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        “控制變量法”與高考化學(xué)試題命制

        2013-11-08 08:06:26張秀球
        中國考試 2013年9期
        關(guān)鍵詞:控制變量法命制試題

        張秀球

        隨著新課程改革的深入,無論是化學(xué)課堂教學(xué),還是高考試題的命制,探究學(xué)習(xí)都受到越來越多的研究?!?013普通高等學(xué)校招生全國統(tǒng)一考試大綱(理科)》清晰表述了對探究實(shí)驗(yàn)測量的要求:“設(shè)計(jì)、評價(jià)或改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方案”,“了解控制實(shí)驗(yàn)條件的方法”,“分析或處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),得出合理結(jié)論”[1]。什么是“控制實(shí)驗(yàn)條件的方法”呢?它在高考化學(xué)試題命制中有何特點(diǎn)呢?這是筆者要努力回答的問題。

        1 控制變量法

        “控制實(shí)驗(yàn)條件的方法”就是控制變量法,即把多因素的問題變成多個(gè)單因素的問題,每一次只改變其中的某一個(gè)因素,而控制其余幾個(gè)因素不變,從而研究被改變的這個(gè)因素對事物的影響,然后分別研究其他因素,最后綜合解決問題。它是科學(xué)探究中的重要思想方法,廣泛地運(yùn)用在各種科學(xué)探索和科學(xué)實(shí)驗(yàn)研究之中。

        把“控制變量法”運(yùn)用于具體實(shí)驗(yàn)研究時(shí),常常稱為對照實(shí)驗(yàn)。即在具體的實(shí)驗(yàn)操作中,我們把除了對實(shí)驗(yàn)所要求研究的條件(因素)或操作改變以外,其他條件(因素)都保持一致,并把實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較,這種實(shí)驗(yàn)為對照實(shí)驗(yàn)。通常,一個(gè)對照實(shí)驗(yàn)分為實(shí)驗(yàn)組和對照組。實(shí)驗(yàn)組,是接受實(shí)驗(yàn)變量處理的對象組;對照組也稱控制組。對照實(shí)驗(yàn)的方法在化學(xué)實(shí)驗(yàn)中有四種,具體見表1。

        表1 對照實(shí)驗(yàn)的類別及其比較

        控制變量法或?qū)φ諏?shí)驗(yàn),是一種歸納推理,其運(yùn)用分類、對比差異的方法,從現(xiàn)象中找到結(jié)果。把那些與被研究的現(xiàn)象不能同步出現(xiàn)或消失或變化的候選原因或候選結(jié)果排除,把唯一留下的那個(gè)現(xiàn)象或因素看成被研究現(xiàn)象的原因或結(jié)果[2]。依據(jù)實(shí)驗(yàn)提供充分的證據(jù),得出相應(yīng)的科學(xué)結(jié)論。

        2 相關(guān)高考化學(xué)試題的命制特點(diǎn)

        2.1 表格中體現(xiàn)出控制變量的思想

        實(shí)驗(yàn)探究教學(xué)的要素是“提出問題、猜想假設(shè)、設(shè)計(jì)方案、實(shí)施實(shí)驗(yàn)、收集數(shù)據(jù)、得出結(jié)論、交流表達(dá)、實(shí)驗(yàn)評估”[3],它要和實(shí)驗(yàn)探究能力統(tǒng)攝一起反映在試題之中,和試題的要素相得益彰。那么什么是試題的要素呢?試題的要素包括“立意、情境、設(shè)問、答案與評分標(biāo)準(zhǔn)”[4]。實(shí)驗(yàn)試題以探究能力為立意,圍繞立意設(shè)計(jì)豐富、新穎、多樣化的情境,追求設(shè)問的針對性和巧妙性,答案規(guī)范、有創(chuàng)見并與評分標(biāo)準(zhǔn)一致。為了體現(xiàn)試題生動活潑,一般會插入圖表、坐標(biāo)、裝置、模型等,對立意進(jìn)行多樣化表征。

