趙雪 王婷婷 姜言霞

摘要：化學(xué)工業(yè)流程題目前已成為高考化學(xué)科目的固定題型之一。從試題命制的角度出發(fā)，基于歷年高考化學(xué)工業(yè)流程題的命制實(shí)例進(jìn)行總結(jié)分析，探索優(yōu)化該題型命制的方法策略，并提出命制化學(xué)工業(yè)流程題所應(yīng)遵循的基本要求。

關(guān)鍵詞：高考化學(xué); 化學(xué)工業(yè)流程題; 命題實(shí)踐; 試題命制原則

文章編號(hào)：1005-6629（2021）08-0090-05

中圖分類號(hào)：G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

關(guān)于化學(xué)工業(yè)流程題的界定，基礎(chǔ)教育領(lǐng)域比較普遍的認(rèn)知是，圍繞化工生產(chǎn)的實(shí)際過程或是實(shí)驗(yàn)室對(duì)工業(yè)生產(chǎn)的模擬，選擇性地進(jìn)行簡(jiǎn)化處理并使之符合高中學(xué)生的認(rèn)知水平，試題以流程圖形式將生產(chǎn)情境或?qū)嶒?yàn)過程進(jìn)行再現(xiàn)，考查內(nèi)容則包括元素化合物知識(shí)、基本化學(xué)原理、實(shí)際操作及工藝條件等。隨著高考命題指導(dǎo)思想從知識(shí)立意到能力立意、素養(yǎng)立意的演變，化工流程題因其在體現(xiàn)化學(xué)科學(xué)應(yīng)用性，實(shí)現(xiàn)知識(shí)、能力綜合考查等方面所具有的獨(dú)特價(jià)值[1]，在化學(xué)科高考試題中出現(xiàn)的頻次越來越高，并幾乎成為必考題型。本文從該題型試題命制的角度出發(fā)，探索進(jìn)一步優(yōu)化化學(xué)工業(yè)流程題試題命制的方法策略，以期對(duì)化工流程題的試題命制有所啟示。

1 高考化工流程題的歷史沿革及考查特點(diǎn)

近代化學(xué)工業(yè)的興起是以化學(xué)理論的發(fā)展為基礎(chǔ)的，二者間的相互融合與滲透，使人們可以將化學(xué)理論研究的成果轉(zhuǎn)移至大規(guī)模的化工生產(chǎn)中，從而滿足人類社會(huì)的物質(zhì)需求。而化學(xué)理論研究與化學(xué)工業(yè)生產(chǎn)之間的這種密切聯(lián)系，在高考化學(xué)試題中也自然而然地體現(xiàn)出來[2]。

例1 某化肥廠用NH3制備NH4NO3。已知：由NH3制NO的產(chǎn)率是96%、 NO制HNO3的產(chǎn)率為92%，HNO3與NH3反應(yīng)生成NH4NO3，則制HNO3所用NH3的質(zhì)量占總耗去NH3質(zhì)量的（不考慮生產(chǎn)其他損耗）%。

例1是90年代初期我國(guó)高考的一道化學(xué)試題，盡管在今天看來，這道試題在內(nèi)容選擇和考查方式等方面都略顯單薄，但利用化學(xué)知識(shí)解決化工生產(chǎn)實(shí)際問題的命題思想?yún)s非常明確。而化學(xué)工業(yè)流程題這一題型真正出現(xiàn)在高考試題中，最早是見于1996年上海的高考化學(xué)試題——“AgNO3的工業(yè)制備”。此前，化學(xué)高考的傳統(tǒng)題型——無機(jī)框圖推斷題在考查學(xué)生分析、推斷及邏輯思維能力方面雖然也頗具價(jià)值，但“為考而考”的命題方式顯然缺乏對(duì)化學(xué)科學(xué)實(shí)際應(yīng)用性的體現(xiàn)，因而備受詬病。化工流程題的適時(shí)出現(xiàn)得到了人們的普遍認(rèn)可，并從此逐漸取代了傳統(tǒng)的無機(jī)框圖推斷題。其后，不僅僅是上海卷，化工流程題在2007年也出現(xiàn)在了當(dāng)時(shí)的廣東卷和山東卷中;到2010年，全國(guó)已有9套高考化學(xué)試卷使用了這一題型;最近幾年，高考理綜及單科試卷中幾乎都在使用這一題型。以2016～2019年高考全國(guó)Ⅰ卷理綜化學(xué)為例，化工流程題每年都會(huì)在非選擇題部分的三道必考題中占據(jù)一席之地。

