素養(yǎng)測(cè)評(píng)導(dǎo)向的化工流程題命制實(shí)踐與思考*

吳俊杰　姜建文

摘要： 論述化工流程題作為測(cè)評(píng)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(cè)評(píng)的學(xué)業(yè)水平等級(jí)性考試試題，對(duì)情境素材選擇及測(cè)試任務(wù)設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明，并對(duì)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(píng)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(hào)： 10056629（2020）08008405

中圖分類號(hào)： G633 8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

1? 問(wèn)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(píng)價(jià)[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(lái)確定化學(xué)學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)目標(biāo)[2]。而要實(shí)現(xiàn)對(duì)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(cè)評(píng)，首先應(yīng)從試題的題型上加以考究?！霸囶}的類型是反映考試內(nèi)容的形式，服務(wù)于考試測(cè)量的目的、內(nèi)容及要求，不同的題型，實(shí)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(shí)對(duì)學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)發(fā)展水平的測(cè)評(píng)呢？顯然，化工流程題在非選擇題中是一個(gè)優(yōu)選。

化工流程題是一類情境素材源于生產(chǎn)生活實(shí)際，以工藝流程圖為背景信息，以實(shí)際化學(xué)問(wèn)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(diǎn)，將化學(xué)反應(yīng)原理、實(shí)驗(yàn)、計(jì)算及綠色化學(xué)觀念等知識(shí)、技能和價(jià)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(wèn)題表征多樣，考查能力多向，不少專家學(xué)者對(duì)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(shí)情景，……是考查化學(xué)核心素養(yǎng)高階水平的亮點(diǎn)題型”[4]。且此類試題凸顯“從微觀層次認(rèn)識(shí)物質(zhì)，以符號(hào)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(shí)又易滿足“以真實(shí)情境為測(cè)試載體，以實(shí)際問(wèn)題為測(cè)試任務(wù)，以化學(xué)知識(shí)為解決問(wèn)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(cè)評(píng)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(shí)情境為測(cè)試載體”，真實(shí)情境主要包括以下要素：“情境中的事件應(yīng)該是真實(shí)發(fā)生或者能夠發(fā)生的，基于該情境的設(shè)問(wèn)也能夠在現(xiàn)實(shí)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(cè)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(jià)值取向等[7]，其中易被忽視且經(jīng)常出現(xiàn)的問(wèn)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(yàn)。故試題選材不能只關(guān)注到化學(xué)技術(shù)在實(shí)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(shí)基礎(chǔ)、認(rèn)知水平及教學(xué)現(xiàn)狀的適切性?；诖耍越滩闹械幕ち鞒套鳛樵囶}情境素材能較好地兼顧情境素材的真實(shí)性及其與學(xué)生知識(shí)儲(chǔ)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(shí)在生產(chǎn)實(shí)際中的應(yīng)用典例，其知識(shí)面廣、問(wèn)題多，教材本身并沒(méi)有做過(guò)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(shí)情境的問(wèn)題解決能力，又能兼顧學(xué)生的學(xué)科知識(shí)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(kāi)試題命制。

2.2? 測(cè)試任務(wù)的設(shè)計(jì)

2.2.1? 查閱相關(guān)文件，明確測(cè)試內(nèi)容及要求

在新課程改革不斷推進(jìn)的過(guò)渡時(shí)期，本文仍以《2019年普通高等學(xué)校招生全國(guó)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(cè)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(wèn)題的能力”;測(cè)試的知識(shí)內(nèi)容及能力要求層次定位于“了解常見(jiàn)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(jiàn)非金屬元素單質(zhì)及其重要化合物對(duì)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(diǎn)

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(duì)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(gè)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(shí)深度水平適應(yīng)性、知識(shí)范圍對(duì)應(yīng)性、內(nèi)容主題或知識(shí)點(diǎn)的平衡性以及知識(shí)的建構(gòu)[11，12]。基于此，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(cè)試知識(shí)主題的“內(nèi)容要求”為測(cè)試任務(wù)設(shè)計(jì)的參考細(xì)則，能較大程度地保證測(cè)試內(nèi)容的規(guī)范性。對(duì)查閱相關(guān)工藝資料[13～17]所得考點(diǎn)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(diǎn)： 解決尾氣污染環(huán)境問(wèn)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(shí)，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(lái)。

