1、*人民教育出版社课程教材研究所“十四五”课题“三新背景下高中化学教师核心素养发展的实践研究”(K C 2 0 2 2-0 1 2);四川省教育科研资助金项目一般课题“基于发展学生 证据推理与模型认知素养的高中化学教学实践研究”(S C J G 2 0 A 1 0 1);四川省2 0 2 2年度教育科研重大牵头课题“区域基础教育办学质量评价实践研究”(S C J G 2 2 A 0 1 0);四川省南充市应用技术研究与开发资金项目“互联网+背景下基于大数据驱动的模块化网络微课程的开发与应用研究 以高中化学原理复习课程为例”(1 6 Y F Z J 0 1 1 1)*通信联系人,E-m a i l
2、:B e t t e r_b a i 1 6 3.c o m从误区走向真实:基于手持技术的化学试题情境分析*白 涛1*马红艳2 钱扬义3 罗 敏4(1.南充市教育科学研究所 江苏南充 6 3 7 0 0 0;2.四川省教育科学研究院 四川成都 6 1 0 2 2 5;3.华南师范大学化学学院 广东广州 5 1 0 0 0 6;4.贵州省教育科学院 贵州贵阳 5 5 0 0 0 1)摘要 利用手持技术数字化实验测量曲线分析5道中、高考试题,对此类化学试题情境的真伪加以求证,以案例探究化学试题情境如何从教学误区走向真实情境,使试题的命题立意更高,情境更真,设问更实,更加有效地探查学生批判性、创新性
3、等高阶思维,从利于“甄别选拔”逐步过渡到兼顾“导向教学”,发挥试题的育人价值和功能。关键词 手持技术 数字化实验 化学试题 试题情境D O I:1 0.1 3 8 8 4/j.1 0 0 3-3 8 0 7 h x j y.2 0 2 2 0 7 0 0 2 1 1 问题的提出手持技术是以服务教育为目的,以传感器为核心,以可视化表达为实验结果呈现形式的定量(半定量)实验技术系统,在国内又常被称为数字化实验系统(D I S),随着对该技术的不断研究,该技术已经在各级各类公开课、研究课和常态课中使用,也被列入化学课程标准、教学装备配备标准和教材中。近年来,手持技术实验也被用来复现试题情境或作为情境
4、用于命制试题(我们把这些试题称为手持技术试题),给被评价者提供真实的表现机会,创造浸润式的测评环境,并测评其高阶思维能力和核心素养发展水平。陈凯和保志明(2 0 0 8)1、区大柱(2 0 1 9)2、缪徐(2 0 2 0)3、洪兹田和张贤金(2 0 2 0)4、李金智和李莉(2 0 2 0)5等分别对南京、新疆、海南等省(市、区)和全国使用的部分中、高考手持技术试题进行了分析,对题型进行了分类,总结出解答思路和命题策略。赵倩(2 0 1 2)6对试题命制的意义及试题的科学性进行了研究。赵宇(2 0 1 2)7对2 0 1 1年高考中的1 7道图像试题进行了研究,作者误认为1 7道试题全部属于
5、手持技术试题,经分析,其中只有1道为手持技术试题,其余均为通过计算模拟或者大型仪器测量的图像情境命制的试题。如何利用手持技术分析试题情境?如何利用手持技术创设情境来命制试题呢?本文以几道与中学化学命题和教学认识误区有关的典型的手持技术试题为例,利用手持技术数字化实验结果分析的“四重表征”8理论来进行剖析。2 利用手持技术分析中考试题情境真伪溶液混合过程中理化指标(电导率、温度、p H等)的变化,特别是溶液混合过程中反应先后顺序造成的理化指标变化是中考化学试题命制的常用情境,但由于教学阶段的局限,常常出现认识误区。赵倩(2 0 1 2)6 用手持技术研究了镁铝氢氧化物沉淀反应过程中p H的变化,
6、从而得出沉淀量随加入碱溶液体积的变化而变化的认识误区。严西平(2 0 1 3)9等用手持技术测量了硫酸和硫酸铜混合溶液中滴加氢氧化钠溶液,稀盐酸和氯化钙混合溶液中滴加碳酸钠溶液,碳酸钠和氢氧化钠混合溶液中滴加稀盐酸等过程的p H变化,探讨了某些并存复分解反应的顺序和传统中考带来的几个教学盲点。利用手持技术分析中考试题的情境是很有意义和必要的。例如2 0 1 4年某地中考第1 0题的正确选项为向H2S O4和M g S O4混合液中滴加N a OH溶液的p H变化(如图1左图),受初中阶段教学的局限性影响,初中教师和命题者存在很典型的认识误区,误认为:硫酸和硫酸镁的混合溶液由于硫酸的存在,呈现酸