為分析化工流程題的考查特點(diǎn)，我們對(duì)2016～2019年高考全國(guó)Ⅰ卷理綜化學(xué)的四道化工流程題進(jìn)行梳理歸納（見表1），可以看到四道試題在情境設(shè)計(jì)上都是依托于無機(jī)化工產(chǎn)品的生產(chǎn)實(shí)例，考查涉及的學(xué)科素養(yǎng)比較全面，特別是對(duì)“宏觀辨識(shí)與微觀探析”“變化觀念與平衡思想”“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”等核心素養(yǎng)的考查更為深入。盡管在具體問題設(shè)計(jì)方面存在一定的差異，如有的題目中對(duì)化學(xué)定量計(jì)算、化學(xué)反應(yīng)中的能量變化等問題也有所涉及，但考查的重中之重還是在于對(duì)工藝流程中物質(zhì)轉(zhuǎn)化路線的整體把握以及工藝條件的選擇上。

2 化工流程題的命題實(shí)踐與探索

化工流程題具有獨(dú)特的考查優(yōu)勢(shì)，它圍繞工業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐，通過提供必要的試題信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)高中化學(xué)知識(shí)的融合考查?；ち鞒填}可以很好地契合高考試題的原創(chuàng)性要求，通過為考生搭建公平競(jìng)爭(zhēng)的舞臺(tái)，在實(shí)現(xiàn)對(duì)考生學(xué)科關(guān)鍵能力綜合考查的同時(shí)，彰顯化學(xué)學(xué)科的應(yīng)用價(jià)值，并發(fā)揮考試自身的教育功能。但應(yīng)當(dāng)指出，工業(yè)生產(chǎn)的實(shí)際往往是比較復(fù)雜的，試題中不可能也不必要做到面面俱到，這就需要選擇性略去一些無關(guān)緊要的環(huán)節(jié)與信息。另一方面，學(xué)科理論知識(shí)在生產(chǎn)實(shí)踐中的應(yīng)用也并不總是符合高中化學(xué)教學(xué)。從命題實(shí)踐來看，化工流程題命制的主要困難及測(cè)后引發(fā)的某些爭(zhēng)議問題往往也是源于上述兩個(gè)因素。本文基于化工流程題的命制實(shí)例，提出該題型在命制過程中應(yīng)當(dāng)避免的一些問題及改進(jìn)策略。

2.1 避免試題信息過于復(fù)雜冗長(zhǎng)引發(fā)的思維負(fù)擔(dān)

化工流程題的設(shè)計(jì)必須要契合高中學(xué)生的認(rèn)知水平，利用其現(xiàn)有的知識(shí)儲(chǔ)備來解決問題。但由于高考命題的原創(chuàng)要求，試題命制的空間受到了很大的限制，因此，我們可以看到在化工流程題中會(huì)出現(xiàn)很多高中生并不熟悉的元素和物質(zhì)，那么命題者就必須給考生提供必要的信息支持，讓考生在有效提取信息的基礎(chǔ)上調(diào)用相應(yīng)知識(shí)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)其利用學(xué)科關(guān)鍵能力解決實(shí)際問題水平的考查。在上述考查路徑中信息提取→知識(shí)調(diào)用→解決問題可謂環(huán)環(huán)相扣，如果試題信息過于冗長(zhǎng)復(fù)雜，那么就可能導(dǎo)致學(xué)生思維負(fù)擔(dān)過重甚至引發(fā)混亂，從而無法實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)有知識(shí)的調(diào)用，也就談不上下一步的問題解決了。

