基金項目：本文系廈門市教育科學“十四五”規(guī)劃2023年度課題“基于化學學科理解的課例研究”的階段性研究成果。

摘" 要：本文以廢舊電池材料的回收利用為命題素材，展示了核心素養(yǎng)視角下工業(yè)流程題的命題思路及流程。命題以化學學科核心素養(yǎng)發(fā)展水平為測試目標，以學業(yè)質量水平為依據，注重情境的適切性，關注學科主干知識及信息提取能力的考查，通過梳理核心知識的分布，優(yōu)化改進測試任務，分析學生的作答情況，探查學生的認知水平，提出針對性的備考策略。

關鍵詞：核心素養(yǎng)；工業(yè)流程題；題目命制；備考策略

文章編號：

1008-0546（2024）14-0070-06

中圖分類號：

G632.41

文獻標識碼：

B

一、問題的提出

化學工業(yè)流程題是高考的必考題型之一。目前對于該題型的普遍認知是圍繞化工生產的實際過程或實驗室對工業(yè)生產的模擬，選擇性地進行簡化處理使之符合高中生的認知，并以流程圖形式呈現題目，加以考查。［1］筆者通過梳理發(fā)現，高考工業(yè)流程題考查內容既包括元素化合物、實驗裝置及操作、溶液中的平衡轉化等知識，又涵蓋實驗流程的綜合分析、物質的量有關計算，考查范圍廣、綜合性強，對于宏觀辨識與微觀探析、變化觀念與平衡思想、證據推理與模型認知核心素養(yǎng)的評價有重要意義。《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱《高中新課標》）在學業(yè)水平考試命題建議中提出命題應堅持以化學學科核心素養(yǎng)為測試宗旨，以化學學業(yè)質量標準為依據，靈活遵循命題程序，準確把握“素養(yǎng)”“情境”“問題”“知識”四個要素的聯系，提高命題質量。［2］由此可以看出，指向核心素養(yǎng)的試題命制不能再持有以知識點掌握水平為導向的學業(yè)質量觀［3］，而應通過特定情境下真實問題的解決來評價學科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)狀況和學業(yè)質量的達成程度。因此，筆者以工業(yè)流程題的命制為載體，探索核心素養(yǎng)視角下的命題思路并帶來教學中的思考。

二、核心素養(yǎng)導向下的命題實踐

1. 命題程序及測試宗旨

新一輪課程改革強調現實情境中的意義創(chuàng)生和復雜問題的解決，試題的命制應指向多樣化情境中的問題解決與需求滿足，是結構化的知識與技能、系統(tǒng)化的思維與方法、統(tǒng)攝性的價值與觀念的多維集合。［4］命制過程應以核心素養(yǎng)為主軸，同時考慮學生各階段的身心發(fā)展情況。本次命題的測試對象為高二學生，其解決綜合性問題時的知識關聯程度不高，應對開放情境時的遷移度不夠，因此預設題目的難度適中。本次命題的測試目標為運用動態(tài)平衡的觀點看待和分析化學變化，提升宏觀辨識與微觀探析、變化觀念與平衡思想、證據推理與模型認知的化學學科核心素養(yǎng)；能運用化學計量定量分析化學變化；能對具體物質的性質和變化作出解釋或預測?！陡咧行抡n標》要求試題情境的創(chuàng)設應該體現科學、技術、社會和環(huán)境發(fā)展的成果，注重真實情境與試題的融合，因此在設計問題時應以測試目標為導向，以認知水平為基礎，形成不同層次、結構合理的測試任務，考查學生靈活運用結構化知識解決實際問題的能力。命題程序如圖1所示。

2. 素材分析及命制過程

隨著科技的發(fā)展，鋰離子電池的應用愈加廣泛，但廢舊電池中有害物質的泄露會危害環(huán)境及人類健康，因此需對廢舊鋰電池進行無害化處理，將其材料分離與回收，以實現可持續(xù)發(fā)展。這一情境緊密聯系生產、生活實際，學生熟悉度高，對于工業(yè)流程問題的考查針對性較強。本測試實驗原理來自論文《廢舊三元電池正極活性材料酸性浸出液中鈷鎳錳鋰的分離與回收》［5］（以下簡稱原論文），通過（NH4）2C2O4、NH4HCO3、NaOH、Na2CO3沉淀劑逐步分離出鈷、錳、鎳、鋰，并在工藝優(yōu)化的基礎上，探查各金屬元素的回收率，其工藝流程如圖2所示。

