以实验图像育关键能力

浙江湖州市菱湖中学（313018） 沈红兵

在“一体、四层、四翼”理念中，“四层”是指必备知识、关键能力、学科素养、核心价值。其中的关键能力的内涵又是什么呢？杨季东、王后雄等人通过对多位专家进行问卷调查，归纳出高中化学学科的关键能力主要包括化学表征能力、实验与探究能力、化学方法和分析能力、化学信息处理能力、发现与提出问题能力、证据推理与论证能力、模型认知能力等七个方面的能力。

化学实验图像题具有鲜明的化学学科特色，它将化学实验信息外显或内隐于图像中，让学生通过对图像的观察和解读提取相关要素，再结合化学模型运用化学原理进行理解和作答，可以有效考查学生的关键能力。本文结合浙江省选考题就教学活动中如何基于实验图像落实对学生化学关键能力的培养展开讨论。

一、化学关键能力的解读

化学表征能力：对化学事物进行描述表征，包括从宏观现象、微观粒子、化学符号等角度解释和理解化学物质变化和微粒相互作用的能力。实验与探究能力：在化学问题的研究中能够提出合理假设并确定实验目的，设计实验方案，运用化学实验方法进行探究以验证假设的正误，获得对化学现象的合理解释的能力。化学方法和分析能力：对化学知识进行概括、比较，归纳总结物质性质与物质结构的相互联系，能从氧化还原、化学平衡、宏观与微观结合等多个角度分析与解决实际问题的能力。化学信息处理能力：发现信息中的关键内容并将其与已有知识相联系，进行迁移应用或判断选择等综合处理的能力。发现与提出问题能力：具有科学精神和创新精神，敢于质疑，对化学实验中的异象或数据处理中的偏差进行思考和分析，能够从化学情境中发现和提出有价值的问题的能力。证据推理与论证能力：基于化学事实，结合物质组成和结构，根据物质性质提出假设，通过分析推理加以证实或证伪，在假设、证据和结论之间建立逻辑关系的能力。模型认知能力：认识研究对象的本质特征、构成要素及其相互关系，建立模型并能够运用模型解释化学现象的能力。

二、实验图像与关键能力的关系

化学实验图像既是考查学生关键能力的重要载体，又是培养学生关键能力的重要素材。一个化学实验图像可以包含对多种关键能力的考查。例如，2018 年11 月浙江选考化学第28 题的实验图像如图1所示。

图1

该题对化学表征能力的考查体现在学生对前四支试管中的现象描述上；对化学方法和分析能力的考查体现在，学生对“浓硫酸与铜的化学反应”“二氧化硫具有漂白性和还原性，可以用碱性溶液进行尾气处理，易溶于水，不能和氯化钡溶液发生复分解反应”等知识点是否熟悉；对化学信息处理能力的考查体现在，学生能否提取题中试剂和装置的有效信息，能否将实验装置与教材中的“浓硫酸与铜反应实验”相整合，进而理解本实验为浓硫酸与铜反应制备二氧化硫以及二氧化硫气体的性质检验实验；对证据推理与论证能力的考查体现在学生对试管Ⅱ加热、冷却时不同现象的原因解释上；对模型认知能力的考查体现在，学生能否将本实验纳入气体制备实验的模型，并从一般模型出发认识到气体制备装置包括发生装置、净化装置、收集（性质检验）装置、尾气处理装置等。不同图像所涉及的关键能力会有所不同，教学中教师需要采用不同的教学方法和策略进行针对性培养。

三、基于实验图像培养关键能力的策略

（一）积累实验经验，重视“原型”联想

“原型”是学生在平时学习过程中对基础知识特别是书本知识形成的模板记忆，它能够让学生“触景生情”，快速找到思路。高中化学教学中，教师应尽量为学生亲身体验实验过程创造条件，这样学生才能在大脑中形成实验“原型”。例如，2019年4月浙江选考化学第31题考查装置连接，题目图像如图2所示。