        表格設(shè)計(jì)在對照實(shí)驗(yàn)中屬于常見方法,在人民教育出版社出版的《化學(xué)反應(yīng)原理》“影響化學(xué)反應(yīng)速率的因素”[5]中就使用了6個(gè)表格進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),體現(xiàn)控制變量的思想。所以高考試題用表格設(shè)計(jì)考查探究能力,是學(xué)生“熟悉的情境”,也是實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的常用表征方法。例如2009年安徽省高考28題。

        例1(2009年安徽省高考28題部分)fenton法常用于處理含難降解有機(jī)物的工業(yè)廢水,通常是在調(diào)節(jié)好pH和Fe2+濃度的廢水中加入H2O2,所產(chǎn)生的羥基自由基能氧化降解污染物?,F(xiàn)在運(yùn)用該方法降解有機(jī)污染物p-CP,探究有關(guān)因素對該降解反應(yīng)速率的影響。

        [實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)]控制p-CP的初始濃度相同,恒定實(shí)驗(yàn)溫度在298K或313K(其余實(shí)驗(yàn)條件見表2),設(shè)計(jì)如下對比實(shí)驗(yàn)。

        請完成以下實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)表2(表中不要留空)。

        表2

        試題設(shè)置了“對照組”——實(shí)驗(yàn)①,要求“實(shí)驗(yàn)組②”探究溫度的影響。也就是說,溫度是變化因素,而pH、H2O2和Fe2+濃度都是控制因素?!皩?shí)驗(yàn)組③”則是從逆向推理的方法,需要學(xué)生觀察對比表格,判斷變化的因素,然后表達(dá)“實(shí)驗(yàn)的目的”。在考查的知識向度上與實(shí)驗(yàn)②一致,但考查的方式上和能力要求上有一定變化。這道作為安徽省新課程改革初期的實(shí)驗(yàn)探究試題,應(yīng)該說是成功的,但隨著課程改革的深入,試題的隱藏性會更大,待挖掘性更深。

        2.2 現(xiàn)象中表現(xiàn)出控制變量的思想

        實(shí)驗(yàn)試題有2個(gè)關(guān)鍵因素,一個(gè)是試題的真實(shí)性,還有一個(gè)是實(shí)驗(yàn)的過程性。真實(shí)性體現(xiàn)實(shí)驗(yàn)的生命力,過程性則是探究學(xué)習(xí)的重要維度??刂谱兞康乃枷胧沁\(yùn)用對比分析的方法尋找原因,而在真實(shí)的探究世界中,不一定有邏輯上兩極的“是與非”狀態(tài)。如果課堂上認(rèn)真實(shí)施了探究教學(xué),多數(shù)情況下是主次要因素的分析與辨別。另外,這么多年來,高考實(shí)驗(yàn)試題努力做到2個(gè)分開:把做實(shí)驗(yàn)的與講實(shí)驗(yàn)的分開、把做思結(jié)合的與做而不思的分開。這兩種分開也要靠實(shí)驗(yàn)的真實(shí)性與過程性來實(shí)現(xiàn)。所以,描述“實(shí)驗(yàn)中的現(xiàn)象”而非“書本上的現(xiàn)象”是命制此類試題的本質(zhì)要求。從異常現(xiàn)象中,運(yùn)用對比分析的方法,尋找主次因素,凸顯探究學(xué)習(xí)的內(nèi)涵。例如2011年北京市高考27題。

        例2(2011年北京市高考27題部分)甲、乙兩同學(xué)為探究SO2與可溶性鋇的強(qiáng)酸鹽能否反應(yīng)生成白色BaSO3沉淀,用圖1所示裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)(夾持裝置和A中加熱裝置已略,氣密性已檢驗(yàn))

        圖1

        實(shí)驗(yàn)操作和現(xiàn)象(見表3):

        (4)分析B中不溶于稀鹽酸的沉淀產(chǎn)生的原因,甲認(rèn)為是空氣參與反應(yīng),乙認(rèn)為是白霧參與反應(yīng)。

        表3

        為證實(shí)各自的觀點(diǎn),在原實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上:甲在原有操作之前增加一步操作,該操作是________;

        進(jìn)行實(shí)驗(yàn),B中現(xiàn)象(見表4):

