基于“地方特色化工情境”的化學作業(yè)題設計

管華東 朱穎 彭信文 姜建文

摘要： 選取江西地區(qū)“稀土化工”為情境載體，以新課標對考試評價的要求為依據，命制了一套高三化學高考備考用作業(yè)題。闡述了作業(yè)題命制的思路，論證了作業(yè)題的合理性，提供高三化學作業(yè)題命制的新角度。

關鍵詞： 作業(yè)題命制； 核心素養(yǎng)； 稀土（RE）化工； 地方特色情境

文章編號： 1005-6629（2023）02-0089-06

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

基于地方特色化學工業(yè)情境的社會情境涉及到STSE（科學、技術、社會、環(huán)境）的各個方面，能在拓展學生視野的同時，發(fā)展其化學學科核心素養(yǎng)。本文選取江西特色的稀土化工產業(yè)為社會情境，挖掘真實工業(yè)流程中涉及的高中化學知識點進行綜合性作業(yè)題的命制。

1? 江西地區(qū)“稀土化工”概述

稀土元素是化學性質相似的鑭系元素、21號鈧（Sc）元素和39號釔（Y）元素的總稱［1］。稀土元素在電子、石油化工、冶金、機械等領域都有著重要的應用。

隨著高新技術的快速發(fā)展，以江西為代表的中重稀土資源的國內外市場需求量快速增長［2］。為了守護我國的綠水青山，科研工作者們推動了稀土污染物排放標準的改革，2011年頒布實施的《稀土工業(yè)污染物排放標準》將氨氮排放標準降至15mg·L-1［3］。經長期科技攻關，形成了硫酸銨溶液原地浸礦-碳酸氫銨沉淀稀土的離子型稀土礦山開采工藝［4］。

而稀土元素的特殊性質使其容易在冶煉過程中進入母液或廢液，引起有價稀土元素的流失，同時造成環(huán)境污染。因此從稀溶液中富集分離、分析稀土元素是稀土應用中的重要問題［5］，而溶劑萃取是目前所采用的稀土富集、分離的主要手段。

2? 作業(yè)題呈現(xiàn)

2.1? 作業(yè)題命制思路

在選取好作業(yè)題命制的地方特色工業(yè)情境后，對其工業(yè)背景、研究熱點方向及工藝流程進行充分的調查和了解。在此基礎上挖掘情境中學生運用新課標必備知識所能解決的問題，根據作業(yè)題所要達到的測試目的，參考相應學業(yè)質量水平所對應的核心素養(yǎng)發(fā)展水平以確定測試目標，并以此為依據進行高三作業(yè)題的命制，命制思路如圖1所示。

2.1.1? 作業(yè)題知識點挖掘

在對江西地區(qū)特色的稀土化工產業(yè)進行調查了解后，依據課標內容要求對其涵蓋的知識點進行了挖掘，按高三學生所要達到的學業(yè)質量水平設計作業(yè)題命制多維細目表，如表1所示。

2.1.2? 稀土工藝流程簡化

硫酸銨溶液原地浸礦-碳酸氫銨沉淀稀土的離子型稀土礦山開采工藝原工藝流程中含有工程設計等要素［6］，需對其進行簡化加工，省略不含化學反應和操作的步驟，以匹配作業(yè)題測試的需要。簡化后的工藝流程圖如圖2所示。

2.1.3? 學生試做、修改、定題

作業(yè)題初制完成后，選取了兩所中學4個高三班級的學生共224人進行了試做。對試做結果進行分析發(fā)現(xiàn)初制的作業(yè)題存在一定問題，下文以題（1）③為例闡述修改原因與過程。

題（1）③中原設問為“如圖所示是Sc其中一種合金的晶胞，其晶胞參數為a=b=c=0.656nm，晶胞中所含的Sc、 Al、 Ag原子數目比為：________，其化學式為：________，晶胞密度為________g·cm-3（結果保留兩位有效數字）?！贝祟}第二空的本意是希望學生在第一空的計算基礎之上對各元素的電負性進行比較，繼而寫出其化學式。但對試做結果進行分析與訪談后發(fā)現(xiàn)，有許多學生并未思考元素的電負性來判定書寫順序，而是按照題干中的元素順序直接進行了書寫，且Ag的電負性大小較為特殊，學生并不能以已學的元素周期律進行推斷，因此將原設問修改如下：“如下圖所示是Sc其中一種合金的晶胞，其晶胞參數為a=b=c=0.656nm，晶胞中所含的Sc、 Ag、 Al原子數目比為：________，已知Ag的電負性在三者之中最高，其化學式為：________，晶胞密度為________g·cm-3（結果保留兩位有效數字）。”

