國際比較視角下的高考化學科綜合考查思路

單旭峰

（教育部考試中心，北京 100084）

2014年9月，國務(wù)院發(fā)布《關(guān)于深化考試招生制度改革的實施意見》（以下簡稱《實施意見》），提出要“深化高考考試內(nèi)容改革。依據(jù)高校人才選拔要求和國家課程標準，科學設(shè)計命題內(nèi)容，增強基礎(chǔ)性、綜合性”[1]。高考改革中如何貫徹落實《實施意見》對綜合考查的要求？本文將以幾項考試為例，梳理總結(jié)以化學科為中心的綜合性考查的方法和途徑，探索高考化學科的綜合性考查思路。

1 不同國家/地區(qū)考試對化學科綜合性的考查

1.1 PISA的科學考試

PISA是由經(jīng)濟合作與發(fā)展組織（OECD）于2000年籌劃實施，考查學生能否掌握參與社會所需要的知識與技能，主要包括閱讀素養(yǎng)、數(shù)學素養(yǎng)和科學素養(yǎng)等內(nèi)容[2]?？茖W素養(yǎng)測試框架包括態(tài)度、情境、能力和知識4個方面（如圖1所示）。測試框架中對知識的考查主要是指學生要理解以科學知識為基礎(chǔ)的主要事實、概念和解釋理論，包括自然科學知識和科技產(chǎn)品（即內(nèi)容性知識），科學觀點產(chǎn)生的過程（即程序性知識），理解內(nèi)容性知識建立過程的基本原理和使用理由（即認知性知識），其中自然科學知識和科技產(chǎn)品主要包括物質(zhì)科學、生命科學以及地球與空間科學等知識內(nèi)容?？疾榈哪芰χ饕茖W解釋現(xiàn)象、評價與設(shè)計科學探究、科學地解釋數(shù)據(jù)和證據(jù)3個部分（見表1所示）。如例1以面團發(fā)酵為背景，以生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為主題，考查科學解釋面團膨脹的實驗現(xiàn)象，主要內(nèi)容包括淀粉在酶催化下的轉(zhuǎn)化、分子動力學、元素組成以及影響物質(zhì)轉(zhuǎn)化的因素等。由于是考查生物質(zhì)的轉(zhuǎn)化，體現(xiàn)了化學和生物學科的綜合，同時考查研究的基本方法——控制變量法。

圖1 PISA科學素養(yǎng)測試框架

表1 PISA科學素養(yǎng)測試的能力考查目標

例1為了制作面包的生面團，廚師混合了面粉、水、鹽和酵母。混合后，廚師將生面團置放在一個容器中數(shù)小時，以研究發(fā)酵過程。發(fā)酵期間，生面團發(fā)生了化學變化，酵母將面粉中的淀粉和糖轉(zhuǎn)成二氧化碳和酒精。

（1）發(fā)酵導(dǎo)致生面團膨脹，生面團膨脹的原因是

A.產(chǎn)生的酒精變成一種氣體

B.單細胞真菌在里面繁殖

C.產(chǎn)生了一種氣體，即二氧化碳

D.發(fā)酵將水變成水蒸氣

（2）混合生面團數(shù)小時之后，廚師稱量生面團的質(zhì)量，發(fā)覺質(zhì)量變輕了。以下展示的4個實驗開始之前，面團的質(zhì)量是一樣的。如果酵母是質(zhì)量損失的原因，廚師應(yīng)該比較哪兩個實驗來加以測試？

