先破后立 建模融通

胡敏友

摘要：化工流程題對學科核心素養(yǎng)價值具有較大的承載力，對認知目標考查和評價具有其他考題所不具有的全面性與綜合性，在近幾年幾乎已固化為高考試題的必考題型，學生面對化工流程題時往往存在“心理畏懼”和“思維無序”等問題。對化工流程題結構特點進行剖析后，提出“先破后立建模融通”的解題方法，并對其進行應用反思。

關鍵詞：化工流程題；先破后立；解題反思

文章編號：1008-0546（2023）07-0075-04 中圖分類號：G632.41 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2023.07.014

一、引言

由于化工流程題能很好地體現(xiàn)化學理論研究與化學工業(yè)生產之間的密切關系，同時，化工流程題還幾乎涵蓋了“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、實驗探究與創(chuàng)新意識、科學精神與社會責任”等化學學科核心素養(yǎng)的全部內容，對學科核心素養(yǎng)價值具有較大的承載力，對必備知識和關鍵能力的表現(xiàn)評價有很大的靈活自由度，除體現(xiàn)化學科學的應用性外，對認知目標考查和評價也具有其他考題所不具有的全面性與綜合性，所以，化工流程題在近幾年已逐漸固化為高考試題的必考題型。

高考試題中的化工流程題是由以前高考試題中的“無機框圖推斷題”發(fā)展演變而來的新的高考題型，試題往往以化工生產或化學科學研究實驗流程為問題情境載體，對實際生產或實驗流程進行簡約化處理后，以元素化合物知識、基本化學原理、生產或實驗操作和工藝條件選擇等知識為平臺，用語言文字、化學符號、化學（生產或實驗）術語、數(shù)據(jù)圖表等表述問題情境，以流程圖的形式將生產情境或實驗過程進行再現(xiàn)，考查內容既有“物質轉化及陌生化學方程式的書寫、氧化還原反應原理的分析和計算、化學反應速率的影響因素、平衡移動原理及計算、化學實驗操作及條件控制、滴定原理及產品純度分析、電解原理等”[1]中學化學學習中必備的知識，又有“閱讀理解、信息提煉、分析判斷、演繹推理、語言表述和實驗設計”等學科學習的關鍵能力?？疾榈恼J知目標重點指向“理解”和“應用”，也有“分析” “評價” “創(chuàng)造”等高階認知目標。[2]

試題的情境背景通常用兩個流程（兩條線）呈現(xiàn)，一是核心物質（元素）的轉化線，二是生產（實驗）的工藝操作流程線。設置具體問題往往從“原料的利用、方法路徑的選擇、生產（實驗）條件控制、核心反應、產品質量分析”等方面切入，問題設置形式靈活。

以2021年江蘇高考化學試題中第15題為例分析如下：

（2021年江蘇高考第15題）以鋅灰（含ZnO及少量 PbO、CuO、Fe 2 O 3 、SiO 2 ）和 Fe 2 （SO 4 ） 3 為原料制備的ZnFe 2 O 4 脫硫劑，可用于脫除煤氣中的H 2 S。脫硫劑的制備、硫化、再生過程如圖1所示。（題干部分以陌生物質（ZnFe 2 O 4 ）制備為問題情境，以兩條線（物質轉化線和實驗操作線）分三階段（脫硫劑的制備、硫化和再生）呈現(xiàn)生產流程。

（1）“除雜”包括加足量鋅粉、過濾加H 2 O 2 氧化等步驟。除Pb 2+ 和Cu 2+ 外，與鋅粉反應的離子還有___（填化學式）。

（問題1從方法路徑選擇方面，在對原料進行凈化除雜環(huán)節(jié)設計問題，考查內容為“濾液、濾渣成分”分析，涉及流程中核心元素（Fe、Zn）、雜質元素（Pb、Cu、Si）轉化中相關的系列反應，具體指向H 2 O 2 的氧化性及Zn與其它離子間的氧化還原反應。）

（2）“調配比”前，需測定 ZnSO 4 溶液的濃度。準確量取2.50 mL除去Fe 3+ 的ZnSO 4 溶液于100 mL容量瓶中，加水稀釋至刻度；準確量取20.00 mL稀釋后的溶液于錐形瓶中，滴加氨水調節(jié)溶液 pH=10，用0.0150 mol·L -1 EDTA（Na 2 H 2 Y）溶液滴定至終點（滴定反應為 Zn 2+ +Y 4- = ZnY 2- ），平行滴定3次，平均消耗EDTA溶液25.00 mL。計算ZnSO 4 溶液的物質的量濃度_______（寫出計算過程）。

