初中化学实验探究题的设计新视角.docx

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初中化学实验探究题的设计新视角

初中化学实验探究题的设计新视角

实验探究题具有立意新、综合性强、考查知识面宽、能力要素高的特点，成了近几年中考比较热点的题型。

这就要求教师在平时的教学实践中，也要善于借鉴并总结各地高考和中考命题改革的经验，研究、改编和创新设计实验探究题。

本文结合自己在教学实践中改编、创新设计的一些实验探究题，谈谈这类试题的设计新视角。

1  注重对化学变化的再思考，设计实证性实验探究题

在课堂实验中，对于物质是否发生化学变化、变化后生成什么，仅凭一些表面的现象难以让学生信服，有时也经常出现某些实验后的产物与预期的情况不一致，有的是产物中含有杂质，有的是直接得不到预期的产物，这些往往需要通过实验来进一步证实。

教师要善于把握住这些在课堂实验中生成的问题，引导学生抓住化学变化的本质进行探究，并设计一些实证性实验探究题，培养学生严谨的科学态度，严密的思维能力。

[例1]某中学化学兴趣小组在学习了《金属与矿物》一章后，到实验室中模拟工业炼铁的原理，探究CO与Fe2O3反应后的产物（所用装置如下图所示）。

【搜集资料】

（1）铁有多种氧化物，常见的有：

Fe2O3、FeO（黑色）、Fe3O4（其中Fe元素化合价为+2、+3），都能与稀盐酸反应；

（2）通常所说的“加热”一般使用酒精灯，火焰的温度约在400~500℃；而“高温”一般使用酒精喷灯或煤气灯来实现，温度可达700~1000℃；

（3）铁的氧化物的热稳定性顺序是FeO﹥Fe3O4﹥Fe2O3。

【提出猜想】Fe2O3全部参加反应后所得固体的成分可能是①Fe，②FeO，③Fe3O4，④     ，⑤     ，⑥    ，⑦    ，⑧        （可不填满，也可添加）。

【实验探究】主要步骤如下：

①准确称取一定质量纯净的Fe2O3固体和澄清的石灰水并按上图要求进行实验；

②观察到管内固体全部变为黑色时停止加热，用磁铁靠近玻璃管，固体能被吸引；

③冷却后重新称量玻璃管内的固体以及变浑的石灰水的质量；

④取少量反应后的固体倒入试管中，向其中滴入足量的稀盐酸，并适当加热，发现固体逐渐溶解，溶液呈黄绿色，但自始自终都没有气泡产生；

⑤另取少量反应后的固体倒入试管中，向其中滴入2mLCuSO4的浓溶液，未见红色固体生成。

再用磁铁靠近试管，发现管内黑色固体仍然能被吸引。

实验所测定的有关数据如下：

实验数据

物质质量

实验前

实验后

数据Ⅰ

玻璃管内的固体质量（g）

3.0

2.9

数据Ⅱ

B装置（石灰水和广口瓶）的质量（g）

53.0

54.6

【实验分析】

（1）根据步骤②，可确定Fe2O3固体     （填“全部”、“部分”）参加了反应，理由是                   。

（2）根据步骤④⑤，可确定反应后的固体中一定不存在                             ，理由是                           。

（3）实验中的数据            （填“Ⅰ”或“Ⅱ”）不可靠，理由是                                                        。

【实验结论】该实验中CO与Fe2O3反应后的产物是                     （提示：

根据可靠的实验数据进行计算）。

此时发生反应的化学方程式为                                                                           。

【反思与评价】

（1）步骤③中所得溶液中的溶质为                                                。

（2）该实验中出现这样的结果可能与哪些因素有关？

请提出你的一种猜想                                                  。

解析：

【提出猜想】对于可能生成的三种物质Fe、Fe3O4、FeO运用组合思维就可得到答案。

【实验分析】

（1）固体全部变黑说明不存在Fe2O3。

（2）步骤④⑤验证了固体不具有铁的性质，从而确定不存在铁。

（3）实验中进行定量分析，从原理上两组数据都可以计算出Fe2O3失去的氧元素的质量；但仔细分析装置发现：

装置B是用石灰水来吸收CO2气体，石灰水本来较稀且B中的导管伸入广口瓶太浅，这将导致生成的CO2未被完全吸收，因此数据Ⅱ不可靠。

【实验结论】数据Ⅰ：

反应前后铁元素质量不变，失去的氧元素质量为m（O）=3.0g－2.9g=0.1g，所以生成物中铁、氧元素的质量分别为2.1g、0.8g；于是可推出生成物的化学式为Fe3O4。

