中考化学探究性实验的考查

“科学探究”是化学课程重要的学习方式、学习内容和学习目标。它涉及以下要素或环节：
　　
　　按照科学探究的基本过程设计试题，能够比较全面考查学生的科学素养。由于此类试题对中学教与学有很好的导向作用，因此，以实验为载体、考查科学探究学习的试题成为近年考试的热点。从考试要求来看，此类试题往往抓住科学探究的某个要素来作为试题的切入点，要求学生结合探究目的进行作答，从而考查学生的探究时间能力。近年中考化学试题对探究实践能力的考查，往往侧重以下几个方面：
　　
　　一、作出猜想（假设）并设计探究方案（计划）
　　
　　根据提出的问题作出猜想（假设），是探究活动的基础，它为探究活动的开展指明方向；而实验方案则为探究活动作出规划。因此，中考试题常常关注学生作出猜想并设计方案的考查。在提作出猜想和设计方案阶段，应考虑的主要问题是：探究的问题具有哪些可能的假设？哪种（或哪些）假设可能性最大？应优先考虑哪种假设？根据所具备的条件、可能的假设及实验技术要求对探究应作出怎样的规划等。
　　
　　例题1：著名化学家罗博特.波义尔在一次实验中，不小心将盐酸溅到紫罗兰花瓣上，过一会儿，发现紫色花瓣出现红点点。他对这一意外的发现作出各种假设，经过多次实验验证，探究普遍规律，终于获得成功。对紫罗兰花瓣遇盐酸变红现象，你有哪些假设？将你的各种假设以及验证假设的实验方案填写在下表中。
　　
　　你对紫罗兰花瓣遇盐酸变红色现象的各种假设你验证假设的实验方案
　　
　　[分析]试题以指示剂的发现为素材，要求学生根据科学探究过程，提出设想并制定方案。解题的关键在于作出合理的假设。由于素材仅涉及盐酸和紫罗兰花瓣，结合中学实际，学生应敏锐地感知，试题旨在考查酸的性质（指示剂遇酸变色）。由于实验条件没有限制，思维角度和试题答案具有开放性的特点。根据已有的知识，本题可从宏观和微观的角度对现象作出假设：1）宏观的角度，从物质的属类出发，可考虑其它酸是否具有同样的现象；或者考虑中性、碱性溶液是否存在该现象；2）微观的角度，可从盐酸所含的微粒出发，探究变色是由H+、Cl—、还是H2O引起的。对应的实验就可以依据假设来进行设计和展开。答案为：
　　
　　其它酸能使紫罗兰花瓣变色吗？将稀硫酸、稀硝酸等滴到花瓣上，观察现象
　　
　　盐酸能使其它种类的花瓣变色吗将盐酸分别滴到其它种类的花瓣上，观察现象
　　
　　碱液也能使紫罗兰花瓣变色吗？将NaOH、Ba（OH）2溶液滴到花瓣上，观察现象
　　
　　是溶液中的Cl-使花瓣变红吗？将NaCl、KCl溶液滴到花瓣上、观察现象。
　　
　　二、对实验事实作出处理
　　
　　科学探究的目的在于获取探究结论，而实验过程中的事实性材料并不是科学探究的结论。因此，对科学探究实验中得到的事实性材料进行分析处理或作出评价，是科学探究的重要组成部分，中考试题十分重视对探究实验事实处理能力的考查。解答“对探究性实验事实作出处理”的问题，一般必须具备较强的获取知识能力和分析综合能力。解题时，必须紧扣探究的目的和原理，通过对题目给出的实验事实进行分析、加工、归纳、总结、提炼等，从而发现规律，得到有用的结论。
　　
　　例2、某化学研究小组为探究某化学问题，设计了如下的探究实验：在A、B、C、D、E五只小烧瓶中合适的物质（见表格），然后装配成右图所示的五套装置，每隔一段时间测量导管中水面上升的高度。结果如下表所示（表中所列数据为导管水面上升的高度/mm）：
　　
　　时间/h01.02.03.04.0
　　
　　A瓶（盛干燥铁丝）00000
　　
　　B瓶（盛沾了食盐水的铁丝）01.25.68.69.8
　　
　　C瓶（盛沾了清水的铁丝）000.82.03.5
　　
　　D瓶（盛食盐水和铁丝，铁丝浸没在食盐水中）00000
　　
