黃滿霞 曹志鋼 劉臣 李伏剛

摘要：基于高中化學新課程標準的教學、命題理念，以H2O2氧化Fe2+實驗中的“異?！爆F(xiàn)象為例，展示了實驗探究活動設計和試題編制的過程。結合學生的答題情況，反思了試題設問的層次性以及由試題引發(fā)的學術思考和對微觀探析素養(yǎng)的認識和理解。

關鍵詞：實驗探究；試題命制；反應歷程；宏觀辨識與微觀探析

文章編號：1008-0546（2022）02-0079-05中圖分類號：G632.41文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.02.018

*本文系北京市教育學會化學教學研究會開展的中國教育學會教育科研一般性課題《基于高中生跨學科問題解決能力培養(yǎng)的教學實踐研究》（課題編號：201900171806B）和北京市教育科學“十四五”規(guī)劃2021年度一般課題《學科核心素養(yǎng)導向的中學化學單元深度學習實踐研究》（課題編號：CDDB21219）的部分研究成果。

一、試題研究

化學學科五大核心素養(yǎng)中，科學探究與創(chuàng)新意識是其他四大素養(yǎng)的綜合體現(xiàn)?！镀胀ǜ咧谢瘜W課程標準（2017年版2020年修訂）》[1]（以下簡稱新課標）將科學探究與創(chuàng)新意識素養(yǎng)的內涵表述為“認識科學探究是進行科學解釋和發(fā)現(xiàn)、創(chuàng)造和應用的科學實踐活動；能發(fā)現(xiàn)和提出有探究價值的問題；能夠從問題和假設出發(fā)，依據(jù)探究目的，設計實驗方案，用化學實驗、調查等方法進行實驗探究。”因此，探究實驗是科學探究與創(chuàng)新意識素養(yǎng)的重要載體，突顯化學學科的價值和特色。

綜合分析近10年北京卷化學高考最后一道實驗探究題，其實驗素材和考查角度如表1所示：

不難發(fā)現(xiàn)近10年北京卷實驗探究命題取向主要集中在以下五點：

1.物質性質的驗證實驗：2010和2011、2013年分別探究了鹵素氧化性和SO2還原性。

2.外界因素對物質性質的影響：2014年和2015年分別考查了電壓和離子濃度對物質還原性的影響；2018年考查了溶液酸堿性對K2FeO4和Cl2氧化性的影響。

3.物質性質的多重性：如2016年，考查了亞硫酸鹽的溶解性、氧化還原性、在水溶液中的酸堿性，并發(fā)現(xiàn)鹽溶液間反應的多樣性與兩種鹽溶液中陰、陽離子的性質和反應條件有關。

4.體系中多重反應之間的關系：2017年和2019年分別考查了多反應體系中連續(xù)反應、平行反應間速率與限度的競爭關系。

5.多物質體系中，物質成分的檢驗與確定：如2020年，Na2SO3熱分解后有新生成的Na2S、Na2SO4、Na2Sx以及未反應的Na2SO3。在混合體系中，利用物質的化學性質進行成分檢驗和確定。

可以看出，近10年的高考試題均是從物質（或微粒）的性質角度對宏觀現(xiàn)象進行辨識，突出思維過程和深度的展示。從微觀反應歷程的角度考查學生宏觀辨識與微觀探析素養(yǎng)的實驗探究題在近幾年高考試題以及北京市各區(qū)模擬題中均未涉及。新課標[1]中明確提出“知道化學反應是有歷程的，認識基元反應活化能對化學反應速率的影響”。人教版（新課標）教材中也已經(jīng)深入開展了化學動力學本質的教學-如有效碰撞理論；全國卷高考試題以及各模擬試題中也常涉及化學過渡態(tài)理論，因此從微觀反應歷程角度考查化學反應發(fā)生的微觀本質就顯得尤為重要。

二、試題素材來源—對“異?！爆F(xiàn)象的深入探究

鐵元素在化學教學中具有舉足輕重的作用：它能幫助學生建構從核心元素價態(tài)、物質類別的角度看待物質；“鐵及其化合物的性質”實驗還能幫助學生建立實驗探究的一般過程。在驗證Fe2+向Fe3+轉化時，人教版（新課標）、魯科版（新課標）教材中相同的實驗操作是向滴有KSCN的FeCl2（或FeSO4）溶液中加入少量新制氯水，蘇教版（新課標）教材在正文中也提到“Fe2+在溶液中易被一些氧化劑（如新制氯水中的Cl2、空氣中的O2、H2O2等）氧化為Fe3+”。為了驗證H2O2能氧化Fe2+，筆者設計實驗如下：

實驗1：在試管中加入1 mL 0.1 mol/L FeSO4溶液（pH=1），加入2滴0.1 mol/L KSCN溶液，再逐滴滴加0.5 mL 0.3 mol/L H2O2溶液，溶液立即變紅，繼續(xù)滴加H2O2溶液，試管內溶液紅色變淺并逐漸褪去，并伴隨有少量氣泡產(chǎn)生。推測試管內紅色褪去的原因：猜想①無SCN-，猜想②無Fe3 +，猜想③既無Fe3 +，又無SCN-。設計實驗2驗證紅色褪去的原因。