A.實驗1和2 B.實驗1和3

C.實驗2和4 D.實驗3和4

（3）在生面團中，酵母催化面粉中的淀粉和糖，發(fā)生化學變化生成二氧化碳和酒精。二氧化碳和酒精中的碳原子是從哪里來的？

這是碳原子從哪里來的正確解釋嗎？ 是或否？有些碳原子是從糖里來的。有些碳原子是鹽分子的一部分。有些碳原子是從水里來的。

（4）當加了酵母的發(fā)酵面包被放在烤箱內(nèi)烘烤時，氣體的孔穴和水蒸氣在生面團中擴張。為什么氣體和水蒸氣在加熱時會擴張？

A.分子變得更大 B.分子移動得更快

C.分子增加了數(shù)目 D.分子踫撞更不頻繁

1.2 ACT的科學考試

ACT是由美國ACT公司開發(fā)的美國大學入學考試，包括英語、數(shù)學、閱讀和科學測試4個科目。ACT科學測試考查內(nèi)容包括物理、化學、生物和地球科學等知識，每套試卷共7道大題，每一個大題針對一個科學主題，在該主題下考查學生的基礎(chǔ)知識、基本概念和關(guān)鍵能力，要求學生利用題目提供的各種圖形、數(shù)據(jù)，分析和論證問題或推理出實驗結(jié)論等[3-4]，ACT科學測試考查的能力目標及具體要求見表2。如例2考查的是數(shù)據(jù)分析能力，要求學生利用實驗數(shù)據(jù)推理論證氣體擴散速率的影響因素。

表2 ACT科學測試考查的能力目標及要求

例2 一個學生對氣體擴散的公式進行研究

進行如下實驗檢驗該公式的正確性，同時研究氣體擴散的速率。當氯化氫和氨氣發(fā)生反應(yīng)，形成固體的氯化銨：HCl(g)+NH3(g)=NH4Cl(s)。

a組實驗：浸有濃鹽酸的棉簽塞到直徑1 cm的玻璃管的一端，同時將浸有氨水的棉棒塞到該玻璃管的另一端。兩個棉花團相距10 cm。在兩種氣體擴散的時候，每種氣體擴散的距離是可以測量的，因為兩種氣體相遇的地方形成氯化銨煙環(huán)（見下圖）。

在不同溫度下進行該實驗，從實驗開始到煙環(huán)形成的時間以及煙圈到濃鹽酸棉棒的距離等數(shù)據(jù)見下表。

實驗編號 溫度/℃ 時間/s 煙圈到濃鹽酸棉棒距離/cm 1 20 33 4.0 2 30 30 4.1 3 40 26 4.1 4 50 23 4.0

利用公式，該學生預(yù)測從濃鹽酸棉棒到環(huán)的距離為4.06 cm，該學生得出結(jié)論：公式是正確的。

b組實驗：重復(fù)a組實驗，但是溫度固定在20℃，每個實驗中使用不同直徑管子（見下表）。

實驗編號 管子直徑/cm 時間/s 煙圈到濃鹽酸棉棒距離/cm 5 1.0 33 4.0 6 1.2 33 4.0 7 1.4 33 4.1 8 1.6 33 4.0

c組實驗：重復(fù)實驗b，管子的直徑保持1 cm不變，使用更長的管子從而改變每個實驗中兩個棉簽之間的距離（見下表）。

實驗編號 棉簽距離/cm 時間/s 煙圈到濃鹽酸棉棒距離/cm 10 33 4.0 10 20 67 8.1 11 30 101 12.2 12 40 133 16.2 9

（1）下列哪項可以解釋a組實驗和b組實驗之間的差異？

A.a組實驗改變了溫度，b組改變了實驗管子的直徑

B.a組實驗改變了管子的直徑，b組實驗改變了溫度

C.a組實驗改變了棉簽的距離，b組改變了實驗溫度

D.a組實驗改變了溫度，b組改變了實驗棉簽的距離

（2）在a組實驗、b組實驗和c組實驗中，哪幾個實驗使用了相同的實驗裝置？

本文選擇以上兩家案例地基于以下原因：(1)珠三角地區(qū)鄉(xiāng)村旅游發(fā)展具有代表性；(2)兩個案例地處于發(fā)展的不同階段，增城萬家旅舍相對成熟，順德逢簡水鄉(xiāng)尚不完善，兩者相互補充，有利于梳理鄉(xiāng)村旅游發(fā)展過程中的問題與結(jié)構(gòu)性變化；(3)調(diào)研具有可進入性。

