高考综合实验试题在化学教学中的引导作用和育人价值

周琦 张霞丽 赵桂 周东

摘要： 将高考综合实验试题与实验教学相结合，一方面，通过深度研析高考试题，可以促使教师更加精准地把握教学内容，进而对教学思想和教学方法进行补充和调整；另一方面，对高考实验试题进行实验还原及探究，也可以充分调动学生的积极性和参与热情，促进学生化学学科核心素养的培养。通过对2020年全国Ⅱ卷中27题深度研习并以此为基础开展探究式实验教学，探索高考试题在卷面之外的作用，进一步发挥高考试题引导教学的功能，充分展现其育人价值。

关键词： 高考综合实验试题; 实验探究; 化学学科核心素养

文章编号： 10056629（2022）10008805

中图分类号： G633.8

文献标识码： B

1 问题的提出

高考综合实验试题注重从不同的角度考查学生的化学学科核心素养，同时发挥高考的育人功能和积极的导向作用［1～3］。对高考综合实验试题进行解析、还原与再探究，有助于引导学生在学习科学知识的同时加深思考和反思，促进知识向能力和素养的转化。同时在实验教学中，对教学目标的确定、情景素材的选取、课堂问题的设计、教学评价等均具有重要的参考价值，教师以化学高考试题引导学生进行实验探究，能够使学生带着求知欲和好奇心去探究化学学科知识。更为重要的是，将高考综合实验试题与平时的实验教学结合起来能够使学生通过化学实验了解化学学科知识产生的过程，体会化学家们探索化学知识的科学思维和过程，有助于培养学生严谨求实的科学态度。本文以2020年全国Ⅱ卷中27题为例，对试题本身进行深度研习并以此为基础进行试题还原的探究式实验教学，以期为一线教师充分利用高考试题资源提升学生化学核心素养提供参考。

2 试题解析，挖掘考题背后的育人价值

高考综合实验试题注重考查化学学科核心素养，能有效培育学生的逻辑推理、信息加工及知识迁移运用的能力。以2020年全国Ⅱ卷第27题“苯甲酸的制备及分析”（见图1）为例进行分析。

苯甲酸可用作食品防腐劑。实验室可通过甲苯氧化制苯甲酸，其反应原理简示如下：

实验步骤：

（1） 在装有温度计、冷凝管和搅拌器的三颈烧瓶中加入1.5 mL甲苯、100 mL水和4.8 g（约0.03 mol）高锰酸钾，慢慢开启搅拌器，并加热回流至回流液不再出现油珠。

（2） 停止加热，继续搅拌，冷却片刻后，从冷凝管上口慢慢加入适量饱和亚硫酸氢钠溶液，并将反应混合物趁热过滤，用少量热水洗涤滤渣。合并滤液和洗涤液，于冰水浴中冷却，然后用浓盐酸酸化至苯甲酸析出完全。将析出的苯甲酸过滤，用少量冷水洗涤，放在沸水浴上干燥。称量，粗产品为1.0 g。

（3） 纯度测定：称取0.122 g粗产品，配成乙醇溶液，于100 mL容量瓶中定容。每次移取25.00 mL溶液，用0.01000 mol·L－1的KOH标准溶液滴定，三次滴定平均消耗21.50 mL的KOH标准溶液。

回答下列问题：

（1） 根据上述实验药品的用量，三颈烧瓶的最适宜规格为__________（填标号）。

A． 100 mL    B． 250 mL    C． 500 mL    D． 1000 mL

（2） 在反应装置中应选用__________冷凝管（填“直形”或“球形”），当回流液不再出现油珠即可判断反应已完成，其判断理由是__________  。

（3） 加入适量饱和亚硫酸氢钠溶液的目的是__________  ；该步骤亦可用草酸在酸性条件下处理，请用反应的离子方程式表达其原理  __________  。