例2 （節(jié)選）利用釩鈦磁鐵礦冶煉后產(chǎn)生的釩渣（主要含F(xiàn)eO·V2O3、 Al2O3、 SiO2及少量可溶性磷酸鹽）生產(chǎn)V2O5的工藝流程如下，回答下列問題：

（1） ……廢渣Ⅰ的主要成分是;精制Ⅰ中加鹽酸調(diào)pH的主要作用是，加入NH3·H2O后發(fā)生反應(yīng)的離子方程式為。

（2） 精制Ⅱ中加入CaCl2溶液除去磷酸鹽，pH過小時(shí)影響除磷效果的原因是;pH過大時(shí)，沉淀量增大的原因是。

（3） 沉釩分三步進(jìn)行，其中第三步發(fā)生反應(yīng)NH+4+VO-3NH4VO3↓。第一次調(diào)pH的目的是;所得NH4VO3需進(jìn)行洗滌，主要目的是除去NH4VO3上吸附的……

例2是2020年某省學(xué)業(yè)水平模擬考試中化工流程題的坯題形態(tài)，試題選擇工業(yè)生產(chǎn)V2O5流程作為背景。釩及其化合物是高中學(xué)生非常陌生的物質(zhì)，且釩在溶液中的存在形式與體系pH密切相關(guān)[3]。整個(gè)生產(chǎn)過程中之所以需多次調(diào)節(jié)體系pH，其目的也就是在除雜分離的同時(shí)防止釩以其他形式提前析出。試題在問題設(shè)計(jì)上主要是圍繞精制Ⅰ、精制Ⅱ和沉釩三個(gè)工藝過程展開。對(duì)于精制Ⅰ、精制Ⅱ，考生利用已有知識(shí)可以順利解決。而對(duì)于沉釩操作，工業(yè)上是分三步進(jìn)行的：第1步先調(diào)節(jié)溶液pH至4～5，其原因是精制Ⅱ后體系pH為8～8.5，在此堿性溶液中加入銨鹽易導(dǎo)致其分解;第2步加入過量氯化銨;第3步用硫酸將pH調(diào)至2～2.5，在加熱、攪拌的條件下沉釩[4]。在最初的設(shè)計(jì)中，試題將沉釩三步操作全部呈現(xiàn)出來，給出了沉釩時(shí)第3步發(fā)生反應(yīng)：NH+4 +VO-3NH4VO3↓的信息，并設(shè)計(jì)了“第一次調(diào)pH目的”的問題。但在試做中，發(fā)現(xiàn)上述呈現(xiàn)方式容易引發(fā)學(xué)生將沉釩時(shí)“第一次調(diào)pH”與之前精制Ⅰ加氨水的操作聯(lián)系起來，認(rèn)為調(diào)pH的目的是將之前所加氨水轉(zhuǎn)化為NH+4。而更容易引發(fā)邏輯混亂的是考生會(huì)疑惑調(diào)pH時(shí)為什么不能一次調(diào)至2～2.5。且由于學(xué)生并不了解釩在不同pH下的存在形式，還可能會(huì)引發(fā)其對(duì)精制Ⅰ中加氨水將pH由1～1.6調(diào)至9.8時(shí)為什么沒有發(fā)生沉釩的疑惑?？梢姳M管題目提供了詳細(xì)的信息，反而可能導(dǎo)致考生不必要的思維負(fù)擔(dān)。

為此，對(duì)試題流程和設(shè)問進(jìn)行了修正（新流程見圖1）。主要包括：明確給出了精制Ⅱ的pH條件，將沉釩過程中兩次調(diào)節(jié)pH合并為一次并刪掉了具體pH數(shù)值，將設(shè)問中“第一次調(diào)pH的目的”一問刪去，引導(dǎo)考生根據(jù)整個(gè)生產(chǎn)流程判斷出沉釩能否發(fā)生取決于溶液pH和溶液中NH+4的濃度，幫助考生從生產(chǎn)細(xì)節(jié)中跳出來，能對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行整體把握。

