图10替换原有的实验结果图，使图像更直观、更合理、更科学。

3.问题改进

（1）改进高于化学学科学生认知要求的设问

鉴于学生物理学知识和思维能力比较薄弱，实验步骤④改为“燃烧结束后，装置冷却到室温，打开导管活塞，待瓶内液面不再上升后停止实验”，取消设问“压强曲线EF段略低于OA段是因为___ ”，改为“根据图10中压强变化曲线，实验结束后打开活塞的过程中，压强曲线中对应的线段是____”。

（2）改进与实验事实存在争议的设问

基于实证研究，“压强曲线A点表示红磷开始在集气瓶中燃烧，主要判断依据是___ ”答案存在争议，故取消此设问，改为“图10中X曲线表示的是___ （填A或B，A表示温度，B表示氧气浓度）变化情况”。

（3）渗透宏观微观符号三重表征