（4） “用少量热水洗涤滤渣”一步中滤渣的主要成分是__________ 。

（5） 干燥苯甲酸晶体时，若温度过高，可能出现的结果是__________ 。

（6） 本实验制备的苯甲酸的纯度为__________；据此估算本实验中苯甲酸的产率最接近于__________（填标号）。

A． 70%    B． 60%    C． 50%    D． 40%

（7） 若要得到纯度更高的苯甲酸，可通过在水中__________ 的方法提纯。

该试题综合性突出，以合成常见的食品添加剂苯甲酸为载体，涉及反应、加热、搅拌、冷却、过滤、除杂、干燥、纯度分析等操作，多角度地考查了学生的基本实验技能和综合实验能力。解决真实问题是培养学生高阶思维和创新能力，发展和检验化学学科核心素养的重要方式。

3 试题还原与探究，发展核心素养

3.1 试题还原，促进知识向学科能力的转化

为了更深入地研究此试题，在教师的帮助下让学生在实验室按照图1高考试题方法（以下简称原始实验）进行还原重复实验。重复实验过程中约2小时油珠消失，制得的苯甲酸粗产品为1.1g，产率为56%，纯度为87%，与试题所给数据基本一致。实践证明，对原始实验进行还原有助于学生学会：（1）设计合理、可行的实验方案；（2）正确选用实验装置；（3）掌握控制实验条件的方法；（4）预测或描述实验现象、分析或处理实验数据，得出合理的结论；（5）评价或改进实验方案等综合实验能力的提升。

3.2 引导学生发现问题，发展“证据推理与模型认知”核心素养

重复实验中按照原始方案制得的苯甲酸纯度为86%，是什么因素影响了产物的纯度，有没有方法提高产物的纯度？这一问题是在已有实验结果上的“生长”，学生可以根据已有知识做出合理的解释。同时此问题有效激发了学生对实验做进一步探究的积极性，师生在实验室围绕这一问题展开了一场热烈的讨论。部分对话记录如下：

［师］请同学们结合所学的混合物的分离和提纯、乙醇的性质、酸碱中和滴定等实验经验来讨论苯甲酸纯度为86%的可能原因及提高纯度的方法。

［生1］我觉得水浴干燥得不彻底，苯甲酸中含有少量的水分，可以用一个其他实验仪器或方法延长干燥的时间，将苯甲酸干燥得彻底些。

［生2］我觉得是KOH溶液的浓度太小了，很容易与空气中的CO2反应，引起较大的误差。可以换用浓度约为0.1mol·L-1的NaOH溶液进行实验。

［生3］滴定过程中用到容量瓶和移液管两个量器是不是会增大误差，有没有其他更科学的方式还需要老师指导。

［生4］产品在洗涤环节中可能洗涤得不彻底，可能含有无机盐。用离子来表示的话阴离子可能有Cl-、 SO2-4，根据电中性原理阳离子可能有Na+、 K+、 Mn2+。阴离子可以用AgNO3溶液和BaCl2溶液进行检验，阳离子Na+、K＋可以用焰色反应进行检验，但Mn2+不知道怎么检验。

［生5］在有机化学里曾学习过乙醇的性质，乙醇跟金属钠反应会产生氢气，感觉乙醇有弱酸性，使测得的结果有些偏大。

［师］同学们的思维非常活跃，合成的物质中含有水分确实会降低其纯度，可使用实验室常见的恒温干燥箱将新制的苯甲酸干燥到恒重即可除去游离的水分。确实实验室最常用的是浓度约为0.1mol·L-1的NaOH溶液。在大学分析化学中用减量法称取药品加溶剂溶解再滴定，可以避免使用容量瓶跟移液管两种量器以减小实验误差。阳离子Na+、 K+用焰色反应来鉴别的话需要离子的浓度较大，且不能定量，大型仪器电感耦合、荧光光谱等离子光谱仪可以检测Na+、 K+、 Mn2+的含量。至于乙醇有没有酸性，可以做个空白对照试验验证。请同学们根据讨论的结果进行实验探究。

从学生熟悉的实验及实验原理出发，引导学生进一步推理，促使学生将已有的知识迁移应用到新的情境中，从而寻找到解决问题的方法，发展“证据推理与模型认知”核心素养。教师通过引导学生以“证据推理”的方式学习影响苯甲酸纯度的因素，提示学生从混合物的分离和提纯、乙醇的性质、酸碱中和滴定等方面进行思考。学生由影响苯甲酸纯度的因素结合已有的科学知识及实验经验出发，多数能想到影响物质纯度的因素有：含有水分、无机盐（洗涤不彻底）。优生还可能会想到两个量器同时使用会产生系统误差以及溶剂乙醇上羟基H的性质等。通过乙醇分子结构的理论知识进行推断，有助于学生对“宏观辨识与微观探析”这一化学学科核心素养的更深层次的理解。同时教师给学生普及现代大型分析仪器知识，有助于开拓学生的视野。