經統(tǒng)計分析，作業(yè)題的整體難度為0.504，核心素養(yǎng)考察水平在3以上的各小題區(qū)分度在0.4以上。

2.2? 作業(yè)題終貌

作業(yè)題最終定稿如下：

（1） 鈧（Sc）是稀土元素（RE）家族中非常重要的一員，單質形式的鈧被大量應用于合金的摻雜，可以極大程度改善金屬的性能?；卮鹣铝袉栴}：

① 寫出Sc的核外電子排布式及價電子排布式：________、________。

② 離子化合物Na［Sc（C2O4）2］中，存在的作用力除離子鍵外還有________。鈧的配合物離子［Sc（C2O4）2］-中，配體為________（填微粒符號）。

③ 如右圖所示是Sc其中一種合金的晶胞，其晶胞參數為a=b=c=0.656nm，晶胞中所含的Sc、 Ag、 Al原子數目比為：________，已知Ag的電負性在三者之中最高，其化學式為：________，晶胞密度為________g·cm-3（結果保留兩位有效數字），此合金的熔點（高于、低于）________單質Al。

（2） 在稀土元素的開采工藝上，早先贛南地區(qū)采用的池浸和堆浸的氨氮工藝對礦區(qū)生態(tài)造成了相當程度的破壞，為克服舊工藝的缺點，經過長期的科技攻關與持續(xù)技術創(chuàng)新，形成了（NH4）2SO4溶液原地浸礦-NH4HCO3沉淀稀土的離子型稀土礦山開采工藝。工藝流程見圖2。

已知：

a. 稀土原礦中含有的稀土元素離子與雜質離子（Fe2+、 Fe3+、 Cu2+等）主要吸附于鋁硅酸鹽中，稀土元素離子RE3+［Al2SiO3（OH）4］m·nRE3+（s）與雜質離子［Al2SiO3（OH）4］m·nMa+（s），在礦洞中發(fā)生的反應為陽離子的交換反應，可通過此反應將RE3+與Ma+從鋁硅酸鹽中置換出來。

b. 稀土離子與雜質離子沉淀的pH范圍如下表。

回答下列問題：

① 流程中操作1與操作2所涉及的實驗操作分別為________、________，在實驗室中操作1需要用到的玻璃儀器為________________。

② 流程中可以循環(huán)利用的物質為________，將進行操作1后得到的廢液投入礦洞中的目的為：________________________? 。

③ 礦洞中發(fā)生的主要反應的離子方程式為________________? ? ? ，________________? ? ? 。（雜質離子以Cu2+為例，需標出物質狀態(tài)）

④ 在除雜步驟中，調節(jié)pH所用的堿為________，在調節(jié)pH前需進行的操作為________，沉淀雜質離子的pH范圍應為________。

⑤ 出于環(huán)境方面的考慮，根據《稀土工業(yè)污染物排放標準》的新要求，排放物中氨氮的排放標準為15mg·L-1（排放物中的氨氮存在形式為NH+4、 NH3、 NO-3、 NO-2），為檢驗工業(yè)過程中排放的污水是否達到環(huán)保標準，化學興趣小組的同學查閱文獻后設計了以下檢測方案：Ⅰ. 先用Fe2+將NO-3與NO-2還原為NH+4；Ⅱ. 再以蒸餾-中和滴定法測定NH3的量，計算得出水樣中的氨氮含量。

Ⅰ. 寫出Fe2+還原NO-3的離子方程式：? 。

Ⅱ. 小組同學取1L工業(yè)污水，將水樣pH調節(jié)至6.0～7.4，過濾后留水樣，加入MgO后加熱蒸餾，釋出的NH3被H3BO3溶液吸收生成（NH4）2B4O7，以甲基紅-亞甲藍為指示劑，用鹽酸標準溶液（0.1mol·L-1）滴定餾出液中的銨，實驗總共消耗鹽酸標準溶液amL。依此判斷若污水中的氨氮含量達到排放標準，a的取值范圍為________（要求寫出計算過程）。

Ⅲ. 上述稀土開采流程中，是否仍存在一定缺陷？對發(fā)現(xiàn)的缺陷提出合理的改進建議。

（3） 在上題中的工藝流程中含有的多次“操作2”等步驟是為了進一步提高稀土元素的純度，這是因為稀土元素的特殊性質使其容易在冶煉過程中進入母液或廢液，引起有價稀土元素的流失，并造成環(huán)境污染。因此，人們投入了大量精力研發(fā)從稀溶液中富集、分離稀土元素的萃取劑，二甘酰胺離子液體便是其中一種，可用于f區(qū)稀土元素镥（Lu）的萃取。其合成路線如下所示。