        表4

        檢驗(yàn)白色沉淀,發(fā)現(xiàn)均不溶于稀鹽酸。結(jié)合離子方程式解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象異同的原因:_________。

        試題以濃硫酸與銅反應(yīng)為情境,3次再現(xiàn)真實(shí)的“實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象”。其中,“A中有白霧生成,銅片表面產(chǎn)生氣泡,B中有氣泡冒出,產(chǎn)生大量白色沉淀、C中產(chǎn)生白色沉淀液面上方略顯淺棕色并逐漸消失”都略顯“異常”和“矛盾”。甲乙兩學(xué)生進(jìn)行了假設(shè):“甲認(rèn)為是空氣參與反應(yīng),乙認(rèn)為是白霧參與反應(yīng)”。這2個(gè)假設(shè)“好像”構(gòu)成了邏輯上的“兩極”。可是實(shí)驗(yàn)結(jié)果是“都有沉淀”?,F(xiàn)象中沉淀的“多與少”就構(gòu)成對比思考的基點(diǎn),決定了因素“主與次”,這種主次因素反映了科學(xué)思維的特質(zhì)??茖W(xué)探究中控制變量是對復(fù)雜因素的分析方法之一,是在多因素、多條件下思維的方法。如何增強(qiáng)證據(jù)的說服力?怎樣設(shè)計(jì)與合理解釋實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象?如何判斷相隨現(xiàn)象與因果關(guān)系?都是這種科學(xué)歸納的方法必需面臨的問題。

        2.3 選項(xiàng)中隱蔽著控制變量的思想

        無論是給出具體的單變量表格,還是描述實(shí)驗(yàn)事實(shí),都是一種“外顯式”的出題方式,學(xué)生比較容易找到變量得出結(jié)論。但是,隨著高考命制技術(shù)的發(fā)展與成熟,越來越深的“隱藏式”出題方式得到應(yīng)用。這種命題方式設(shè)置了新的陌生情境,考生不一定能理解到其中控制變量的思想,也就是說試題有良好的遮蔽性。

        選擇題中的選項(xiàng)可以提供很多信息,好像為學(xué)生解決問題提供了支撐。如果信息不具有某種相互提醒的作用,且呈現(xiàn)形式又遠(yuǎn)離“對照實(shí)驗(yàn)”的常用“原型”——列表對比,那么其隱藏性就不會低于非選擇題。由于用變量進(jìn)行列表對比,可以增加實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的清晰性,所以教材編寫和探究學(xué)習(xí)常常使用這種樣式。而學(xué)生在平時(shí)的學(xué)習(xí)中,已將這種“原型”存于認(rèn)知結(jié)構(gòu)中。遇到新的問題,最易提取的就是匹配新情境的“原型”及其線索。一旦匹配程度降低,解題就增加了困難。所以“隱藏式”命題會盡量避開教材中的原型,尋找新的突破口。在主干知識上,如果試題情境及其呈現(xiàn)形式與學(xué)生真正的“原型”相距越遠(yuǎn),那么對學(xué)生能力要求就會越高,同時(shí)其規(guī)避應(yīng)試的作用也越好。比如2009年北京市高考27題。

        例3(2009年北京市高考27題部分)(14分)某學(xué)習(xí)小組探究濃、稀硝酸氧化性的相對強(qiáng)弱的,按圖2裝置進(jìn)行試驗(yàn)(夾持儀器已略去)。實(shí)驗(yàn)表明濃硝酸能將NO氧化成NO2,而稀硝酸不能氧化。由此得出的結(jié)論是濃硝酸的氧化性強(qiáng)于稀硝酸。