綜上所述，將復(fù)雜的化工生產(chǎn)體系改造為適宜高中學(xué)生水平的工藝流程圖，必然要回避掉一些生產(chǎn)環(huán)節(jié)和具體的工藝條件，所有信息面面俱到一方面會(huì)對(duì)學(xué)生理解試題造成干擾，引發(fā)不必要的思維負(fù)擔(dān)，另一方面則可能因題目信息量過大或是流程過于冗長(zhǎng)而導(dǎo)致考生作答時(shí)的畏懼情緒，同樣不利于發(fā)揮試題的考查功能。因此命制化工流程題時(shí)，要在保證真實(shí)、科學(xué)的基礎(chǔ)上，合理選用情境信息。

2.2 避免因信息缺失而引發(fā)的思維障礙

如前文所述，將化工生產(chǎn)中復(fù)雜的實(shí)踐環(huán)節(jié)搬到紙筆測(cè)試中，形成簡(jiǎn)潔明確的工藝流程圖，命題者需對(duì)生產(chǎn)環(huán)節(jié)進(jìn)行有選擇的簡(jiǎn)化處理。但在處理過程中，要保證試題信息明確和完整，避免因?yàn)樾畔⑷笔бl(fā)考生無謂的思維障礙。

例3 （節(jié)選）毒重石的主要成分BaCO3（含Ca2+、 Mg2+、 Fe3+等雜質(zhì)），實(shí)驗(yàn)室利用毒重石制備BaCl2·2H2O的流程如下：

（2） ……加入NH3·H2O調(diào)節(jié)pH=8可除去（填離子符號(hào)），濾渣Ⅱ中含（填化學(xué)式）。加入H2C2O4時(shí)應(yīng)避免過量，原因是。已知：Ksp（BaC2O4）=1.6×10-7，Ksp（CaC2O4）=2.3×10-9

例3是2015年一道高考真題，題目所呈現(xiàn)的流程實(shí)際上是將化工生產(chǎn)實(shí)踐與實(shí)驗(yàn)室制備進(jìn)行了一定程度的融合，而試題所引發(fā)的爭(zhēng)議也許就是源于此種融合。有文獻(xiàn)指出[5]，本題過濾Ⅲ前加入H2C2O4的目的是在除去Ca2+的同時(shí)避免Ba2+同時(shí)沉淀，題目中“加入H2C2O4時(shí)應(yīng)避免過量，原因是”的設(shè)問及其答案“H2C2O4過量會(huì)導(dǎo)致生成BaC2O4沉淀”，均說明命題意圖的確在于考查難溶物沉淀的先后順序。但根據(jù)題目流程及所提供BaC2O4、 CaC2O4的溶度積常數(shù)進(jìn)行計(jì)算時(shí)發(fā)現(xiàn)，在pH=12.5時(shí)，Ca2+最大濃度為5.5×10-3mol·L-1，Ca2+恰好開始沉淀，C2O2-4濃度為4.2×10-7mol·L-1，此時(shí)Ba2+最大濃度為0.38mol·L-1。而假使Ca2+完全沉淀（其濃度≤1.0×10-5mol·L-1），此時(shí)C2O2-4濃度為2.3×10-4mol·L-1，而Ba2+濃度已降至7.0×10-4mol·L-1，顯然是不符合工業(yè)生產(chǎn)實(shí)際的。上述分析是符合基本化學(xué)原理的，但需指出的是，通過本題流程所制備的只是粗氯化鋇晶體，其中仍含有少量鈣、鍶、鈉等多種雜質(zhì)。流程中加入草酸主要是利用BaC2O4、 CaC2O4的溶度積不同，讓鈣部分沉淀的同時(shí)將鋇最大量保留在溶液中。那么沒有完全除去的鈣等雜質(zhì)應(yīng)該如何處理呢？可利用BaCl2·2H2O不溶于乙醇，而CaCl2、 SrCl2、 NaCl等能溶或微溶于乙醇的性質(zhì)，利用95%乙醇進(jìn)行洗滌，從而獲得高純度BaCl2·2H2O[6]。可見，加草酸的目的只是初步除鈣并減少后期洗滌時(shí)的乙醇用量。