A.實驗2、3和4 B.實驗1、5和9

C.實驗4、7和9 D.實驗10、11和12

（3）根據(jù)a組實驗的結(jié)果，下列哪個圖能真實地反映溫度和煙圈到濃鹽酸棉棒距離的關(guān)系？

（4）如果在c組實驗中有個實驗，兩棉棒之間的距離是25 cm，那么煙圈到濃鹽酸棉棒的距離將最接近

A.8 cm B.10 cm C.12 cm D.14 cm

（5）某學生準備研究某一因素（a組實驗、b組實驗和c組實驗中都沒有研究的）對氣體擴散速率的影響，下一步應(yīng)該研究哪個因素對擴散速率的影響？

A.大氣壓強 B.試管長度

C.溫度 D.試管直徑

（6）某學生得出氨氣的擴散速率大于氯化氫，那么上述3組實驗的結(jié)果能否證明其結(jié)論？

B.不能，在實驗1到實驗9中氨氣運動距離大于氯化氫

C.能，在實驗1到9實驗中氨氣運動距離大于氯化氫

D.能，在實驗1到實驗9中氯化氫氣體運動距離大于氨氣

從例2的考查內(nèi)容可以看出，該題綜合了物理和化學兩個學科的知識。學生需要分析3組實驗，說明各種實驗數(shù)據(jù)和反應(yīng)條件之間的關(guān)系，考查學生的科學方法和科學推理能力，尤其是控制反應(yīng)條件變量的能力。這些方法和能力是進行科學研究的重要基礎(chǔ)，也是解決科學前沿問題和現(xiàn)實中真實問題的重要手段，還是進行全面綜合考查的重要途徑。

1.3 我國香港地區(qū)中學文憑考試的綜合科學

2004年我國香港地區(qū)啟動了教育綜合改革，將原有的學制改為“3+3+4”學制。中學教育變成6年一貫制，為此重新調(diào)整了課程設(shè)置，同時將原有的中學會考和高級程度會考兩項考試合并為中學文憑考試。中學文憑考試中包含綜合科學，其內(nèi)容框架如圖2所示[5-6]。中學文憑考試中的綜合科學能力考查目標如表3所示。例3為綜合科學的題目，涵蓋地球、生物多樣性與生態(tài)系統(tǒng)、物質(zhì)及其性質(zhì)等概念，考查利用科學知識、概念及原理，解釋生產(chǎn)生活中的現(xiàn)象和問題。

圖2 我國香港地區(qū)中學文憑考試綜合科學內(nèi)容框架

表3 我國香港地區(qū)中學文憑考試綜合科學的能力考查目標

例3以下是C國的概略地圖，圖中的河流是該國淡水的主要來源。

（1）C國的水務(wù)局發(fā)現(xiàn)輸往A城市和B城市的淡水水質(zhì)日漸變壞。指出輸往哪個城市的淡水會含較高濃度的鎘和鋅；輸往哪個城市的淡水會含較高濃度的大腸桿菌。請分別加以解釋。

（2）C國政府正探討應(yīng)否發(fā)展水力發(fā)電作為替代能源。有一個建議是在河流上D的位置興建一座壩，以提供水力發(fā)電。

a）與燃燒化石燃料發(fā)電相比，水力發(fā)電有其優(yōu)點。請寫出其中的兩項。

b）參考以上地圖，分別討論在D的位置興建水壩可能導(dǎo)致的一個生態(tài)問題和一個社會問題。

例3呈現(xiàn)了一個相對真實的社會情境，涉及能源與能量轉(zhuǎn)化、生態(tài)保護、工業(yè)生產(chǎn)、水利資源等方面的內(nèi)容，包括了物理、化學、生物以及地理等方面的學科內(nèi)容。要求學生分析工業(yè)及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對水資源的影響，水力發(fā)電的必備條件與火力發(fā)電對環(huán)境的影響，這些問題都是社會發(fā)展面臨的現(xiàn)實問題，體現(xiàn)了對多學科知識的綜合性考查。

