吳俊杰　姜建文

摘要： 論述化工流程題作為測評學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)發(fā)展水平優(yōu)選題型的適切性。以人教版高中化學(xué)教材選修2《化學(xué)與技術(shù)》中“海水提溴”工藝為原型，以化工流程題的形式試命制一道基于化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)測評的學(xué)業(yè)水平等級性考試試題，對情境素材選擇及測試任務(wù)設(shè)計進(jìn)行詳細(xì)說明，并對試題考查的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的類別、水平及具體表現(xiàn)要求進(jìn)行評析，提出了解決化工流程題的一般思維模型。

關(guān)鍵詞： 化工流程題; 試題命制; 化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng); 教材; 思維模型

文章編號： 10056629（2020）08008405

中圖分類號： G633 8

文獻(xiàn)標(biāo)識碼： B

1? 問題提出

2017年版新課標(biāo)更新了高中化學(xué)課程的基本理念，倡導(dǎo)基于化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的評價[1]，學(xué)業(yè)水平考試應(yīng)緊緊圍繞化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的發(fā)展水平和化學(xué)學(xué)業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)來確定化學(xué)學(xué)習(xí)評價目標(biāo)[2]。而要實現(xiàn)對學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)發(fā)展水平科學(xué)有效的測評，首先應(yīng)從試題的題型上加以考究。“試題的類型是反映考試內(nèi)容的形式，服務(wù)于考試測量的目的、內(nèi)容及要求，不同的題型，實現(xiàn)的功能不同”[3]。那么何種題型更適合新一輪課程改革的要求，能夠在考試中落實對學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)發(fā)展水平的測評呢？顯然，化工流程題在非選擇題中是一個優(yōu)選。

化工流程題是一類情境素材源于生產(chǎn)生活實際，以工藝流程圖為背景信息，以實際化學(xué)問題的解決為題設(shè)導(dǎo)向，以物質(zhì)的性質(zhì)和轉(zhuǎn)化為核心考點，將化學(xué)反應(yīng)原理、實驗、計算及綠色化學(xué)觀念等知識、技能和價值觀的考查有機(jī)融合的一類試題。此類試題已成為新課標(biāo)高考化學(xué)科試卷的高頻題型，其取材新穎，問題表征多樣，考查能力多向，不少專家學(xué)者對此題型給予了高度肯定，如王后雄認(rèn)為“此類試題呈現(xiàn)化學(xué)工藝流程真實情景，……是考查化學(xué)核心素養(yǎng)高階水平的亮點題型”[4]。且此類試題凸顯“從微觀層次認(rèn)識物質(zhì)，以符號形式描述物質(zhì)，在不同層面創(chuàng)造物質(zhì)”的化學(xué)學(xué)科本質(zhì)特征，同時又易滿足“以真實情境為測試載體，以實際問題為測試任務(wù)，以化學(xué)知識為解決問題的工具”的命題原則[5]?？梢哉J(rèn)為，化工流程題是當(dāng)下測評學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)發(fā)展水平的優(yōu)選題型之一。

2? 化工流程題的命制

2.1? 情境素材的選擇

2017年版新課標(biāo)要求“以真實情境為測試載體”，真實情境主要包括以下要素：“情境中的事件應(yīng)該是真實發(fā)生或者能夠發(fā)生的，基于該情境的設(shè)問也能夠在現(xiàn)實生活中找到，題干中提供的信息或數(shù)據(jù)應(yīng)該能夠?qū)崿F(xiàn)”[6]。顯然，化工流程題的測試情境較易滿足以上要求，但從類型眾多、結(jié)構(gòu)繁雜的工業(yè)生產(chǎn)工藝中甄選出情境素材需考慮多方因素，如情境材料的普適性、價值取向等[7]，其中易被忽視且經(jīng)常出現(xiàn)的問題是情境材料的選擇與控制超出學(xué)生現(xiàn)有的學(xué)科認(rèn)知結(jié)構(gòu)、學(xué)習(xí)及生活經(jīng)驗。故試題選材不能只關(guān)注到化學(xué)技術(shù)在實際生產(chǎn)中的應(yīng)用而不匹配其與當(dāng)下學(xué)生的學(xué)科知識基礎(chǔ)、認(rèn)知水平及教學(xué)現(xiàn)狀的適切性?；诖?，以教材中的化工流程作為試題情境素材能較好地兼顧情境素材的真實性及其與學(xué)生知識儲備及認(rèn)知發(fā)展水平的適切性。教材中工業(yè)流程是化學(xué)知識在生產(chǎn)實際中的應(yīng)用典例，其知識面廣、問題多，教材本身并沒有做過多延伸，這為高考試題選材提供了豐富的信息源。故挖掘教材工藝流程既可以考查學(xué)生基于真實情境的問題解決能力，又能兼顧學(xué)生的學(xué)科知識基礎(chǔ)，不失為此類試題情境創(chuàng)設(shè)的合理途徑之一。下面以人教版高中化學(xué)教材選修2《化學(xué)與技術(shù)》[8]第二單元課題2“海水的綜合利用”中的“海水提溴”部分為題材原型展開試題命制。

