高中化学探究性实验试题编制研究

1、高中化学探究性实验试题编制研究刘 义 东莞中学指导教师:陈红雨 华南师范大学化学学院摘 要 高中化学新课程改革要求通过以化学实验为主的探究活动,使学生体验科学探 究过程。 在新课程实行后的高考试题中, 出现了考查科学探究性能力的新题型探究性实 验试题。 探究性实验试题是以考核学生的科学探究能力为主要目的, 并将相关化学知识点融 合在实验探究过程中的试题,这类试题具有立意新颖,情境真实, 解法具有探索性,思维具 有发散性, 答案具有多元性的特点。 化学探究性实验试题在编制要把握真实性、新颖性、层 次性和开放性四原则。关键词 新课程 探究性实验试题 编制普通高中化学课程标准(实验(以下简称课程标准

2、课程的基本理 念之一是“通过以化学实验为主的多种探究活动,使学生体验科学研究的过程, 激发学习化学的兴趣, 强化科学探究的意识, 促进学习方式的转变, 培养学生的 创新精神和实践能力”。其课程目标也明确要求学生 “经历对化学物质及其变 化进行探究的过程, 进一步理解科学探究的意义, 学习科学探究的基本方法, 提 高科学探究能力。 具有较强的问题意识, 能够发现和提出有探究价值的化学问题, 敢于质疑, 勤于思索, 逐步形成独立思考的能力, 善于与人合作, 具有团队精神” 。 从而 “发展学习化学的兴趣, 乐于探究物质变化的奥秘, 体验科学探究的艰辛和 喜悦,感受化学世界的奇妙与和谐”。为实现新课

3、程目标, 推进中学化学新课程逐步深入, 体现了高中化学课程改 革的新要求,自 2007年实行的的新课程高考考试大纲中增加了对学生的学习能 力的中实验探究能力的考查要求。 “了解并初步实践化学实验研究的一般过程, 掌握化学实验的基本方法和技能。 在解决简单化学问题的过程中, 运用科学的方 法,初步了解化学变化规律,并对化学现象提出科学合理的解释。 ”新课程实施 后的 07、 08年广东高考试题在 “ 科学探究能力 ” 考查上进行了很有价值的尝试。 作为新课程高考中才出现的新题型, 探究性实验题既能考查考生对原有实验的理 解, 又能检验考生的知识迁移能力。 对这些试题进行研究, 以提高对试题的把握

4、, 提高教学质量和高考备考质量无疑是必要的。一、探究性实验试题的概念“探究”一词在现代汉语词典中是“探索研究、探寻追究”的意思,探究 既指探索研究的方式, 也指探寻追究的过程。 从心理学角度来看, 探究正是遵循 了建构主义的理论,倡导让学生在学习中主动建构学习对象的意义 , 形成新的认 知结构; 从教育学角度来看, 它符合主体教育和创新教育的理论, 强调学生的主 体参与, 实施创新学习。 指学生在老师的指导下探讨疑点难点, 有所发现和创新, 是在识记、理解、分析、综合的基础上发展的最高能力层级。探究性实验是指在 未知结果的情境中 , 由教师给出或学生自定探究课题 , 让学生自己拟定实验方案 ,

5、 制定实验步骤 , 独立运用实验手段 , 研究未知的现象和数据 , 并在获得现象或数据 的基础上 , 通过科学抽象总结出结论的一种形式 。 化学探究实验是指探索研究对 象的未知性质, 了解它具有怎样的组成, 有哪些属性和变化特征, 以及与其他对象或现象的联系的一种实验。 其特点是根据实验的目的, 利用已知的、 外加的因 素去设计实验,进行探究实验,研究实验对象,看它会发生什么样的变化,出现 什么样的现象,产生怎样的结果。中学化学探究实验的模式可概括为:问题 -实验事实 -科学抽象 -结论 -应用 或问题 -实验事实 -假说及其验证 -结论 -应用 。 是学生积极主动获取化学知识、认识和解决化学