        圖2

        可選藥品:濃硝酸、3mol/L稀硝酸、蒸餾水、濃硫酸、氫氧化鈉溶液及二氧化碳

        已知:氫氧化鈉溶液不與NO反應(yīng),能與NO2反應(yīng)2NO2+2NaOH=NaNO3+NaNO2+H2O

        (6)實(shí)驗(yàn)結(jié)束后,同學(xué)們發(fā)現(xiàn)裝置①中溶液呈綠色,而不顯藍(lán)色。甲同學(xué)認(rèn)為是該溶液中硝酸銅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高所致,而乙同學(xué)認(rèn)為是該溶液中溶解了生成的氣體。同學(xué)們分別設(shè)計(jì)了以下4個(gè)實(shí)驗(yàn)來判斷兩種看法是否正確。這些方案中可行的是(選填序號字母)

        a.加熱該綠色溶液,觀察顏色變化

        b.加水稀釋綠色溶液,觀察顏色變化

        c.向該綠色溶液中通入氮?dú)?,觀察顏色變化

        d.向飽和硝酸銅溶液中通入濃硝酸與銅反應(yīng)產(chǎn)生的氣體,觀察顏色變化

        試題已經(jīng)展示了兩種觀點(diǎn):甲同學(xué)認(rèn)為是該溶液中硝酸銅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高所致,而乙同學(xué)認(rèn)為是該溶液中溶解了生成的氣體(NO2)。硝酸銅與二氧化氮顏色疊加產(chǎn)生新的顏色,學(xué)生在平時(shí)的訓(xùn)練題中也遇到過。但是,這里以選項(xiàng)的形式提供了4種方案,每一種方案都將變量隱藏在新的情境之中,學(xué)生知道顏色疊加原理也無法有效提取變量,得分率很低。如果筆者把選項(xiàng)形式轉(zhuǎn)化為下列表格形式(見表5),那么答案一下就清楚明白了,大部分學(xué)生都不會感覺困難。

        表5 不同條件下c(Cu2+)、c(NO2)濃度變化

        2.4 實(shí)驗(yàn)評價(jià)中蘊(yùn)含控制變量的思想

        實(shí)驗(yàn)評價(jià)是實(shí)驗(yàn)探究的一個(gè)重要環(huán)節(jié),這個(gè)環(huán)節(jié)能很好地考量學(xué)生的思維水平,在布盧姆的教育目標(biāo)分類標(biāo)準(zhǔn)中屬于高級思維層次[6]。首先,評價(jià)是學(xué)生基于標(biāo)準(zhǔn)或準(zhǔn)則的分析判斷過程。在新情境之中,第一,要依據(jù)相關(guān)知識作為標(biāo)準(zhǔn),學(xué)生一般較易找到相關(guān)的知識標(biāo)準(zhǔn);第二,是依據(jù)探究方法作為標(biāo)準(zhǔn),比如依據(jù)“控制變量法”作為標(biāo)準(zhǔn),學(xué)生就不一定容易找到。如果學(xué)生缺乏“控制變量法”的系統(tǒng)思想培訓(xùn)或者對“對照實(shí)驗(yàn)”的概念模糊不清、理解不透,同時(shí)又缺乏基本的探究實(shí)踐活動,那么面對這類試題就會束手無策。

        其次,需要檢查試題情境中的矛盾或錯(cuò)誤,在此基礎(chǔ)之上運(yùn)用批判性思維從正面、反面或正反兩面進(jìn)行評論。一方面,“檢查環(huán)節(jié)”中,試題的任何一個(gè)細(xì)節(jié)都可能成為解題的關(guān)鍵;而且,試題表征信息的背后還會隱含其他重要信息。另一方面,“評論環(huán)節(jié)”中要求對“直接證據(jù)”和“間接證據(jù)”進(jìn)行分類,對“強(qiáng)弱證據(jù)”進(jìn)行分類,然后才形成對“證據(jù)說服力”大小的整體判斷。比如2010年安徽28題。

        例4(2010年安徽省高考28題部分)(13分)某研究性學(xué)習(xí)小組在網(wǎng)上收集到如下信息:Fe(NO3)3溶液可以蝕刻銀,制作美麗的銀飾。他們對蝕刻銀的原因進(jìn)行了如下探究:

        [實(shí)驗(yàn)]制備銀鏡,并與Fe(NO3)3溶液反應(yīng),發(fā)現(xiàn)銀鏡溶解。

        [提出假設(shè)]