　　E瓶（盛蒸馏水和铁丝，铁丝浸没在蒸馏水中）00000
　　
　　（1）如果请你为该探究活动拟标题，你的建议是（写课题名称）__________。
　　
　　（2）实验前，如何检验该实验装置的气密性？__________________________。
　　
　　（3）通过实验得到的数据，可以得到的结论是：________________________。
　　
　　[分析]本题突出对实验事实进行分析处理、并对实验结果作出评价这方面能力的考查。准确合理地提取表中的信息是解题的关键。试题没有给出探究目的，要求考生在认真分析信息的基础上，得出实验目的（即探究活动课题）。根据题给的装置、表中数据可知，在外界条件不变的情况下，一些实验（B、C装置）导管会产生液柱，说明体系中发生反应，消耗空气或其中某些组分，使得体系压强变小。联系钢铁腐蚀知识，可推知B、C瓶中发生钢铁腐蚀反应；而A、D、E装置不形成水柱，说明未发生反应。此外，B和C形成水柱的速率不等，说明钢铁腐蚀的速率不同。因此，本实验研究的主题是钢铁腐蚀的条件（或影响钢铁腐蚀的条件）。本题第（2）问，涉及装置气密性检查，它是化学实验的重要基本操作，采用“微热法”进行检验即可。答案：⑴钢铁腐蚀的条件（或影响钢铁腐蚀的条件）；⑵用手握住烧瓶一段时间，观察浸入水槽的导管口是否冒出气泡；放开手后，观察导管中是否形成液柱。⑶铁腐蚀是铁、氧气、水（电解质溶液）共同作用的结果；或影响铁腐蚀的因素有：跟氧气接触、有水分存在、电解质（或当有食盐存在时更易生锈）。
　　
　　三、对探究性实验方案作出评价
　　
　　善于根据实验探究目的对探究实验方案的科学性和合理性进行评价是科学探究的重要能力。因为探究方案的优与劣、好与坏不仅影响实验的开展，而且会影响探究结果的正确性。在对探究性实验方案评价时，必须牢牢抓住探究目的，结合有关的化学原理、实验条件以及实验操作技术、“绿色化学”实验的要求等对给出的实验方案进行分析评价。
　　
　　例3：某探究小组想研究氧化铜能否在氯酸钾的受热分解反应中起催化剂的作用，设计如右装置（酒精灯省略）及如下操作：
　　
　　a.两份氯酸钾同时在相同的条件下正确加热，每隔10秒钟记录量筒中气体的体积；
　　
　　b.观察滤出物的状态和颜色；
　　
　　c.停止加热，冷却，将原先混有氧化铜的反应产物加水溶解，小心过滤，得滤出物，洗涤并干燥；
　　
　　d.将滤出物和炭粉混合，在密闭容器中高温加热，将产生的气体通入澄清石灰水中，并观察实验现象；
　　
　　e.任取两份氯酸钾，分别放入两支相同的试管，在其中的一份中加入经准确称量的ng的氧化铜粉末。
　　
　　回答下列问题：
　　
　　（1）按实验的先后顺序对上述实验操作进行排序：_____________________
　　
　　（2）以上实验步骤中，有一步不够严密，请指出是哪一步？_____________
　　
　　（3）要达到实验目的，初改进不严密的实验步骤外，还必须增加一个实验步骤，这个步骤是_________________________________________________。
　　
　　[分析]本题要求对研究方案作出规划（对实验步骤排序）、对方案存在的问题进行评价、并改进实验方案，很好地考查学生逻辑推理能力以及对简单实验的设计和评价能力。考生只有充分理解实验目的和原理，通过严密的逻辑推理，才能完整作答。本实验研究氧化铜在氯酸钾分解实验中的催化作用，由于催化剂是一种能够改变（加快）反应速率但自身属性（含组成、质量和化学性质等）在反应前后保持不变的特殊物质，因此要研究氧化铜在实验中是否有催化作用，必须做一组对比实验，并观察两个实验现象（产生气体快慢）的差异；在此基础上还要进行实验研究研究氧化铜的属性是否改变。