课程标准高考化学试题科学探究能力考查初探 单旭峰 (教.doc

课程标准高考化学试题科学探究能力考查初探单旭峰（教育部考试中心, 北京 100084）摘要:在新课程理念指导下， 提出了高考化学试题科学探究能力的考查主要包括实验方案设计、按规定选择仪器和药品完成实验操作（用语言描述操作步骤）、实验数据处理与解释、实验方案评价、技能考查等方面。关键词：高考；化学试题；科学探究能力文章编号：10056629(2009)04003105 中图分类号：G633.8 文献标识码：B我国基础教育改革以科学探究为突破口，提倡以科学探究的方式进行学习。普通高中化学课程标准要求学生通过亲身经历和体验科学探究活动，激发学习的兴趣， 增进对科学的情感，理解科学的本质， 学习科学探究的方法， 初步形成科学探究能力1。1 科学探究科学探究有两层含义，一是指科学家用于研究人类未知的自然界各种活动；二是指学生用以获取知识、领悟科学的思想观念，领悟科学家研究自然界所用的方法进行的各种活动2。对于科学探究，无论是在实验室进行实验探究，还是查阅资料、调查研究等进行理论探究，其过程大致要经历8个步骤：提出问题、猜想与假设、制定计划、进行实验、收集证据、结论与解释、反思与评价、表达与交流。对学生的探究能力的评价也主要把握这8要素进行。这两年课程标准高考化学科目试题对探究能力的考查主要涉及猜想与假设、制定计划、收集证据、结论与解释、反思与评价、表达与交流等过程，而不包括进行实验具体操作的过程。随着课程改革的推进以及高考评价方式的改革，今后对探究能力的考查既要注重探究活动结果的评价，也要加强对科学探究实践过程的评价。2 探究试题设计理念由于对探究能力考查的特殊性，试题命制要遵循如下的设计理念3：2.1 真实性科学探究一般都具有真实的情景4， 因此用于评价科学探究能力的试题要以生产、生活、科研等实际为背景。与生活实际相结合的情境性问题，对于学生来讲具有趣味性, 同时比较贴近学生的生活，有利于学生认识化学学科和人类生活的密切关系，可以引导学生关注与化学相关的社会问题，培养学生的社会责任感。2.2 开放性对于科学探究能力的评价应加强试题的开放性。同时，开放性的试题有利于促进学生的发展和全面评价学生。开放性原则要求试题命制着重考查学生多角度、多侧面、多层次地思考问题、理解试题, 多渠道处理信息和结果多种表述方式,培养学生的发散性思维和创新能力。开放性的试题包括试题内容的开放、解决问题过程与方法的开放、试题答案的开放以及以上形式兼而有之的开放等多种开放形式。考生只要充分发挥思维的创造性和发散性，利用学过的知识和试题给出的信息进行解题，只要答案合理即可给分，只有这样才能全面地考查学生的创造性思维和探究能力。2.3 新颖性只有题目的背景内容是新颖的，才能实现对能力的考查。只有新颖才能避免运用题海战术应付考试的学习方式，才能引导学生进行主动参与探究式的学习方式，才能培养学生科学探究的能力。3 科学探究试题示例及技能考查探索化学实验的本质和探究学习方法的特征决定了化学实验是科学探究的重要途径。这两年的高考化学试题都是以实验为依托对探究能力进行考查，根据各种探究能力的模型和国外探究能力考查的评价目标5,6， 将目前高考中的探究能力分解成实验方案设计、按规定完成实验操作（用语言描述操作步骤）、实验数据处理与解释、实验方案评价等四个方面的技能。按规定完成实验操作通常是中学规定的学生实验或者是规定实验的改造，是学生进行探究学习的基本技能和要求，对此不进行详细的讨论，下面将从实验方案设计、实验数据处理与解释、实验方案及结果评价及综合探究能力等方面进行举例，对考查探究能力的试题进行研究，以期改善和推进科学探究能力的考查。