① A的分子式為：________，A與B生成C的反應類型為________。

② C中所含的含氧官能團為________________。

③ 寫出n-BuBr的結構簡式：________。

④ 寫出一種符合下列條件的A的同分異構體的結構簡式：________。

Ⅰ． 可與新制Cu（OH）2反應生成磚紅色沉淀；

Ⅱ． 可水解，且1mol該物質的水解產物最多可與2mol NaOH反應；

Ⅲ． 1H-NMR譜圖中只有3組峰，且峰面積比為2∶1∶1；

⑤ 根據以上信息，寫出以A為原料，設計合成下圖有機物，寫出合成路線。

2.3? 作業(yè)題答案

（1） ①［Ar］3d14s2；3d14s2；②配位鍵、共價鍵；C2O2-4；③1∶2∶1；ScAlAg2；6.8

（2） ① 過濾；萃取；玻璃棒、漏斗、燒杯；

② （NH4）2SO4；提高稀土離子浸出率，提高（NH4）2SO4利用率；

③ ［Al2SiO3（OH）4］m·nSc3+（s）+3nNH+4（aq）nSc3+（aq）+［Al2SiO3（OH）4］m·（NH+4）3n（s）； ［Al2SiO3（OH）4］m·nCu2+（s）+2nNH+4（aq）nCu2+（aq）+［Al2SiO3（OH）4］m·（NH+4）2n（s）

④ 氨水；將Fe2+氧化為Fe3+； 6.4<pH<6.8；

⑤ Ⅰ. 8Fe2++10H++NO-3NH+4+8Fe3++3H2O；

Ⅱ. （NH4）2B4O7+2HCl+5H2O2NH4Cl+4H3BO3；

n（HCl）=n（NH+4）=0.1mol·L-1×amL=a×10-4mol；

N%=a×10-4mol×14g·mol-1÷1L=1.4amg·L-1；

1.4a≤15； a≤75/7ml

Ⅲ. 從工藝流程的原料、利用率等綠色化學角度出發(fā)，言之有理即可。

（3） ①C4H4O4；取代反應；②羰基、醚鍵、羧基；③CH3CH2CH2CH2Br；④；

⑤

3? 作業(yè)題剖析

3.1? 測試載體與測試宗旨

以江西稀土化工情境為測試情境載體，結合高中化學教學實際，以江西稀土化工的理論背景、工藝流程和研究熱點為中心，創(chuàng)設了真實、有指向、有意義的測試情境，并在此基礎上完成了此套作業(yè)題的設計。此套作業(yè)題以測試學生化學學科核心素養(yǎng)的發(fā)展水平、豐富學生對真實化學工業(yè)的了解與開拓學生的視野為測試宗旨，要求學生能綜合運用所學的化學知識，面對陌生的真實情境做到知識遷移，加深“結構決定性質，性質決定用途”等觀念，能結合宏微觀的不同視角分析與解決生活中的真實問題。該套作業(yè)題所提出的各個問題均從不同角度在一定程度上反映了上述測試宗旨的要求。

3.2? 測試任務與解決問題的工具

本作業(yè)題以測試宗旨與目標為依據，基于江西特色的稀土化工的作業(yè)情境，命制了涉及物質結構與性質、元素化合物與實驗和有機化學基礎相關內容的三道主觀題。要求學生在研讀材料的基礎上，分析相應的元素結構、稀土冶煉的工藝流程和稀土萃取劑的合成路線，以已學習的化學基礎知識為解題工具，在領悟到解題相關知識后進行組合、應用，對三個大題進行解答，具體測試知識點及核心素養(yǎng)發(fā)展水平要求見表2。

由表2可知，本作業(yè)題涵蓋的核心素養(yǎng)類型比較全面，且素養(yǎng)發(fā)展水平大多數分布在第４層，同時也包含了一定數量的基礎性設問，素養(yǎng)發(fā)展水平控制在水平2以上，對學生學業(yè)質量水平有較清晰的體現(xiàn)，與學科課程標準中“學業(yè)質量水平2是高中畢業(yè)生在本學科應該達到的合格要求；學業(yè)質量水平4則是化學學業(yè)水平等級性考試的命題依據”的規(guī)定有較好的一致性。

3.3? 作業(yè)題的表現(xiàn)性分析

以往試題或作業(yè)題的命制多存在以下問題：情境與任務真實性不夠、情境和任務缺乏聯(lián)系、考查內容仍然是孤立的知識、未注意生產生活實踐的復雜性［8］，以至于題目不能反饋出學生的認知過程，或僅限于對知識點的重復而不能起到發(fā)展學生核心素養(yǎng)和促進教學的作用，在客觀題中尤為明顯。因此在作業(yè)題的修繕定題階段，題目的表現(xiàn)性是教師應該著重關注的重要方面。

