在实验探究试题命制中落实化学学科核心素养的实践与反思

黄满霞 曹志钢 刘臣 李伏刚

摘要：基于高中化学新课程标准的教学、命题理念，以H2O2氧化Fe2+实验中的“异常”现象为例，展示了实验探究活动设计和试题编制的过程。结合学生的答题情况，反思了试题设问的层次性以及由试题引发的学术思考和对微观探析素养的认识和理解。

关键词：实验探究；试题命制；反应历程；宏观辨识与微观探析

文章编号：1008-0546（2022）02-0079-05中图分类号：G632.41文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.02.018

*本文系北京市教育学会化学教学研究会开展的中国教育学会教育科研一般性课题《基于高中生跨学科问题解决能力培养的教学实践研究》（课题编号：201900171806B）和北京市教育科学“十四五”规划2021年度一般课题《学科核心素养导向的中学化学单元深度学习实践研究》（课题编号：CDDB21219）的部分研究成果。

一、试题研究

化学学科五大核心素养中，科学探究与创新意识是其他四大素养的综合体现。《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》[1]（以下简称新课标）将科学探究与创新意识素养的内涵表述为“认识科学探究是进行科学解释和发现、创造和应用的科学实践活动；能发现和提出有探究价值的问题；能够从问题和假设出发，依据探究目的，设计实验方案，用化学实验、调查等方法进行实验探究。”因此，探究实验是科学探究与创新意识素养的重要载体，突显化学学科的价值和特色。

综合分析近10年北京卷化学高考最后一道实验探究题，其实验素材和考查角度如表1所示：

不难发现近10年北京卷实验探究命题取向主要集中在以下五点：

1.物质性质的验证实验：2010和2011、2013年分别探究了卤素氧化性和SO2还原性。

2.外界因素对物质性质的影响：2014年和2015年分别考查了电压和离子浓度对物质还原性的影响；2018年考查了溶液酸碱性对K2FeO4和Cl2氧化性的影响。

3.物质性质的多重性：如2016年，考查了亚硫酸盐的溶解性、氧化还原性、在水溶液中的酸碱性，并发现盐溶液间反应的多样性与两种盐溶液中阴、阳离子的性质和反应条件有关。

4.体系中多重反应之间的关系：2017年和2019年分别考查了多反应体系中连续反应、平行反应间速率与限度的竞争关系。

5.多物质体系中，物质成分的检验与确定：如2020年，Na2SO3热分解后有新生成的Na2S、Na2SO4、Na2Sx以及未反应的Na2SO3。在混合体系中，利用物质的化学性质进行成分检验和确定。

可以看出，近10年的高考试题均是从物质（或微粒）的性质角度对宏观现象进行辨识，突出思维过程和深度的展示。从微观反应历程的角度考查学生宏观辨识与微观探析素养的实验探究题在近几年高考试题以及北京市各区模拟题中均未涉及。新课标[1]中明确提出“知道化学反应是有历程的，认识基元反应活化能对化学反应速率的影响”。人教版（新课标）教材中也已经深入开展了化学动力学本质的教学-如有效碰撞理论；全国卷高考试题以及各模拟试题中也常涉及化学过渡态理论，因此从微观反应历程角度考查化学反应发生的微观本质就显得尤为重要。

二、试题素材来源—对“异常”现象的深入探究

铁元素在化学教学中具有举足轻重的作用：它能帮助学生建构从核心元素价态、物质类别的角度看待物质；“铁及其化合物的性质”实验还能帮助学生建立实验探究的一般过程。在验证Fe2+向Fe3+转化时，人教版（新课标）、鲁科版（新课标）教材中相同的实验操作是向滴有KSCN的FeCl2（或FeSO4）溶液中加入少量新制氯水，苏教版（新课标）教材在正文中也提到“Fe2+在溶液中易被一些氧化剂（如新制氯水中的Cl2、空气中的O2、H2O2等）氧化为Fe3+”。为了验证H2O2能氧化Fe2+，笔者设计实验如下：

实验1：在试管中加入1 mL 0.1 mol/L FeSO4溶液（pH=1），加入2滴0.1 mol/L KSCN溶液，再逐滴滴加0.5 mL 0.3 mol/L H2O2溶液，溶液立即變红，继续滴加H2O2溶液，试管内溶液红色变浅并逐渐褪去，并伴随有少量气泡产生。推测试管内红色褪去的原因：猜想①无SCN-，猜想②无Fe3 +，猜想③既无Fe3 +，又无SCN-。设计实验2验证红色褪去的原因。