2.2? 測試任務(wù)的設(shè)計

2.2.1? 查閱相關(guān)文件，明確測試內(nèi)容及要求

在新課程改革不斷推進(jìn)的過渡時期，本文仍以《2019年普通高等學(xué)校招生全國統(tǒng)一考試大綱（化學(xué)）》[9]為主要參考進(jìn)行化工流程題的命制。測試的“化學(xué)學(xué)習(xí)能力要求”定位于“接受、吸收、整合化學(xué)信息的能力，分析和解決化學(xué)問題的能力”;測試的知識內(nèi)容及能力要求層次定位于“了解常見非金屬元素單質(zhì)及其重要化合物的制備方法，掌握其主要性質(zhì)及其應(yīng)用”“了解常見非金屬元素單質(zhì)及其重要化合物對環(huán)境的影響”等。

2.2.2? 查閱相關(guān)工藝資料，選取適切性良好的考點

考試內(nèi)容效度是考試效度的重要證據(jù)之一，學(xué)業(yè)水平考試內(nèi)容的選擇關(guān)系到對考試結(jié)果所做出的解釋是否有效，是否可以將考試結(jié)果解釋為學(xué)生學(xué)業(yè)水平的標(biāo)志[10]。學(xué)業(yè)水平考試作為基于標(biāo)準(zhǔn)的教育體系的一個重要組成部分，確定學(xué)業(yè)考試內(nèi)容規(guī)范的基本原則是保證其與課程標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)的一致性，包括內(nèi)容領(lǐng)域或主題一致性、知識深度水平適應(yīng)性、知識范圍對應(yīng)性、內(nèi)容主題或知識點的平衡性以及知識的建構(gòu)[11，12]?；诖?，以上述考試大綱中的相關(guān)要求為宏觀指導(dǎo)，以2017新課標(biāo)中契合考試目的的“學(xué)業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)”及所選測試知識主題的“內(nèi)容要求”為測試任務(wù)設(shè)計的參考細(xì)則，能較大程度地保證測試內(nèi)容的規(guī)范性。對查閱相關(guān)工藝資料[13～17]所得考點進(jìn)行規(guī)范性篩選，結(jié)果如下：

（1） 硫酸的重復(fù)利用： 減少硫酸的使用;減少污染物的排放。

（2） “封閉式空氣吹出法”優(yōu)點： 解決尾氣污染環(huán)境問題;節(jié)省資源（尾氣含SO2和Br2）。

（3） “空氣吹出法”制溴工藝中預(yù)處理階段“酸化”的作用： Br2+H2OH++Br-+HBrO，pH大于7時，溶液顯堿性，溴單質(zhì)極易水解，調(diào)節(jié)pH小于7后，溴單質(zhì)從溶液中較易釋放出來。

（4） “水蒸氣蒸餾法”與“空氣吹出法”的比較分析： 前者原料為含溴量高的苦鹵等，后者則為普通低濃度的含溴海水，工藝上的差別在于是否有溴元素的富集過程，主要涉及耗能問題。

2.2.3? 完善題頭及題干內(nèi)容，轉(zhuǎn)化考點為測試任務(wù)

在保證試題內(nèi)容科學(xué)性及不影響學(xué)生理解題給信息等的前提下，推敲試題用語，精簡試題結(jié)構(gòu)，完善試題基本要素及必要的附加信息，得化工流程題全貌如下。

溴作為一種重要的化工原料，在醫(yī)藥、燃料、農(nóng)藥、制冷劑、阻燃劑、防爆劑等領(lǐng)域均有著廣泛的用途，而地球上約99%的溴存在于海水中，故海水中溴資源的開發(fā)利用具有重大意義[18]。目前海水提溴的工藝技術(shù)有多種，在我國應(yīng)用最廣泛的是“空氣吹出法”[19]，即用Cl2把海水中的Br-氧化為Br2，然后用空氣或水蒸氣吹出。某“封閉式空氣吹出法”工藝[20]流程如圖1。