本作業(yè)題中，由真實情境出發(fā)，在關注內容的基礎上，以注重表現(xiàn)性的言語設置問題，在對此問題的解答過程中，教師可充分地感受到學生“分析與推測”能力的發(fā)展狀況，分析與推測能力是由知識的抽象理論遷移到包括判斷物質結構、分析物質性質、預測反應現(xiàn)象和推斷反應結果等具體應用，并在此基礎上考查學生知識的掌握程度。以題（1）③為例作出分析：在題（1）③中，第一空需要學生利用自身所學，能夠對基礎知識完成一定的“理解與辨析”。在此基礎上對陌生的晶胞結構進行分析：首先需利用元素周期律中原子半徑的相關知識推測出晶胞中不同大小的原子所代表的元素，繼而計算出晶胞中各種元素的原子個數，若學生能夠寫出原子數目比，但在順序上出了錯，教師則可以得知學生在元素周期律中原子半徑的相關知識的掌握應用不夠熟練。第二空的解答需要學生在第一空的計算基礎之上依據元素周期律推測各元素的電負性的相對大小，若學生能夠正確作答第一空，卻在第二空出了問題，則教師可以判斷出學生對元素電負性的比較或物質化學式的書寫規(guī)則存在疑惑，以此進一步考查學生對晶胞結構和元素周期律等內容的綜合運用。

同時在作業(yè)題的評價標準中也需注重其表現(xiàn)性，應根據作業(yè)題所要考查學生的認知過程設置分值。以題（2）⑤Ⅱ為例作出分析：學生在解答此題時，需經過情境理解［排放物中氨氮的排放標準為15mg·L-1、釋出的NH3被H3BO3溶液吸收生成（NH4）2B4O7］、學科模型建構［強酸制弱酸HCl與（NH4）2 B4O7生成H3BO3的反應］和定量計算（得出a的取值范圍）三個過程；教師通過給予學生此表現(xiàn)性的評價，一方面可以在批閱的過程中了解學生的能力發(fā)展水平，另一方面也可給予學生進行自我評價的依據。

綜上可知，本作業(yè)題在命制時充分考慮了設問的表現(xiàn)性與評價的表現(xiàn)性，且作業(yè)題的難度與區(qū)分度貼近高考試題所呈現(xiàn)出的水平，通過此類作業(yè)題的使用，教師可得到的學生反饋程度較細致，為之后的教學重點設置與教學目標的調整提供一定的指引，省去對知識點的多次重復，提高課堂的教學效率。

4? 作業(yè)題命制的啟示

4.1? 注重作業(yè)題問題的真實性

無論是考試試題還是作業(yè)題，其目的都是檢驗學生化學學習的效果、積極發(fā)展學生的核心素養(yǎng)，從而使其能在遇到實際問題時進行知識的遷移應用，因此作業(yè)題是否真正基于教師對化學與社會、生活之間聯(lián)系的關注，是否真正來源于社會生產生活，對作業(yè)題能否達到預期的效果有著重要的影響。

4.2? 注重作業(yè)題素養(yǎng)考察的全面性

在教學過程中，由于課程內容重點的優(yōu)先級不同，所要突出的化學學科核心素養(yǎng)也不同，不會在同一節(jié)課中將五方面的素養(yǎng)照顧得面面俱到。但高考試題的素養(yǎng)體現(xiàn)中，呈現(xiàn)出素養(yǎng)覆蓋全面、素養(yǎng)分布存在差異和素養(yǎng)考查方式融合的特點［9］。因此在作業(yè)題的命制中，教師應要考慮到作業(yè)題與社會生產生活諸多方面的聯(lián)系，命題切入的視角從知識考查向能力水平提升轉變，盡量使學生在完成作業(yè)題的同時各方面素養(yǎng)都能夠得到一定的發(fā)展。

4.3? 注重作業(yè)題情境的連貫性

在設置作業(yè)題情境時，按照介紹情境背景的語言邏輯順序命制作業(yè)題，能夠給予學生閱讀拓展材料的氛圍，在拓展視野的同時考查其知識運用的水平。若失去了此種連貫性，學生在做題時便會專注于問題的解答，而忽視對材料的閱讀，直接由題入手，這樣作業(yè)題便會失去依靠情境介紹社會生產生活的功能。因此，教師在進行作業(yè)題的命制時，情境的連貫性不可忽視。

4.4? 注重作業(yè)題取材的本土性

依據地方特色工業(yè)情境來命制作業(yè)題，其目的是希望學生在完成作業(yè)的過程中，能夠在開拓視野、增強其熱愛家鄉(xiāng)情懷的同時，使其對化學學科的了解不再局限于課本，認識到化學存在于生活的各方面且各有分工與重點。因此，作業(yè)題取材的本土性也促使學生對掌握的學科知識進行遷移應用，充分發(fā)揮作業(yè)題的素養(yǎng)診斷功能。

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