6、问题的重要实践活动。它 涉及到提出问题、猜想与假设、制定计划、进行实验、收集证据、解释与结论、 反思与评价、表达与交流等要素。探究性实验具有问题特征、收集信息特征、假 设特征、验证特征和评价反馈特征。学生在探究性实验中,针对发现的问题,在 回忆总结已有的知识和经验、收集和整理信息的基础上,作出大胆假设或猜想, 并通过化学实验对提出的假设或猜想进行证实或证伪。探究性实验试题就是将考核学生的科学探究能力为主要目的, 将相关化学知 识点融合在实验探究过程中的试题。 也即将探究性实验的过程或结果结合相关知 识点设计成试题的形式, 将具体的问题情境化, 针对发现的问题, 在回忆总结已 有的知识和经验、

7、收集和整理信息的基础上, 作出大胆假设或猜想, 并通过化学 实验对提出的假设或猜想进行证实或证伪, 并将实验设计、 实验操作、 思考分析 得出结论的相关问题中部分或全部问题让考生表述出来的试题。 探究性实验试题 是通常为主观性试题,试题注重考查学生在解决实际问题中运用科学方法的能 力。 命题者可以让学生根据已知的实验目的, 利用已知的、 外加的因素去设计实 验,进行探究实验,研究实验对象,看它会发生什么样的变化,出现什么样的现 象,产生怎样的结果;命题者也可以反向命题,即将一个实验的相关实验操作、 实验结论等等先表述出来, 后让考生根据所学的知识推测相关操作的原因或得出 结论的原因。二、高中化

8、学探究性实验试题的特点作为一种纸笔测试的试题类型, 探究性实验试题和传统的实验题相比, 探究 性实验试题主要考察化学实验能力和科学表述能力 (包括运用文字、 图象、 符号、 公式等的能力等。在试题设计中一般会突出问题意识,即引导学生学会观察。 其特点是立意具有新颖性, 内容具有丰富性, 解法具有探索性, 思维具有发散性, 答案具有多元性, 效能具有创造性。 这类试题往往通过提供背景材料, 设置实验 情景,提出某种实验问题。它要求考生投入实验当中,积极参与探究,在探究中 拓宽思维空间,挖掘自身潜力,展示自我才华,并为创造性发挥提供前提条件。 设置探究性试题的目的在于提高学生学以致用, 自主探究,

9、 理论联系实际分析问 题和解答问题的社会实践能力、 创新思维能力和综合探究能力。 也即让学生能够 通过以实验为主的多种探究活动, 使学生体验到科学探究的过程, 激发学习化学 的兴趣, 强化科学探究的意识, 促进学习方式的转变, 培养学生的创新精神和实 践能力。三、高中化学探究性实验试题类型探究性实验试题的分类方法很多, 根据探究形式可分为参与型和自主型 2种; 根据科研方法可分为实验探究验证型、计算统计分析型、理论经验推理归纳型; 根据探究试题的组成和结构分为类比探究型、 假设验证型、 定向归纳与定向演绎 探究型、 不定项自由探究型; 根据试题探究的内容分为物质的组成探究型、 结构 探究型、

10、化学反应与物质性质探究型、 化学现象探究型、 物质制备与应用探究型、 化学反应速率与化学平衡探究型、 化学反应热探究型等。 根据探究性实验的自由度来分,主要有:定向探究与自由探究、归纳探究与演绎探究。定向探究就是对 指定问题的探究, 自由探究如自己提问自己解答等, 具有很大的开放性; 归纳探 究包括对内容的概括,聚合分析等,如概括要点,内容的综合分析等;演绎探究 体现为对内容的发散思考。 从探究实验试题对探究的考查侧重来看, 探究型实验 试题可分为化学规律(原理类探究、过程方法类探究、结果评价性探究和综合 性探究四大类探究题。(一 化学规律(原理类探究题化学规律 (原理 类探究试题是对未知的化