根据反应物和生成物可写出：

CO+3Fe2O32Fe3O4+CO2。

【反思与评价】

（1）根据信息可知：

Fe3O4中Fe元素化合价为+2、+3，所以反应后的溶液中的溶质为HCl、FeCl2、FeCl3。

（2）铁的氧化物的热稳定性顺序是FeO﹥Fe3O4﹥Fe2O3，所以可推理出：

还原性的顺序是Fe2O3→Fe3O4→FeO→Fe。

因此，可以提出以下猜想：

可能是因为使用酒精灯的缘故或加热的时间不够长导致反应的温度不够高，从而未能使Fe2O3中的铁充分被还原出来。

接下来还可以提出改进方案，继续进行实验探究。

评析：

这类对化学变化再思考而设计的实验探究题，要求学生仔细分析实验过程，抓住实验的细节：

反应物（种类、纯度、用量）、实验操作的步骤、反应的条件等因素。

解决问题的过程中要抓住化学变化的本质、充分运用题目的信息并结合质量守恒定律进行理性分析、判断和推理。

类似上述实验的素材还有：

酸碱中和反应的确认、烧碱变质的研究、“氧立得”制氧奥秘、“污渍爆炸盐”除顽固污渍的奥秘、“暖手宝”发热的原理、镁在空气中的燃烧的产物、一氧化碳还原氧化铜的产物、氢气在氧气中燃烧的产物、镁条放入氯化铜溶液中的产物、乙醇燃烧的产物、钠与硫酸铜溶液反应的产物等。

2  注重对实验方案的再优化，设计定量性实验探究题

   在科学实验中经常需要进行定量研究，实验前要围绕实验目的进行思考：

运用什么原理？

需要测定的哪些数据？

怎样来测定这些数据？

有哪些方法？

哪些数据是有效的？

测定的过程中可能有哪些因素干扰？

怎样避免干扰？

教师把这些问题综合起来，设计一些定量性实验探究题，可培养学生开放性思维，使学生学会对所学的化学原理进行综合应用。

在搜集多种方案的过程中又培养学生缜密的思维和实验评价能力，学会分析误差的原因并设计实验来减少误差，保证实验数据的真实性。

[例2]在学习了盐的性质以后，某校化学兴趣小组的同学开展了测定Na2CO3和NaCl的固体混合物中Na2CO3质量分数的探究实验。

他们设计了如下的实验方案：

【方案一】气体分析法。

（1）如右图1所示，把Xg的混合物与足量稀硫酸反应后，测定产生的CO2气体的体积。

检查该装置的气密性的方法是：

                                  。

主要缺陷

对实验结果的影响

（2）有同学提出以图2代替图1中的收集装置，则所测CO2气体的体积  （填“偏大”、“偏小”、“不变”），理由是                            ，你的改进方案是                         ；广口瓶内原有的空气对实验结果                    （填“有”或“没有”）影响。

如果利用改进后的装置测得CO2气体的体积为VmL（此时CO2气体的密度为ρg/mL），则原混合物中Na2CO3质量分数的计算式为                              。

（3）也有人用图3装置测定CO2的质量（用碱石灰的成分是CaO和NaOH的混合物，可吸收CO2气体）。

则图3实验装置主要存在哪些缺陷？

这些缺陷对实验结果有何影响？

【方案二】沉淀分析法（如图4所示）。

则：

（1）沉淀A的化学式是                         ，溶液M中的溶质的化学式为                          。

（2）确定CaCl2溶液是否过量的方法是                                                  。

（3）该固体混合物中Na2CO3的质量分数的计算式为                              。

（4）导致测定的结果偏大的原因可能是                                  。

【方案三】盐酸滴定法（如图5所示）。

则：

（1）“操作2”的名称是                      。

（2）根据实验数据计算该固体混合物中Na2CO3的质量分数为                               。

解析：

【方案一】

（1）考查气密性的检查方法：

关闭A处活塞，将注射器活塞拉出一定距离，一段时间后松开活塞，观察活塞是否回到原位。

（2）因CO2能溶于水且与水反应，导致结果偏小；改进方案是将广口瓶中的水改为饱和的CO2水溶液或在水面上覆盖一层植物油等。

因实验结束后瓶内残留的CO2气体与排出的空气体积相等，所以广口瓶内的空气对结果无影响。

Na2CO3的质量分数为106ρV/44X。

（3）图3装置的缺陷主要体现在：

①产生的CO2气体中混有水蒸气，同时被碱石灰吸收，导致结果偏大；②反应结束后装置内残留的CO2气体不能全部排出，导致结果偏小；③球形干燥管与空气相通，也会吸收空气中的CO2和水蒸气，导致结果偏大；④球形干燥管内的碱石灰与CO2接触不充分（U型管的效果会更好），吸收不完全，导致结果偏小；⑤实验开始时，装置内的空气中会有部分CO2也会被碱石灰吸收，导致结果偏大等。