（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(guò)程，主要涉及耗能問(wèn)題。

2.2.3? 完善題頭及題干內(nèi)容，轉(zhuǎn)化考點(diǎn)為測(cè)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(yǔ)，精簡(jiǎn)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(kāi)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(guó)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(qǐng)結(jié)合化學(xué)方程式進(jìn)行說(shuō)明。

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

（3） 早期“空氣吹出法”工藝并無(wú)圖中“封閉循環(huán)系統(tǒng)”，吸收塔的尾氣直接排入空氣中，請(qǐng)簡(jiǎn)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(qǐng)解釋其原因。（溴單質(zhì)的沸點(diǎn)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(shí)驗(yàn)室中主要通過(guò)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(duì)更高的苦鹵為原料，在經(jīng)第一次氧化過(guò)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(guò)程后再經(jīng)吹出、吸收、二次氧化等過(guò)程才將游離溴蒸出，請(qǐng)問(wèn)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(shí)，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(guò)程受到抑制，可減少氧化劑Cl2的用量，同時(shí)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(wèn)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(guò)高（≥100℃）會(huì)使溴蒸氣夾雜大量水分;溫度過(guò)低（58.5℃左右）不利于溴的蒸出，故該過(guò)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(wèn)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(guò)程后再蒸出游離溴。

3? 試題評(píng)析

上述試題要求學(xué)生通過(guò)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(shí)解決問(wèn)題，并依據(jù)“綠色化學(xué)”思想對(duì)資源的開(kāi)發(fā)利用方案進(jìn)行分析與評(píng)價(jià)，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(shí)驗(yàn)操作等學(xué)科知識(shí)，是較為典型的在真實(shí)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(cè)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(jiàn)表1。

題號(hào)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(duì)具體物質(zhì)（Br2）的性質(zhì)和化學(xué)變化做出解釋或預(yù)測(cè)，運(yùn)用化學(xué)變化的規(guī)律分析說(shuō)明生產(chǎn)實(shí)際中的化學(xué)變化

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

（2）宏觀辨識(shí)與微觀探析3運(yùn)用化學(xué)符號(hào)（Br2與SO2反應(yīng)的離子方程式）說(shuō)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(wèn)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(duì)具體物質(zhì)的性質(zhì)（Cl2與Br-）和化學(xué)變化做出預(yù)測(cè)（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(diǎn)差選擇合適的餾出溫度、必要的餾出速率）分析問(wèn)題，推出合理的結(jié)論

（5）變化觀念與平衡思想4能對(duì)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(cè)，運(yùn)用化學(xué)變化的規(guī)律分析說(shuō)明生產(chǎn)實(shí)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(jiàn)的認(rèn)知模型（實(shí)驗(yàn)室分餾操作模型）

（7）科學(xué)態(tài)度與社會(huì)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(duì)某一個(gè)化學(xué)過(guò)程進(jìn)行分析，權(quán)衡利弊

測(cè)試任務(wù)要求的素養(yǎng)水平并沒(méi)有完全分布在水平4，主要是考慮到學(xué)業(yè)水平等級(jí)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(shí)“以真實(shí)情境為測(cè)試載體，以實(shí)際問(wèn)題為測(cè)試任務(wù)”的命題原則，突出對(duì)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(diǎn)集中在情境素材的選擇、測(cè)試任務(wù)的設(shè)置上，對(duì)試題的測(cè)評(píng)要求沒(méi)有作過(guò)多的質(zhì)量指標(biāo)分析。

4.2? 思考

在上述過(guò)程中對(duì)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(shí)雙基

化學(xué)知識(shí)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(shí)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(wèn)方式靈活，但其“起點(diǎn)高，落點(diǎn)低”，無(wú)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(wèn)題所需的知識(shí)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(duì)此類試題時(shí)提供一個(gè)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(wèn)題時(shí)應(yīng)靈活變通，認(rèn)識(shí)到理論模型與具體實(shí)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(dòng)建議”和“情境素材建議”?！皩W(xué)習(xí)活動(dòng)建議”如“實(shí)驗(yàn)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(kāi)發(fā)利用”“鎳的精制、汽車尾氣處理”等，此類學(xué)習(xí)活動(dòng)內(nèi)容及情境素材皆可為化工流程題的測(cè)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(huì)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(shí)這些真實(shí)的STSE素材和問(wèn)題都是有價(jià)值的情境素材，學(xué)生在認(rèn)識(shí)這些素材及解決問(wèn)題的過(guò)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)。

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