31 实验方案设计技能考查实验方案设计型试题，属于对学生探究能力的较高能力层次要求。不仅要深刻理解化学基本理论还要熟悉掌握常见元素及其化合物的物理和化学性质、制备原理和方法，兼顾各个实验要素，进行实验方案的设计以达到题目的要求。此类试题可以培养学生发现问题、分析问题，寻求实验现象和结论的关系；可以从本质上促使学生在平时注重对科学的实验方法和缜密的科学思维的训练。如例1，以铝铜铁相关元素及其化合物的性质为背景，考查学生对物质进行检验的实验技能和对实验室常用仪器的主要用途和使用方法的了解，考查学生设计实验方案的能力。例1（2007年广东化学试题）已知某混合金属粉末，除铝外还含有铁、铜中的一种或两种，所含金属的量都在5%以上。请设计合理实验，探究该混合金属粉末中铁、铜元素的存在。仅限选择的仪器和试剂：烧杯、试管、玻璃棒、量筒、容量瓶、滴管、药匙；1 molL-1硫酸、2 molL-1硝酸、2 molL-1 NaOH溶液、20 % KSCN溶液。完成以下实验探究过程：（1）提出假设：假设1：该混合金属粉末中除铝外还含有_元素；假设2：该混合金属粉末中除铝外还含有_元素；假设3：该混合金属粉末中除铝外还含有Fe、Cu元素；（2）设计实验方案基于假设3，设计出实验方案（不需要作答）。（3）实验过程根据（2）的实验方案，叙述实验操作、预期现象和结论。同时可以依据单质及化合物的性质，要求考生设计操作简单并且具有明显现象的实验。例如：2007年广东21题第4小问“不用其他试剂，检查NH4Cl产品是否纯净的方法及操作”；2007年海南13题最后一问“请设计一个实验方案，比较（Br2）和（Cl2）单质氧化性的强弱”； 2008年海南16题最后一问“请设计一个实验，验证产物是氮化镁”。32 实验数据处理与解释技能考查实验数据和结果的处理，既可以是直接报告实验数据，也可以是从有关数据中归纳出定量的计算公式、绘制清晰、明了、直观的实验变化曲线，从而总结出反应的规律和实验结论。下题例2是以影响化学反应速率的外界因素（如浓度、温度）及其规律为背景，考查学生对表格数据的观察、分析以及处理实验数据归纳出合理结论的能力。对、的数据进行分析可以得出，c(I-)增大一倍，反应速率同时也增大一倍，因而反应需要的时间减小到一半。对、的数据分析，同样可以得到反应速率和时间与c(S2O82-)的关系。得到这些结论之后，就可以对问题(1)、(2)、(4)进行解答了。结合平时学过的知识：温度升高，速率增大，因而反应时间减小，从而可以得出问题(3)的答案。解答此题的过程，需要利用实验得出的数据，结合已经学过的知识，探究反应物浓度对化学反应速率的影响。例2（2007年广东化学试题）“碘钟”实验中，3I-S2O82-I3-2SO42-的反应速率可以用I3-与加入的淀粉溶液显蓝色的时间t来度量，t越小，反应速率越大。某探究性学习小组在20进行该实验，得到的数据如下表1所示： 表1回答下列问题：(1)该实验的目的是_。(2)显色时间t1 _。(3)温度对该反应速率的影响符合一般规律，若在40下进行编号对应浓度的实验，显色时间t2的范围为_(填字母)。(A)22.0 s (B)22.0 s44.0 s(C)44.0 s (D)数据不足，无法判断(4)通过分析比较上表数据，得到的结论是 _。无独有偶，例3同样以物质的状态、反应物浓度、温度对反应速率的影响为背景，利用表格数据考查了处理、分析实验数据和得出结论的能力。