本測試試題命制過程具體如下。

（1）強調情境的適切性及合理性。原論文中提供的分離工藝路線設計圖清晰簡潔，但若作為試題，信息呈現過于直白，因此在試題編制過程中，將每一步過濾出的沉淀及濾液中所含的金屬離子的部分信息隱去，使其更加符合試題的表達形式，可以提高流程分析所需的思維容量。原論文對于電池正極活性材料的酸浸原理并未呈現，而相關文獻［6］研究發(fā)現，三元正極活性材料的主要成分為LiMeO2（Me為Ni、Co、Mn），可利用硫酸溶液及H2O2將材料中的Ni、Co、Mn金屬元素還原為＋2價，便于后續(xù)的分離和收集。因此，筆者在流程圖中增加了“酸浸”這一過程，并將其改編為陌生氧化還原反應方程式的書寫題目。該題目既要求學生熟悉氧化還原反應價態(tài)變化規(guī)律以判斷出產物，又需準確提取材料中的信息，能夠深入考查學生對于陌生情境靈活運用所學知識解決實際問題的能力。［7］此外，在加入（NH4）2C2O4沉淀分離出Co2＋的過程中，濾液中的Mn2＋也會轉化為MnC2O4沉淀出來，但若涉及Mn2＋的沉淀，會增大該過程的復雜程度，且考慮到學生的認知水平，避免思維負擔，在命題過程中，筆者刪掉了Mn2＋的沉淀過程，凸顯出主要流程，使得考查更有針對性。

（2）凸顯信息提取能力的考查。沉淀Co2＋的過程中，CoC2O4和NiC2O4的溶度積常數分別為6.3×10－8和4.0×10－10，通過計算發(fā)現兩種物質沉淀時所需C2O2－4的濃度分別為6.3×10－7mol/L和1.3×10－8mol/L。Ni2＋形成沉淀所需的c（C2O2－4）小，應該是NiC2O4先沉淀，但實際情況卻是Co2＋先沉淀。研究表明，溶液中NH3存在的情況下，少量的Co2＋和Ni2＋會與NH3反應生成絡合物［Co（NH3）6］2＋和［Ni（NH3）6］2＋。［Ni（NH3）6］2＋比［Co（NH3）6］2＋穩(wěn)定性強，所以Co2＋更容易生成CoC2O4沉淀出來。本題目將這一內容設置為已知信息，引導學生分析Co2＋先沉淀的原因，考查學生的信息提取及應用能力。利用NaOH－Na2CO3共沉淀法分離Ni2＋的過程中，隨著pH、反應溫度、反應攪拌時間和沉淀加入量與理論用量之比等因素的改變，會得到不同因素影響下Ni2＋沉淀率的變化曲線。通過曲線分析，可以找到沉淀Ni2＋的最佳條件。相比于其他類型的問題，圖像中的信息對學生讀圖識圖、信息遷移和綜合應用等能力提出的要求更高。［8］將該題目設計為圖像分析題，既符合高考考試說明能力要求，又對學生綜合素養(yǎng)的評價有重要意義。

（3）關注學科主干知識的分析與落實。試題需借助Mn2＋和HCO－3在水溶液中的相互作用，分析微粒在水溶液中的電離平衡過程及其影響因素，從微觀的角度探析微粒的相互影響，考查學生的變化觀念與平衡思想。HCO－3電離出的CO2－3會與Mn2＋結合生成MnCO3沉淀，而CO2－3的消耗會促進HCO－3電離進一步產生更多的H＋，H＋會與HCO－3反應生成CO2，該過程的化學方程式為Mn2＋＋2HCO－3MnCO3＋H2O＋CO2↑。本題目考查溶液中離子間的相互作用及電離平衡等主干知識，是化學反應原理中的核心概念，要求學生從微觀角度對微粒的轉化過程及微粒間的相互影響有深刻理解，因其變化過程較為復雜，對學生的素養(yǎng)水平要求較高。此外，本題目在考查過程中，除需寫出變化過程的離子方程式，還需將該過程以文字形式描述出來。文字論述題對答題者的化學思維能力、學科內涵的理解要求更高，不僅要注意思維的擴散和嚴謹，還要做到語言描述的科學和通順。［9］

