用好高考化學實驗題 培養學生證據意識

趙長宏

證據意識，是化學學科核心素養的重要內容。教育部公布的《普通高中化學課程標準》[1]指出：“具有證據意識，能基于證據對物質組成、結構及其變化提出可能的假設，通過分析推理加以證實或證偽；建立觀點、結論和證據之間的邏輯關系?！币虼?，化學教學中既要培養學生收集信息、處理信息、基于證據進行科學分析和推理的能力；又要引導學生學會搭建證據和結論間的思維路徑，做到分析推理結果的科學性和有效性。

一、問題的提出

在教學中經常會發現學生對證據意識關注不夠。主要表現為：愿意做選擇題，不愿意做簡答題；愿意回答“是不是”“對不對”的問題，不會思考“為什么”的問題；在簡答題中，更多關注用到什么知識點，而不關注如何將知識點以完整的思維路徑進行展示和表述；聽習題講評時，也只注重答題結果正確與否，而不關心解題證據的尋找和挖掘。長此以往，不僅損失了思維能力提升和鍛煉的機會，更缺少了科學研究所必需的證據推理意識。

二、解決問題的方法

學生的證據意識需要有意識地培養?；瘜W是以實驗為基礎的學科。由于化學的學科特點，在獲取證據的過程中，常會采用實驗的方法，以實驗現象和實驗數據做為檢驗假設的證據[2]，因此化學實驗是培養學生證據意識的重要素材。高考化學實驗題，在真實、復雜的實驗情境中，充分整合核心物質性質、物質轉化途徑、物質變化條件，實驗現象復雜多變，影響因素多種多樣。充分利用高考實驗素材，可以幫助學生學會如何有效篩選、提煉有用信息，結合已有的知識進行分析、解釋和推理，完善分析推理路徑，從而不斷提高基于實驗事實或實驗證據的分析推理能力，提高證據意識。

1.精心挑選高考例題 準確判斷思維難點

以2011年北京高考理綜第27題為例[3]。

題干闡述：甲、乙同學為探究SO2與可溶性鋇的強酸鹽能否反應生成白色BaSO3沉淀，用圖1所示裝置進行實驗(夾持裝置和A中加熱裝置已略，氣密性已檢驗)。

圖1 反應裝置

題中已知：將Cu和濃硫酸的混合物加熱后，A中有白霧生成，銅片表面產生氣泡。將氣體通入B和C的可溶性鋇鹽溶液中，均得到不溶于稀鹽酸的白色沉淀。

選題理由：本題以銅和濃硫酸反應生成的SO2的性質為載體展現了一個完整的探究過程。該探究過程不僅含有“提出問題、猜想和假設、進行實驗、收集證據、解釋和結論、反思與評價、表達與交流”等要素，而且蘊含解決問題的科學方法和深入思維的過程。學生需要面對含有多種變量的問題，控制變量、進行假設、運用實驗逐一驗證，這樣才能得到合理而科學的結論[3]。而這正是一個依據假設收集證據、利用證據支撐結論的過程。

對于高三的學生而言，結合已有的知識，可以分析得出，銅片和濃硫酸加熱反應時生成SO2；從復分解反應角度，學生也可以判斷得出，題中兩種可溶性鋇鹽中生成的不溶于稀鹽酸的白色沉淀，只能是BaSO4，不會是BaSO3，因此探究實驗的結論很明顯。但是，對于SO2通入B中的BaCl2溶液和C中的Ba(NO3)2溶液中，為什么都會出現BaSO4沉淀，需要學生主動調用已有的知識，并且通過對題中所給信息的仔細篩選、甄別和處理，進行深入細致的對比分析、假設、推理和驗證，才能得出。

因此，適合選做例題，指導學生進行證據分析和推理的實踐。

2.“聚焦—拆解—分析—引導”凸顯證據推理過程

(1)依據學情 實現問題聚焦

關于SO2通入C中的Ba(NO3)2溶液中出現BaSO4沉淀的原因，學生很容易發現過程中S元素化合價發生了變化，并能夠結合已有的氧化還原反應知識，在體系中尋找引起化合價變化的原因：因為SO2溶于水后溶液呈酸性，酸性溶液中NO3—具有強氧化性，將+4價的S元素氧化為+6價S元素，從而生成BaSO4沉淀。所以，可以判斷出C中溶液體系中自身存在的氧化劑是出現BaSO4沉淀原因。

而對比B中的BaCl2溶液，體系自身并沒有提供強氧化劑，但是也產生了BaSO4沉淀。因此，教學中將問題聚焦為“B中的BaCl2溶液中可產生不溶于稀鹽酸的BaSO4沉淀產生的原因”。