3.3 探究影响纯度的因素，发展“科学探究与创新意识”核心素养

学生在教师的引导下设计实验方案、开展实验、得出结论才能完整地体会实验探究过程。

［师］同学们根据讨论推理的结果设计了实验方案并进行了实验，请同学们说说苯甲酸纯度为86%的原因，实验探究的过程和实验现象及结论。

［生］取水浴干燥以后的苯甲酸0.9775g放在95℃恒温干燥箱里进行干燥，直到重量不再变化（干燥至恒重），重量为0.8692g。说明沸水浴干燥并不彻底，所得粗产品中仍含有约10%的水，这是影响产品纯度的主要原因。

［生］接着对已完全干燥的苯甲酸粗品按原始实验的步骤进行纯度分析：称取0.1225g粗产品，配成乙醇溶液，于100mL容量瓶中定容。每次移取25.00mL溶液，用已标定的0.0123mol·L-1的KOH标准溶液滴定，三次滴定平均消耗19.89mL的KOH标准溶液，通过计算得到已干燥的苯甲酸粗品的纯度高达97.4%。

［生］做了乙醇的空白对照试验，移取25.00mL乙醇于锥形瓶中，加入2滴酚酞指示剂，消耗0.0123mol·L-1的KOH溶液1.15mL，该实验证明直接使用乙醇确实会影响产物的纯度，使得纯度偏大。

［生］又取少量的产品加入适量的蒸馏水温热溶解，将溶液分为两份，一份向里面加入足量稀硝酸，无明显现象，再加入两滴AgNO3溶液，产生白色沉淀，说明苯甲酸的粗品中含有Cl-；另一份向其中加入足量稀盐酸，无明显现象，再加入BaCl2溶液产生白色沉淀，说明苯甲酸的粗品中含有SO2-4。此外，根据溶液的电中性原理，此粗产物中可能含有K+、 Na+、 Mn2+等阳离子。这些实验说明粗产品中还含有少量无机盐，这也是影响产品纯度的原因之一。

［师］同学们通过实验证明了高考题中苯甲酸的纯度低主要是由于在沸水浴上苯甲酸干燥不彻底依然含有水分以及苯甲酸粗品没有洗涤干净含有少量的无机盐两个原因共同造成的。

通过讨论影响纯度的因素，学生根据讨论的结果设计了实验方案，并对自己提出的假设进行了实验验证，通过假设、实验、推理和评价等系列活动，有效锻炼了学生的化学思维能力和化学实验能力，发展学生“科学探究与创新意识”的核心素养。

3.4 问题拓展，激发强烈的求知欲

按照原始方案制得苯甲酸的产率约为50%，是什么影响了产率？能否进行改进？这一问题的设置是在原始实验基础上的提升，需要教师课前查阅相关资料并进行预测。对原有实验进行拓展可以进一步激发学生的探索精神，有助于在更高层次上培养学生的“科学探究与创新意识”。

［师］按照原始方案制得的苯甲酸产率约为50%，请结合苯甲酸在冰水中的溶解度（约为0.18g）、甲苯在水中的溶解度［0.11g（0.13mL）/100mL（100℃）、 0.047 g（0.05mL）/100mL（16℃）］，分析是什么影响了产率，能否进行改进？

［生1］我觉得和水的用量有关。水多了，高锰酸钾的浓度变小了，高锰酸钾的氧化能力变弱了，甲苯没有氧化完全，在合成过程中减少水的用量。

［生2］我觉得是溶液中的水太多，一开始就加入了100mL，后面又加入饱和亚硫酸氢钠溶液又会引入水将苯甲酸钾的母液稀释，导致在酸化的过程中苯甲酸有一部分溶解在了水里，沒有析出，减少溶剂水的用量，减小苯甲酸溶解在水里的质量，优化实验中可考虑加入亚硫酸氢钠固体不会引入水。