        假設(shè)1:Fe3+具有氧化性,能氧化Ag。

        假設(shè)2:Fe(NO3)3溶液顯酸性,在此酸性條件下NO3-能氧化Ag。

        [設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案,驗(yàn)證假設(shè)]

        甲同學(xué)從上述實(shí)驗(yàn)的生成物中檢驗(yàn)出Fe2+,驗(yàn)證了假設(shè)1成立。請寫出Fe3+氧化Ag的離子方程式:_________。

        乙同學(xué)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證假設(shè)2,請幫他完成表6中內(nèi)容(提示:NO3-在不同條件下的還原產(chǎn)物較復(fù)雜,有時(shí)難以觀察到氣體產(chǎn)生)。

        表6

        甲同學(xué)驗(yàn)證了假設(shè)1成立,若乙同學(xué)驗(yàn)證了假設(shè)2也成立。則丙同學(xué)由此得出結(jié)論:Fe(NO3)3溶液中的Fe3+和都氧化了Ag。你是否同意丙同學(xué)的結(jié)論,并簡述理由:_______。

        試題從問題入手,為了解決問題提供了兩種假設(shè):“Fe3+具有氧化性,能氧化 Ag;Fe(NO3)3溶液顯酸性,在此酸性條件下能氧化Ag”。第一種假設(shè),有直接證據(jù)的支持——檢驗(yàn)出Fe2+,第二種假設(shè),只有銀溶解而沒有pH相等情況下被還原的產(chǎn)物。那么兩種假設(shè)的支持力度就不一樣,結(jié)論就會不一樣。當(dāng)然,本題用硝酸鐵腐蝕銀做情境使隱含變量:氫離子濃度,從而使實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)要求以定量方式研究定性的問題,如“pH相等情況下”進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)。這也是試題的難點(diǎn)所在。

        2.5 裝置中運(yùn)用控制變量的思想

        新課程改革之前,實(shí)驗(yàn)裝置只承載著實(shí)驗(yàn)知識與技能2個(gè)維度,學(xué)生只需理解靜態(tài)時(shí)裝置的功能,以及理解實(shí)驗(yàn)如何運(yùn)行的動態(tài)要求;做到避免其他雜質(zhì)的干擾以便達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康?。而對?shí)驗(yàn)思想特別是“控制變量法”幾乎無法涉及。

        實(shí)驗(yàn)裝置中氣體的運(yùn)行主要依靠“開關(guān)”控制流向,依據(jù)“氣壓”決定走向,至于容器的形狀與體積的大小都可以“拓?fù)浠?。所以“一種儀器多種用途、多種儀器一種用途”的現(xiàn)象是很普遍的。對照實(shí)驗(yàn)是實(shí)現(xiàn)變量的對比,不是試管與試管的對比、燒瓶與燒瓶的對比。如果是涉及定性的變量,只存在有無多少的關(guān)系;如果是涉及定量的變量,則要考慮數(shù)據(jù)的一致性或可比性。儀器的形狀、大小,位置的擺放、開關(guān)的使用、條件的有無、接觸點(diǎn)的處理、儀器周圍的環(huán)境、藥品的種類與用量等,既可以影響、干擾判斷或也可以成為判斷的依據(jù),其變化之大難以預(yù)測。比如2010年北京27題。

        例5(2010北京市高考27題部分)為驗(yàn)證鹵素單質(zhì)氧化性的相對強(qiáng)弱,某小組用圖3所示裝置進(jìn)行試驗(yàn)(夾持儀器已略去,氣密性已檢驗(yàn))。

        圖3

        試驗(yàn)過程:

        Ⅰ.打開彈簧夾,打開活塞a,滴加濃鹽酸。

        Ⅱ.當(dāng)B和C中的溶液都變?yōu)辄S色時(shí),夾緊彈簧夾。

        Ⅲ.當(dāng)B中溶液由黃色變?yōu)樽厣珪r(shí),關(guān)閉活塞a。

        Ⅳ……

        (5)過程Ⅲ實(shí)驗(yàn)的目的是_______。

        裝置B、C都指向10mL1mol/L的NaBr溶液,這是隱藏變量的方式。但是,理解為什么這樣處理還需要經(jīng)過較多步驟的推理。首先,理解實(shí)驗(yàn)的目的:驗(yàn)證鹵素單質(zhì)氧化性強(qiáng)弱。這個(gè)實(shí)驗(yàn)取材于人民教育出版社的必修2“鹵素元素”的實(shí)驗(yàn)1-1[7],但書上沒有干擾因素存在。其次,要考慮實(shí)驗(yàn)中多種因素的相互干擾與制約。對比實(shí)驗(yàn)1-1與本裝置,發(fā)現(xiàn)氯氣會干擾溴置換出碘,這一步推理難度較大。然后,才可以去理解裝置的作用——“怎樣才能實(shí)現(xiàn)不對溴單質(zhì)置換碘單質(zhì)的干擾呢?”

        表7 含曲線的實(shí)驗(yàn)試題命制的基本組合方式

        2.6 曲線斜率反映了控制變量的思想

        定量實(shí)驗(yàn)在新考試大綱中定位為一種科學(xué)方法——“了解定量研究的方法是化學(xué)發(fā)展為一門科學(xué)的重要標(biāo)志”[8],可見其地位之高。有定量研究必有數(shù)據(jù)表征,坐標(biāo)曲線就是科學(xué)研究常用的一種數(shù)據(jù)表征方法。要理解曲線的實(shí)際意義,必須實(shí)現(xiàn)曲線與一般數(shù)據(jù)之間的意義轉(zhuǎn)換[9],因?yàn)榍€的意義更具隱蔽性。

        如果曲線是某種變量干預(yù)的結(jié)果,就會帶來多重干擾。解讀曲線意義,并與條件對接,尋找內(nèi)在因素,這種連環(huán)的推理方式造就試題的難度與區(qū)分度。試題既可以給定清晰的條件而隱蔽曲線的意義;也可以給定不清晰的條件而簡化曲線意義。其基本組合情況如表7。

        下面以2010年江蘇省高考15題為例。

        例6(2010年江蘇省高考15題部分)(12分)高純MnCO3是制備高性能磁性材料的主要原料。實(shí)驗(yàn)室以MnO2為原料制備少量高純MnCO3的操作步驟如下:

        (1)制備MnSO4溶液:

        在燒瓶中(裝置見圖4)加入一定量MnO2和水,攪拌,通入SO2和N2混合氣體,反應(yīng)3h。停止通入SO2,繼續(xù)反應(yīng)片刻,過濾(已知MnO2+H2SO3=MnSO4+H2O)。

        圖4

        ①石灰乳參與反應(yīng)的化學(xué)方程式為_______。

        ②反應(yīng)過程中,為使SO2盡可能轉(zhuǎn)化完全,在通入SO2和N2比例一定、不改變固液投料的條件下,可采取的合理措施有。

        ③若實(shí)驗(yàn)中將N2換成空氣,測得反應(yīng)液中Mn2+、SO42-的濃度隨反應(yīng)時(shí)間t變化如圖5。導(dǎo)致溶液中Mn2+、濃度變化產(chǎn)生明顯差異的原因是

        圖5

        本試題實(shí)驗(yàn)情境簡單,裝置易于理解。而且變量已經(jīng)給定——“若實(shí)驗(yàn)中將N2換成空氣”,但曲線的意義轉(zhuǎn)換較難。首先,必須理解1h前發(fā)生的化學(xué)反應(yīng),然后定量判斷n(Mn2+)、n()的關(guān)系。

        可以得出n(Mn2+):n()為1∶1。在1h至2h之間增多,根據(jù)得失電子守恒只有MnO2做氧化劑顯然無法滿足要求,引入O2做氧化劑才能進(jìn)一步解釋。問題是試題要求分析“導(dǎo)致溶液中Mn2+、濃度變化產(chǎn)生明顯差異的原因”。什么是“明顯差異”?是指曲線上的3h之后,溶液濃度變化遠(yuǎn)大于Mn2+。而此時(shí)僅用一個(gè)變量(O2)是無法解釋的,意味著還有隱藏得很深的變量在起到重要作用——使反應(yīng)迅速加快進(jìn)行。只有引入Mn2+做催化劑這個(gè)陌生度很高的變量才好解釋。所以曲線的蘊(yùn)藏非常豐富,在定性和定量2個(gè)維度上都能巧妙地隱含多步推理過程。