鑒于高中學(xué)生對(duì)上述無機(jī)鹽在乙醇中的溶解情況并不了解，因此流程中刪去了后期洗滌的步驟，在設(shè)問中也只要求回答“為什么加入H2C2O4時(shí)應(yīng)避免過量”而并不體現(xiàn)出此時(shí)Ca2+是否完全除去。但由于在試題流程中，加入H2C2O4已是最后一步除雜過程了，考生的確容易認(rèn)為此時(shí)Ca2+應(yīng)完全去除，從而產(chǎn)生了關(guān)于Ba2+是否已大量沉淀的疑惑。反思當(dāng)初的命題過程，對(duì)“后期乙醇洗滌”信息缺失可能導(dǎo)致的問題估計(jì)是不足的。如果將問題設(shè)計(jì)為“通過加入H2C2O4完全除去Ca2+是否可行，并說明原因”，并將“過濾Ⅲ”后的流程指向改為虛箭頭表明省略部分操作，則可在實(shí)現(xiàn)考查意圖的同時(shí)避免因信息缺失所導(dǎo)致的思維困惑和障礙。

在化工流程題的命制中，“取”與“舍”都是對(duì)命題者的挑戰(zhàn)?！叭　笔菫榱私o考生提供足夠的信息支持，幫助其完成解決問題整體邏輯的構(gòu)建;“舍”則是為了減輕考生信息獲取壓力，減輕解題無關(guān)的思維負(fù)擔(dān)。只有做好“取”“舍”平衡，才能夠真正發(fā)揮出化工流程題的考查功能和價(jià)值。

2.3 避免與高中教學(xué)實(shí)際發(fā)生沖突而引發(fā)思維矛盾

在規(guī)劃工藝流程及進(jìn)行問題設(shè)計(jì)時(shí)，命題者需充分考慮涉及知識(shí)與高中學(xué)生現(xiàn)有認(rèn)知水平的匹配程度，盡可能避免因與高中教學(xué)實(shí)際發(fā)生沖突而引發(fā)的思維矛盾。在以往命題實(shí)踐中，引發(fā)上述思維矛盾的原因主要來自兩個(gè)方面：一是試題考查內(nèi)容與高中生現(xiàn)有知識(shí)發(fā)生了沖突;二是試題答案設(shè)計(jì)與高中教學(xué)的某些習(xí)慣性思維不完全一致而引發(fā)爭(zhēng)議。以下仍以2010年一道高考真題（例4）為例進(jìn)行說明。

例4 （節(jié)選）對(duì)金屬制品進(jìn)行抗腐蝕處理，可延長(zhǎng)其使用壽命。以下為鋁材表面處理的一種方法：

（1） ……以鋁材為陽(yáng)極，在H2SO4溶液中電解，鋁材表面形成氧化膜，陽(yáng)極電極反應(yīng)為。取少量廢電解液，加入NaHCO3，溶液中產(chǎn)生氣泡和白色沉淀，產(chǎn)生沉淀的原因是……

例4圍繞金屬鋁材防腐處理的工藝流程創(chuàng)設(shè)問題情境，整體流程并不復(fù)雜，題目也比較基礎(chǔ)，但試題第（1）問在考后卻引起了一些爭(zhēng)論，實(shí)測(cè)難度也與預(yù)估難度存在較大偏差。

第一個(gè)問題是要求考生寫出“在H2SO4溶液中電解，鋁材表面形成氧化膜”的電極反應(yīng)式，命題者已經(jīng)給出了“鋁材表面形成氧化膜”的信息，考查內(nèi)容是此條件下陽(yáng)極電極反應(yīng)式的書寫。但從實(shí)測(cè)情況來看，很多考生都無法寫出這樣一個(gè)相對(duì)基礎(chǔ)的電極反應(yīng)式，主要原因是試題設(shè)問與學(xué)生的固有知識(shí)存在一定的沖突，考生普遍認(rèn)為在硫酸中不可能形成Al2O3。如果能夠?qū)⑿畔⒚鞔_為“鋁材表面形成類似鈍化膜的氧化膜”，那么考生就可以遷移濃硫酸中金屬鈍化的知識(shí)，試題的考查意圖就可以順利實(shí)現(xiàn)。