（1） 圖中海水在“氧化”之前為什么要先“酸化”[21]，請結(jié)合化學(xué)方程式進(jìn)行說明。

（2） 圖中“吸收塔”用于對“吹出塔”吹出的游離溴的吸收，請寫出該反應(yīng)的離子方程式。

（3） 早期“空氣吹出法”工藝并無圖中“封閉循環(huán)系統(tǒng)”，吸收塔的尾氣直接排入空氣中，請簡述“封閉循環(huán)系統(tǒng)”的作用[22]。

（4） 圖中“蒸餾”步驟控制溫度[23]在80℃至90℃之間，請解釋其原因。（溴單質(zhì)的沸點為58.5℃）

（5） 圖中“廢液回收”步驟可減少（填物質(zhì)化學(xué)式）的使用，降低成本。

（6） 圖中“分離”步驟在實驗室中主要通過玻璃儀器、進(jìn)行分離。

（7） 另一類制溴工藝為“水蒸氣蒸餾法”，即以溴離子濃度相對更高的苦鹵為原料，在經(jīng)第一次氧化過程后直接將游離溴蒸出，而圖中直接以海水為原料的“空氣吹出法”工藝則在第一次氧化過程后再經(jīng)吹出、吸收、二次氧化等過程才將游離溴蒸出，請問導(dǎo)致此差別的主要原因[24]是什么？

參考答案：

（1） Br2+H2OH++Br-+HBrO，pH大于7時，溶液顯堿性，溴單質(zhì)極易水解，調(diào)節(jié)pH小于7后，已被氧化為溴分子的溴水解過程受到抑制，可減少氧化劑Cl2的用量，同時有助于溴單質(zhì)的吹出。

（2） Br2+2H2O+SO24H++2Br-+SO2-4。

（3） 避免尾氣直接排入大氣，解決尾氣污染環(huán)境問題;節(jié)省資源（尾氣夾帶SO2和未被完全吸收的Br2），提高資源利用率。

（4） 溫度過高（≥100℃）會使溴蒸氣夾雜大量水分;溫度過低（58.5℃左右）不利于溴的蒸出，故該過程控溫在80℃至90℃之間較為合適。

（5） H2SO4。

（6） 分液漏斗、燒杯。

（7） 兩者工藝所用原料不同，苦鹵中的溴離子濃度一般相較海水更高，所以考慮到耗能問題，“空氣吹出法”工藝需要在一次氧化后經(jīng)“吹出、吸收、二次氧化”等步驟進(jìn)行溴元素的富集過程后再蒸出游離溴。

3? 試題評析

上述試題要求學(xué)生通過提取、處理題給信息，分析產(chǎn)品溴的轉(zhuǎn)化途徑，綜合運(yùn)用化學(xué)知識解決問題，并依據(jù)“綠色化學(xué)”思想對資源的開發(fā)利用方案進(jìn)行分析與評價，考查了元素化合物、氧化還原反應(yīng)、化學(xué)反應(yīng)原理及實驗操作等學(xué)科知識，是較為典型的在真實情境中考查學(xué)生讀取與分析化工流程圖能力的試題，凸顯了化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)目標(biāo)的測試要求。本例考查的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的類別、水平及具體表現(xiàn)要求見表1。

題號素養(yǎng)類別水平具體表現(xiàn)要求

（1）變化觀念與平衡思想4能對具體物質(zhì)（Br2）的性質(zhì)和化學(xué)變化做出解釋或預(yù)測，運(yùn)用化學(xué)變化的規(guī)律分析說明生產(chǎn)實際中的化學(xué)變化

宏觀辨識與微觀探析3運(yùn)用化學(xué)符號（化學(xué)方程式）說明物質(zhì)的組成及其變化

（2）宏觀辨識與微觀探析3運(yùn)用化學(xué)符號（Br2與SO2反應(yīng)的離子方程式）說明物質(zhì)的組成及其變化

（3）證據(jù)推理與模型認(rèn)知2能從宏觀和微觀結(jié)合上收集證據(jù)（尾氣中含有未充分利用的SO2和少量未完全吸收的Br2），依據(jù)證據(jù)從不同的視角分析問題，推出合理的結(jié)論（節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境）

