基于科技文献命制“真实情境”化学试题的实践与思考——以2017-2019年天津卷电化学试题为例

卢雨辰，何 文

高考作为选拔性考试，目标是选拔具有学习潜能和创新精神的考生，是反映学生学习状况与学习能力的重要评价工具，对教师教学也发挥着调节和反馈的导向作用。高质量试题能更好发挥考试评价对教学的诊断功能，试题的质量在一定程度上取决于素材来源。2014年9月，国务院发布《关于深化考试招生制度改革的实施意见》，其中明确提出要“深化高考考试内容改革。依据高校人才选拔要求和国家课程标准，科学设计命题内容，增强基础性、综合性，着重考查学生独立思考和运用所学知识分析问题、解决问题的能力。”［1］考试内容改革是考试招生制度改革的关键，需要通过更加科学、全面的考试内容来达到考察与选拔的功能。［2］《普通高中化学课程标准(2017年版)》（以下简称“新课标”）在提出学科核心素养的同时，强调真实情境的创设，也指出要把握“素养”“情境”“问题”“知识”相互联系，构建以化学学科核心素养为导向的命题框架。［3］(P77-79)

化学是一门以实验为基础的科学，其发展离不开化学家的不断探索与尝试，而科技文献记载了其研究探索的过程，以其为素材能够还原知识建立的“真实情境”，能让学生通过理解情境，发现和解决问题，还可以继承素材的科学性、学术性、前沿性等特点，具有表述严谨规范、数据丰富翔实的优势，也能避免“人为编造”试题的真实性缺失问题。“人为编造”试题因其情境虚构容易缺乏理论依据和实验支持，错误严重时实验现象可能会与题目描述完全相悖。选择科技文献为素材开展原创试题的命制能够有效避免“人为编造”试题只在“答题技巧”、“题型变换”间的徘徊不前，也能减少考试的练习效应，有利于公平、客观地考查学生分析解决实际问题的能力，引导学科教学全面落实课程目标。

因此，命题素材和试题情境的研究越来越受到化学教育工作者的关注。王后雄认为要深入挖掘相关素材中的科学研究方法和思维路径，通过科学的结构来组织素材和编排设问。［4］单旭峰提出选取生产和生活中的真实情境作为高考化学命题的素材，因其陌生但真实的情境可保证试题的科学性和公平性，有利于提高能力考查的效果。［5］赵雪提出情境化的试题能发挥教育功能、公平功能和导向功能等多方面的价值优势。［6］

那么，在“新课标”提倡学科核心素养的背景下，怎样的命题利于对学生化学学科核心素养的发展水平进行科学的、有效的测评？应如何创设“真实情境”测量学生的必备知识、关键能力和思维方法？本文以电化学试题为例，从科技文献作为试题素材构建真实情境的视角，探讨指向化学学科核心素养的考试命题思路，并对以往天津卷电化学试题进行再分析。

一、依据课程标准，明确考查目标与内容

考试的目的是根据学生在测试中的作答情况，进而对其能力和素养做出合理的推测。在试题命制之前，首先应当明确的是通过这一试题想要了解的信息究竟是什么，即所要测量的“构念”。构念是一种“抽象的、潜在的，而不是具体的、可观察的”假设性概念，并不是可观测维度的行为。［7］(P85)构念需要在所测量的领域内分解使其具体与明确，对于高考化学学科考试而言，构念必然要在高中化学课程标准的语境下界定与厘清。在新一轮课程改革的背景下，化学学科的评价视角正从“能力立意”转向“素养立意”，其构念自然是学科核心素养，而不仅仅是学科知识和学科能力。

电化学作为化学的一个重要分支，研究的是物质的化学性质和电学性质间的关系。电池和新能源材料是当下化学的研究热点之一，如新型电池、电极材料、电解液等，这能为试题命制提供众多命题素材，进而创设“真实情境”实现多维度评价学生的学科能力和学科核心素养，渗透学科的核心价值理念。

二、建构命题框架，遴选素材进行试题设计

考试命题是实施考试的核心环节之一，其素材的选择和情境的创设在很大程度上决定了试题质量水平的高低和考查目标的达成程度。我们认为可以构建如图1所示的命题思路开展基于科技文献素材的试题设计。

图1 基于科技文献素材命制“真实情境”化学试题的思路

（一）关键能力和学科素养的考查分析

以科技文献开展试题设计，首先需要对考查目标进行系统的分析。教育部考试中心命题专家在评析2019年全国高考试题时将关键能力细化为理解与辨析能力、分析与推测能力、归纳与推论能力、探究与创新能力。［8］对于高中电化学而言，在关键能力方面，主要考查学生两方面的能力：一是理解与辨析能力，要求学生依据题目所给的电池模型、示意图、表格等各类型信息，从中提取电化学试题的关键内容与所学知识进行整合与加工；二是分析与推测能力，要求学生在陌生的电化学试题情境中分析问题，思考所涉及的电化学基本反应过程，并作出合理的判断与预测。在学科素养方面，在考试过程中，考生需要调动不同的关键能力来完成试题，通过分析学生的作答，对“宏观辨识与微观探析”、“变化观念与平衡思想”、“证据推理与模型认知”等素养做出合理的推测与评价。