【方案二】

（1）溶液M中的溶质是NaCl和过量的CaCl2。

（2）用CaCl2溶液过量的目的是将Na2CO3全部转化为沉淀。

检验方法：

静置，向上层清液中继续滴加CaCl2溶液，若无沉淀说明CaCl2溶液已过量。

（3）106Y/100X。

（4）沉淀未洗涤干净或可能干燥不充分。

【方案三】

（1）反应后得到NaCl溶液，其中含有少量盐酸，可通过蒸发的操作获得NaCl固体，同时也除去盐酸。

（2）设原固体混合物中NaCl的质量为x，则参加反应的Na2CO3的质量为11.6g－x，生成的NaCl质量为12.7g－x，所以Na2CO3的质量分数为（11.6g－1g）÷11.6g×100%=91.4%。

本题还可以再问：

是否有其它的测定方法？

   评析：

这类对实验方案再优化而设计的实验探究题，要求学生对涉及的化学原理要比较熟悉，实验目的比较明确，学会运用“头脑风暴”法搜集多种方案并进行评价和选优。

解决问题的过程中要结合实验的情景，对测定的数据进行思考、分析，排找实验不严密的部分并设法改进。

类似上述问题的素材还有：

测定变质后的烧碱固体中NaOH的质量分数、测定空气中氧气含量、测定Cu-Zn合金中Cu、Zn的含量、测定人呼出的气体或竹节内的气体或鱼鳔内的气体中氧气的含量等。

3  注重对化学工艺的再分析，设计推理性实验探究题

在化工生产、化工研究中，通常会设计了一些清晰的工艺流程，演绎真实的化学。

有的虽然比较复杂，但涉及的化学原理和思想却是基本的；有的虽然涉及到学生没有学到的知识，但通过信息处理和类比就可以得到解决。

教师可根据这些流程来设计一些推理性实验探究题，对培养学生的信息处理能力、推理和类比思维的能力非常有益，可以让学生学到分析和解决化学问题的方法，感悟到化学的真实性。

[例3]据统计，每年世界上银总消耗量的40%用于感光材料的生产，感光材料经曝光、显影、定影后,黑白片和彩色片上的银分别达80%、100%进入废定影液，所以废定影液中银的含量是十分惊人的。

某研究性学习小组拟对某照相公司的废定影液进行实验处理，回收其中的银和溴（Br2）。

【相关资料链接】

①定影的原理是：

定影液中的硫代硫酸钠（Na2S2O3）跟胶片或相纸上没有感光部分的溴化银（AgBr）固体反应，生成易溶性的Na3[Ag（S2O3）2]和溴化钠（NaBr）。

②在酸的作用下，Na3[Ag（S2O3）2]能转化为不溶性的Ag2S。

反应原理为：

6HCl+2Na3[Ag（S2O3）2]=6NaCl+Ag2S↓+3S↓+3SO2↑+H2SO4+2H2O。

③废定影液中含有少量溴化银，可用锌将其中的银置换出来。

④四氯化碳是一种有机溶剂，常温下为液体，可溶解液溴，与水和其它无机物不相溶。

【实验流程设计】

【实验问题分析】

（1）步骤①所用的盐酸需要稍过量的目的是                       ，加入盐酸操作时的要求是                            。

（2）步骤②中所发生的化学反应有（写出反应的化学方程式）：

               、                 、                      。

（3）“操作Ⅰ”的名称是                     ，所用的玻璃仪器有                 、                     、                   。

（4）步骤③是在空气中灼烧的。

该反应的化学方程式：

                                             。

如果步骤③反应不完全，请你提出一种改进措施                                                     。

（5）步骤④通入氯气的目的是将NaBr和ZnBr2溶液中的Br置换出来，试写出NaBr与氯气反应的化学方程式                                                        ，根据金属与盐溶液反应的规律推测出氯气和液溴的活泼性强弱关系是：