(2)改編信息 實現難點拆解

結合學生已有知識和對題意的分析掌握程度，設計驅動性問題，將聚焦的難點問題進一步拆解、轉化，引導學生再思考。

問題1：SO2能和Ba(NO3)2溶液反應生成BaSO4沉淀，為什么？

意圖：引導學生回憶實現物質轉化的氧化還原反應視角。

問題2：SO2能和BaCl2溶液反應生成BaSO3沉淀嗎？為什么？

意圖：探查學生關于物質反應的判斷視角是否全面，引導學生從物質類別和化合價變化兩個角度實現物質轉化。

問題3：若使SO2和BaCl2溶液反應生成BaSO3沉淀，需要補加哪些物質？為什么？

意圖：在“補加”物質的任務驅動下，引導學生觀察在沒有化合價變化的前提下，只從物質類別轉化角度，引導學生思考反應發生的條件和實現反應的路徑。

問題4：若使SO2和BaCl2溶液反應生成BaSO4沉淀，需要補加哪些物質？為什么？

意圖：通過改變產物中S元素化合價，引導學生思考既有物質類別變化、又有化合價變化的情況下，思考轉化原理，選擇“補加”物質，再次夯實實現物質轉化的兩個常見角度。

(3)對比分析 實現思維外顯

對于SO2能和Ba(NO3)2溶液反應生成BaSO4的思考路線如圖2所示。

對于SO2通入BaCl2溶液中出現BaSO4沉淀的思考路線如圖3所示。

圖3 SO2通入BaCl2溶液中反應過程的思考路線

由此，制造認知沖突：兩個體系中雖然都生成了BaSO4沉淀，但是原因是不一樣的。前者很容易在體系中找到氧化劑，而后者在體系中并沒有合適的氧化劑。因此，將SO2通入BaCl2溶液中，若發生氧化還原反應，需要在環境中尋找是否有合適的氧化劑；若不發生氧化還原反應，需要思考何種反應、何種物質的介入可以產生BaSO4沉淀。從而引領學生深入思考，除了SO2氣體外，同時還有何種氣體可能進入了可溶性鋇鹽溶液，如何證明？這樣，將學生的分析思路由單一的氧化還原反應實現物質轉化，引向對實現物質轉化的多角度的分析；將學生的觀察視角由單一的反應體系內物質的觀察，引向對體系、環境、反應條件等多重因素的全面審視。

(4)引導推理 實現證據支撐

關于第一種可能性，SO2和BaCl2溶液反應生成BaSO4沉淀的原因是發生氧化還原反應，那么環境中是否有合適氧化劑？觀察實驗裝置示意圖，學生可以發現，因為實驗前沒有進行排空操作，所以空氣中氧氣可能是潛在的氧化劑。而證實假設的方法就是先排空后再進行實驗。這在原題中第四個小問題設問及解答過程中有所體現，教學中可以作為實驗證據提供支持。

關于第二種可能性，若不發生氧化還原反應，從BaCl2的性質考慮，可以通過發生復分解反應，和可溶性硫酸鹽或者硫酸生成BaSO4沉淀。根據硫酸鹽和硫酸沸點分析比較，硫酸銅揮發的可能性極小，因此可能是加熱條件下揮發出的硫酸蒸氣進入體系。證實的方式是將SO2氣體通過飽和NaHSO3溶液除雜后再進行實驗。這個假設和驗證同樣在原高考題的第四個小問題設問中有所體現。

至此，教學中設計“問題聚焦—難點拆解—思維外顯—證據尋找”的過程，幫助學生體驗了收集信息、處理信息的過程，依據信息提出合理假設，并基于證據進行科學分析和推理、證實或證偽。學生能夠體會到，在解決真實復雜實驗問題時，學會全面關注體系、環境或者反應物、生成物以及副反應、副產物的出現，學會分析干擾因素、篩選信息，選擇確鑿的證據，學會搭建證據和結論間的思維路徑，是實驗結果具有科學性和有效性的重要保證。

三、教學后的感悟

1.設計良好驅動性問題 示范推理路徑 有利于學生證據意識培養

學生證據意識的培養，需要學生自主發現問題、提出假設以及收集證據、獲得結論[1]。而這種自主性的培養，需要在教師精心設計驅動性問題的引領下逐漸形成。精心設計的驅動性問題，不僅可以幫助學生夯實典型物質性質，鞏固物質轉化思路，更能引導學生思維逐漸走向高階，由單一到多元、由孤立到全面，在理論猜想的基礎上敢于調動已有知識和能力進行大膽的實驗設計和驗證，在不知不覺中體會真實復雜問題解決過程中證據推理過程和證據意識的重要性。

2.認真選擇高考例題 制造認知沖突 讓高考題成為高考教學的真實素材

不將高考題照搬全抄，而是對精選高考題根據教學需要進行節選或者改編，從學生已知的、熟悉的物質反應和物質變化入手，讓學生經歷“理論分析”和“真實問題解決”過程中的認知沖突，幫助學生逐步完善有效證據和科學結論間的分析推理路徑，提升學生證據意識和科學精神。使得在整個教學過程中，學生始終圍繞明確教學主題展開思考和討論，注意力集中，不僅提高課堂效率，更體現了高考題作為教學素材要為高考教學服務的宗旨。

3.教師適當展開追問 引導思維生長 幫助學生構建證據和結論間的關聯

探究教學的核心是學生基于自己的基礎和經驗對問題做出假設，并在證據的基礎上進行合理解釋。思維水平高的學生可以解決難度大、開放度大的問題，而思維水平較低的學生可以選擇難度較小的問題進行探究活動，活動過程中教師還可以根據學生的情況，隨時給予引導和支持[2]。不同思維水平的學生探究能力各不相同。教師圍繞具體細節問題進行有目的地追問，盡量外顯完整思維路徑，可以幫助思維水平較低的學生在問題驅動下，不斷收集、篩選和應用信息，進行基于證據的分析推理。讓學生認識到真實問題的復雜性和多變性，養成有意識梳理證據和結論間關聯的思維習慣，更讓學生體會到在具體問題解決中，證據和推理路徑的重要性，不斷提升證據意識。