        2.7 數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)暗藏控制變量的思想

        事物變化的原因總是復(fù)雜的,是多個(gè)變量共同影響的結(jié)果,所以相互對照實(shí)驗(yàn)是實(shí)踐常用的試驗(yàn)方法。因?yàn)樗哂胸S富地對比組,容易淘汰無關(guān)變量,縮小認(rèn)知的范圍,逐步逼近事物的原因。在命制試題時(shí),如果變量達(dá)到或超過2個(gè)因素,一般采用表格表征,否則語言拖沓、字?jǐn)?shù)過多且描述不清。

        利用數(shù)據(jù)表征變量是近年來高考試題命制的趨勢之一。從數(shù)據(jù)的變化中尋找變量,從數(shù)據(jù)的對比中發(fā)現(xiàn)原因。當(dāng)然,數(shù)據(jù)是最含有隱藏性的,它總是和不同的化學(xué)反應(yīng)原理、條件聯(lián)系在一起,有時(shí)還會產(chǎn)生“矛盾”。所以對數(shù)據(jù)及其規(guī)律的“挖掘”顯得非常重要,因?yàn)閿?shù)據(jù)不但是原因的反映,也是規(guī)律的反映;同時(shí)也是錯(cuò)誤規(guī)律的反映。“數(shù)據(jù)挖掘”的3個(gè)作用是:排除無關(guān)變量,對尋找新變量的啟發(fā)作用,發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)之間的特征或規(guī)律。這3個(gè)作用既是試題命制的考慮因素,也是相關(guān)解題的思維過程。下面例7、例8、例9解釋以上三方面的作用。

        表8

        例7(2010年課表卷28題第(5)小題)

        (5)為了進(jìn)一步研究硫酸銅的量對氫氣生成速率的影響,該同學(xué)設(shè)計(jì)了如下一系列實(shí)驗(yàn)。將表8所給的混合溶液分別加入到6個(gè)盛有過量Zn粒的反應(yīng)瓶中,收集產(chǎn)生的氣體,記錄獲得相同體積的氣體所需時(shí)間。

        ①請完成此實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),其中:V1= ___,V6= ___,V9=___;

        ②反應(yīng)一段時(shí)間后,實(shí)驗(yàn)A中的金屬呈__色,實(shí)驗(yàn)E中的金屬呈___色;

        ③該同學(xué)最后得出的結(jié)論為:當(dāng)加入少量CuSO4溶液時(shí),生成氫氣的速率會大大提高。但當(dāng)加入的CuSO4溶液超過一定量時(shí),生成氫氣的速率反而會下降。請分析氫氣生成速率下降的主要原因________。

        從數(shù)據(jù)表格中可以發(fā)現(xiàn)唯一變量是硫酸銅的濃度,但是現(xiàn)象確是:“當(dāng)加入少量CuSO4溶液時(shí),生成氫氣的速率會大大提高。但當(dāng)加入的CuSO4溶液超過一定量時(shí),生成氫氣的速率反而會下降?!憋@然需要利用這個(gè)現(xiàn)象排除無關(guān)變量。濃度不是真的原因,因?yàn)樗饍蓚€(gè)截然相反的結(jié)果。少量硫酸銅可以加快反應(yīng),是因?yàn)榕cZn反應(yīng)生成銅,銅鋅形成原電池的原因。當(dāng)硫酸銅增多到一定量時(shí),有需要排除“原電池”這個(gè)原因了,需找到固體接觸面積這個(gè)原因。所以說,這個(gè)“數(shù)據(jù)挖掘”過程,就進(jìn)行了兩次有效地排除,找到合理解釋的原因。這就是命制試題時(shí)設(shè)計(jì)的“數(shù)據(jù)挖掘”。