（4）變化觀念與平衡思想4能對具體物質(zhì)的性質(zhì)（Cl2與Br-）和化學(xué)變化做出預(yù)測（有溴單質(zhì)的生成）

證據(jù)推理與模型認(rèn)知2能依據(jù)證據(jù)從不同視角（利用Br2與H2O的沸點差選擇合適的餾出溫度、必要的餾出速率）分析問題，推出合理的結(jié)論

（5）變化觀念與平衡思想4能對具體物質(zhì)的性質(zhì)（Cl2的強(qiáng)氧化性）和化學(xué)變化做出預(yù)測，運(yùn)用化學(xué)變化的規(guī)律分析說明生產(chǎn)實際（可能含有副反應(yīng)）中的化學(xué)變化（SO2被氧化為H2SO4）

（6）證據(jù)推理與模型認(rèn)知2能理解和表示化學(xué)中常見的認(rèn)知模型（實驗室分餾操作模型）

（7）科學(xué)態(tài)度與社會責(zé)任4能依據(jù)“綠色化學(xué)”思想（降低能耗、提高溴的蒸出效率等）對某一個化學(xué)過程進(jìn)行分析，權(quán)衡利弊

測試任務(wù)要求的素養(yǎng)水平并沒有完全分布在水平4，主要是考慮到學(xué)業(yè)水平等級性考試的區(qū)分功能及降低考生考試壓力等因素。

4? 總結(jié)與思考

4.1? 總結(jié)

此次試題命制旨在探究在化工流程題題型框架下如何落實“以真實情境為測試載體，以實際問題為測試任務(wù)”的命題原則，突出對學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的考查，故闡述內(nèi)容側(cè)重點集中在情境素材的選擇、測試任務(wù)的設(shè)置上，對試題的測評要求沒有作過多的質(zhì)量指標(biāo)分析。

4.2? 思考

在上述過程中對化工流程題的教學(xué)策略也產(chǎn)生了一些思考，總結(jié)如下。

4.2.1? 夯實雙基

化學(xué)知識是培養(yǎng)學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的重要載體，化學(xué)教學(xué)是落實化學(xué)課程目標(biāo)、引導(dǎo)學(xué)生達(dá)成化學(xué)學(xué)業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的基本途徑?；ち鞒填}取材廣泛、綜合性強(qiáng)、設(shè)問方式靈活，但其“起點高，落點低”，無論情境素材是教材典例的變式還是教材之外學(xué)生不熟悉的生產(chǎn)工藝，解決這些問題所需的知識與方法皆源于普通高中化學(xué)課程的學(xué)習(xí)。故在強(qiáng)調(diào)發(fā)展學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的課改背景下，仍毋庸諱言學(xué)生“雙基”掌握的重要性。

4.2.2? 建構(gòu)思維模型

在日常教學(xué)中，可結(jié)合工藝流程圖及圖中每一環(huán)節(jié)的具體考查方向?qū)獯祟愒囶}進(jìn)行思維模型的建構(gòu)，給學(xué)生在面對此類試題時提供一個基本的思考方向。建構(gòu)化工流程題的一般思維模型如圖2所示。

需要注意的是，理論模型有其一般性和具體性，在解決具體問題時應(yīng)靈活變通，認(rèn)識到理論模型與具體實例間的異同，這也是“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的高階要求。

4.2.3? 參考課標(biāo)“建議”，挖掘教材資源

新課標(biāo)在必修課程及選擇性必修課程模塊下的各主題中都給出了“學(xué)習(xí)活動建議”和“情境素材建議”。“學(xué)習(xí)活動建議”如“實驗室模擬海水提溴、鎂”“鋅錳干電池的探究”;“情境素材建議”如“硫鐵礦、煤等資源與能源的開發(fā)利用”“鎳的精制、汽車尾氣處理”等，此類學(xué)習(xí)活動內(nèi)容及情境素材皆可為化工流程題的測試載體。故在日常教學(xué)中應(yīng)充分參考新課標(biāo)“建議”，深入挖掘教材資源，為學(xué)生正確解答化工流程題積累素材，并指導(dǎo)學(xué)生學(xué)會歸納總結(jié)，培養(yǎng)學(xué)生閱讀信息、提取信息、加工信息與表達(dá)信息的能力。同時這些真實的STSE素材和問題都是有價值的情境素材，學(xué)生在認(rèn)識這些素材及解決問題的過程中也在逐步發(fā)展并同步表現(xiàn)出其化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)水準(zhǔn)。

參考文獻(xiàn)：

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