11、学规律或实验发生的反应原理进 行探究。 试题一般会提供实验探究的过程及结果, 让考生结合实验的过程分析实 验发生的原因。 这类问题常以基本的化学反应原理如氧化还原反应、 化学反应速 率及化学平衡问题作为切入点进行情境设计, 通常以选择题形式出现。 学生对未 知的化学规律进行探究可再现科学家探索真理的过程,感知科学探究必备的素 质。 规律的探究过程还可起到将知识之间建立关系, 打通思维通道的作用。 对化 学规律进行探究, 可以使原来的一些知识串联成线状网状, 从而优化学生当前已 有的知识结构。在一般规律的探究中,教师一定要启发学生通过对比、归纳、分 析等方法独立完成, 探究的过程既进行了思维训练

12、又进行了辨证唯物主义普遍联 系观的教育,真正体现了化学作为文化的育人功能。【例 1】某研究性学习小组为了探索镁粉与溴水反应的机理,做了如下四组 实验:(1将镁粉投入冷水中,未见任何现象; (2将镁粉放入溴水中,观察 到只是开始时产生极少量的气泡,但溴水的颜色逐渐褪去; (3将镁粉放入液 溴中,未观察到任何明显现象; (4向含足量镁粉的液溴中滴加几滴水,观察 到溴的红棕色很快褪去。则下列关于镁与溴水的反应机理的论述中正确的是A. 镁粉只能直接与溴水中的溴反应B. 水是镁粉与溴发生反应的催化剂C. (2中产生的极少量气泡是由于镁粉与水反应得到D. 镁粉与溴水中的 H +发生反应,导致平衡移动使溴水

13、褪色该题将学生探究性学习的过程完整呈现出来, 让考生深入探究过程, 分析探 究原理,结合相关实验知识,得出反应发生的原理。(二 过程方法类探究题过程方法类探究试题通常结合一定的情境提出探究的课题,然后针对课题呈 现的过程或方法的一部分, 让学生结合自己所学的知识, 来完善过程或方法的另 一部分。 这类探究问题常以反应原理作为隐含信息, 要求学生能够在根据原理来 解决问题。(三 结果评价类探究题结果评价类探究试题是在提供了探究过程和方法的基础上,让学生对探究过 程中所获得的事实、证据进行归纳,得出正确的结论,对探究活动进行反思、对 探究结果的可靠性进行评价。这类试题常要求能够利用比较、分类、概括

14、、归纳 等方法对证据和好事进行,学生能够在根据原理来解决问题。【例 2、 08年广东高考实验题】 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。请指出该结论是否合理并说明理由 。 本题以中学常见的实验为素材,将以错误操作作为命题的入手点,让学生评 价探究的结果,考核学生的氧化还原反应知识。(四 综合性探究类题综合性探究试题往往就一个具体的化学问题或化学现象,从提出假设、设计 实验方案、选择实验仪器和进行实验等方面考查学生对

15、较完整的探究过程的了 解。 试题往往要求学生对化学实验方案设计的一般方法或思路比较了解, 要求学 生弄清题目有哪些新的信息,综合已学过的知识,通过类比、迁移、分析,从而 明确实验原理。 根据实验的目的和原理, 以及反应物和生成物的性质、 反应条件, 如反应物和生成物的状态、 能否腐蚀仪器和橡皮, 反应是否加热及温度是否控制 在一定范围,给出的药品、仪器或装置是否足够,需要补充还是筛选,仪器药品 的规格等。 从而选择合理的化学仪器和药品。 再根据实验目的和原理, 以及所选 用的实验仪器和药品, 设计出合理的实验操作步骤、 实验装置。 学生应具备识别 和绘制简单的实验装置图的能力, 实验步骤应完整

16、而又简明。 在具体实验中根据 观察, 全面准确地记录实验过程中的现象和数据。 根据实验观察的现象和记录的 数据,通过分析、计算、图表、推理等处理,得出合理的结论,之后再将可能出 现的问题进行讨论或装置改进等。 探究的问题可能是原理、 也可能是过程, 综合 性强。四、高中化学探究性实验试题编制策略探究性实验命题的方式方法,将是化学新课标实施、新课程推进中需要我们 认真思考和重点研究的问题。 课程标准强调, 科学探究是中学化学重要的学习方 式、学习内容和目标。在纸笔测试中,设计综合探究试题,加强对科学探究能力 的考查, 发挥科学探究的功能, 可以使学生在做科学探究试题的过程中得到全面 的发展。(一