        而例8不但要經(jīng)歷排除階段,還要經(jīng)歷到第二個(gè)階段——啟發(fā)階段。見例8。

        例8(2010年江蘇省21B第(3)小題)

        (3)下列給出了催化劑種類及用量對甲苯硝化反應(yīng)影響的實(shí)驗(yàn)結(jié)果(見表9)。

        ①NaHSO4催化制備對硝基甲苯時(shí),催化劑與甲苯的最佳物質(zhì)的量之比為_______。

        ②由甲苯硝化得到的各種產(chǎn)物的含量可知,甲苯硝化反應(yīng)的特點(diǎn)是________。

        ③與濃硫酸催化甲苯硝化相比,NaHSO4催化甲苯硝化的優(yōu)點(diǎn)有。

        試題并沒有無效變量,命制設(shè)計(jì)了2種變量——“催化劑種類及用量”,定性與定量的結(jié)合。當(dāng)幾個(gè)變量以數(shù)據(jù)的形式呈現(xiàn)時(shí),需要找出“最優(yōu)用量”或“最佳催化劑”。這就是先排除次佳,再找到最佳。完成“排除不佳”的任務(wù),需要對數(shù)據(jù)經(jīng)過多次粗略地比較;然后,精確比較數(shù)據(jù),找出最佳。試題沒有設(shè)置大的干擾,所以無論是排除還是啟發(fā)都較容易。

        例9充分體現(xiàn)了“數(shù)據(jù)挖掘”的第三個(gè)階段的要求。

        (1)該實(shí)驗(yàn)的目的______。

        表9

        表10

        (2)顯色時(shí)間t2=_____。

        (3)溫度對該反應(yīng)的反應(yīng)速率的影響符合一般規(guī)律,若在40℃下進(jìn)行編號③對應(yīng)濃度的實(shí)驗(yàn),顯色時(shí)間t2的范圍為____(填字母)

        A.<22.0s B.22.0~44.0s

        C.>44.0s D.數(shù)據(jù)不足,無法判斷

        (4)通過分析比較上表數(shù)據(jù),得到的結(jié)論是________。

        試題只涉及2種反應(yīng)物濃度的變量,而且每組數(shù)據(jù)之間都有規(guī)范的數(shù)據(jù)聯(lián)系,所以定性判斷非常容易。但是,試題著重考察的是數(shù)據(jù)規(guī)律。需要深刻理解數(shù)據(jù)之間的強(qiáng)聯(lián)系。并建立數(shù)學(xué)模型:

        學(xué)生只滿足定性理解,而不會做這種深度挖掘。這也是對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的“片面理解”,對“對照實(shí)驗(yàn)”的淺層理解所致,沒有形成完整的控制變量的思想方法所致。以上有關(guān)對“控制變量”的試題命制基礎(chǔ)性解釋,希望對正常的課堂教學(xué)有所裨益、有所啟發(fā);也期待高考試題命制得更精彩、更具創(chuàng)造性。

        [1][8]教育部考試中心,主編.2013普通高等學(xué)校招生全國統(tǒng)一考試大綱[M].北京:高等教育出版社.2013:150-180.

        [2]陳曉平.貝葉斯方法與科學(xué)合理性[M].北京:人民出版社.2010:41-49.

        [3]中華人民共和國教育部制訂.普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(實(shí)驗(yàn))[M].北京:人民教育出版社.2003:34.

        [4]教育部考試中心,主編.高考化學(xué)測量研究與實(shí)踐[M].北京:高等教育出版社.2002:228-234.

        [5]宋心琦,主編.化學(xué)反應(yīng)原理[M].北京:人民教育出版社.2007:20-24.

        [6]洛林·W.安德森,等,編著.蔣小平,等,譯.布盧姆教育目標(biāo)分類學(xué)(修訂版)/分類學(xué)視野下的學(xué)與教及其測評[M].北京:外語教學(xué)與研究出版社.2010.62-64.

        [7]宋心琦,主編.化學(xué)②[M].北京:人民教育出版社.2007:8-9.

        [9]張秀球.坐標(biāo)圖對試題難度的影響及啟示[J].化學(xué)教育,2012.(4):46-47.

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