液溴                               氯气（填“大于”、“小于”或“等于”）。

（6）萃取是一种将互不相溶的液体混合物进行分离的方法，具体操作见下图所示，其中A的仪器名称为       ，经萃取后所得到溶液Ⅲ的名称为                        。

（7）操作Ⅱ与从石油中分离各成分原理相同。

操作Ⅱ中有一种必要的仪器未画出，它是                           ，操作Ⅱ的原理是                                      。

（8）尽管该实验后的废液倒入指定的容器中，并回收再利用，但整个实验过程仍不符合环保的要求，其原因是                                          。

解析：

（1）在定影过程中产生了Na3[Ag（S2O3）2]，需要用酸来处理，转化成Ag2S；为使反应充分进行，因而所用的酸是稍过量的，同时在操作时要求边加边用玻璃棒搅拌（或振荡）。

（2）步骤②中加锌粉的目的是消耗三种物质：

过量的盐酸、反应后生成的硫酸以及原废液中的AgBr。

（3）考查了过滤操作。

（4）步骤③中灼烧反应为：

Ag2S+O22Ag+SO2，该反应本质上是用氧气将其中的硫元素转化成SO2，因此，氧气要充足，必要时可放在有氧气的环境中或添加某中在加热时释放出氧气的物质，使硫化银完全被氧化。

（5）非金属与盐溶液发生的置换反应，类似于金属与盐溶液发生的置换反应，进而可迁移类推得出非金属的活动性：

液溴小于氯气。

（6）考查了溶液的命名方法（溴的四氯化碳溶液），使用的分液漏斗进行萃取操作（这种操作方法学生是见过的：

在教材中曾涉及到“从大豆中提取油脂”）。

（7）尽管初中对蒸馏不作要求，但学生已经熟悉石油中各成分的分离以及分离液态空气的事实，这些事实的共同原理都是利用液体中各成分的沸点不同进行分离的，学生可以迁移。

（8）这是对实验流程是否存在污染的评价。

这就要求学生从新在整体上审视工艺流程，不难看出：

在步骤③中加热时产生了SO2气体未经处理，会造成空气污染，这是不完美的地方。

本题还可以再设问：

如何消除步骤③的污染？

评析：

这类对化学工艺再分析而设计的实验探究题通常以框图的形式出现，它能较好地实现知识点之间的联系与沟通，要求学生提取题目中提供的有效信息，分析并进行加工，对工艺流程有完整的印象，从整体上把握实验目的。

解决问题的过程中，要学会迁移类推教材中的相关知识，综合进行分析、判断和推理。

类似上述化学工艺的素材还有：

用纯碱制取烧碱、电解饱和食盐水制取烧碱、牙膏中的摩擦剂碳酸钙粉的制取、豆腐的制作、废水的治理、侯氏联合制碱法、从海带中提取碘、废电池的再生、绿矾的制备等。

4  注重对环保热点的再研究，设计应用性实验探究题

   环境保护、节能减排是当今热点的话题。

这类问题的应用性强，需要学生将所学的化学知识运用到实际情景中，在解决问题的过程中提高能力。

教师在平时可有意识地关注这些问题，在查阅相关资料的基础上来改编、设计一些实验探究题，引导学生运用化学的基本思想、基本方法来解决实际问题，挖掘学生的学习潜能，增强学生保护环境的意识，关爱健康的意识等，让学生从化学与社会的联系中体会和感悟到学习化学的价值。

[例4]在工业生产上规定空气中的二氧化硫的允许排放量不得超过0.02mg/m3，否则将危害人类的健康，造成环境污染。

某研究性学习小组欲利用“碘量法”测定某化工厂附近空气中SO2的含量，请你参与并协助他们完成相关学习任务（部分装置如下图所示）。

【测定原理】碘溶液吸收SO2的化学反应原理是：

SO2+I2+2H2O=H2SO4+2HI。

【测定步骤】

①先准确称取2.54mg粉末状纯碘（I2），并称一定量的碘化钾（碘化钾可增大碘在水中的溶解度），加水使之完全溶解，配制成1000mL碘水，准确量取此溶液5.00mL并稀释10倍，再滴加2～3滴淀粉指示剂即得所需的碘溶液。