1.4 我國高考理科綜合能力測試

1998年高考推出針對保送生的綜合能力測試，得到社會各界的廣泛好評，2000年廣東省高考模式調(diào)整為“3+綜合能力測試+X”，從此這一改革在全國范圍推廣，許多省市逐漸開始實行“理科/文科綜合能力測試”。在此背景下，物理、化學、生物3個學科確立了理科綜合能力測試目標（見表4），對綜合能力的考查進行了有益的嘗試[7]。如例4是考查綜合能力的典型情境試題，涵蓋了物理、化學和生物3個學科的內(nèi)容，以驗證宇稱不守恒的放射源為問題的核心，考查內(nèi)容包括化學中的元素周期律和Co元素的化學性質(zhì)、物理中的衰變和守恒定律以及生物中的放射性元素對農(nóng)作物誘導(dǎo)育種的方式等。

例4 1956年李政道和楊振寧提出在弱相互作用中宇稱不守恒，并由吳健雄用放射源進行了實驗驗證，次年李、楊二人為此獲得諾貝爾物理獎，的衰變方程是

表4 我國高考理科綜合的能力測試目標

其中ve是反中微子，它的電荷為零，靜止質(zhì)量可認為是零。

（1）Co與Fe同周期，它應(yīng)在周期表的第__周期，的核外電子數(shù)為___。在上述衰變方程中，衰變產(chǎn)物的質(zhì)量數(shù)A是__，核電荷數(shù)Z是__。

（2）在衰變前核靜止，根據(jù)云室照片可以看出，衰變產(chǎn)物Ni和的運動徑跡不在一條直線上，如果認為衰變產(chǎn)物只有Ni和，那么衰變過程將違背___守恒定律。

（3）無水CoCl2為深藍色，吸水后變?yōu)榉奂t色的水合物，水合物受熱后又變成無水CoCl2，故常在實驗室中用作吸濕劑和空氣濕度指示劑。

現(xiàn)有無水CoCl265 g，吸水后變成CoCl2·xH2O 119 g，水合物中x的值是____。

（4）是典型的γ放射源，可用于作物誘變育種，我國應(yīng)用該方法培育出了許多農(nóng)作物新品種，如棉花商產(chǎn)品種“棉1號”，年種植面積曾達到3000多萬畝，在我國自己培育的棉花品種中栽培面積最大，γ射線處理作物后主要引起______，從而產(chǎn)生可遺傳的變異，除γ射線外，用于人工誘變的其他射線還有____、__和____。

分析以上4項考試綜合學科的能力目標和試題的考查內(nèi)容，可以發(fā)現(xiàn)綜合考查的特點包括以下4個方面：一是注重多學科知識內(nèi)容的融合。前述4項考試涵蓋的內(nèi)容豐富，包括基礎(chǔ)自然科學中的物理、化學、生物和地球科學等內(nèi)容，每個試題至少包括兩個學科的知識內(nèi)容。二是試題素材均為真實情境。試題的素材取自科研、環(huán)保、生產(chǎn)和生活等方面，數(shù)據(jù)真實可信，如例3是關(guān)于物質(zhì)結(jié)構(gòu)及理論的應(yīng)用，試題背景素材來自真實的科學前沿研究結(jié)果。三是構(gòu)建跨學科整體的能力目標。雖然4項考試能力要求的具體表述稍有差異，但其實際內(nèi)涵基本相同，均包括實驗方案設(shè)計和評價、數(shù)據(jù)處理和轉(zhuǎn)換能力、推理與論證能力等。四是注重對科學思維和科學研究方法的考查，對控制變量方法的考查尤其深入，這在PISA和ACT的科學考試中表現(xiàn)特別突出。如例1中的（2）將酵母和壓強（是否敞口）作為變量研究這兩個變量對面團發(fā)酵的影響，例2將溫度、管子的直徑、長度作為變量，每組實驗操作中只改變一個變量，研究各個變量對氣體擴散速度的影響?？梢娋C合考查思路是將現(xiàn)實問題以真實性、多樣性、復(fù)雜性的方式呈現(xiàn)出來，以多學科的知識內(nèi)容為解決問題的工具，要求考生利用實驗的技術(shù)、跨學科的思維和一般科學方法解決實際問題。