實驗2：分別取少量實驗1反應后的溶液于兩支試管中，加入少量Fe2（SO4）3溶液和KSCN溶液。第一支試管溶液無明顯變化，第二支試管溶液變紅。說明試管1反應后的溶液中有Fe3+，而幾乎無SCN-。猜想①成立。

SCN-為什么會消失呢？通過結構分析可知：SCN-中S、C、N的化合價分為為-2、+4和-3。因此S和N能體現(xiàn)出還原性，推測SCN-在試管1中發(fā)生了氧化反應。而溶液中存在的氧化性的微粒有H2O2分子和溶解的O2分子（Fe3+與SCN-直接接觸以絡合反應為主），為了確認氧化SCN-的微粒，進行實驗3。

實驗3：①向3 mL 1 mol/L H2O2溶液中滴加2滴0.1 mol/L KSCN溶液和鹽酸酸化的BaCl2溶液，開始無明顯現(xiàn)象，一段時候后產(chǎn)生白色沉淀；

②向3 mL水中滴加2滴0.1 mol/L KSCN溶液和鹽酸酸化的BaCl2溶液，一直無明顯變化；

③鹽酸酸化的BaCl2溶液分別與KSCN溶液和H2O2混合均一直沒有明顯變化

通過上述實驗，說明H2O2在酸性條件下能氧化SCN-，且二者反應很慢。但實驗1中紅色褪色相對較快，由此推測實驗1中存在的Fe2+或Fe3+能加快H2O2與SCN-的反應。為了證實這一猜測，進行實驗4。

實驗4：①向1 mL 0.3 mol/L H2O2溶液中滴加2滴0.1 mol/L KSCN溶液，再加入0.5 mL 0.05 mol/L Fe2（SO4）2溶液（pH=1），溶液變紅，靜置一段時間后紅色恰好褪去，記錄時間為t分鐘。②向1 mL 0.3 mol/L H2O2溶液中滴加2滴0.1 mol/L KSCN溶液，再加入0.5 mL pH=1的H2SO4，靜置t分鐘后，立即滴加幾滴0.05 mol/L Fe2（SO4）2溶液，溶液變紅。③向1 mL 0.3 mol/L H2O2溶液中滴加2滴0.1 mol/L KSCN溶液，再加入0.5 mL 0.1 mol/L FeSO4溶液（pH=1），靜置一段時間后，紅色恰好褪去，記錄時間為t′分鐘，t′

查閱資料發(fā)現(xiàn)[2]：在Fe2+和Fe3+催化下，H2O2氧化SCN-的主要機理如下：

ⅰ. Fe3++H2O2=Fe2++HO2·+H+

ⅱ. Fe2++H2O2=Fe3++·OH+OH-

ⅲ.·OH具有強氧化性，能直接氧化SCN-。

在工業(yè)生產(chǎn)中，常常利用H2O2產(chǎn)生的·OH處理有機污水，F(xiàn)e2+/H2O2體系又被稱為Fenton體系，F(xiàn)e3+/H2O2體系為類Fenton體系。

三、試題編制

科學探究試題命制過程中應著重再現(xiàn)真實的實驗場景，體現(xiàn)科學探究的一般過程。科學探究過程一般包括提出問題和假設、設計方案、實施實驗、獲取證據(jù)、分析解釋、形成結論及交流評價等要素[1]?？紤]到考試時間和分值的限制，試題不可能考查所有環(huán)節(jié)，只能選擇性的重點關注設計方案的核心步驟，力求考出學生的高階思維。本次測試為學業(yè)水平模擬考試，要求題目設計有梯度，在搭好設問臺階的前提下著重考查學生基于證據(jù)對實驗進行分析解釋的能力、設計實驗排除干擾得出實驗結果的能力以及將實驗結果總結提煉為結論的能力?；诒疚闹械膶嶒炈夭暮拖嚓P的文獻資料，編制的試題側重考查學生證據(jù)推理與模型認知、宏觀辨識與微觀探析、科學探究與創(chuàng)新意識三個方面的核心素養(yǎng)；在設問角度上重點考查學生基本實驗操作能力、實驗設計與評價能力、語言表達能力。

試題題面設計如下：

【試題】某實驗小組在驗證H2O2氧化Fe2+時發(fā)現(xiàn)異常現(xiàn)象，并對其進行了深入探究。

實驗Ⅰ：

（1）實驗I中溶液變紅是因為Fe3+與SCN-發(fā)生了反應，其離子方程式是。

（2）探究實驗I中紅色褪去的原因：取反應后溶液，（填實驗操作和現(xiàn)象），證明溶液中有Fe3+，而幾乎無SCN-。

（3）研究發(fā)現(xiàn)，酸性溶液中H2O2能氧化SCN-，但反應很慢且無明顯現(xiàn)象，而實驗Ⅰ中褪色相對較快，由此推測Fe3+能加快H2O2與SCN-的反應。通過實驗Ⅱ和Ⅲ得到了證實。參照實驗Ⅱ的圖例，在虛線框內補全實驗Ⅲ。