［生3］根据我们初中所学知识，高锰酸钾受热分解，我觉得刚开始高锰酸钾浓度过大，在加热的过程中部分分解了，甲苯没有被氧化完全。

［生4］根据甲苯在水中的溶解度数据，溶剂水越多，甲苯溶解得越多，原始实验是以加热回流液中不再出现油珠为甲苯反应完全的标志，更多的溶剂水意味着在停止反应时会有更多溶解在水中的甲苯没有被氧化，从而导致产率下降。可以减少溶剂水的用量或延长反应的时间提高甲苯的转化率。

［师］正如1、 2、 4三位同学所说，对于一个合成反应来说，溶剂的用量及反应物的用量确实非常重要，我们在设计、验证由高锰酸钾氧化甲苯制备苯甲酸的实验中减少水的用量及延长反应时间，看看能否提高苯甲酸的产率？同学3提出刚开始高锰酸钾的浓度太大了，那我们把高锰酸钾分批加入看是否能提高苯甲酸的产率。

猜想与假设是实验探究过程中的一个重要环节。教师提供了苯甲酸、甲苯在水中的溶解度数据引导学生思考由高锰酸钾氧化甲苯制备苯甲酸影响产率的因素，结合学生现有的科學知识及实验经验，同时提示学生从化学反应的速率与限度等要素来思考，学生很容易想到影响产率的因素有反应物浓度的大小以及溶剂的用量，有助于培养“变化观念与平衡思想”核心素养。经过设计实验方案并进行实验，教师引导学生利用已有知识，加强学以致用，发展学生的知识迁移和证据推理能力。

3.5 实验优化与讨论，全面提升化学学科核心素养

通过实验对猜想与假设进行验证从而解决实际问题是化学实验的意义所在，也是实验探究的关键环节。

［师］同学们根据原始实验方案、讨论结果及影响纯度的因素设计进行了合成苯甲酸的实验及其纯度分析，请同学们向大家分享自己的实验步骤、实验结果以及相关的实验现象。

［生1］在原始实验的基础上，我们小组加入了80mL水，在洗涤过程中分多次洗涤，直到用硝酸银检验没有白色沉淀产生。用恒温干燥箱干燥，得到苯甲酸1.1g，产率为63%，用0.1036mol·L-1的NaOH溶液（实验室提供）标定得出纯度为97.2%。

［生2］在原始实验的基础上，我们小组加入了60mL水，在洗涤过程中分多次洗涤，直到用硝酸银检验没有白色沉淀产生。最后用恒温干燥箱干燥，得到苯甲酸1.29g，产率为73%，用中性的乙醇溶解苯甲酸，用0.1036mol·L-1 NaOH溶液标定得出纯度为97.5%。

［生3］在装有搅拌子、温度计、冷凝管的100mL三口烧瓶中加入1.5mL甲苯和20mL蒸馏水，开启加热和搅拌，加热回流。经冷凝管上口分批加入4.8g高锰酸钾。粘附在冷凝管内壁的高锰酸钾用20mL的水洗入反应烧瓶中，继续加热至甲苯层消失，回流液中不再出现油珠为止（约为1.5h）。停止加热，继续搅拌，向反应瓶中分次加入少量的亚硫酸氢钠固体，直至溶液中的紫色消失。趁热减压过滤反应的混合物，用少量热水洗涤滤渣，将滤液转移到100mL的烧杯中，冰水浴中冷却，再加入浓盐酸酸化，直至苯甲酸全部析出。抽滤、用冷水洗涤产品，用AgNO3溶液检验洗涤液，直至不再产生白色沉淀。抽干，将苯甲酸转移到已称重洁净的表面皿上，干燥至恒重，粗品为1.56g，把制得的苯甲酸从表面皿中转移到称量瓶中备用。纯度测定：用减量法称取0.25～0.30g苯甲酸于250mL锥形瓶中，加入25mL的中性乙醇（取100mL的无水乙醇加入8滴0.2%的酚酞乙醇溶液，用已标定的0.1036mol·L-1 NaOH溶液滴定至微红色）溶解，用0.1036mol·L-1 NaOH溶液滴定至试液变为微红色，且半分钟不褪去即为终点。平行测定三次数据如下（见表1）。测定的苯甲酸的纯度为97.91%，产率为89%。

