賴亞樓

(湖南省益陽市第一中學)

教育部出臺的《普通高中學校辦學質(zhì)量評價指南》明確要求嚴格依據(jù)課程標準設計作業(yè)和命制試題?；瘜W課程標準指出,學業(yè)水平考試的主要目的是評價學生化學學科核心素養(yǎng)的發(fā)展狀況和學業(yè)質(zhì)量標準的達成程度。所謂化學核心素養(yǎng)測試,就是測評學生利用化學知識解決真實情境中的實際問題的能力。那么在命題時,如何將“情境” “問題” “知識”三者緊密聯(lián)系融為一體以實現(xiàn)對學生化學核心素養(yǎng)的測評呢?筆者結(jié)合化學反應原理高考真題進行了研究探索與命題實踐。

1.探索命題策略

化學反應原理旨在探索化學反應的規(guī)律及其應用,因此試題除考查“變化觀念與平衡思想”外,還應通過具備“應用性”和“創(chuàng)新性”的問題重點考查“證據(jù)推理與模型認知”的學科核心素養(yǎng)。

1.1 真實新穎的情境是命題的基石

中國高考評價體系明確要求試題具有創(chuàng)新性,情境具有真實性。而創(chuàng)新性的第一表現(xiàn)就是新穎的(即學生陌生的)情境。筆者就近5年全國Ⅰ卷或乙卷中化學反應原理非選擇題的素材情境進行了統(tǒng)計(如表1所示)

表1 近5年全國Ⅰ卷或乙卷中化學反應原理非選擇題素材情境統(tǒng)計

續(xù)表

從“表1”可知近5年的試題都選用了學生陌生的科研情境。而且選擇的科研情境大多都交代了來源,甚至說明了是哪位學者的成果。此外,還有兩點值得注意:一是近5年的試題情境均包含多重平衡體系,特別是2021年的試題,整道試題涉及的連續(xù)反應竟多達三對;二是近3年的試題情境中均出現(xiàn)了數(shù)據(jù)曲線圖。

1.2 結(jié)構(gòu)不良的問題是考查學科思想的有效途徑

人教版新教材特別增設了“方法導引”欄目(例如“變量控制” “圖像分析”和“化學方程式中的變化與守恒”),以增強學生的化學學科思想。在試題命制時,應選取適度復雜的情境設置結(jié)構(gòu)不良的問題,考查學生對學科思想的理解情況與應用能力,嚴防“死記硬背”“機械刷題”。

圖1

曲線上v最大值所對應溫度稱為該α′下反應的最適宜溫度tm。ttm后,v逐漸下降。原因是__________________________________________________。

【答案】升高溫度,k增大使v逐漸提高,但α降低使v逐漸下降。ttm后,k增大對v的提高小于α引起的降低。

【分析】該試題以SO2催化氧化的反應速率方程為情境,給出了一個完全陌生的公式以及相關(guān)解釋。試題結(jié)構(gòu)高度不良,沒有固定的解決途徑。學生需要先通過閱讀將題干信息內(nèi)化,從而推理出試題條件下n和α′為定值,v的大小由k和α來決定的結(jié)論。繼而利用變量控制的學科思想解釋曲線的變化趨勢。學生結(jié)合必備知識與學科思想自己分析問題,制定解決方案,變知識接受者為問題解決者。

1.3 學科的融合是素養(yǎng)測評的利器

化學課程標準指出應綜合運用化學和其他學科的知識分析解決有關(guān)問題,發(fā)展學生的學科核心素養(yǎng)。中國高考評價體系也提到:要求學生具備合理地組織、調(diào)動不同學科的相關(guān)知識與能力,高質(zhì)量地應對復雜問題情境。由此可見,學科融合尤其是數(shù)學工具的運用,是化學反應原理試題素養(yǎng)測評的利器。

【例2】(2021年全國乙卷,28題節(jié)選)McMorris測定和計算了在136～180℃范圍內(nèi)下列反應的平衡常數(shù)Kp。

圖2

①由圖可知,NOCl分解為NO和Cl2反應的ΔH________(填“大于”或“小于”)0;