2 對高考化學科綜合性考查的思考

從上述分析可以看出，化學科除了可以與物理和生物學科，也可探索與地理學科進行綜合性考查。化學與生產(chǎn)、生活聯(lián)系緊密，是材料科學、能源科學、環(huán)境科學、生命科學、信息技術(shù)等科學技術(shù)的基礎(chǔ)。這些現(xiàn)代科學技術(shù)的基礎(chǔ)內(nèi)容也體現(xiàn)在中學物理、生物和地理等課程中。

2.1 以生物化學為主題的考查

生物化學是化學和生物的交叉研究領(lǐng)域，是運用化學的理論和方法研究生命物質(zhì)的學科，其任務(wù)主要是了解生物的化學組成、結(jié)構(gòu)及生命過程中各種化學變化。新陳代謝是生命最基本的特征，其過程復(fù)雜，生物體內(nèi)每時每刻都進行著成千上萬的化學反應(yīng)，從而實現(xiàn)生物體與外界環(huán)境之間的物質(zhì)和能量的交換。中學階段關(guān)于生命中的物質(zhì)轉(zhuǎn)化內(nèi)容見表5。這些生命體內(nèi)的物質(zhì)轉(zhuǎn)化過程可以作為命題的情境，考查學生綜合運用化學知識和原理闡釋生命過程的分子機制。

表5 化學與生物在糖類、油脂、蛋白質(zhì)領(lǐng)域的交叉內(nèi)容[8-9]

2.2 以能量轉(zhuǎn)化為主題的考查

能源是人類生存和發(fā)展不可缺少的重要基礎(chǔ)，化學作為基礎(chǔ)科學，是能源科學的重要支撐。在許多能量形式的轉(zhuǎn)化過程中都涉及化學科學，例如熱能、電能、氫能以及生物質(zhì)能等。其中各種新穎的原電池、燃料電池和太陽能電池以及催化分解水產(chǎn)氫是目前能源領(lǐng)域研究的熱點和重點，見表6。這部分內(nèi)容屬于物理和化學交叉領(lǐng)域，是科技研究的熱點領(lǐng)域，其主要目標是開發(fā)新型環(huán)保能源轉(zhuǎn)化技術(shù)和裝置，是綜合考查的一個重要方向。

表6 化學和物理在能量轉(zhuǎn)化方面的交叉內(nèi)容[8,10]

2.3 以物質(zhì)結(jié)構(gòu)為主題的考查

對物質(zhì)結(jié)構(gòu)的理論闡釋經(jīng)歷了相當長的一段時間，并且物理學家在實驗現(xiàn)象和數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進行了模型的闡釋。在課程設(shè)置上，對物質(zhì)結(jié)構(gòu)的內(nèi)容進行了劃分，物理注重的是原子核內(nèi)發(fā)生的變化，而化學更注重的是核外電子如何影響成鍵、如何影響物質(zhì)的性質(zhì)。在化學學科的學習中，也要涉及原子核內(nèi)的知識，包括質(zhì)子、中子等。中學物質(zhì)結(jié)構(gòu)的內(nèi)容分別設(shè)置在化學必修課程、選擇性必修2“物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)”以及物理選擇性必修1～3中，見表7。對物質(zhì)結(jié)構(gòu)的研究更多是關(guān)注新材料的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)之間的關(guān)系。對這部分內(nèi)容的綜合考查，可以幫助學生領(lǐng)悟化學在“創(chuàng)造新分子、創(chuàng)制新材料”上的巨大魅力，形成“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)、性質(zhì)衍生應(yīng)用”的觀念。