3. 試題呈現及屬性分析

鋰離子電池三元正極活性材料中含有大量的有價金屬鈷、鎳、錳、鋰，從廢舊電池材料中回收這些有價金屬，實現資源化，意義深遠，其回收流程如圖3所示。

已知： ①10L浸出液Ⅰ中Co2＋、Ni2＋ 、Mn2＋、Li＋的濃度分別為0.10mol/L、0.03mol/L、0.04mol/L、0.14mol/L。

②25℃時，

Ksp （CoC2O4）=6.3×10－8，Ksp （NiC2O4）=4.0×10－10。

③少量的Co2＋與Ni2＋分別與氨水反應生成絡合物［Co（NH3）6］2＋和［Ni（NH3）6］2＋，研究表明，

［Ni（NH3）6］2＋比［Co（NH3）6］2＋的穩(wěn)定性強。

回答下列問題。

（1）Co2＋、Ni2＋沉淀時所需的c（C2O2－4）分別是""" mol/L和""" mol/L。通過計算Ni2＋應先沉淀，但實際沉淀Ⅰ的主要成分為CoC2O4，其原因是""""""""nbsp;"""""""""" 。

（2）三元正極活性材料的主要成分為LiMeO2（Me為Ni、Co、Mn），將其浸入硫酸溶液，借助H2O2進行還原熱處理，該過程的化學反應方程式為：

。

（3）加入NH4HCO3可將Mn2＋沉淀，析出沉淀的同時還會產生氣體X，寫出該過程的離子方程式：

； 請用平衡移動知識解釋氣體X產生的原因：

。

（4）采用NaOH－Na2CO3共沉淀法從鎳鋰中分離鎳，不同條件下的鎳、鋰沉淀率如圖4所示，應選擇的最佳條件是： ""。

（5）回收得到Li2CO3的質量為36.26 g，則Li＋的回收率為" ""（保留4位有效數字）。

本試題的問題形式包括計算、文字描述、圖像分析等，涵蓋類型豐富，考查內容既包括流程中的宏觀與微觀變化的定性分析，又包括物質的量有關的定量計算，涉及氧化還原反應、電離平衡、沉淀溶解平衡等知識。結合《高中新課標》中的學業(yè)質量標準，本題目考核的學業(yè)水平在四個方面均有涉及，符合高二學生的認知特點。試題命制屬性的綜合分析如表1所示。

4. 試題解讀及評分標準

依據所命制的試題，評分標準的制定主要考查學生分析問題思路的準確性和全面性。如第（1）題第三空，學生需準確找到題目中所給的信息，依據

［Ni（NH3）6］2＋比［Co（NH3）6］2＋的穩(wěn)定性強，判斷分析得出正確結論。若學生對流程分析不清楚或提取信息能力不強，便無法正確回答出原因。第（3）小題第二空對溶液中微粒變化分析的全面性提出要求，若學生僅能分析出MnCO3產生的原因是HCO－3電離出CO2－3與Mn2＋結合，而未能描述出CO2－3的減少對HCO－3電離的影響，無法解釋CO2產生的原因，則說明其對溶液中微粒變化的認知水平停留在單一認知層面，并沒有將溶液中離子中的相互作用全面聯系起來。試題的具體評分標準如表2所示。

三、答題分析與備考策略

命題結束后，筆者選擇高二年級220名選考化學的學生進行測試。測試對象已結束選擇性必修課程內容的學習，但未開始元素化合物及工業(yè)流程題的一輪復習。筆者按照評分標準對各試題的得分率進行統(tǒng)計，并通過面對面訪談了解學生的解題思路及認知水平，在此基礎上分析學生在學習過程中的認知障礙，以期在教學過程中得到改進。

1. 答題情況分析

統(tǒng)計結果顯示，第（1）題得分率較高，約為80%，說明學生已具備基本的信息提取及計算能力；第（4）題得分率為65.75%，錯誤的原因主要是圖4中曲線變化幅度不明顯，如攪拌16分鐘、20分鐘、24分鐘時沉淀率相差不大，學生并未仔細觀察。值得注意的是，第（3）題總體得分率較低，暴露出學生在分析溶液中離子變化時的諸多問題，如對電離平衡過程的分析片面、缺乏連續(xù)性，未形成完整的認識思路，或未能將分析思路詳細地轉化為文字描述。HCO－3電離出H＋ 和CO2－3、Mn2＋與CO2－3結合生成沉淀是分析該題目的關鍵。因CO2－3的消耗使得HCO－3的電離平衡向右移動，產生更多的H＋并與HCO－3反應生成CO2是后續(xù)過程。以第（3）題為例，不同水平層次的典型回答如表3所示。