7、性,随着氢氧化钠溶液的加入,氢氧化钠首先与硫酸发生中和反应,p H随之升高,直至中和反应完成,p H恰好为7,随即开始与硫酸镁发生592 0 2 3年第4 4卷第1 3期 化 学 教 育(中英文)(h t t p:/w w w.h x j y.c h e m s o c.o r g.c n)注:左:试题曲线;中:手持技术实验装置;右:手持技术测量曲线F i g.1 T h e p H c h a n g e o f d r o p p i n g N a O H s o l u t i o n i n t o H2S O4 a n d M g S O4 m i x e d s o l u t
8、i o n图1 向H2S O4和M g S O4混合液中滴加N a O H溶液的p H变化反应,生成氢氧化镁沉淀和硫酸钠,由于反应后溶液中只有硫酸钠,不存在酸和碱,因此p H保持不变,直到沉淀完成,p H才因氢氧化钠过量而继续升高。该试题曲线存在几处比较明显的问题:(1)即使溶液的缓冲能力再强,抵抗p H变化的能力也是有限的,不可能存在一段平行于横坐标的p H变化曲线;(2)M g(OH)2的水溶液是碱性的,查得pKs pM g(OH)2=1 1.2 51 0,假设开始沉淀时c(M g2+)=0.0 4 1 7 m o l/L(根据下述实验用量估算),沉淀完全时c(M g2+)=1 0-5 m
9、 o l/L,根据计算,M g(OH)2沉淀过程的p H应该从9.0 6 4上升到1 0.8 7 4。利用如图1装置进行实验,用0.5 m o l/L N a OH溶液滴定1 0 m L 0.1 m o l/L H2S O4溶液和1 0 m L 0.1 m o l/L M g S O4溶液的混合溶液,得到p H变化曲线和相应节点的实验现象如图1右图所示。虽然由于理论计算中没有考虑硫酸是二元酸和其二级电离不完全,镁离子也存在碱式水解形态,Ks pM g(OH)2在不同手册中也有不同测量值等因素,造成理论计算与实验存在一定差异,但是通过手持技术和初步的理论探讨,足以说明该题的命题者未进行必要的实证
10、,仅通过阶段性认知进行简单推理演绎,是一道非常典型的情境失真试题。3 利用手持技术探究高考系列试题情境发展电解质溶液的导电性常用电导率进行表征,它取决于电解质电离出的离子种类、浓度、离子所带电荷以及所处的温度等因素,受中学阶段教学的局限性影响,高中教师和命题者往往忽略了离子种类对导电性的影响,在同一温度下,往往只考虑变化过程中的离子浓度和离子电荷的变化关系来分析溶液导电能力的变化,产生了一些失真的试题情境。F i g.2 T h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n c o n d u c t i v i t y a n d c o n c e n t
11、 r a t i o n o f e l e c t r o l y t e s o l u t i o n1 2图2 电解质溶液电导率与浓度的关系1 2图2为部分电解质溶液电导率 浓度曲线,图中同温、同浓度的电解质溶液中,强酸的电导率最大,强碱次之,盐类较低,弱电解质最低。表1列出了常温时部分离子的极限电迁移率(又称离子淌度,指某种离子在一定的溶剂中,电位梯度为1 V/m时的迁移速率,可表征离子电迁移快慢的程度),可发现H+和OH-(尤其H+)的电迁移率远远大于其他离子(G r o t t h u s s 质子机理),说明了图2中强酸、强碱的电导率高不但与表1 2 9 8.1 5 K时部分离