实验2：分别取少量实验1反应后的溶液于两支试管中，加入少量Fe2（SO4）3溶液和KSCN溶液。第一支试管溶液无明显变化，第二支试管溶液变红。说明试管1反应后的溶液中有Fe3+，而几乎无SCN-。猜想①成立。

SCN-为什么会消失呢？通过结构分析可知：SCN-中S、C、N的化合价分为为-2、+4和-3。因此S和N能体现出还原性，推测SCN-在试管1中发生了氧化反应。而溶液中存在的氧化性的微粒有H2O2分子和溶解的O2分子（Fe3+与SCN-直接接触以络合反应为主），为了确认氧化SCN-的微粒，进行实验3。

实验3：①向3 mL 1 mol/L H2O2溶液中滴加2滴0.1 mol/L KSCN溶液和盐酸酸化的BaCl2溶液，开始无明显现象，一段时候后产生白色沉淀；

②向3 mL水中滴加2滴0.1 mol/L KSCN溶液和盐酸酸化的BaCl2溶液，一直无明显变化；

③盐酸酸化的BaCl2溶液分别与KSCN溶液和H2O2混合均一直没有明显变化

通过上述实验，说明H2O2在酸性条件下能氧化SCN-，且二者反应很慢。但实验1中红色褪色相对较快，由此推测实验1中存在的Fe2+或Fe3+能加快H2O2与SCN-的反应。为了证实这一猜测，进行实验4。

实验4：①向1 mL 0.3 mol/L H2O2溶液中滴加2滴0.1 mol/L KSCN溶液，再加入0.5 mL 0.05 mol/L Fe2（SO4）2溶液（pH=1），溶液变红，静置一段时间后红色恰好褪去，记录时间为t分钟。②向1 mL 0.3 mol/L H2O2溶液中滴加2滴0.1 mol/L KSCN溶液，再加入0.5 mL pH=1的H2SO4，静置t分钟后，立即滴加几滴0.05 mol/L Fe2（SO4）2溶液，溶液变红。③向1 mL 0.3 mol/L H2O2溶液中滴加2滴0.1 mol/L KSCN溶液，再加入0.5 mL 0.1 mol/L FeSO4溶液（pH=1），静置一段时间后，红色恰好褪去，记录时间为t′分钟，t′

查阅资料发现[2]：在Fe2+和Fe3+催化下，H2O2氧化SCN-的主要机理如下：

ⅰ. Fe3++H2O2=Fe2++HO2·+H+

ⅱ. Fe2++H2O2=Fe3++·OH+OH-

ⅲ.·OH具有强氧化性，能直接氧化SCN-。

在工业生产中，常常利用H2O2产生的·OH处理有机污水，Fe2+/H2O2体系又被称为Fenton体系，Fe3+/H2O2体系为类Fenton体系。

三、试题编制

科学探究试题命制过程中应着重再现真实的实验场景，体现科学探究的一般过程。科学探究过程一般包括提出问题和假设、设计方案、实施实验、获取证据、分析解释、形成结论及交流评价等要素[1]。考虑到考试时间和分值的限制，试题不可能考查所有环节，只能选择性的重点关注设计方案的核心步骤，力求考出学生的高阶思维。本次测试为学业水平模拟考试，要求题目设计有梯度，在搭好设问台阶的前提下着重考查学生基于证据对实验进行分析解释的能力、设计实验排除干扰得出实验结果的能力以及将实验结果总结提炼为结论的能力。基于本文中的实验素材和相关的文献资料，编制的试题侧重考查学生证据推理与模型认知、宏观辨识与微观探析、科学探究与创新意识三个方面的核心素养；在设问角度上重点考查学生基本实验操作能力、实验设计与评价能力、语言表达能力。

试题题面设计如下：

【试题】某实验小组在验证H2O2氧化Fe2+时发现异常现象，并对其进行了深入探究。

实验Ⅰ：

（1）实验I中溶液变红是因为Fe3+与SCN-发生了反应，其离子方程式是。

（2）探究实验I中红色褪去的原因：取反应后溶液，（填实验操作和现象），证明溶液中有Fe3+，而几乎无SCN-。

（3）研究发现，酸性溶液中H2O2能氧化SCN-，但反应很慢且无明显现象，而实验Ⅰ中褪色相对较快，由此推测Fe3+能加快H2O2与SCN-的反应。通过实验Ⅱ和Ⅲ得到了证实。参照实验Ⅱ的图例，在虚线框内补全实验Ⅲ。