第二個(gè)問題考查“在廢電解液中加入NaHCO3后產(chǎn)生白色沉淀”的原因。根據(jù)流程分析，加入NaHCO3后HCO-3與廢電解液中的H+發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生CO2，溶液pH增大，達(dá)到Al（OH）3溶度積常數(shù)，Al3+發(fā)生沉淀。因此試題答案為“HCO-3與H+反應(yīng)使H+濃度減小（增大溶液pH），產(chǎn)生Al（OH）3沉淀”。但從實(shí)測(cè)情況來看，幾乎所有考生都認(rèn)為本題答案為Al3+與HCO-3發(fā)生了雙水解。其實(shí)弱酸弱堿鹽雙水解的定義是非常明確的：“陰、陽(yáng)離子都發(fā)生水解時(shí)，稱為雙水解”[7]。很明顯本題中HCO-3并非發(fā)生了水解，但由于高中教學(xué)中某些思維定勢(shì)，學(xué)生一看到Al3+與HCO-3，就認(rèn)定是發(fā)生了雙水解。試題極低的得分率會(huì)導(dǎo)致區(qū)分功能的缺失，因此在進(jìn)行問題設(shè)計(jì)時(shí)，命題者要盡可能避免與高中教學(xué)中的某些慣性思維發(fā)生沖突，以避免在高利害考試中出現(xiàn)試題區(qū)分功能缺失的情況。

3 化工流程題命題的基本要求

根據(jù)過往的命題實(shí)踐，筆者提出在命制化學(xué)工業(yè)流程題時(shí)應(yīng)遵循的基本要求，即：真實(shí)、簡(jiǎn)潔、完備、適切。所謂真實(shí)，意指遵循化工生產(chǎn)工藝實(shí)際，避免為考而考的人為編造，不忘流程題命題的初心;所謂簡(jiǎn)潔，是指盡可能將工藝過程以最簡(jiǎn)方式呈現(xiàn)給考生，減輕其閱讀負(fù)擔(dān)，也避免因流程過于冗長(zhǎng)、信息過于復(fù)雜導(dǎo)致考生產(chǎn)生負(fù)面作答情緒;所謂完備，是指在信息取舍時(shí)做到科學(xué)合理，幫助考生建立合理的思維邏輯并不因信息缺失而發(fā)生混亂;所謂適切，是指命題從選材、設(shè)問、答案設(shè)計(jì)等各方面均符合高中學(xué)生現(xiàn)有的知識(shí)儲(chǔ)備和認(rèn)知水平，回避高中教學(xué)存在的個(gè)別盲區(qū)，避免因認(rèn)知沖突而引發(fā)思維矛盾。

在當(dāng)前高考只能采取紙筆測(cè)試的情況下，化工流程題是一種很好的題型設(shè)計(jì)。從考查價(jià)值方面，它可以體現(xiàn)化學(xué)學(xué)科的應(yīng)用價(jià)值，通過滲透綠色化學(xué)觀念讓學(xué)生樹立可持續(xù)發(fā)展的意識(shí)，在考試中體現(xiàn)化學(xué)學(xué)科的社會(huì)價(jià)值和育人價(jià)值，激發(fā)學(xué)生從事化學(xué)研究的興趣。從考查內(nèi)容來看，化工流程題可實(shí)現(xiàn)各模塊的核心知識(shí)和各領(lǐng)域關(guān)鍵能力的融合考查，對(duì)學(xué)生核心素養(yǎng)發(fā)展水平進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。同時(shí)，化工流程題呈現(xiàn)方式多樣，除基本流程圖外可提供圖形、圖表等信息，有助于考查考生多渠道獲取有效信息解決實(shí)際問題的能力。不僅如此，化工流程題取材廣泛，在高考命題空間日益受`限的今天，該題型在確保試題原創(chuàng)、保障考試公平方面也具有獨(dú)特的價(jià)值。總結(jié)過往化工流程題命制的一些經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，有助于提升該題型的命題品質(zhì)，更好地發(fā)揮其在大規(guī)?？荚囍械膬r(jià)值，并最終服務(wù)于高考化學(xué)科目考試功能的實(shí)現(xiàn)。

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