题目给出了一种化学反应速率及其影响因素的实验方案，共9组实验及相应的数据结果，其中影响反应速率的因素主要有金属与稀硫酸（影响反应速率的内因）、温度、浓度和反应物的状态（影响反应速率的外因），实验结果主要是记录金属消失的时间以及反应前后溶液的温度。本题可以分为两部分，一是分析实验中涉及到的影响反应速率的因素，并根据记录的数据得出有关的结论，这应该是学生比较熟悉的内容；二是对实验结果的进一步分析。此题也提供了科学探究实验的一个重要的方法：改变实验中某一个变量，而控制其他变量尽量相同，从而通过实验观察这一变量改变对实验结果的影响，这是一般比较观察与科学探究实验比较观察的重要区别，也是中学阶段科学探究实验的最重要的方法之一。例3 (2007年海南化学试题)下表2是稀硫酸与某金属反应的实验数据： 表2分析上述数据，回答下列问题：（1）实验4和5表明，_对反应速率有影响，_反应速率越快，能表明同一规律的实验还有_（填实验序号）；（2）仅表明反应物浓度对反应速率产生影响的实验有_（填实验序号）；（3）本实验中影响反应速率的其他因素还有_，其实验序号是_；（4）实验中的所有反应，反应前后溶液的温度变化值（约15 ）相近，推测其原因：_。33 实验方案及结果评价技能考查评价是指为了某种目的，对观念、作品、答案、方法和资料的价值和符合准则的程度做出的定量和定性的判断。评价能力在布卢姆的认知领域分类中属于最高等级。高考化学学科实验评价能力的考查则突出了考生对实验方案的全面理解和判断，其中大多数要求考生对方案的可行性、简便性和目的性进行评价。对评价能力的考查的试题大多数具有较大的思考容量和很强的综合性，这就要求考生细心冷静地审题，将学过的知识与试题给出的信息进行组合，从而对试题给出的实验进行全面的评价。如例4可以考查学生对测试铁片中铁元素的含量两种方案进行全面分析和评价的能力。试题中没有给出关于此铁片的任何信息，这就要求考生分析此铁片可能含有的杂质。因为实验方案的不同，不同杂质会给实验的准确性带来不同的影响。例如第一种方案的最准确的解释是“不一定准确，如果铁片中存在与稀硫酸反应并能生成氢气的其他金属，会导致结果偏高；如果铁片中存在与稀硫酸反应而溶解、但不产生氢气的铁的氧化物，会导致结果偏低；如果上述情况均不存在，则结果准确”。评分参考中指出，只要能把自己的回答解释清楚，就可以得到相应的分数，表现出试题的真实性和答案在一定程度上的开放性，同时也体现了以能力等级为评价标准的新课程的理念。此试题考后统计表明，难度值为0.315，区分度高达0.539。例4（2008年宁夏理综化学试题）为测试一铁片中铁元素的含量，某课外活动小组提出下面两种方案并进行了实验（以下数据为多次平行实验测定结果的平均值）：方案一：将a g铁片完全溶解于过量稀硫酸中，测得生成氢气的体积为580 mL（标准状况）；方案二:将g铁片完全溶解于过量稀硫酸中，将反应后得到的溶液用0.02000 molL-1的KMnO4溶液滴定，达到终点时消耗了25.00 mL KMnO4溶液。请回答下列问题：（1）配平下面的化学方程式（将有关的化学计量数填入答题卡的横线上）：KMnO4+FeSO4+H2SO4=Fe2(SO4)3+MnSO4+K2SO4+H2O（2）在滴定实验中不能选择_式滴定管，理由是_；（3）根据方案一和方案二测定的结果计算，铁片中铁的质量分数依次为_和_；（铁的相对原子质量以55.9计）（4）若排除实验仪器和操作的影响因素，试对上述两种方案测定结果的准确性做出判断和分析。方案一_（填“准确”“不准确”“不一定准确”），理由是_；方案二_（填“准确”“不准确”“不一定准确”），理由是_。