图2

图2 中的仪器都是高中化学实验中常用的，其原型为气体实验装置。如果学生有丰富的实验积累，熟悉气体制备和吸收处理装置，对图2 中仪器的选择、使用和连接就会驾轻就熟。从化学实验的思维参与量的角度出发，我们不妨将实验分为硬件部分和软件部分。硬件部分主要包括对实验仪器的认识和基本操作的掌握。由于现实情况是部分学生极少有机会真正参与到化学实验中，这使得学生对一些中学常见实验仪器并不熟悉。例如，部分学生对直形冷凝管和球形冷凝管的使用混淆不清，我们在课堂中可以通过实验来直接对比。如海带中碘元素的提取实验，要对碘的四氯化碳溶液进行蒸馏，分别用直形冷凝管和球形冷凝管进行实验，明显发现球形冷凝管的球泡部分有积液；在溴苯制备实验中三颈烧瓶配套两种冷凝管进行实验，观察冷凝效果。只有真正使用过，学生才能将“原型”刻在脑海中。在基本操作上学生表现出的问题主要是不规范，一方面原因是接触实验的机会少，另一方面是教师不够重视，甚至为应对考试出现“背操作”的情况，当题目较为灵活时学生就会一筹莫展。软件部分主要指对实验目的、原理、设计思路的理解等，尤其是对教材实验的方案设计一定要有深刻的理解。

（二）准确理解题意，强化信息处理

信息处理能力是化学关键能力的重要组成部分，它主要体现在审题环节。科学的审题方式有助于学生准确理解题意从而顺利作答。在教学过程中，教师可以从以下两个方面对学生进行针对性指导和训练。

（1）分门别类，整理外显信息

实验图像题往往信息繁多，不同的信息具体该用在哪里、怎么使用，是学生在审题过程中遇到的常见问题。教师可以通过指导学生对题目信息进行分类和整理加以解决。例如，2017 年11 月浙江选考化学第31题的图像如图3所示。

图3

可以将题中所给信息分为实验试剂信息（包括铝箔、氢氧化钠溶液、二氧化碳、氢氧化铝、硫酸溶液、硫酸钾溶液、氧化铝、明矾、盐酸、氯化氢气体、六水合氯化铝）和实验操作信息（包括洗涤、灼烧、冷水浴、抽滤、干燥、晶体培养），实验试剂主要对应物质转化，实验操作主要对应分离提纯。整个流程分为4 个部分，第一部分由铝箔获得氢氧化铝，涉及的试剂有铝箔、氢氧化钠溶液和过量二氧化碳，操作涉及过滤。第二部分由氢氧化铝转变为氧化铝，涉及的操作是灼烧。第三部分由氢氧化铝得到明矾晶体，涉及的试剂有硫酸溶液和硫酸钾溶液。第四部分由氢氧化铝制得六水合氯化铝，涉及的试剂为氯化氢气体，操作有抽滤、洗涤、干燥。分类整理后学生就容易理解整个流程为铝箔和氢氧化钠溶液反应生成偏铝酸钠，通入过量二氧化碳又生成氢氧化铝沉淀；采用过滤法分离难溶性液体和固体，因此胶状固体为氢氧化铝固体；加入盐酸又反应生成氯化铝，所以溶液A 的主要溶质为氯化铝；经蒸发浓缩、冷却结晶、过滤、洗涤、干燥系列操作得到氯化铝结晶水合物。另外，工艺流程图中以箭头表示的流程步骤也是很有价值的信息，对理解过程变化有很大的帮助。例如，上述流程中由铝箔变成的胶状固体在分离步骤前处于水溶液体系中，而分离步骤后只剩胶状固体，由此可断定分离操作为过滤。

（2）多设疑问，挖掘内隐信息

有些实验图像题给人关键信息缺失或者部分信息无法理解的感觉，这是命题者在设置题目时将部分可阐明题意的关键点内隐所致。这类问题主要出现在条件控制和方法选择上，教师可以引导学生多设疑问、层层推进加以解决。例如，2017 年4月浙江选考化学第31题的图像如图4所示。