表7 化學和物理在物質(zhì)結(jié)構(gòu)方面的交叉內(nèi)容[8,10]

2.4 以環(huán)境保護和資源利用為主題的考查

環(huán)境科學是一門新興學科，是多個學科的交叉研究領(lǐng)域?！镀胀ǜ咧谢瘜W課程標準（2017年版）》必修課程中主題5“化學與社會發(fā)展”中要求體會化學對環(huán)境保護的作用，《普通高中地理課程標準（2017年版）》選擇性必修3“資源、環(huán)境與國家安全”中提出運用碳循環(huán)和溫室效應(yīng)原理，分析碳排放對環(huán)境的影響，說明碳減排國際合作的重要性，見表8。將這部分交叉內(nèi)容作為考查思路可以體現(xiàn)化學在實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展中發(fā)揮的重要作用，讓學生認識物質(zhì)的性質(zhì)及反應(yīng)是解決環(huán)境問題、實現(xiàn)資源高效利用的關(guān)鍵，從而樹立綠色化學思想和環(huán)境保護意識。

表8 化學和地理在環(huán)境保護和資源利用等方面的交叉內(nèi)容[8,11]

綜上，對高考化學科綜合性的考查思路和方法，應(yīng)以化學科為中心，選取與化學相近主題內(nèi)容的情境素材，通過提供必要的信息，引導(dǎo)學生對復(fù)雜問題進行分析，把復(fù)雜問題分解成若干簡單問題，找出解決問題的關(guān)鍵因素及條件，以化學學科知識為工具，利用科學的方法解決復(fù)雜的實際問題，這樣才能落實《實施意見》提出的深化高考考試內(nèi)容改革的要求，才能充分體現(xiàn)高考評價體系中提出的對綜合性、應(yīng)用性和創(chuàng)新性的考查要求[12]。

[1]國務(wù)院.關(guān)于深化考試招生制度改革的實施意見[EB/OL].（2014-09-03）[2018-03-07].http://www.gov.cn/zhengce/content/2014-09/04/content_9065.htm.

[2]Organization for Economic Co-operation and Development.Draft PI?SA 2015 Science Framework[EB/OL].[2018-03-07].http://www.oecd.org/pisa/pisa-products/pisa2015 draftframeworks.htm.

[3]ACT.Science Test Description for the ACT[EB/OL].[2018-03-07].http://www.act.org/content/act/en/products-and-services/the-act/test-preparation/description-of-science-test.html.

[4]DINGLER C,SHAW D,徐小冉,等.ACT綜合能力測試框架中跨領(lǐng)域能力的命題思路[J].中國考試,2018（2）:44-47.

[5]香港考試及評核局.Integrated Science Curriculum and Assess?ment Guide（Secondary4-6）[EB/OL].[2018-03-07].http://334.edb.hkedcity.net/doc/chi/curriculum2015/IS_CAGuide_e_2015.pdf.

[6]香港考試及評核局.2017年香港中學文憑考試大綱:綜合科學[EB/OL].[2018-03-07].http://www.hkeaa.edu.hk/DocLibrary/HKDSE/Subject_Information/int_sci/2017hkdse-c-sciint.pdf.

[7]教育部考試中心.高考化學測量理論與實踐[M].北京:高等教育出版社,2007.

[8]中華人民共和國教育部.普通高中化學課程標準（2017年版）[M].北京:人民教育出版社,2018.

[9]中華人民共和國教育部.普通高中生物課程標準（2017年版）[M].北京:人民教育出版社,2018.

[10]中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準（2017年版）[M].北京:人民教育出版社,2018.

[11]中華人民共和國教育部.普通高中地理課程標準（2017年版）[M].北京:人民教育出版社,2018.

[12]姜鋼.探索構(gòu)建高考評價新體系 全方位推進高考內(nèi)容改革[N].中國教育報,2016-10-11（3）.