［生3］在实验过程中还发现，优化实验只需要1.5h，原始实验方案反应时间为2h。说明优化实验可以节省水、电资源。优化实验方案拆除装置后体系中没有甲苯的气味，原始实验方案拆除装置后能明显闻到甲苯的气味，说明优化实验方案甲苯反应得更完全，避免了甲苯被排放到空气中，污染环境。

［师］实验证明，从溶剂的用量、氧化剂的加入方式及时间等方面都可能对产率造成影响。在优化实验中，考虑到溶剂水的用量可能是决定产率的关键因素，于是采取了少加水、少量多次加水、分次加入氧化剂高锰酸钾、加入固体亚硫酸氢钠代替饱和亚硫酸氢钠等方法，以提高苯甲酸钾的浓度来提高苯甲酸的产率。使用量器容量瓶及移液管都可能会产生一定的系统误差，同学们优化实验的方法操作更为简单，提高了测量结果的准确性。另外采用更廉价易得的NaOH代替KOH，符合中学化学实验室常见药品的使用原则，符合绿色化学的要求。通过对乙醇分子的结构进行推断，乙醇的醇羟基中氧的电负性比氢大，氢和氧共用的电子偏向氧，氢表现出一定的活性，醇具有一定的酸性可以与氢氧化钠反应，同时，采用中性乙醇溶解待测定的苯甲酸比无水乙醇更可以避免消耗氢氧化钠溶液使测得的苯甲酸的纯度偏大，从而使实验的结果更为准确。

本次实验教学活动也存在一些不足，如在讨论提高纯度的过程中，学生将影响纯度的因素和测量过程中可能带来的误差放在一起讨论。若教师能及时进行适当的引导，学生会对化学原理及化学实验之间的相互关联有更清晰明确的认识。这样更有利于学生系统知识的构建，更有助于提高学生在以后的学习和生活中遇到困难时能从根本出发解决实际问题的能力。

4 结束语

本次实验教学从一道高考综合实验题出发，学生在教师的引导下经历了实验探究的完整过程，学习了实验优化的基本方法，体验及领会了化学家们基于实验事实发现化学真理的探索历程。通过此次教学，学生的化学思维能力、观察与实验能力、科学探究能力和实践与创新能力等化学学科核心素养都得到了锻炼。同时，在高考试题这一“权威资料”的基础上进行改进和优化是让学生体会“怀疑精神”的绝佳机会，也是对“科学探究与创新意识”这一化学学科核心素养的最佳诠释，展现了高考试题在卷面之外的引导作用和育人价值。

与一般的实验教学相比，将高考综合实验试题引入中学实验教学，通过对试题的还原验证这一最直接的方式，将试题对各种能力的考查转化为对学生相应能力的培养，可以使实验教学更加有的放矢。在实验探究中不仅培养了学生的“宏观辨识与微观探析”“科学探究与创新意识”等化学学科核心素养，同时进一步增强了学生学习化学的兴趣。

近年来化学命题聚焦学科核心素养，突出考查关键能力，助力基础教育改革和高考综合改革稳步推进［4］。师生可以用理性的思维去审视高考题，尤其是对于实验题目，在条件允许的情况下走进实验室对高考试题进行还原验证，在此基础上可以进一步挖掘该类型试题的其他延伸知识与技能，使高考实验试题真正成为一线教学的资源，切实发挥高考试题作为教学素材引导教学的功能，展现其育人价值，从而在新时代、新形势下为创新型国家建设输送优秀的化学后备人才。

参考文献：

［1］教育部考试中心. 深化学科基础考查 发挥积极导向作用——2021年高考理科综合全国卷试题评析［J］. 中国考试，2021，（7）：82～87.

［2］教育部考试中心. 贯彻高考评价体系 深化高考内容改革——2020年高考化学全国卷试题评析［J］. 中国考试，2020，（8）：43～46.

［3］尹博远，王磊. 基于学科观念和真实问题解决素养导向的命题策略［J］. 中国考试，2021，（1） ：70～74.

［4］梁丹. 聚焦学科素养 强化基础考查——教育部考试中心命题专家评析2021年高考化学试题［N］. 中国教育报，2021-6-9（3版）.