②从①中量取稀释后的碘溶液5.00mL并倒入洗气瓶中。

量取液体时需要用到的仪器有                   、           。

则该溶液中所含碘的溶质质量分数的为                              （此时溶液的密度看作为1.0g/cm3）。

③到指定的测试地点抽气，每次抽气100mL，直到反应恰好完全进行为止，记录抽气次数（n）。

则抽气时应如何操作？

                                           。

实验同学

甲

乙

丙

丁

戊

抽气次数

86

78

75

84

77

④小组的其他同学再到不同地点重复实验4次（每次所取的碘溶液均为5.00mL）。

这样做的目的是               。

5次实验的抽气次数记录见右表。

【交流讨论】

（1）所配制的碘溶液显                色，实验中表明恰好完全反应的现象是                                        。

（2）所配制的碘溶液浓度过浓、过稀都不合理，试分析浓度过浓不合理的原因是：

                                     。

（3）研究性学习小组用该方法测定空气中的SO2含量时，所测得的数值比实际含量低，请你对可能的原因（假设溶液配制、称量或量取及各种读数均无错误）提出一种合理假设：

                                       。

（4）实验结束后，该小组成员在相互交流的过程中一致认为实验装置应加以改进，有同学提议：

可将插入碘溶液的管子下端改成具有多孔的球泡（如右图所示），有利于提高实验的准确度，其理由是                                   。

（5）试通过计算说明该工厂附近空气中SO2的含量是否超标？

   解析：

【测定步骤】②本题是溶液的配制与稀释问题。

思路为：

1000mL碘溶液ω（I2）=2.54×10-6，另取5.00mL稀释10倍后ω′（I2）=2.54×10-7。

③根据图示，空气的流向是从左向右，因此在抽气时应打开a阀门，关闭b阀门，向外拉动注射器活塞。

④实验要排除偶然性，取样要可靠，实验要多次，这样便于取平均值，减少实验的误差。

【交流讨论】

（1）因碘水中含有淀粉，碘与淀粉作用呈蓝色。

实验原理是用SO2与碘反应，当碘完全耗完时，溶液由蓝色变为无色。

（2）浓度过浓，含有的碘较多，需要的反应物SO2较多，从而会导致抽气的次数过多，时间过长，废时麻烦，且容易导致误差的产生。

（3）该实验成功的关键是：

要让空气中的SO2与碘溶液充分反应，因此要做到注射器压送气体速度不宜过快、导气管伸入碘溶液中不宜太浅、装置气密性良好等。

（4）可增大气体与溶液的接触面积，使空气中的SO2被充分吸收。

（5）稀释后的碘溶液5.00mL中m（I2）=2.54mg×5/1000×1/10=1.27×10-4mg。

根据化学方程式解得m（SO2）=3.2×10-4mg。

5位同学的平均抽气次数为80次，则：

空气中SO2的含量为：

3.2×10-4mg÷100×80×10-6m3=0.04mg/m3﹥0.02mg/m3，所以该工厂附近空气中的SO2含量超标。

评析：

这类对环保热点的再研究而设计的实验探究题，要求学生熟练运用化学的基本知识，理解整个实验过程，并关注实际操作中一些细节所隐含的要求。

在解决问题的过程中，要透过问题看本质，寻找“中心问题”，化繁为简，准确找到有效信息并作出科学判断，同时也要注意在计算中所涉及的数据的单位。

类似上述环保热点的素材还有：

新装修居室污染物的测定、机动车废气排放的测定、水污染物含量的测定、二恶英以及苏丹红等污染食品事件、工厂和实验室污染物的测定等。

   当然，化学实验探究题的设计视角还有很多，教师在教学中还可以在知识的跨度、广度、与实际的联系上多综合，在知识的迁移上多思考，在实验的异常现象上多分析，精心挑选素材，从化学学科的基本思想、基本方法入手，以能力立意为核心，突出知识的应用，突出对学习方法、学习能力的考查，调整设问的角度和层次，同时要遵“本”（遵守教材、课程标准）、循“纲”（考试说明、教学要求等），在不超越学生应有的知识和技能的前提下，设计出更新、更有价值的实验探究题，引导学生展开探究，培养学生应用知识解决实际问题的能力。

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部.全日制义务教育化学课程标准（实验稿）[M].北京师范大学出版社,2001.7

[2]刘怀乐．一氧化碳还原氧化铁的实证探索与教学思考［J］．化学教学，2007（11）：

13-16.

[3]赵华．考查化学信息素养的综合探究题［J］．化学教学，2007（9）：

62-65.

[4]陈方．谈化学应用型综合题的教学策略［J］．化学教学，2002（10）：

35-38.

本文发表在《化学教学》2008年第9期（10-14）