化學工業(yè)流程題的命題實踐探索

趙雪 王婷婷 姜言霞

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

關鍵詞：高考化學; 化學工業(yè)流程題; 命題實踐; 試題命制原則

文章編號：1005-6629（2021）08-0090-05

中圖分類號：G633.8

文獻標識碼：B

關于化學工業(yè)流程題的界定，基礎教育領域比較普遍的認知是，圍繞化工生產(chǎn)的實際過程或是實驗室對工業(yè)生產(chǎn)的模擬，選擇性地進行簡化處理并使之符合高中學生的認知水平，試題以流程圖形式將生產(chǎn)情境或?qū)嶒炦^程進行再現(xiàn)，考查內(nèi)容則包括元素化合物知識、基本化學原理、實際操作及工藝條件等。隨著高考命題指導思想從知識立意到能力立意、素養(yǎng)立意的演變，化工流程題因其在體現(xiàn)化學科學應用性，實現(xiàn)知識、能力綜合考查等方面所具有的獨特價值[1]，在化學科高考試題中出現(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)，探索進一步優(yōu)化化學工業(yè)流程題試題命制的方法策略，以期對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

近代化學工業(yè)的興起是以化學理論的發(fā)展為基礎的，二者間的相互融合與滲透，使人們可以將化學理論研究的成果轉(zhuǎn)移至大規(guī)模的化工生產(chǎn)中，從而滿足人類社會的物質(zhì)需求。而化學理論研究與化學工業(yè)生產(chǎn)之間的這種密切聯(lián)系，在高考化學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年代初期我國高考的一道化學試題，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，但利用化學知識解決化工生產(chǎn)實際問題的命題思想?yún)s非常明確。而化學工業(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年上海的高考化學試題——“AgNO3的工業(yè)制備”。此前，化學高考的傳統(tǒng)題型——無機框圖推斷題在考查學生分析、推斷及邏輯思維能力方面雖然也頗具價值，但“為考而考”的命題方式顯然缺乏對化學科學實際應用性的體現(xiàn)，因而備受詬病?；ち鞒填}的適時出現(xiàn)得到了人們的普遍認可，并從此逐漸取代了傳統(tǒng)的無機框圖推斷題。其后，不僅僅是上海卷，化工流程題在2007年也出現(xiàn)在了當時的廣東卷和山東卷中;到2010年，全國已有9套高考化學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Ⅰ卷理綜化學為例，化工流程題每年都會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，我們對2016～2019年高考全國Ⅰ卷理綜化學的四道化工流程題進行梳理歸納（見表1），可以看到四道試題在情境設計上都是依托于無機化工產(chǎn)品的生產(chǎn)實例，考查涉及的學科素養(yǎng)比較全面，特別是對“宏觀辨識與微觀探析”“變化觀念與平衡思想”“證據(jù)推理與模型認知”等核心素養(yǎng)的考查更為深入。盡管在具體問題設計方面存在一定的差異，如有的題目中對化學定量計算、化學反應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踐與探索

化工流程題具有獨特的考查優(yōu)勢，它圍繞工業(yè)生產(chǎn)實踐，通過提供必要的試題信息，實現(xiàn)對高中化學知識的融合考查?；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爭的舞臺，在實現(xiàn)對考生學科關鍵能力綜合考查的同時，彰顯化學學科的應用價值，并發(fā)揮考試自身的教育功能。但應當指出，工業(yè)生產(chǎn)的實際往往是比較復雜的，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緊要的環(huán)節(jié)與信息。另一方面，學科理論知識在生產(chǎn)實踐中的應用也并不總是符合高中化學教學。從命題實踐來看，化工流程題命制的主要困難及測后引發(fā)的某些爭議問題往往也是源于上述兩個因素。本文基于化工流程題的命制實例，提出該題型在命制過程中應當避免的一些問題及改進策略。

2.1 避免試題信息過于復雜冗長引發(fā)的思維負擔

化工流程題的設計必須要契合高中學生的認知水平，利用其現(xiàn)有的知識儲備來解決問題。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上調(diào)用相應知識，進而實現(xiàn)對其利用學科關鍵能力解決實際問題水平的考查。在上述考查路徑中信息提取→知識調(diào)用→解決問題可謂環(huán)環(huán)相扣，如果試題信息過于冗長復雜，那么就可能導致學生思維負擔過重甚至引發(fā)混亂，從而無法實現(xiàn)對現(xiàn)有知識的調(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過小時影響除磷效果的原因是;pH過大時，沉淀量增大的原因是。

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

例2是2020年某省學業(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[3]。整個生產(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防止釩以其他形式提前析出。試題在問題設計上主要是圍繞精制Ⅰ、精制Ⅱ和沉釩三個工藝過程展開。對于精制Ⅰ、精制Ⅱ，考生利用已有知識可以順利解決。而對于沉釩操作，工業(yè)上是分三步進行的：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]。在最初的設計中，試題將沉釩三步操作全部呈現(xiàn)出來，給出了沉釩時第3步發(fā)生反應：NH+4 +VO-3NH4VO3↓的信息，并設計了“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)學生將沉釩時“第一次調(diào)pH”與之前精制Ⅰ加氨水的操作聯(lián)系起來，認為調(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疑惑調(diào)pH時為什么不能一次調(diào)至2～2.5。且由于學生并不了解釩在不同pH下的存在形式，還可能會引發(fā)其對精制Ⅰ中加氨水將pH由1～1.6調(diào)至9.8時為什么沒有發(fā)生沉釩的疑惑?？梢姳M管題目提供了詳細的信息，反而可能導致考生不必要的思維負擔。