【分析】試題巧妙地將2個反應平衡常數(shù)的對數(shù)與溫度的倒數(shù)繪制成線性關(guān)系圖,要求學生利用圖中數(shù)據(jù)信息歸納平衡常數(shù)與溫度內(nèi)在關(guān)系,并在此基礎(chǔ)上論證第三個反應的平衡常數(shù)與溫度的關(guān)系。其中①問和②問的第一小問為后續(xù)的論證起到了鋪墊和引導作用,論證時需利用函數(shù)單調(diào)性的定義證明第三個反應的平衡常數(shù)K隨溫度T單調(diào)遞增,進而證明該反應的ΔH大于0。數(shù)學工具的運用極大地豐富了對平衡思想考查的方式,并大大增加了對證據(jù)推理的考查力度。

2.命題實踐

化學課程標準提供了以化學學科核心素養(yǎng)為導向的一般命題程序如圖3所示。根據(jù)探索得到的命題策略結(jié)合該命題程序筆者命制了如下試題。

圖3 命題程序

2.1 原創(chuàng)試題

載氧體化學鏈燃燒技術(shù)(CLC)是一種燃燒效率更高的新技術(shù)。以H2為燃料氣,CaSO4為載氧體的CLC體系的工作原理如圖4所示。

圖4

已知:“燃料反應器”中發(fā)生反應的熱化學方程式為

(1)該CLC體系每消耗1 mol H2,放出241.8 kJ的熱量,則“空氣反應器”中發(fā)生反應的熱化學方程式:__________________________________________________。

(2)隨著溫度的升高,“燃料反應器”中還可能發(fā)生如下副反應:

武漢工程大學綠色化工過程教育部重點實驗室利用HSC軟件繪制出1 mol CaSO4和1 mol H2在不同溫度下反應的平衡體系中的物質(zhì)組成如圖5所示:

圖5

①ΔH2=________259.6 kJ/mol(填“+”或“-”),理由是__________________________________________________。

②該CLC體系工作時,“燃料反應器”中應該采用________(填標號),否則不但會影響燃燒效率而且會有污染物生成。

A.高溫高壓 B.高溫低壓

C.低溫高壓 D.低溫低壓

③“ΔH-TΔS=-RTlnK”是化學反應等溫式的一種表達形式,其中ΔH、ΔS可以視為與溫度無關(guān)的定值,R是常數(shù)。我國研究人員根據(jù)化學反應等溫式利用HSC軟件計算出不同溫度下,反應1的平衡常數(shù)K1和反應2的平衡常數(shù)K2如下:

溫度/℃60080010001200K16.6×1082.5×1081.0×1084.8×107K21.5×10-48.5×10-25.7×1001.1×102

ⅰ. 隨著溫度的升高K1的變化趨勢小于K2的原因是__________________________________________________。

ⅱ.1 000℃時,平衡體系中H2和H2O的物質(zhì)的量分別為________mol和________mol。

ⅲ.保持1 000℃不變,將“燃料反應器”的容積壓縮,重新達到平衡后,H2、H2O、SO2的物質(zhì)的量的變化情況為:H2________(填“增大” “減小”或“不變”,下同)、H2O________、SO2________。

(2)①+ 隨著溫度的升高CaO(或SO2)的物質(zhì)的量增加,說明升高溫度反應2平衡正移,因此ΔH2>0(或較高溫度下才有CaO和SO2生成,說明反應2低溫下不自發(fā)而高溫下自發(fā),因此ΔH2>0)

2.2 命制思路

2.2.1 考試類別與測試目標

首先本試題的定位為學業(yè)水平選擇性考試模擬試題,并以測評學生的化學學科核心素養(yǎng)為目標。

2.2.2 創(chuàng)設真實情境

為體現(xiàn)在立德樹人方面化學學科育人的核心價值,在實際命題中要精選與我國相關(guān)的素材作為試題情境。我國提出了將在2030年前實現(xiàn)“碳達峰”、2060年前實現(xiàn)“碳中和”的目標,化學科學在實現(xiàn)“碳達峰” “碳中和”中可以發(fā)揮重要作用。據(jù)此,筆者循著多重平衡和數(shù)據(jù)曲線等高考熱點問題從節(jié)能、環(huán)保等方面選擇情境素材。通過知網(wǎng)下載、篩選核心期刊的相關(guān)文獻以保證情境的真實性和科學性。最終選取了白歆慰團隊、任雪嬌團隊和陳升團隊的三篇文獻作為素材,在對素材進行整合加工時,以尊重文獻和注重情境信息的多樣化呈現(xiàn)為原則,創(chuàng)設了上述科研問題情境。