2. 備考策略

（1）循序漸進、專題復習，形成問題分析的思維模型。

工業(yè)流程題的綜合性強、思維容量大，決定了在復習過程中要循序漸進，不可一蹴而就。在一輪復習過程中，教師可以拆解出工業(yè)流程題中的常見題型，形成如“陌生情境下氧化還原反應方程式的書寫”“物質的量在化學計算中的應用”“混合溶液中離子變化與平衡體系”“常見無機物的性質及轉化”等專題。在教師的分析、指導下，學生進行針對性的訓練與強化，形成解決對應問題的思維模型，提高主干知識的認知水平。

例如，2023年新課標卷化學第27題第（6）小題考查焦亞硫酸鈉（Na2S2O5）與重鉻酸根離子（Cr2O2－7）反應的氧化還原方程式的書寫。真實情境下陌生氧化還原方程式的書寫，不應拘泥于知識點的死記硬背，而是需要準確的信息提取及證據推理能力。針對該題目，首先要從工藝流程信息中推斷出Cr的存在形式為Cr2O2－7，進一步確定出反應物為S2O2－5與Cr2O2－7，根據氧化還原反應規(guī)律，判斷出產物為SO2－4和Cr3＋；其次，利用化合價的升降守恒，確定Cr2O2－7和S2O2－5的系數為2和3，則產物中SO2－4和Cr3＋的計量數為6和4；再次，根據方程式兩邊的電荷守恒及溶液的酸堿性信息，將H＋補充在方程式左側；最后，利用元素守恒配平并檢驗書寫是否規(guī)范。陌生氧化還原反應方程式書寫思維模型如圖5所示。

從本題的答題情況分析可以看出，學生對于復雜混合溶液中平衡體系的分析仍存在較大問題。日常教學過程中，教師可以梳理該部分內容的核心知識，分析“溶液中有哪些物質”“物質在溶液中發(fā)生了哪些相互作用”以及“物質間相互作用的結果是什么”三個基本問題［10］，引導學生建立分析問題的思路和認知模型。通過建立水溶液中微粒間相互作用的分析模型（見圖6），可提升學生對混合溶液中微粒間作用的認知水平。

（2）系統(tǒng)分析、評價方案，注意工業(yè)流程的前后聯系。

工業(yè)流程題情境陌生、環(huán)節(jié)復雜，路線中涉及到多種無機物的性質及轉化，前后關聯密切，需對路線中的細節(jié)及整體方案有清晰的認知。

例如，2023年山東卷化學第17題以高鎂鹵水為原料經兩段除鎂制備Li2CO3，部分流程如圖7所示。精制Ⅰ加入生石灰（CaO）的目的是將其轉化為Ca（OH）2來沉淀鹵水中的Mg2＋。精制Ⅱ加入純堿的目的是除去精制Ⅰ過程中過量的Ca2＋。兩步操作前后相關，后一步為前一步“掃尾”，且精制Ⅱ過程過濾所得的濾液經濃縮，通過加入飽和Na2CO3溶液可以促進Li2CO3的析出?！安僮鱔”應選擇的試劑也需要系統(tǒng)分析工藝路線得出。因精制Ⅱ所得濾液中存在大量CO2－3，若直接將其濃縮，Li2CO3會隨著NaCl析出，降低最終沉鋰的產率，因此“操作X”的目的是除去溶液中的CO2－3，此處應選擇試劑鹽酸。從該片段可以看出，解決工業(yè)流程問題的關鍵是既要熟悉物質的性質，又要“瞻前顧后”、整體考量，在細節(jié)處判斷操作的可能性，在整體上分析方案的合理性。