為此，對試題流程和設問進行了修正（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，將設問中“第一次調(diào)pH的目的”一問刪去，引導考生根據(jù)整個生產(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)細節(jié)中跳出來，能對生產(chǎn)過程進行整體把握。

綜上所述，將復雜的化工生產(chǎn)體系改造為適宜高中學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對學生理解試題造成干擾，引發(fā)不必要的思維負擔，另一方面則可能因題目信息量過大或是流程過于冗長而導致考生作答時的畏懼情緒，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，要在保證真實、科學的基礎上，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)中復雜的實踐環(huán)節(jié)搬到紙筆測試中，形成簡潔明確的工藝流程圖，命題者需對生產(chǎn)環(huán)節(jié)進行有選擇的簡化處理。但在處理過程中，要保證試題信息明確和完整，避免因為信息缺失引發(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)），實驗室利用毒重石制備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），濾渣Ⅱ中含（填化學式）。加入H2C2O4時應避免過量，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)的流程實際上是將化工生產(chǎn)實踐與實驗室制備進行了一定程度的融合，而試題所引發(fā)的爭議也許就是源于此種融合。有文獻指出[5]，本題過濾Ⅲ前加入H2C2O4的目的是在除去Ca2+的同時避免Ba2+同時沉淀，題目中“加入H2C2O4時應避免過量，原因是”的設問及其答案“H2C2O4過量會導致生成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)進行計算時發(fā)現(xiàn)，在pH=12.5時，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)實際的。上述分析是符合基本化學原理的，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%乙醇進行洗滌，從而獲得高純度BaCl2·2H2O[6]?？梢?，加草酸的目的只是初步除鈣并減少后期洗滌時的乙醇用量。

鑒于高中學生對上述無機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，在設問中也只要求回答“為什么加入H2C2O4時應避免過量”而并不體現(xiàn)出此時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，考生的確容易認為此時Ca2+應完全去除，從而產(chǎn)生了關于Ba2+是否已大量沉淀的疑惑。反思當初的命題過程，對“后期乙醇洗滌”信息缺失可能導致的問題估計是不足的。如果將問題設計為“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，則可在實現(xiàn)考查意圖的同時避免因信息缺失所導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建;“舍”則是為了減輕考生信息獲取壓力，減輕解題無關的思維負擔。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值。

2.3 避免與高中教學實際發(fā)生沖突而引發(fā)思維矛盾

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

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

（1） ……以鋁材為陽極，在H2SO4溶液中電解，鋁材表面形成氧化膜，陽極電極反應為。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)設問題情境，整體流程并不復雜，題目也比較基礎，但試題第（1）問在考后卻引起了一些爭論，實測難度也與預估難度存在較大偏差。

第一個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)容是此條件下陽極電極反應式的書寫。但從實測情況來看，很多考生都無法寫出這樣一個相對基礎的電極反應式，主要原因是試題設問與學生的固有知識存在一定的沖突，考生普遍認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，試題的考查意圖就可以順利實現(xiàn)。

第二個問題考查“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)生反應產(chǎn)生CO2，溶液pH增大，達到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+反應使H+濃度減?。ㄔ龃笕芤簆H），產(chǎn)生Al（OH）3沉淀”。但從實測情況來看，幾乎所有考生都認為本題答案為Al3+與HCO-3發(fā)生了雙水解。其實弱酸弱堿鹽雙水解的定義是非常明確的：“陰、陽離子都發(fā)生水解時，稱為雙水解”[7]。很明顯本題中HCO-3并非發(fā)生了水解，但由于高中教學中某些思維定勢，學生一看到Al3+與HCO-3，就認定是發(fā)生了雙水解。試題極低的得分率會導致區(qū)分功能的缺失，因此在進行問題設計時，命題者要盡可能避免與高中教學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)過往的命題實踐，筆者提出在命制化學工業(yè)流程題時應遵循的基本要求，即：真實、簡潔、完備、適切。所謂真實，意指遵循化工生產(chǎn)工藝實際，避免為考而考的人為編造，不忘流程題命題的初心;所謂簡潔，是指盡可能將工藝過程以最簡方式呈現(xiàn)給考生，減輕其閱讀負擔，也避免因流程過于冗長、信息過于復雜導致考生產(chǎn)生負面作答情緒;所謂完備，是指在信息取舍時做到科學合理，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、設問、答案設計等各方面均符合高中學生現(xiàn)有的知識儲備和認知水平，回避高中教學存在的個別盲區(qū)，避免因認知沖突而引發(fā)思維矛盾。

在當前高考只能采取紙筆測試的情況下，化工流程題是一種很好的題型設計。從考查價值方面，它可以體現(xiàn)化學學科的應用價值，通過滲透綠色化學觀念讓學生樹立可持續(xù)發(fā)展的意識，在考試中體現(xiàn)化學學科的社會價值和育人價值，激發(fā)學生從事化學研究的興趣。從考查內(nèi)容來看，化工流程題可實現(xiàn)各模塊的核心知識和各領域關鍵能力的融合考查，對學生核心素養(yǎng)發(fā)展水平進行綜合評價。同時，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特的價值。總結(jié)過往化工流程題命制的一些經(jīng)驗教訓，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值，并最終服務于高考化學科目考試功能的實現(xiàn)。

參考文獻：

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