（問題2從對產品ZnSO 4 進行質量分析的角度設計問題，重點考查“滴定原理、實驗操作和物質的量濃度計算”等內容。）

（3）400 ℃時，將一定比例H 2 、CO、CO 2 和H 2 S的混合氣體以一定流速通過裝有ZnFe 2 O 4 脫硫劑的硫化反應器。

①硫化過程中ZnFe 2 O 4 與H 2 、H 2 S反應生成ZnS和FeS，其化學方程式為_________。

（問題3是在產品ZnFe 2 O 4 的具體應用環(huán)節(jié)，對 產品脫硫反應的原理進行分析，考查知識內容指向“陌生方程式書寫，氧化還原反應原理分析”等。）

②硫化一段時間后，出口處檢測到COS。研究表明ZnS參與了H 2 S與CO 2 生成COS的反應，反應前后ZnS的質量不變，該反應過程可描述為________。

（問題4要求對產品應用過程中發(fā)生的具體反應進行描述，考查內容為“化學反應原理描述，陌生反應的反應物、產物、催化劑、反應條件”的分析等，涉及的關鍵能力為信息綜合分析、語言邏輯表述等。）

（4）將硫化后的固體在N 2 ∶O 2 =95∶5（體積比）的混合氣體中加熱再生，固體質量隨溫度變化的曲線如圖2所示。在280～400 ℃范圍內，固體質量增加的主要原因是__________

（問題5是根據(jù)產品再生過程中發(fā)生的化學反應，配合變化曲線圖進行設計的，屬于“歸因類問題”，考查內容涉及的關鍵能力為“核心反應的判定、圖像信息綜合分析、語言邏輯表述”等。）

教學實踐發(fā)現(xiàn)，解決化工流程題存在的最大障礙是“心理畏懼”和“思維無序”，導致產生這些障礙的主要原因：一方面是由于試題中的情境新穎、陌生程度大、問題融合性強、題干文字多、信息量大。另一方面是由于解題者對陌生信息提煉、加工整合能力不足，再加上在學科基礎知識的掌握上存在“盲點”。另外，還有可能是因為“試題本身信息過于復雜冗長、信息缺失或試題涉及的知識與高中教學實際發(fā)生沖突”等因素導致。

如何能較好的解決在解題過程中所面臨的兩大問題呢？

二、破

“破”即對流程情境進行“分段肢解、分線切割”，讓題干情境中隱藏的知識“裸露”，再運用化學基礎知識和化學實驗基本操作原理，分級構建解決各級問題的思維模型。

從化工流程題的整體結構上看，試題結構基本都包含“原料預處理、除雜、物質轉化、產品的分離與提純”等四個部分（有的可能沒有“預處理”或“分離提純”，但會增加“產品再生”或“原因的分析”等），因此，破題時可以將試題的情境信息切成四塊。

1. 原料預處理

在原料預處理環(huán)節(jié)中，通常會涉及到“堿浸（蝕）”“酸溶（蝕）” “水浸” “焙燒” “粉碎”等生產術語或操作名稱，這些名詞背后涉及的是物質在特定條件下的化學反應、反應速率、轉化（反應）效率等內容，考題中設計的問題往往是從化學的角度分析影響化學反應速率因素，具體可以到“增大化學反應速率，可以采取哪些措施”等。如2022年全國高考甲卷26中的問題（1）菱鋅礦焙燒生成氧化鋅的化學方程式為_________。（2）為了提高鋅的浸取效果，可采取的措施有________、__________。這類問題的突破可以通過弄清在具體反應條件下，參加反應的物質有哪些？產物有哪些？結合相關物質的性質進行分析。對反應速率問題，可以結合教材介紹的影響速率的主要因素（溫度、濃度、催化劑、接觸面積、射線等）進行分類討論。

2. 除雜

這部分涉及到的內容多且雜，試題中呈現(xiàn)的雜質元素多數(shù)是中學教材中重點研究過的、通常是以氧化物或鹽的形式在題干信息中存在的，如Ca、Mg、Fe、Cu、Si、Al等元素，這些雜質元素在整個流程中要經過系列轉化后，最終轉化為相應的沉淀或形成配合物留在溶液中加以除去。在這個環(huán)節(jié)中，熟悉這些元素及其化合物的主要性質，架構這些重點元素及其重要化合物之間的演變關系圖，厘清它們之間的轉化關系及轉化條件是突破的關鍵。

3. 物質轉化

物質轉化反應通常包括核心元素轉化反應和雜質元素的轉化反應，在這個環(huán)節(jié)中會涉及到“氧化還原反應分析” “陌生方程式書寫” “電解原理及應用”“化學平衡”等知識，設計的問題往往較難。解決這個環(huán)節(jié)中的問題需要運用“變化觀念和守恒思想”，將相關物質的性質、轉化反應等知識系統(tǒng)化、網絡化，構建解題“思維模型”。

4. 分離提純

試題中涉及到的物質分離提純的常見方法有“過濾、蒸餾（分餾）、萃取、結晶（重結晶）、分液”等，弄清楚各分離方法適應分離的物質、使用的主要儀器、操作程序和動作要點后，再根據(jù)題給信息確定具體分離方法是解題的一般思路。

