徐明奎

摘要：2018年北京高考理科綜合第12題以考查學生化學核心素養(yǎng)申的“證據(jù)推理”和“科學探究”為主旨，具有情境選取貼近課堂、題干呈現(xiàn)新穎精煉、立意關(guān)注學科素養(yǎng)和功能導向課程改革的特點。通過對“犧牲陽極的陰極保護法”的研究，證實在一定條件下，以Zn為陽極，F(xiàn)e片可以被氧化，Zn對Fe存在不完全保護現(xiàn)象。

關(guān)鍵詞：犧牲陽極的陰極保護法，核心素養(yǎng)，試題研究

文章編號：1008-0546（2020）05-0080-03 中圖分類號：G632.41 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2020.05.021

高考化學試題由學科專家精心命制和打磨而成，新課程改革后的高考化學試題在題型總體保持穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，突出了對于化學學科核心素養(yǎng)的考查，一些具有創(chuàng)新性和示范性的高考試題值得我們深入學習和研究。本文所要賞析和研究的是2018年北京高考理科綜合第12題。

一、原題呈現(xiàn)

驗證犧牲陽極的陰極保護法，實驗如下（燒杯內(nèi)均為經(jīng)過酸化的3%NaCl溶液）

下列說法不正確的是

A.對比②③，可以判定Zn保護了Fe

B.對比①②，K₃[Fe（CN）₆]可能將Fe氧化

C.驗證Zn保護Fe時不能用①的方法

D.將Zn換成Cu，用①的方法可判斷Fe比Cu活潑

二、試題賞析

1.情境選取貼近課堂

情境是試題命制的載體，情境的真實性是試題科學性的保證。高考試題一直堅持以真實的工業(yè)生產(chǎn)、科學研究、化學實驗等為情境，這對培養(yǎng)學生應用所學知識分析解決實際問題的能力和認識化學學習的意義具有重要作用。與大多數(shù)試題情境雖然真實，但離學生的課堂學習太遠不同，本題的情境源自真實的課堂實驗，是人教版教材選修4《金屬的腐蝕與防護》一節(jié)中一個科學探究實驗。除缺少電壓表外，試題實驗中所用試劑和裝置與教材相同。試題所展示的實驗過程和結(jié)果并不是課堂實驗的原景再現(xiàn)，而是一次課堂實驗的“異?！奔昂罄m(xù)探究。如果課堂中沒有做過該實驗，僅是理論分析，學生能得出的實驗現(xiàn)象是“溶液中沒有藍色沉淀生成”，因為鋅比鐵活潑，電子由鋅流向鐵，可以防止鐵被腐蝕。高考試題命制時選取值得探究的教材實驗作為情境，能引導教師重視實驗教學，能為學生課堂上進行真實的實驗探究提供表現(xiàn)機會。

2.題干呈現(xiàn)新穎精煉

試題中包含的實驗情境有“課本實驗操作時出現(xiàn)異?，F(xiàn)象”“對異?，F(xiàn)象發(fā)生原因的探究”，如果用文字方式來描述實驗情境，再用普通實驗探究題的格式來命制本道試題，試題題干必將包含大量的文字閱讀信息，與一般選擇題的體量不符。命題者創(chuàng)造性的用三幅圖示的形式完整地表示了實驗探究的全過程，還特別引導學生注意加入K₃[Fe（CN）₆]的位置這一細節(jié)，圖示的形式不僅豐富了化學試卷的呈現(xiàn)形式，還把信息呈現(xiàn)由抽象間接變?yōu)榱诵蜗笾苯樱浅Ｓ欣趯W生快速提取和分析信息。劉芳等認為：“對于學生而言，僅從大段的文字中提取有效信息是相對困難的，適當配以圖或表反而有利于學生更好地理解題意。

3.立意關(guān)注學科素養(yǎng)

作為一道實驗探究題，試題立意重在考查學生化學核心素養(yǎng)中的“證據(jù)推理”和“科學探究”，作為一道“非典型”形式的實驗探究題，學生需要具備“科學探究”素養(yǎng)中的“水平4”才能完全理解試題中三幅圖在探究過程中的順序和作用。第一幅圖展示了課本實驗“驗證犧牲陽極的陰極保護法”的實驗過程和現(xiàn)象，預期的現(xiàn)象是“Fe片表面沒有藍色沉淀生成”，而“異?！爆F(xiàn)象是在Fe表面生成藍色沉淀。因為藍色沉淀的產(chǎn)生需要有Fe²⁺，由此引發(fā)兩個猜想：猜想1是“Fe片被H⁺或O₂氧化生成Fe²⁺”;猜想2是“Fe片被K3[Fe（CN）₆]氧化生成Fe²⁺”。作出“猜想2”的依據(jù)是K₃[Fe（CN）₆]中F。元素的化合價是+3價，可能將0價Fe氧化到+2價。為驗證“猜想1”是否成立，設(shè)計第二幅圖所示實驗，根據(jù)現(xiàn)象可知，F(xiàn)e片未被H⁺或O₂氧化。由此得出試題中的結(jié)論“對比①②，K₃[F₃（CN）₆]可能將Fe氧化”。第二幅圖所示實驗還有一個作用，就是說明Zn對Fe片有保護作用，因為如果沒有Z。片，F(xiàn)e片會被H⁺或O₂氧化，為驗證這一作用的存在，補充進行了第三幅圖所示實驗。命題者還利用選項C和D考查了學生“科學探究”素養(yǎng)中實驗方案設(shè)計的水平，要求學生能對實驗方案的科學性作出判斷。

