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例谈思维建模在实验方案设计与评价中的应用

范文

周萍

摘要：近几年江苏高考中的“实验方案设计与评价”是教师和学生备受困惑的考点。通过分析试题类型特点，并结合题型示例，利用建模思想引领和启发学生解决各类相关问题，并提供一些思路及方法，让学生在化学学科素养方面真正得到发展和提升。

关键词：思维建模; 实验方案设计与评价; 案例介绍文章编号： 10056629（2019）6008305??????中图分类号： G6338??????文献标识码： B

随着高中化学新课标的颁布，化学学科核心素养的培养成为教师十分关注的焦点。作为中学学习终端评价的高考也逐步从能力立意转向以化学学科核心素养为测试宗旨，新课标也要求教师开展“素养为本”的教学。因此，加强对高考的研究，尤其是近几年高考试题中对学科核心素养的考查，显得尤为重要，都将影响教师培育学生学科核心素养的认识和方法。

化学学科核心素养包含了“宏观辨识与微观探析”、“变化观念与平衡思想”、“证据推理与模型认知”、“科学探究与创新意识”、“科学态度与社会责任”5个维度。王磊教授明确指出：“科学探究与创新意识”是化学核心素养的实践基础、“证据推理与模型认知”是化学学科核心素养的思维核心。本文结合近三年江苏高考实验综合题的考查，就如何培养学生思维建模能力方面做了一些探究和思考。

1?题型特点

实验综合题多以实际的工业背景为命题资料，给出需要补缺（實验方案的设计）的实验流程，辅以相关信息，多角度设问，对学生的考查要求较高，尤其是最后一问的实验设计，更是有较大的难度，对考生有很大的挑战。

创设真实情境

2016年19题以“工业废渣回收制备MgCO3·3H2O”为主线，2017年19题以“光盘中少量金属银的提取”为背景，2018年19题以“制备N2H4·H2O（水合肼）和无水Na2SO3”为载体。纵观近三年考题，都是以物质的提取、制备、提纯或是检验（定量和定性）为背景，创设真实的情境，体现相关化学知识在真实工业领域的应用价值，渗透了“科学探究与创新意识”“科学态度与社会责任”等学科核心素养。

选取多元信息

试题都是以流程图示实验过程而设计的综合性实验题，辅以物质的性质、实验装置及图像变化等信息，考查学生运用比较、分析等科学方法解决实际问题的能力，考查学生提取信息、理解和加工信息的核心素养，对学生逻辑思维的严密性、深刻性等方面的能力要求很高。

侧重多项考点

试题重点考查学生对实验流程的理解、化学（或离子）方程式的书写、实验装置的观察、信息的获取加工、实验原理和方法运用、实验方案的设计和评价等能力。既有对三重表征的考查，又有对宏观辨识与微观探析、信息处理与证据推理、科学探究与创新意识等核心素养进行考查。涉及从易到难多个角度和层次，尤其是最后一问实验方案的设计和评价，是学生最畏惧的，也是教师教学中最棘手的。笔者试图通过建模的思想来突破本题的难点。

2?建模思想

教学实践中，教师在组织实验专题复习时，发现学生通过复习以后很难提升方法与技能，尤其是在“实验方案设计与评价”上更是困惑，缺少对学生思维方法的指导，导致复习之后思维水平没有得到明显上升，不能快速地找到解决问题的思路和方法。实践表明，思维建模是提高化学专题复习质量的有效策略。

思维建模就是对思维过程建立模型，从而使繁复的思维形态或方法外显并简约化的过程。关于思维建模，从不同的角度可以有不同的分类。根据建模对象的不同，思维建模分为领域类知识建模、为系统建模、为问题建模、为经验内容建模、为思想（认知模拟）建模等类型。其中，“为问题建模”就是为了从实质上成功地解决相关问题，建立解决该类问题的模型。在“为问题建模”的过程中，首先要分析问题中的相关因素及其特定关系，然后确定解决问题的一般思路，再将内在的思维过程建立模型，并在解决具体问题的过程中检验和完善，最后形成并表达解决问题的模型[1]。

示例1： 2016年江苏高考化学卷19题（部分）

实验室以一种工业废渣（主要成分为MgCO3、 Mg2SiO4和少量Fe、 Al的氧化物）为原料制备MgCO3·3H2O。实验过程如下：

（4）请补充完整由萃取后得到的水溶液制备MgCO3·3H2O的实验方案：边搅拌边向溶液中滴加氨水，????，过滤、用水洗涤固体2～3次，在50℃下干燥，得到MgCO3·3H2O。[已知该溶液中pH=85时Mg（OH）2开始沉淀;pH=50时Al（OH）3沉淀完全][2]