图4

考题设问“冰水浴冷却的目的是什么”并要求回答出两种。分析可知，冰水浴瓶为制取NaClO2的主反应场所，冰水浴意为控制低温条件。设疑1：条件控制和什么相关？（与物质性质相关）设疑2：瓶内物质有哪些？（ClO2、H2O2和NaOH）设疑3：这些物质的性质中与温度有关的有哪些？（ClO2常温下为气体，温度越高溶解度越小，低温有利于ClO2在水中溶解，充分反应；H2O2热稳定性差，低温可以减少分解）通过这样的层层设疑，将题目中内隐的ClO2和H2O2的性质挖掘出来，使学生能够正确理解题意并解答。

（三）夯实基础知识，加深模型认知

高考命题要求立足中学知识来解决实际问题，因此许多考题的题干中会给出超出考试大纲的提示信息，要求学生结合已有知识模型，运用提示信息来完成推导过程，并基于提示信息和已有知识推理反应原理和条件控制。在教学中教师要引导学生观察提示信息，联系知识模型。例如，图5 为2016年10月浙江选考化学第31题的图像。

图5

其知识模型来自苏教版《实验化学》中摩尔盐制备课题和七水硫酸锌晶体制备的拓展课题，通过教学应使学生建立从溶液中获得结晶水合物的一般操作模型。类比题目中的硝酸铜晶体同样带有结晶水，从而得出蒸发浓缩的操作应为蒸发至溶液表面出现晶膜为止。

又如，2020 年1 月浙江选考化学第30题（4）的图像如图6所示。

图6

已知LiI·3H2O 在75～80 ℃转变成LiI·2H2O，80～120 ℃转变成LiI·H2O，300 ℃以上转变成无水LiI；LiI 在空气中受热易被氧化。问设备X 的名称并说明采用该方案可以提高LiI纯度的理由。学生结合图给的300 ℃的信息分析判断出LiI·3H2O 完全失去结晶水，提示中还提到LiI易被氧化，结合这些信息推理出设备X 的作用应为减少装置内的空气，由此推断它为减压装置（抽气装置）。

对工艺流程类型的问题可以建立如下模型：①从物质转化角度可以理解为由原料到产品。观察产品的元素组成，分析原料中哪些元素是必需元素，分别由什么物质提供，哪些元素是杂质元素；对比原料和产品中核心元素的化合价，判断是否需要加入氧化剂或者还原剂，若需要，原料中什么物质起氧化或还原作用。②从实验操作角度可以理解为分离提纯。厘清杂质元素分别在什么步骤中去除，利用了什么性质，采用了什么操作方法。③从变化原理角度可以理解为条件控制。原料、产品、添加剂分别具有什么性质特点，采用什么温度、溶液、催化剂等条件对流程最有利。通过这样的模型构建，学生便于把握工艺流程的题解题思路，形成关键能力。

（四）注重思维培养，提升分析能力

化学教学的目的应体现在对学生思维习惯和分析能力的培养上。如对于实验数据的曲线图像，怎样引导学生以面（横纵坐标的意义）、线（变化趋势）、点（特殊点的理解）的顺序进行观察和理解，建立一般方法成了教学重点。例如，2018年11 月浙江选考化学第31 题的图像如图7所示。

图7

设问为“为了得到颗粒大小相对均一的较大晶粒，宜选择何种方式进行冷却结晶”。学生的错误解答主要有以下几种：一是误以为快速降温的曲线最平缓，故颗粒大小相对均一；二是变速降温的曲线有纵坐标最高点，故选择变速降温（答案虽正确，但学生并未真正理解图像意义）；三是忽视题目信息，机械教条地认为缓慢降温一定能得到较大颗粒的晶体；四是无法将横纵坐标建立联系，只能盲选。要正确解答需弄清不同的结晶方式下不同颗粒大小的晶粒的分布。固定横坐标，曲线上点的纵坐标高低代表质量分数的大小，而质量分数大意味着该大小的晶粒占比大，相同大小的晶粒占比大又意味着晶粒相对均一，所以选择变速降温。

总之，化学实验图像题除了注重考查理论知识，还注重考查学生的关键能力。在平时教学中教师应深入研究和分析化学实验图像题考查关键能力的方式和类型，从而更好地指导学生，真正有效地培养学生的化学关键能力。