17、 编制原则纵观近年来全国各地高考试卷, 可以发现优秀的探究性试题都具有两个基本 特征:一、它是一个“真”问题。即这个问题除了已知和目标之外,有具体的问 题情境, 使学生解答这个问题的过程, 是一个问题解决的过程而不是仅仅回忆知 识的过程。二、它所考查的重点是学生的科学探究思维能力,而不是学科知识。 怎样编制出优秀的探究性试题, 以引导学生转变学习方式, 促进教师改进课堂教 学?个人觉得, 探究性实验编制时除了考虑常见试题的科学性、 准确性、 公平性 和规范性 1之外,还把握以下几个原则。1. 真实性原则探究性实验试题设置宗旨是让学生在解题过程中思考整个探究过程, 从而培 养学生科学思维方法,

18、观察和记录实验的方法, 以提高学生的科学素质。 要让学 生思考探究的过程, 在编制试题时要追求探究情景的真实性, 素材应该是取自学 生周边的事物或学生熟悉的社会实践活动, 试题中各环节的设计, 都应该力求真 实再现探究情境。 在实实在在的探究场景中, 引导学生利用学到的知识解决社会、 生活方面的一些简单的实际问题, 有利于挖掘学生潜在的动机资源和养成学以致1教育部考试中心 . 高考化学测量理论与实践 M.高等教育出版社 2004:232233用的习惯, 激发学生学习的动机, 增长他们对新知识的探求欲和探索未知领域的 创造欲, 并促进科学素养的形成。 相对于解决那些人为编造的、 虚拟的化学问题

19、来讲, 更能体现化学的学习价值。 有利于对新课程中情感、 态度与价值观目标的 落实。 学生做的一些研究报告就是理想的试题素材, 比如实验报告、 研究性学习 报告等。 这些研究报告既反映了科学探究的成果, 又反映了科学探究的过程和方 法,我们比较容易从中选取问题的切入点,以考查学生的科学探究能力。2. 新颖性原则由于新课程的选择性, 不是所有的学生都经历过某个素材的实践活动, 如按 活动原生态呈现的话, 试题的公平性就会面临挑战。 保持探究性试题的新颖性才 能体现公平。 故在编制探究性实验试题时必须对素材进行合理的取舍、 精心的加 工、科学的设计,并与新课程的教学内容紧密结合,使之具有新颖性。3

20、. 层次性原则实验探究中会产生各种各样的问题,探究过程的深入往往都围绕着问题展 开, 一组恰如其分的问题, 能够激发学生的探究愿望, 产生积极的问题解决心向。 探究性实验试题的编制中应根据学生的认知结构和实验目标设置由易到难、 层层 递进、有探究价值的问题,力求在问题意识的驱动下,让学生自主、积极的投入 其中。通过体会提出问题、猜想与假设、制定计划、进行实验、收集证据、解释 与结论、反思与评价、表达与交流等环节,体验知识的获得过程,得出结论,解 决问题,实现自身主动建构与发展,从而对学生发现问题、分析问题、解决问题 的能力进行有效的培养。4. 开放性原则探究性学习是新课程改革所倡导的新的学习方

21、式, 探究性实验是指人们在结 果、现象未知的情况下通过实验设计去探索 , 进而获得结论的实验 . 在探究实验过 程中不同的学生的学习兴趣、 特长不同, 在实验过程中获得的学习体验和对问题 的解决方案往往不同, 表现他们所学东西的呈现方式也是多种多样的。 在探究性 实验试题往往是一些解题方法多样化、 答案不是唯一的开放性试题。 试题着重考 查学生对角度、 多侧面、 多层次地思考问题, 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。(二素材选取寻找好的联系实际的探究性实验试题素材,是一个颇令一线教师感到头疼的 问题。笔者认为可以从日常生活中发现素材,从科普、新闻中挖掘素材,尤