（4）①Fe2+也能加速H2O2與SCN-的反應，且效果比Fe3+更好

②剛滴入H2O2時，ⅱ反應速率快，生成的Fe3+迅速與SCN-結合，溶液立即變紅；繼續(xù)滴加H2O2，c（·OH）升高，加快·OH氧化SCN-，使得c（SCN-）降低，F(xiàn)e3++ 3SCN-Fe（SCN）3平衡逆向移動，紅色褪去

③·OH、H2O2、Fe3+

四、反思與啟示

1.對學生答題情況的反思

北京市東城區(qū)參加化學學業(yè)水平模擬考試的學生人數(shù)為2275人，本題（題號：19）滿分為13分，難度系數(shù)為0.46。具體測試數(shù)據(jù)如表2所示。

從統(tǒng)計結果來看，本道題6個空均具有良好的區(qū)分度。從難度系數(shù)來看，本題切入點低，對學生親和度高，易、中、難設問均有涉及，最后一問還反映出了學生靈活運用氧化還原原理分析問題、解決問題能力還有待提高。

具體分析如下：19（3）是一個中等難度的設問，也是本題最大的創(chuàng)新點。本空利用實驗設計的設問形式考查了Fe3+在體系中的作用（加快H2O2氧化SCN-和檢驗SCN-）；同時學生需調用并遷移課本中反應速率比較實驗的變量控制方法（固定反應時間看現(xiàn)象變化的快慢，抑或是現(xiàn)象變化相同時看所需時間的長短）的能力。判卷中搜集到的學生設計的方案有：控制其他條件不變，增大Fe3+濃度，紅色褪去時間比t短；減小Fe3+濃度，紅色褪去時間比t長；t時刻加入Fe3+，溶液紅色。本設問考出了學生課堂所學、考出了思維的開放性和收斂性，考出了學生實驗探究與創(chuàng)新意識的素養(yǎng)。設問（4）③是本題中難度最大的一個空。旨在從氧化還原角度，考查學生用基礎的氧化還原方法解決“機理”這種高大上的問題的能力，貫徹高起點、低落點的命題要求。

本道題在命制過程中，著重考慮用好實驗素材，引導師生回歸教材，通過對教材的再次挖掘，傳達出對課本實驗的深層次理解。試題設問角度包含了繪制實驗裝置圖的能力、實驗設計能力、綜合利用信息和化學反應原理解釋問題的能力，關注學生體驗，突出學生思維認知能力。設問有層次，在（1）和（2）的設問中，加強學生成功的體驗，增強學生自信心。設問（3）和（4）難度逐漸遞增，實現(xiàn)區(qū)分各等級學生的目的。本題主干知識覆蓋面廣，素材源于教材而高于教材，綜合考查了學生的氧還觀、變化觀等學科觀念，落實了證據(jù)推理與模型認知、科學探究與創(chuàng)新意識的學科核心素養(yǎng)。通過具體實例，使學生認識到化學反應是有歷程的，發(fā)展了宏觀辨識與微觀探析核心素養(yǎng)。此外，硫氰酸鹽本身具有一定的毒性，對環(huán)境帶來嚴重的影響，本題涉及的素材為廢水中的SCN-的去除提供了一種策略和方向，發(fā)展了學生“綠色化學”的觀念。

2.由試題引發(fā)的思考

試題編制過程中，命題者思考過很多問題，同時試題面世后，也備受同行關注，進而引發(fā)對試題以及對教學的一些思考，現(xiàn)摘選一二，僅供老師們一起參考研究。

思考1.依據(jù)【試題】中實驗Ⅱ和實驗Ⅳ能否得出反應i和反應ii的速率大小關系？

不難看出，上述三種見解是基于不同的信息基礎對同一事實的合理猜測和推斷。據(jù)此可以看出微觀探析是在現(xiàn)有判據(jù)的基礎上（已學、資料），結合宏觀現(xiàn)象，對微粒之間的作用進行合理猜測。正如新課標[1]學業(yè)水平4-1中描述的一樣：“能在物質及其變化的情境中。依據(jù)需要選擇不同方法，從不同角度對物質及其變化進行分析和推斷；能根據(jù)物質的類別、組成、微粒的結構、微粒間作用力等說明或預測物質的性質，評估所做說明或預測的合理性”。也正是如此，我們強調試題情境的真實性、原創(chuàng)性。原創(chuàng)的真實的試題能夠有效的公平、客觀的考查學生的素養(yǎng)水平和分析問題解決問題的能力，有效的減少因刷題導致的成績拉平效應。

參考文獻

[1]中華人民共和國教育部.普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）[S].北京：人民教育出版社，2020.

[2]孫旭陽. H2O2/（Fe2+/Fe3+）體系均相催化氧化金礦廢水中硫氰化物及再生氰化物的研究[D].大連：大連工業(yè)大學，2016.

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