4.功能導向課程改革

化學實驗是認識和學習化學的重要方法，實驗探究是學生綜合運用所學化學知識和技能、分析問題、設(shè)計方案、解決問題的實踐活動，是化學學科核心素養(yǎng)的構(gòu)成要素之一。核心素養(yǎng)的培養(yǎng)不僅需要在課堂教學中持續(xù)關(guān)注，也需要在考試中進行有效評價?！镀胀ǜ咧谢瘜W課程標準（2017年版）》在“學業(yè)水平考試命題建議”中提出如圖1所示的命題框架：

賞析本題不難發(fā)現(xiàn)，試題命制時遵循了課程標準的命題框架，以真實的“驗證犧牲陽極的陰極保護法”的實驗情境為測試載體，以探究和解釋實驗中的異常現(xiàn)象為測試任務(wù)，以考查學生的證據(jù)推理與科學探究素養(yǎng)為測試宗旨。這樣的命題必然導向高中的化學學科教學應符合課程標準的教學建議：“充分認識化學實驗的獨特價值，精心設(shè)計實驗探究活動”和“創(chuàng)設(shè)真實問題情境，促進學習方式的轉(zhuǎn)變”。

三、試題研究

1.提出問題

在賞析本題之余，筆者對于命題和實驗產(chǎn)生一些疑問：

疑問1：試題所選情境為教材實驗，探究的是實驗中的“異?！?，作為已經(jīng)使用10多年的高中化學教材，以該實驗為背景的試題情境選取是否會因為學生過于熟悉而使試題的效度不大？

疑問2：教材中所示實驗裝置如圖2所示，而試題中的實驗裝置不含電壓表，電壓表的省去是否是命題者有意為之，目的是什么？

疑問3：試題情境中的“異?！爆F(xiàn)象，是否已經(jīng)有老師進行過研究？

疑問4：試題的實驗探究是通過證明“Fe片被H⁺或O₂氧化”不成立，從而間接證明“Fe片被K₃[Fe（CN）₆]氧化”成立。K₃[Fe（CN）₆]能氧化Fe，選擇題中給出的結(jié)論是可能，如能直接氧化，為什么Zn片能保護Fe片不在酸化的3%NaCl溶液中被氧化，而不能保護Fe片被K₃[Fe（CN）₆]氧化？

疑問5：該實驗中Zn片對Fe有沒有保護作用，如果有，如何證明？

2.命題揣摩

對于疑問1和疑問2，因為無法與命題者直接交流，所以只能借助于調(diào)查和分析來揣摩命題者的想法。筆者對本地區(qū)的高中進行了調(diào)研，發(fā)現(xiàn)老師們在授課時沒有進行該實驗，都是引導學生進行了理論分析。沒有進行該實驗的原因是認為學生已經(jīng)學習了電化學的相關(guān)知識，實驗現(xiàn)象可以根據(jù)理論推導得出。從調(diào)研中還了解到，老師也不知道該實驗現(xiàn)象會存在“異?！保瑳]有進行過實驗驗證和探究。因此試題以該實驗情境為背景來命制，情境具有陌生度，能考查學生真實的科學探究素養(yǎng)水平。

對于疑問2，因為實驗指向的結(jié)論之一是“驗證Zn保護Fe時不能用①的方法”，如裝置中使用了電壓表或電流表，則均可證明實驗時有電子從Zn片流向了Fe片，電子的流向可以證明Zn片對Fe片具有保護作用，這與本題期待得到的結(jié)論相矛盾，猜想命題者在命題時將電壓表舍去，以免引起爭議。

3.已有研究

通過知網(wǎng)查詢，有三位老師的研究與本題情境相關(guān)。朱正德用圖3所示的實驗裝置研究發(fā)現(xiàn)：電壓表指針偏轉(zhuǎn)，往Fe電極附近滴人K₃[Fe（CN）₆]溶液，溶液變藍色。朱正德認為是由于鐵片含有雜質(zhì)，在酸性條件下發(fā)生原電池反應有Fe²⁺生成所致。