22、其要 从学生的学习和生活实际中选取试题素材。 这一方面比较容易将它转化为探究性 问题情境, 使选取的问题贴近学生的知识水平和认知能力; 另一方面有利于引导 教学联系学生的生活实际和社会实际, 培养学生解决实际问题的能力。 在学生的 学习和生活实际中, 哪些材料可以作为试题的素材?个人觉得, 比较理想的的试 题素材主要有以下几种:1. 课本上的实验材料新课程教材中是新课程理念实现的载体, 新课程教材实验内容丰富, 有 “演示 实验 (观察与思考 ”、 “探究性实验 (或实践活动 ”等,这些情境学生一般比 较熟悉,是探究性试题的很好素材。2. 实验报告实验报告往往能反应实验的过程与方法,将其赋予一

23、定的问题情境,也是不 错的探究性实验素材。3. 研究性学习报告等新课程实施过程中学生开展的研究性学习和综合实践活动,其成果往往以研 究报告的形式呈现, 这些研究报告既反映了科学探究的成果, 又反映了科学探究 的过程和方法, 我们比较容易从中选取问题的切入点, 以考查学生的科学探究能 力。(三情境设置有了适宜的素材,将它转化为一道探究性试题,需要设置合理的试题情境。 在设置试题情境时, 应以科学、 技术和社会中涉及的科学知识与技能为问题情境; 以中学化学知识和技能为问题解决背景, 即作为问题的已知条件; 以科学探究能 力为问题解决路径, 在思维层面上考查学生科学探究能力, 即问题的考点落在科 学

24、探究思维能力上。具体来说,要符合三个要求:一是问题情境的表达要充分、 简练, 即与解题相关的信息要充分表达, 不影响解题的要省略, 而不是面面俱到, 主次不分; 二是问题解决的背景知识要确保已知, 即要确保作为已知条件的背景 知识是绝大多数学生都能掌握的, 试题检测的确是探究思维能力而不过多牵涉知 识的掌握程度, 以提高评价的准确性和公平性; 三是问题的考点着落要准确, 即 要依据不同的试题素材设置不同的考点, 因为不同的素材适合不同探究思维能力 的考查, 比如研究结果有充分数据的素材, 可以考虑用以考查对资料的分析和解 释能力或推出结论能力; 研究过程表达得清晰明了的, 可以考虑考查实验设计

25、能 力;研究报告简短明了的,可以考虑考查提出问题能力或提出假设能力。(四命题案例1. 试题内容(07年广东省高考 23题已知某金属混合粉末中,除含铝外还含有铁、铜中的一种或两种,每种金属 的含量都在 5%以上。请设计合理实验探究该金属混合粉末中铁、铜元素的存在。 仅限选择的仪器和试剂:烧杯、 试管、 玻璃棒、 容量瓶、 量筒、 滴管、 药匙; 1 mol·L -1硫酸、 2 mol·L -1硝酸、 2 mol·L -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 该金属混合粉末中除铝外还含有 元素;假设 2 该金属混合粉末中除铝

26、外还含有 元素;假设 3 该金属混合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. 作答 。(3实验过程根据(2的实验方案,叙述实验操作、预期现象及结论【提示】 I. 在答题卡上按以下方式作答,注意前后内容对应;II. 注意文字简洁,确保不超过答题卡空间。 2. 案例分析该题以新课程教材中的研究性学习课题易拉罐成分的探究为命题素材, 结合高考中常见物质的检验考点重新设计, 情境真实, 材料新颖, 作为高考试题, 确保了试题的公平性; 试题设计成让学生完成实验探究过程, 从中体会到探究性 学习的全过程。 试题在设问时充分考量考生的探究能力差异, 分

27、两次设问, 注意 了试题的层次性; 具体探究过程的题设条件不确定, 而答案完全开放, 就铁元素 的检验就有三种方案:方案一:用药匙取入少许样品, 加入试管 A 中, 再用滴管取过量 NaOH 溶液并 滴加到试管 A 中,充分反应后,静置,弃去上层清液,剩余固体备用;往试管 A 的剩余粉末中加过量. 稀硫酸,充分反应后,静置。取上层清液于试管 B 中,剩余固体备用;试管 B 中加入少许. 稀硝酸,再滴加 KSCN 溶液。溶液先变成黄色, 加 KSCN 后显血红色,结合可知,一定含铁。方案二:样品加稀硫酸后,取上清液,加入过量 NaOH ,产生浅绿色沉淀;放 置一段时间后,沉淀变为红棕色方案三:取