教師在教學過程中，可對教材中涉及的方案進行詳細分析及適度拓展，逐步提高學生“于細節(jié)處分析操作、整體上評價方案”的能力。例如，教師可以引導學生關注“重結晶法提純苯甲酸”過程中的諸多細節(jié)，如為什么要加熱溶解？為什么要趁熱過濾？雜質（少量NaCl和泥沙）分別在哪一步除去？通過實驗環(huán)節(jié)的分析幫助學生建立工業(yè)流程中對各個環(huán)節(jié)的物質成分的推理方法。此外，教師可以對教材中“鋁的生產原理”工業(yè)過程進行適度加深，讓學生自主設計鋁土礦制備鋁單質的“酸溶”“堿溶”兩種不同方案，分享、比較、評價兩種流程的優(yōu)缺點，并與實際工業(yè)制鋁過程進行比較，在此基礎上自主反思，明確工業(yè)制備過程中的多種角度及常用措施。教師還可以拓展較為陌生的情境，如利用鋁灰（主要成分為Al、Al2O3、AlN、FeO等）制備鋁鞣劑［主要成分為Al（OH）2Cl］的流程分析。由簡單熟悉的情境慢慢過渡到相關卻有些陌生的情境，這符合學生的認知發(fā)展規(guī)律。在分析過程中，學生整體思考的同時專注細節(jié)，能進一步完善其調控工業(yè)流程的思路方法。

（3）完善角度，提高規(guī)范，注重文字描述的準確表達。

日常教學中筆者發(fā)現，許多學生在面對實驗中的文字解釋問題時，總出現認識角度不完善或表述不規(guī)范的問題。

例如，2023年浙江省1月化學選考第20題第（4）小題通過描述用Zn（CH3COO）2和過量（NH4）2CO3反應，考查得到的沉淀無需洗滌即可直接控溫煅燒得納米ZnO的原因。Zn（CH3COO）2與（NH4）2CO3反應得到CH3COONH4和ZnCO3，產物中的CH3COONH4和過量的（NH4）2CO3作為雜質在高溫下均可分解或被氧化為氣體而除去，并不會影響最終納米ZnO的純度，因此沉淀無須洗滌。但教師在學生作答中發(fā)現，主要存在兩種表述的偏差：一種是雜質成分正確，但是后面寫雜質在高溫條件下“揮發(fā)”或“升華”或“水解”而變成氣體逸出；另一種是指出了雜質在高溫下分解或氧化為氣體除去，卻未指明雜質是什么物質。由此可以看出，學生在文字描述時，會出現“關鍵信息抓不住、科學表達太隨意”的情況。

針對這一現象，筆者對教學提出以下建議：對于原因解釋類題目，許多學生常常出現“似是而非”的問題，但自己卻難以發(fā)現和改正。因此，課堂教學中教師可以引導學生分組討論，分享自己思考的角度，在交流過程中，學會抓住關鍵信息，完善自己的思維過程。對于答題規(guī)范，一定要落在實處。課堂教學中教師可以對學生的作答結果進行拍照講解，一起“批試卷”“找缺陷”，并將典型的錯誤表達進行歸納整理，解釋其錯誤原因，提高作答的準確性。

參考文獻

［1］趙雪，王婷婷，姜言霞.化學工業(yè)流程題的命題實踐探索［J］.化學教學，2021（8）：90-93，97．

［2］中華人民共和國教育部.普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）［M］.北京：人民教育出版社，2020．

［3］楊向東.素養(yǎng)本位學業(yè)質量的內涵及意義［J］.全球教育展望，2022（5）：79-93.

［4］孫妍，王后雄.化學情境化試題的內涵、類型及命題思路［J］.課程·教材·教法，2023（3）：132-139.

［5］蔣玲，詹路，張秋卓.廢舊三元電池正極活性材料酸性浸出液中鈷鎳錳鋰的分離與回收［J］.中國有色金屬學報，2020（11）： 2 684-2 694.

［6］Yang Y，Huang G，Xu S，et al. Thermal treatment process for the recovery of valuable metals from spent lithium-ion batteries［J］.Hydrometallurgy，2016（2）：390-396．

［7］肖永剛.基于思維模型建構的氧化還原反應方程式配平［J］.中學化學教學參考，2023（3）：72-73．

［8］夏時君，周小凡.化學圖像信息解讀的層次與方法［J］.化學教育，2016（11）：76-81.

［9］張霞.論述題的教學策略［J］.中學化學教學參考，2016（2）： 18-19．

［10］尹博遠，王磊.電解質溶液主題學科核心素養(yǎng)的系統(tǒng)構成［J］.化學教育（中英文），2021（7）：56-62.