根据这样的思路，可知操作顺序为e、a、c、b、d。做对比实验时，根据对比实验的要求，只能控制一个变量，即有无催化剂，其它因素应完全相同。因此，操作e是不严密的，因为该生在实验过程中“任取两份氯酸钾”，而不是取等量的两份氯酸钾。此外，从实验过程来看，该探究小组对反应后的“不溶物”（实际为氧化铜）只进行性质的研究（观察状态和颜色、让它与碳在高温下反应），而没有对“不溶物”进行称量，因此实验中必须在步骤b后进行称量，然后在进行后续操作。答案：（1）先后顺序为e、a、c、b、d；（2）步骤e不严密（所取的两份氯酸钾质量应该相等）；（3）对经干燥后的滤出物进行称量。
　　
　　上述三个例题主要从探究性实验一个侧面进行重点考查。然而，有些试题为综合考查学生对探究过程的理解、以及探究性实验综合能力的强弱，往往多角度设问。此类试题常常给出探究的全过程，并从多个角度提出问题。学生作答时，要从总体上把握科学探究的目的和要求，按照科学探究的过程对所提出的问题逐一分析解决。
　　
　　例4、某小组同学在课外进行科学探究，以验证铜片在空气中灼烧后，表面生成的黑色物质是铜与氧化合生成的CuO，他们进行下列实验：
　　
　　（1）由右图两个实验步骤判断：灼烧后铜片表面的黑色物质不是_________
　　
　　（2）为进一步证明步骤二铜片表面黑色物质的元素组成，他们选用以下实验装置继续进行实验：
　　
　　a、甲同学向A装置中通入纯净的H2，为检验反应产物，A的右边装置应连接上面的装置（填序号）__________，所选装置中的实验现象为________________。
　　
　　b、乙同学向A装置中通入纯净的CO，为检验反应产物，A的右边应连接上面的装置（填序号）___________，所选装置中的实验现象为___________________；此方法仅用上述装置进行实验有明显的缺陷，要弥补这个缺陷，应采取的措施是：______________。
　　
　　c、通入的气体若含少量的水蒸气，则应在A装置左边连接一个________装置。
　　
　　d、对A装置加热前，通入纯净气体应先___________后_________________。
　　
　　（3）结论：经过甲、乙两同学的实验现象证明：_________________________
　　
　　（4）如果甲同学要用数据证明（3）的结论，你认为还应补充的实验操作是：_________________________________________________________________。
　　
　　[分析]从题目内容可知，探究活动分两个部分：先证明铜表面的黑色物质不是由于蜡烛燃烧不完全而附着的碳粒；再进一步证明黑色物质的成分，探究逐步深入，考察学生综合探究实践能力。本题展现了科学探究的全过程，试题以研究课题的形式呈现，然后进行科学探究（包含验证实验、设计实验、评价方案、得出结论等）。解题时，应从科学探究的全过程对实验目的、题给条件等方面进行整体把握，从而得出正确答案。根据前一个实验可知，铜表面的黑色物质不是炭粒，因为无法擦去。为了进一步证明生成的黑色物质中含有氧元素，开展了第二个实验：分别用氢气和一氧化碳还原黑色物质，希望通过两个实验检验产物中是否含有水和二氧化碳，从而证明猜想。如果能够得到上述产物，就可以从定性的角度证明产物中确实有氧元素存在。在此基础上，试题还要求从定量的角度——要求用实验数据进行证明，这就需要对反应前后相关物质的进行称量，依据化学反应原理和各相关物质之间质量关系进行确定。答案：（1）炭粒；（2）a、C（无水硫酸铜变蓝）；b、B澄清石灰水变浑浊对尾气进行处理；c、C装置（或干燥装置）；d、通气体加热；（3）铜在空气中加热确实是与氧化合；（4）对铜片灼烧前后以及用气体还原以后都要进行称量。