28、样品加稀硝酸后,取上清液稀释至无色,滴加 KSCN ,溶液呈血红 色,样品中含 Fe该题是新课程高考中的经典探究实验试题, 试题设计考查较完整的探究过程, 能很好地区分不同实验能力层次的考生:可以独立设计与完成实验、 做过实验但 理解甚浅、 没做过实验等层次, 在评价时加强科学评价量表在依据试题所考查的 能力层次对试题赋分、 参考答案及评分方案方面的实际应用, 确保试题的有效性 和评卷的规范性。这对中学化学要重视实验教学具有很好的导向性。(五命题实践1. 素材选取探究反应原理的实验案例草酸溶液中逐滴加入高锰酸钾溶液反应速率 变化原因探究 1实验报告。2. 情境设置草酸及酸性高锰酸钾溶液高中学生

29、都比较熟悉,情境直接呈现探究实验过程 即可保证试题情境的真实性和新颖性。3. 问题设置草酸溶液中逐滴加入酸性高锰酸钾溶液时, 涉及到中学化学中的氧化还原反应 知识点及反应速率的影响因素知识点, 相对氧化还原反应, 速率的影响学生的理 解更好一些, 为此建议将速率的影响因素作为起点较低的设问点, 氧化还原问题 放后, 从而体现试题的层次性。 因该研究报告有充分数据的素材, 故考虑用以考 查对资料的分析和解释能力或推出结论能力。4. 试题内容向草酸(H 2C 2O 4溶液中逐滴加入酸性高锰酸钾溶液时,溶液褪色总是先慢 后快。 对其原因, 某研究性学习小组结合化学反应原理提出猜想与假设, 并设计 了

30、一系列实验进行探究:2肖常磊 钱扬义 . 中学化学实验教学论 M. 化学工业出版社 , 2008:6669实验(1 :在 2支试管中分别加入 10mL 等浓度的草酸溶液,在 1号瓶中加 入少量硫酸锰固体。 后在两支试管中加入 0.1 mol·L -1的高锰酸钾溶液。 现象如下 (表 1表 1 实验(2 :在 2支试管中分别加入 5 mL等浓度的草酸溶液,在 2号试管中 再加入 10滴稀硫酸,然后加入 5滴 0.1 mol·L -1的高锰酸钾溶液。现象如下(表 2表 2 实验(3 :取 3支试管分别加入 5 mL 等浓度草酸溶液,然后在 1、 2、 3号 试管中依次加入 10

31、滴、 1 mL、 2 mL稀硫酸溶液,各加入 5滴 0.1 mol·L -1的高锰 酸钾溶液,然后置于温度为 65 的水浴中加热。观察现象(表 3 。表 3 (1 该研究性学习小组提出猜想与假设的理论依据是 (从化学反应原理的角度 作答 :。(2设计实验(1对应的假设是 ; 实验(1得出的结论是 。 (3由实验(2和实验(3得出的结论是;(4据有关现象写出草酸溶液与酸性高锰酸钾溶液的离子方程式:。以考核学生的科学探究能力为主要目的的探究性实验试题, 在编制过程中要 要突出问题意识, 即引导学生学会观察。 试题的情境应该注意真实性, 立意具有新颖性,问题设置具有层次性,解法具有探索性,思维具有发散性,答案具有开 放性。让学生在解题过程中能够体验到科学探究的过程,激发学习化学的兴趣, 强化科学探究的意识,促进学习方式的转变,培养学生的创新精神和实践能力。 试题编制工作好比雕刻艺术。 挑选素材时对素材的审视, 就像在描绘雕刻作 品的轮廓; 将素材转化为一道试题编写出来, 就像雕刻出作品的初胚; 而最后敲 定的试题, 就像雕刻艺术成品一样是经过反复推敲、 打磨而成的。 在试题编制过 程中要多角度、 多层次思考, 要再三推敲试题有没有对素材的研究数据或