明确实验目的

由萃取分液后的溶液制备MgCO3沉淀。

建构操作流程

分析萃取后溶液的组成，结合题中所给关键信息，梳理核心物质的转化如下。

优化实验方案

（1）实验方案的关键点1： pH的控制。据题意要使Al3+沉淀完全而Mg2+完全保留在溶液中，依据信息判断滴加氨水需要控制的溶液pH范围是5.0

（2）实验方案的关键点2：沉淀剂的选择。MgCO3沉淀的制备，需要加入CO2-3，由于题中未给出供选择的试剂，一般可选用Na2CO3溶液。

（3）实验方案的关键点3：检验沉淀完全的操作。这一步较易忽略，平时如果作为单独的检验沉淀是否完全，也许学生会回答得头头是道，但结合在真实、复杂的实验情境中就未必能考虑周全。因此，平时教学中要注重培养学生的动手操作能力，感知每一步操作的流程，才能提高实验探究的综合能力。

精准表达方案

由萃取后得到的水溶液制备MgCO3·3H2O的实验方案：边搅拌边向溶液中滴加氨水，至50

示例2： 2017年江苏高考化学卷19题（部分）

某科研小组采用如下方案回收一种光盘金属层中的少量Ag（金属层中其他金属含量过低，对实验的影响可忽略）。

（5）请设计从“过滤Ⅱ”后的滤液中获取单质Ag的实验方案： ????（实验中须使用的试剂有： 2mol·L-1水合肼溶液，1mol·L-1H2SO4溶液）[3]。

明确实验目的

从“过滤Ⅱ”后的滤液中获取单质Ag。

建构操作流程

分析“过滤Ⅱ”后的滤液成分，主要含有Ag（NH3）?+2、 Cl-、 NH3·H2O，结合题中所给关键信息，梳理核心物质的转化如下。

优化实验方案

对已知的核心反应“4Ag（NH3）?+2+N2H4·H2O4Ag↓+N2↑+4NH+4+4NH3↑+H2O”从多角度深入研究。

（1）实验方案的关键点1：产物的角度。NaClO与水合肼溶液联用进行金属Ag回收的方案是目前工业上采用的绿色回收方法，此反应产物中有氨气生成，必须考虑尾气处理，突出所给试剂硫酸的作用。

（2）实验方案的关键点2：试剂用量的控制。因该反应无需条件且产生大量气体，所以水合肼只能逐步加入;用硫酸处理产生的氨气也要注意加入硫酸的用量，可以通过气泡这一现象做出用量的判断。

（3）实验方案的关键点3：反应的条件和试剂加入的顺序。由于这一反应要在碱性条件下进行，因此水合肼和硫酸不能一起加入到还原反应体系中，只能用1mol·L-1 H2SO4溶液吸收反应中放出的NH3。

精准表达方案

从“过滤Ⅱ”后的滤液中获取单质Ag的实验方案：向滤液中滴加2mol·L-1水合肼溶液，搅拌使其充分反应，同时用1mol·L-1 H2SO4溶液吸收反应中放出的NH3，待溶液中无气泡产生，停止滴加，静置，过滤，洗涤，干燥（实验中须使用的试剂有： 2mol·L-1水合肼溶液，1mol·L-1H2SO4溶液）。

示例3： 2018年江苏高考化学卷19题（部分）

以Cl2、 NaOH、（NH2）2CO（尿素）和SO2为原料可制备N2H4·H2O（水合肼）和无水Na2SO3，其主要实验流程如下： ??（3）步骤Ⅳ用步骤Ⅲ得到的副产品Na2CO3制备无水Na2SO3（水溶液中H2SO3、 HSO?-3、 SO2-3随pH的分布如题19图

2所示，Na2SO3的溶解度曲线如题19图3所示）。

① 边搅拌边向Na2CO3溶液中通入SO2制备NaHSO3溶液。实验中确定何时停止通SO2的实验操作为????????。

② 请补充完整由NaHSO3溶液制备无水Na2SO3的实验方案： ????????，用少量无水乙醇洗涤，干燥，密封包装[4]。

明确实验目的

由NaHSO3溶液制备无水Na2SO3。

建构操作流程

NaHSO3溶液的获取是由Na2CO3溶液和SO2反应得到，结合题中所给关键信息，梳理核心物质的转化如下。

优化实验方案

题中用两张图代替以往所给的直观信息，对学生读图析图的能力要求更高，要求学生从宏观层面利用图表、图像、数据等信息进行推理判断，综合考虑实验方案的设计，充分体现高考化学试题的素养立意。

（1）实验方案的关键点1： pH的控制。由NaHSO3转化为Na2SO3，依据题中所给试剂，可加入NaOH溶液实现，结合图表“含硫微粒与pH的关系”，要使HSO?-3完全转化为SO2-3，应调节溶液的pH约为10。

（2）实验方案的关键点2：提纯方式的选择和温度的控制。依据图1（a）中Na2SO3的溶解度曲线，温度低于34℃析出Na2SO3·7H2O，高于34℃才能析出无水Na2SO3，因此要从Na2SO3溶液中获得无水Na2SO3，不能直接采用降温结晶的方式进行，必须采用“加热浓缩、趁热过滤”的方式实现，而且必须控制温度在34℃以上。