34 上述各个探究技能综合考查综合考查这些能力就是要求在试题上呈现探究的整个过程，要求考生对模拟实际探究过程的试题进行全面的理解和认识，实现对探究过程中的各个要素的考查。例题5能很好地把考查实验方案设计及数据处理与解释技能相结合，以影响化学反应速率的外界因素为知识背景，考查学生对化学反应速率概念、反应速率的定量表示方法以及对质量守恒定律含义的理解。题目首先要求考生根据实验目的要进行探究影响反应速率的因素，设计反应的实验条件和选择反应物的类型；在此基础上根据实验的反应条件和反应物的类型，进行反应速率的估算和反应产物的质量的精确计算，并将数据转化变成以图表的形式表达出来。此题也体现了新课程考试大纲规定的“能够将分析解决问题的过程和结果，用正确的化学术语及文字、图表、模型、图形等表达，并做出解释的能力”考试目标的要求。例5（2008年广东化学试题）某探究小组用HNO3与大理石反应过程中质量减小的方法，研究影响反应速率的因素。 所用HNO3浓度为1.00、2.00 molL-1，大理石有细颗粒与粗颗粒两种规格，实验温度为298 K、308 K，每次实验HNO3的用量为25.0 mL、大理石用量为10.00 g。（1）请完成以下实验设计表3，并在实验目的一栏中填出对应的实验编号： 表3（2）实验中CO2质量随时间变化的关系：依据反应方程式 CaCO3+HNO3=Ca(NO3)2+CO2+H2O, 计算实验在7090 s范围内HNO3的平均反应速率（忽略溶液体积变化，写出计算过程）。（3）请在答题卡的框图中，画出实验、和中CO2质量随时间变化关系的预期结果示意图。对试题的实验方案进行评价（通常试题已给出的实验方案是不合理的，要求考生对此进行解释），然后根据题目的要求进行合理的简单的实验方案设计，从而达到实验要求的目的。这样就同时进行了实验评价与设计技能的考查。例6就是以这样的方式进行了科学探究能力诸要素的考查。此题是以铁氧化物为载体，在实验室对该催化剂中铁元素的价态进行探究。首先要求考生对题目给出的“将适量稀硝酸加入少许样品中，加热溶解；取少许溶液，滴加KSCN溶液后出现红色。一位同学由此得出该催化剂中铁元素价态为+3的结论”进行评价。接下来，要求考生对此催化剂中的铁的价态进行假设和猜想，然后根据题目给出的实验仪器与试剂，设计实验方案对假设和猜想进行验证。在实验方案的基础上，要求利用所给仪器并在充分考虑相关实验基本操作和试剂用量的基础上，形成具体的实验步骤。最后，运用正确的化学术语及简洁的文字进行表达，同时结合相关化学知识给出对应假设的相应的预期现象与结论。此题虽然没有考查实验具体的动手操作能力，但是把科学探究的各个要素都进行了考查，是课程标准考试进行科学探究能力考查的又一道好题。例6（2008年广东化学试题）某种催化剂为铁的氧化物。化学兴趣小组在实验室对该催化剂中铁元素的价态进行探究：将适量稀硝酸加入少许样品中，加热溶解；取少许溶液，滴加KSCN溶液后出现红色。一位同学由此得出该催化剂中铁元素价态为+3的结论。（1）请指出该结论是否合理并说明理由_。（2）请完成对铁元素价态的探究限选实验仪器与试剂：烧杯、试管、玻璃棒、药匙、滴管、酒精灯、试管夹；3 molL-1 H2SO4、3% H2O2、6 molL-1 HNO3、0.01 molL-1 KMnO4、NaOH稀溶液、0.1 molL-1 KI、20 % KSCN、蒸馏水。卡上作答） 提出合理假设假设1：_；假设2：_；假设3：_。 设计实验方案证明你的假设（不要在答题卡上作答） 实验过程根据的实验方案，