12、子在无限稀释水溶液中的离子电迁移率1 2-1 3T a b l e 1 T h e i o n i c e l e c t r o m o b i l i t y o f s o m e i o n s i n i n f i n i t e l y d i l u t e d a q u e o u s s o l u t i o n a t 2 9 8.1 5 K1 2-1 3阳离子u 1 08/(m2s-1V-1)阴离子u 1 08/(m2s-1V-1)H+3 6.3 0OH-2 0.5 2K+7.6 2S O2-48.2 7C a2+6.5 9C l-7.9 1B a2+6.5 9N
13、O-37.4 0N a+5.1 9H C O-34.6 1L i+4.0 1C H3C O O-4.2 069化 学 教 育(中英文)(h t t p:/w w w.h x j y.c h e m s o c.o r g.c n)2 0 2 3年第4 4卷第1 3期离子浓度有关,还与离子种类有关,其中H+和OH-对溶液的导电性影响显著1 1,同时,也说明了电化学中盐桥常常使用阴阳离子的电迁移率相近的K C l和K N O3的原因(2 0 2 0年全国I卷第2 7题利用了此情境)。基于此,对同样以电导率曲线为情境的3道高考试题(2 0 0 3年上海市高考第2 2题、2 0 0 8年广东省高考第1
14、 8题和2 0 1 6年北京市高考第1 1题)进行分析,可以发现随着命题技术和理念的不断更新,实验条件的逐步完善,试题情境从失真逐步走向真实。图3是2 0 0 3年上海高考题试题曲线、手持技术实验装置和测量曲线。实验测量结果的“四重表征”分析见表2,可以发现:由于通入C O2后,最终溶液中H C O-3的极限电迁移率(4.6 1)远小于OH-的(2 0.5 2),导电能力无法恢复到未通C O2前,试题曲线是一个失真的情境。注:左:试题曲线;中:手持技术实验装置;右:手持技术测量曲线F i g.3 T h e c h a n g e o f c o n d u c t i v i t y o f
15、 C O2 i n j e c t e d i n t o c l a r i f i e d l i m e w a t e r图3 向澄清石灰水中通入C O2溶液的导电能力(电导率)变化表2 向澄清石灰水中通入C O2溶液的电导率变化手持技术实验分析T a b l e 2 T h e h a n d-h e l d t e c h n o l o g y e x p e r i m e n t a l a n a l y s i s o f e l e c t r i c a l c o n d u c t i v i t y v a r i a t i o n o f C O2 i n
16、j e c t e d i n t o c l a r i f i e d l i m e w a t e r分析视角分析结果曲线变化电导率随C O2的通入先减小,后增大,随后基本保持不变宏观现象通入C O2后,溶液出现浑浊,当电导率降至最低点时,溶液最为浑浊,随后浑浊程度降低(实验使用的是饱和澄清石灰水)符号表征先后发生C a(OH)2+C O2C a C O3+H2O和C a C O3+H2O+C O2C a(H C O3)2微观变化假设原澄清石灰水的浓度为c m o l/L(忽略溶液变化过程的体积 变化),溶液通 入C O2前,主要 存在c m o l/L C a2+和2c m o l/L O H-,随着C O2的通入,C a2+,O H-因反应而逐渐减少,直至沉淀完全,随后C a2+又逐步释放,但由于沉淀无法完全溶解,最终得到的溶液中C a2+小于c m o l/L,O H-小于2c m o l/L 图4是2 0 0 8年广东高考题试题曲线、手持技术实验装置与测量曲线。实验测量结果的“四重表征”分析见表3,可以发现:试题与测量曲线的最大区别是2条曲线折点(即:K C l和C H