楊頤鋼用教材所示實驗裝置進行實驗，研究發(fā)現(xiàn)，電壓表所示指數(shù)隨溶液酸性增強而逐漸增大，當使用高純鐵片，不會出現(xiàn)藍色沉淀，使用普通鐵片時，在pH=1-3時有藍色沉淀，pH=4-6時，無明顯藍色沉淀。楊頤鋼認為Fe片純度高時，溶液的pH對實驗無影響，溶液的pH低時，F(xiàn)e片的純度會影響實驗。

房壽高通過理論分析和實驗探究，結(jié)果均表明，K₃[Fe（CN）₆）溶液能將F_e氧化，生成藍色的Fe₃[Fe（CN）₆]₂沉淀。同時提出加入NaCl溶液能破壞Fe片表面的氧化膜，有利于Fe片的氧化。

綜合上述研究，朱正德和楊頤鋼認為藍色沉淀是Fe片在酸性條件下先被H⁺氧化為Fe²⁺，后Fe²⁺與[Fe（CN）₆]^3-反應生成藍色沉淀。而藍色沉淀是否存在于鐵片表面、以及藍色沉淀的產(chǎn)生是否是K₃[Fe（CN）₆]將Fe氧化后所致，兩位老師因未能考慮到K₃[Fe（CN）₆]的氧化性，所以研究未涉及。

4.實驗研究

為驗證試題中的實驗現(xiàn)象及探究Zn片對Fe片是否有保護作用，筆者進行了下列實驗：

實驗1：連接如試題所示的裝置①，其中酸化后3%NaCl溶液的pH約為2。1分鐘后，在Fe片附近滴加K₃[Fe（CN）₆]溶液，可以觀察到Fe片的邊緣、劃痕處出現(xiàn)明顯的藍色物質(zhì)，藍色物質(zhì)逐漸擴散到溶液中，但藍色物質(zhì)總量不多。

實驗2：連接如試題所示的裝置①，其中酸化后3%NaCl溶液的pH約為1。10分鐘后，在Fe片附近滴加K₃[Fe（CN）₆]溶液，可以觀察到Fe片附近出現(xiàn)明顯的藍色物質(zhì)。

實驗3：將實驗1中的Zn片從溶液中取出，F(xiàn)e片表面立即有較多新的藍色物質(zhì)出現(xiàn)。

根據(jù)已有研究和實驗1、2，可以得出結(jié)論：在3%NaCI溶液的環(huán)境中，當溶液酸性較弱時，藍色沉淀產(chǎn)生于Fe片的表面，F(xiàn)e²⁺主要來自于K₃[Fe（CN）₆]溶液對Fe片的氧化;當溶液酸性較強時，溶液中的H⁺和K₃[Fe（CN）₆]均能氧化Fe片。

在不使用電流表的情況下，根據(jù)實驗1、3的現(xiàn)象對比，可以證明Zn片對Fe存在一定的保護作用，因為當將Zn片從溶液中取出，F(xiàn)e片表面立刻新生成更多的藍色物質(zhì)。這一結(jié)論對“犧牲陽極的陰極保護法”的教學和實驗均具有重要的意義，因為多數(shù)教師和學生均認為，只要鐵與更活潑的金屬相連，或鐵與直流電源的負極相連，那么在電解質(zhì)溶液中，鐵片一定不會被腐蝕。查閱資料發(fā)現(xiàn)，利用電化學法保護金屬不被腐蝕，金屬必須達到它的最小保護電位，最小保護電位即金屬達到完全保護時所需要的最低電位值。而最小保護電位值與金屬的種類、腐蝕介質(zhì)的條件（成分、濃度、溫度等）因素相關(guān)，如果達不到最小保護電位值，金屬是不能完全被保護的。本實驗中，當溶液酸性過強或有K₃[Fe（CN）₆]存在時，F(xiàn)e片達不到它的最小保護電位而被氧化。日常生活中，我們經(jīng)常能發(fā)現(xiàn)鍍鋅鐵管在鍍層并沒有完全被腐蝕的情況下，鐵管局部有生銹現(xiàn)象，這也說明在一定的環(huán)境中，Zn不能起到完全保護的作用。

四、研究啟示

在教學中，對于陌生的實驗情境，我們有時會不經(jīng)過實驗就推導出“理想”的實驗現(xiàn)象，或者在實驗出現(xiàn)“異?！爆F(xiàn)象時，不經(jīng)過研究就給出可能的原因，這些做法都不利于學生化學核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。而要改變這一現(xiàn)狀，需要教學和評價兩個方面都能重視實驗，尤其是貼近學生學習實際的實驗。倪娟認為：真實性的試題可以糾正學生所學不科學、不完整的化學知識，教學如能圍繞學生的實驗、學生的研究性學習等真實的學習過程，是能增加學生對化學的學習興趣的。

我們要培養(yǎng)學生科學探究的核心素養(yǎng)，就應該在課堂中多創(chuàng)設(shè)科學探究的機會。我們要培養(yǎng)學生科學精神的核心素養(yǎng)，則自己首先就要具備科學精神。