4精准表达方案

（1）实验中确定何时停止通SO2的实验操作为测量溶液的pH，若pH约为4，停止通SO2。

（2）由NaHSO3溶液制备无水Na2SO3的实验方案：边搅拌边向NaHSO3溶液中滴加NaOH溶液，测量溶液pH， pH约为10时，停止滴加NaOH溶液，加热浓缩溶液至有大量晶体析出，在高于34℃条件下趁热过滤，用少量无水乙醇洗涤，干燥，密封包装。

3?方法提炼

实验方案设计的建模过程

实践证明，学生一旦形成对某一问题的认知模型，那么在遇到类似的问题时，学生将会自觉地运用已有的认知模型去分析和解决问题，即“借助建构出来的模型进行学习与迁移”。同时，随着新问题的不断出现，原有的认知模型或强化或修正，将已建立起来的认知模型从简略的模型发展成较完整的基本模型[5]。在专题复习中渗透化学建模的思想，“为问题建模”，将模型建构和复习内容进行有效整合，注重知识和方法的概括提炼，形成解决这类问题的化学思维模型，从而让学生在遇到类似问题時，能在有限的思维时间中找到与当前问题相匹配的模型而进行问题解决，此为“建模”和“用模”的过程。

模型建构的相关说明

实验条件的控制包含：（1）试剂用量的控制。例如：利用pH的范围来控制用量;依据特定的实验现象进行判断;通过沉淀完全的检验来控制沉淀剂的用量;适量、过量或是计算量等关键词的科学描述;（2）实验温度的控制。例如：涉及到物质的具体性质，依据题设信息作出合理选择;涉及物质的分离提纯，结合图像等相关信息进行推理判断。

绿色化学的理念，即实验过程中应遵循的5个“R”原则（百度百科）：减量使用原料，减少实验废弃物的产生和排放（Reduction）;循环使用、重复使用（Reuse）;回收，实现资源的回收利用，从而实现“省资源、少污染，减成本”（Recycling）;再生，变废为宝，资源和能源再利用，是减少污染的有效途径（Regeneration）;拒用有毒有害品，对一些无法替代又无法回收、再生和重复使用的有毒副作用及会造成污染的原料，拒绝使用，这是杜绝污染的最根本的办法（Rejection）。中学阶段的“实验方案设计与评价”中，更多涉及环保节能方面，如防污染（尾气处理）等;反应增效方面，如加热加速溶解等;节约成本方面，如试剂的循环使用等。

4?教学反思

在教学中发现，学生在遇到“实验方案设计与评价”时通常存在以下几个问题：（1）对基本的实验操作不够熟悉;（2）对基本的实验原理的理解有缺失，容易顾此失彼;（3）对实验方法和实验条件的控制不会提取有价值的信息进行分析;（4）缺乏综合分析探究的能力，找不到解题的突破口;（5）文字表述不够精准，不能从实验目的出发进行描述，对于具体的操作细节关注不到，往往是常规解答教条地照搬，导致文不对题、答非所问的情况。

这也说明我们在平时的教学中对实验教学投入的时间和精力还不够，教师往往为了赶进度，牺牲了一部分本可以让学生亲自动手操作的机会和时间;另一方面也在于我们在设计一些探究性实验时，往往还是以验证性为主，开放度不够，探究的氛围不浓，问题的质量不高。研究近几年此类高考试题，我们会发现试题所选素材意在引导中学化学实验教学要重视真实问题的探究，要重视实验教学环节，要拓展认识问题的视角，培养和提高学生运用化学实验方法解决综合性问题的能力。

因此，我们在教给学生实验方案设计与评价模型建构方法的同时也要多创设条件让他们动手实践，通过真实的实验过程掌握各项实验技能，加深对实验基本原理和操作的体验，学会分析解决各类相关问题，让学生在“实验探究与创新意识”、“证据推理与模型认知”、“科学态度与社会责任”等学科核心素养上真正得到发展和提升。

参考文献：

[1]?朱圣辉. 思维建模在解决电化学问题中的应用[J]. 化学教学， 2016，（5）： 87～90.

[2]?江苏省教育考试院试题分析编写组. 2016年高考（江苏卷）试题分析[M]. 南京：东南大学出版社， 2016： 141～185.

[3]?江苏省教育考试院试题分析编写组. 2017年高考（江苏卷）试题分析[M]. 南京：东南大学出版社， 2017： 145～193.

[4]?江苏省教育考试院试题分析编写组. 2018年高考（江蘇卷）试题分析[M]. 南京：江苏凤凰教育出版社， 2018： 141～185.

[5]?吴翀云. 从工艺流程的解读谈化学工艺建模教学[J]. 化学教学， 2018，（1）： 29～34.

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