三、立

再現(xiàn)試題情境背景中的“兩條線”。根據(jù)題干情境信息中提供的信息內容，結合相關物質的性質，對核心物質（元素）轉化和雜質元素（物質）演變過程中涉及到具體反應、各中間物質一一列出，厘清流程中各物質的衍生關系，繪出元素（物質）演變的清晰脈絡（即物質轉化線）。從流程中“原料預處理的方法路徑選擇、生產（實驗）條件控制、雜質去除、產品分離與提純、產品質量分析”等方面切入，清晰還原題干情境信息中涉及的具體實驗操作內容，形成系列操作流程線。借助“兩條線”統(tǒng)領，綜合已建立的各級思維模型，構建“破題”的清晰的邏輯思維順序。對2022年全國高考甲卷第26題建模分析如下：

題干節(jié)選：硫酸鋅（ZnSO 4 ）是制備各種含鋅材料的原料，在防腐、電鍍、醫(yī)學上有諸多應用。硫酸鋅可由菱鋅礦制備，菱鋅礦的主要成分為ZnCO 3 ，雜質為SiO 2 以及Ca、Mg、Fe、Cu等的化合物。其制備流程如圖3所示。

建模分析如圖4所示。

四、反思

1. 化工流程問題核心素養(yǎng)價值的實現(xiàn)遵循育成規(guī)律。而素養(yǎng)是一種綜合質性能力，其形成并非可以在課題課時學習中發(fā)展到位，而是要經過持續(xù)性培育和螺旋式發(fā)展。[3] 也就是說，培養(yǎng)學生解決化工流程問題的關鍵能力和核心素養(yǎng)，不能僅僅局限于高三階段，化學學科教學應有長遠規(guī)劃，持續(xù)性培養(yǎng)?，F(xiàn)有的高中各級教材中都有“流程資源”呈現(xiàn)，如普通高中教科書化學必修第一冊專題3第三單元中“從海水中提取鎂”、[4]“從海帶中提取碘”、[4] 高中教科書化學必修第二冊專題9第一單元中“鋁的冶煉”、高中教科書化學必修第二冊專題9第二單元中“物質制備反應路線的選擇”[5]“反應條件的控制”[5] 等。在高一階段，若能有效利用這些教材中呈現(xiàn)的教學資源并合理拓展設置一些真實的流程情境，教學中按照流程走向，從原料的預處理到核心反應，再到最后的產品的分離與提純的順序，逐級設置系列問題，運用問題引領學生不斷深入了解流程中每一步生產或實驗操作的目的、物質轉化的過程及涉及的反應原理，在高一新課教學中有層次、有目的地滲透“流程思想”，讓學生感知情境，學生就會在經常接觸“流程”的過程中，逐步消減“流程”帶給的陌生和恐懼，慢慢形成完整的邏輯思維體系，提升破解流程的關鍵能力。

2. 化工流程題的問題情境真實、化學問題典型、教學評價價值高，除學科基礎知識外，還更多地融入了“工業(yè)技術思想”（即：以知識、經驗和資源利用為基礎，通過設計、操作、條件和風險控制，使其產生預期功能變化來滿足某些方法程序、技能規(guī)則的綜合體的思想[6]）和“工程思維”（即：創(chuàng)造性思維、系統(tǒng)性思維、權衡性思維、價值性思維和雙贏性思維[2]）。那么，將實際生產工藝進行簡化改造為考題后，試題中的能力要求與《課程標準》中的能力要求相匹配問題、問題設置的典型性、科學性、評價功能和對教學的導向性問題等仍值得深入研究。

3. “先破后立建模融通”是一種解題方法，而非教學策略。但它也如同很多文獻資料中介紹的針對工藝流程題的教學案例及解決策略一樣，教學中如果能合理地指導學生在解題過程中運用此方法和解題思維模型進行解題訓練，一定程度上能促進學生解題能力的提升。不過，在如何解決好學生解題能力不足的“源頭問題”、從根本上消除學生對工藝流程題的恐懼心理、培養(yǎng)并提升學生解決工藝流程題的關鍵能力等方面，此方法仍顯得單薄和稚嫩！

參考文獻

[1] 曾國瓊. 化工流程題的命題特點及復習備考策略[J]. 中學化學教學參考，2022（1）：41-45.

[2] 朱志江. 化學典型問題核心素養(yǎng)價值分析及教學構想——以化工流程情境類問題為例[J]. 化學教學，2021，（8）：86-89.

[3] 楊玉琴，倪娟. 學科核心素養(yǎng)視域下的教學目標：科學研制與準確表達[J]. 化學教學，2019（3）：3-7.

[4] 王祖浩. 普通高中教科書化學必修第一冊[M]. 南京：江蘇鳳凰教育出版社，2020.

[5] 王祖浩. 普通高中教科書化學必修第二冊[M]. 南京：江蘇鳳凰教育出版社，2020.

[6] 吳俊明. 技術理性是技術素養(yǎng)的靈魂——科學課程中的技術教育（三）[J]. 化學教學，2013（4）：8-10.