2.2.3 設計測試任務

首先每一個測試任務都是在上述真實情境中自然產(chǎn)生的。除此以外還特別注重如下幾個方面:

一是問題設置時特別注重情境的融入。即學生無法脫離情境信息,僅憑借必備知識解決問題,而必須從情境中獲取各種呈現(xiàn)形式的信息,進行分析推理解決問題。例如:在(1)問中需要學生先讀懂CLC體系的工作原理圖,再結(jié)合試題給出的反應1的熱化學方程式和氫氣燃燒的數(shù)據(jù),利用蓋斯定律書寫熱化學方程式。在(2)②問中需要學生綜合燃料反應器中發(fā)生的兩個反應的熱化學方程式,以及CLC體系的作用等信息進行判斷,從而選擇有利于反應1(放熱且無污染性氣體)平衡正移的條件,再利用影響化學平衡的因素得出答案。

二是注重設問形式和信息呈現(xiàn)的多元化。例如:(2)①問第一空,要求判斷反應的吸放熱,不以傳統(tǒng)形式呈現(xiàn)而以“ΔH2=____259.6 kJ/mol(填“+”或“-”)”的方式呈現(xiàn),是為了在問題中提供后續(xù)設問所需要用到的數(shù)據(jù)信息。

三是設計了部分開放性問題,允許學生從多角度作答。例如:(2)①問第二空學生可以從平衡移動或者化學反應進行的方向兩方面作答?？疾閷W生靈活運用知識進行圖像分析的能力。

四是創(chuàng)設多元互補的信息,考查學生解決跨學科問題的能力。例如:(2)③問ⅰ中給出了化學反應等溫式以及與其相匹配的數(shù)據(jù)表,學生需要綜合給出的公式、表格以及(2)①問第一空的數(shù)據(jù)三點信息,并現(xiàn)學現(xiàn)用對它們加以內(nèi)化,最終利用函數(shù)思維通過數(shù)學推算解決問題而不是簡單的“套公式”。

2.2.4 梳理化學知識與方法

本試題不僅僅需要運用已有的必備知識,還需要從試題中領(lǐng)悟相關(guān)知識,現(xiàn)學現(xiàn)用解決問題。具體涉及的知識和方法有:蓋斯定律、化學平衡的移動、化學反應進行方向的判斷、化學反應等溫式、化學平衡常數(shù)的計算、原子守恒等。試題知識的覆蓋面大,實現(xiàn)了利用多種工具(化學知識)對化學核心素養(yǎng)的多角度測評。

2.2.5 推敲修改定題

命制試題都不可能是一蹴而就的,本試題在命制過程中就有多處經(jīng)過了修改。推敲修改時除考慮試題的科學性、嚴謹性和學科核心素養(yǎng)考查的落實情況外,還應特別關(guān)注如下兩點。

一是注重必備知識考查的全面性。例如:最初命制的試題沒有考查“影響化學平衡的因素”這一歷年高考均進行了考查的重要必備知識。后經(jīng)反復思考結(jié)合試題情境增加了(2)②問。

二是注重從作答者角度設問,以防出現(xiàn)歧義。例如:最初命制的試題(2)③問ⅲ的設問方式為“H2、H2O、SO2的物質(zhì)的量如何變化________。”問題的要求不夠明確,學生可能不知如何作答造成非智力性失分,也不利于閱卷。

3.命題建議

高考的核心功能之一是引導教學,那么我們命制的模擬試題尤其是用于大型考試的模擬試題也應該具備引導教學的功能。

3.1 命制具有科普價值的試題,落實以考促教

首先,高考評價體系指出要培養(yǎng)終身學習能力,促進人的持續(xù)發(fā)展。因此在試題命制時應該選擇基于中學化學的科研素材,并使學生可以通過信息引導理解素材所涉及的前沿知識。在素養(yǎng)測評的同時開闊學生的視野,鍛煉現(xiàn)學現(xiàn)用的能力。其次試題作為一種教學資源,其中所蘊含的真實情境和解決問題的方案,可以用于開展情境化教學,使得這些具備科普價值的試題不僅僅服務于考生也有利于廣大學生認識化學的學科價值,提升科學精神與社會責任。

3.2 命制人性化試題,落實以考促學