（4）①Fe2+也能加速H2O2与SCN-的反应，且效果比Fe3+更好

②刚滴入H2O2时，ⅱ反应速率快，生成的Fe3+迅速与SCN-结合，溶液立即变红；继续滴加H2O2，c（·OH）升高，加快·OH氧化SCN-，使得c（SCN-）降低，Fe3++ 3SCN-Fe（SCN）3平衡逆向移动，红色褪去

③·OH、H2O2、Fe3+

四、反思与启示

1.对学生答题情况的反思

北京市东城区参加化学学业水平模拟考试的学生人数为2275人，本题（题号：19）满分为13分，难度系数为0.46。具体测试数据如表2所示。

从统计结果来看，本道题6个空均具有良好的区分度。从难度系数来看，本题切入点低，对学生亲和度高，易、中、难设问均有涉及，最后一问还反映出了学生灵活运用氧化还原原理分析问题、解决问题能力还有待提高。

具体分析如下：19（3）是一个中等难度的设问，也是本题最大的创新点。本空利用实验设计的设问形式考查了Fe3+在体系中的作用（加快H2O2氧化SCN-和检验SCN-）；同时学生需调用并迁移课本中反应速率比较实验的变量控制方法（固定反应时间看现象变化的快慢，抑或是现象变化相同时看所需时间的长短）的能力。判卷中搜集到的学生设计的方案有：控制其他条件不变，增大Fe3+浓度，红色褪去时间比t短；减小Fe3+浓度，红色褪去时间比t长；t时刻加入Fe3+，溶液红色。本设问考出了学生课堂所学、考出了思维的开放性和收敛性，考出了学生实验探究与创新意识的素养。设问（4）③是本题中难度最大的一个空。旨在从氧化还原角度，考查学生用基础的氧化还原方法解决“机理”这种高大上的问题的能力，贯彻高起点、低落点的命题要求。

本道题在命制过程中，着重考虑用好实验素材，引导师生回归教材，通过对教材的再次挖掘，传达出对课本实验的深层次理解。试题设问角度包含了绘制实验装置图的能力、实验设计能力、综合利用信息和化学反应原理解释问题的能力，关注学生体验，突出学生思维认知能力。设问有层次，在（1）和（2）的設问中，加强学生成功的体验，增强学生自信心。设问（3）和（4）难度逐渐递增，实现区分各等级学生的目的。本题主干知识覆盖面广，素材源于教材而高于教材，综合考查了学生的氧还观、变化观等学科观念，落实了证据推理与模型认知、科学探究与创新意识的学科核心素养。通过具体实例，使学生认识到化学反应是有历程的，发展了宏观辨识与微观探析核心素养。此外，硫氰酸盐本身具有一定的毒性，对环境带来严重的影响，本题涉及的素材为废水中的SCN-的去除提供了一种策略和方向，发展了学生“绿色化学”的观念。

2.由试题引发的思考

试题编制过程中，命题者思考过很多问题，同时试题面世后，也备受同行关注，进而引发对试题以及对教学的一些思考，现摘选一二，仅供老师们一起参考研究。

思考1.依据【试题】中实验Ⅱ和实验Ⅳ能否得出反应i和反应ii的速率大小关系？

不难看出，上述三种见解是基于不同的信息基础对同一事实的合理猜测和推断。据此可以看出微观探析是在现有判据的基础上（已学、资料），结合宏观现象，对微粒之间的作用进行合理猜测。正如新课标[1]学业水平4-1中描述的一样：“能在物质及其变化的情境中。依据需要选择不同方法，从不同角度对物质及其变化进行分析和推断；能根据物质的类别、组成、微粒的结构、微粒间作用力等说明或预测物质的性质，评估所做说明或预测的合理性”。也正是如此，我们强调试题情境的真实性、原创性。原创的真实的试题能够有效的公平、客观的考查学生的素养水平和分析问题解决问题的能力，有效的减少因刷题导致的成绩拉平效应。

参考文献

[1]中华人民共和国教育部.普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）[S].北京：人民教育出版社，2020.

[2]孙旭阳. H2O2/（Fe2+/Fe3+）体系均相催化氧化金矿废水中硫氰化物及再生氰化物的研究[D].大连：大连工业大学，2016.