（二）文献素材与必备知识的匹配

新颖的、真实的文献素材可以创设化学知识应用情境，但也要充分考虑学生的知识掌握情况，需要站在学生的角度设计试题，考虑考生现有的知识基础、已有的知识经验，并满足考生认知的“最近发展区”。［9］

试题素材的来源可以从CA（美国化学文摘）、Web of Science 等数据库搜索在电化学领域（如：新型电池、电极材料等）的最新研究进展，遴选能够适切的考查学生学科素养的文献素材。此外，新颖的、真实的科技文献素材也可以让学生在解题过程中认识到化学对人类发展和社会进步的巨大作用，渗透学科的核心价值。

（三）试题要素的设计

在明确考查目标后，需要结合文献素材，整理有效信息构建“真实情境”，并对试题各要素进行设计。而这一过程需要科学设计试题的呈现方式、容量选择、知识结构、难度结构，从而将考查目标落到实处。

在呈现方式上，要确定采用客观题或主观题的题型，也要对题目信息呈现方式进行设计，装置图、原理图、示意图等形式的呈现方式能在给予学生足够题目信息的同时，降低试题难度。在容量选择上，要根据题目的分值、作答时间合理设计题目的信息容量、思维容量。在知识结构上，要聚焦电化学这一考查的主线，考查阳极、阴极的判断，电极反应方程式，电子、离子移动方向等主干知识。在难度结构上，对于选择题，每个选项的判断难度应较为接近，减少“猜中”答案的可能性；对于主观题，要做好难度梯度的设计，由简至难，为学生设置合理的“思维台阶”，提供答题的“脚手架”，但也要关注试题的局部独立性，避免前后“株连”。

（四）多维度的审校研磨

科技文献作为素材，其自身的合理性可为试题命制的科学性提供基础保障。在命题过程中必然会对素材进行整合、精简和加工，使其适合学生作答。但在改写的过程中应忠实于原文献，准确表达原文献的研究方法、研究成果。应杜绝各类语法错误和错别字，对于证据确凿的语言表达错误可予以纠正。

要从专家的视角对试题进行审校。从标准性、科学性、政治性、公平性、规范性方面对试题进行研磨。对试题素材所涉及的数据、理论要进行再次确认，确保理论、数据的适用条件、物理含义准确无误；确保素材的引用、出处权威可靠；确保得到资料间的相互印证。

要从学生的视角对试题进行审校。命题人难免因对题目设问、指向和解答过于了解而产生“思维定式”。这就需从学生的思考角度，对题目进行逐步推断、反复推敲，查找可能出现的漏洞和忽视的细节。

三、创设“真实情境”，考查学生学科能力和素养

在考试命题中，以科技文献为素材构建“真实情境”能够展现化学知识、理论应用的场景，展现化学的最新研究趋势、进展和成果，同时渗透“科学探究与创新意识”、“科学精神与社会责任”的核心价值和理念。［10］此外，基于新文献的“真实情境”试题具有陌生但真实感强的特点，可以在保证效度的同时，获得更好的区分度，增强考试的公平性。因此，以“真实情境”为测试载体，传递学科核心价值和理念，考查学生在陌生情境下解决实际问题的能力，实现对必备知识和关键能力的考查，进而评价学生的化学学科核心素养的达成情况，已成为考试评价的重要目标。

在2017至2019年的试题中，天津卷电化学部分命题分别以储能材料、CO2利用与封存、贵金属资源回收等内容创设“真实情境”。

（一）以储能材料为主题的考查

风能、太阳能等清洁能源对环境基本无害，取之不尽、用之不竭。但由于其自身固有的发电间歇性问题，导致难以全天候利用风能和太阳能资源。如何解决其非稳态特性，对储能技术的发展提出了更高的要求。［11］(P238-242)液流电池因具有安全性高、循环寿命长、效率高等特点，是一种极具发展潜力的新型储能材料。此种新型储能材料可以结合学生所学电化学知识创设“真实情境”，综合考查学生的学科能力和学科核心素养。

例1．（2019 年·天津卷第6 题）我国科学家研制了一种新型的高比能量锌—碘溴液流电池，其工作原理示意图如下。图2中贮液器可储存电解质溶液，提高电池的容量。

下列叙述不正确的是

A.放电时，a电极反应为I2Br-+2e-=2I-+Br-

B.放电时，溶液中离子的数目增大

C.充电时，b 电极每增重0.65 g，溶液中有0.02 mol I-被氧化

D.充电时，a电极接外电源负极

图2 液流电池工作原理示意图

［命题意图］以新型的高比能量锌—碘溴液流电池为载体，综合考查电池工作原理、电解原理、电池电极反应方程式、氧化还原反应及计算等知识和理解与辨析的能力，并考查学生的学科核心素养。

［命题分析］基于化学储能材料的大规模储能技术为实现可再生能源大规模使用提供了一种解决方法，锌—碘溴液流电池因具有较高能量密度和环境友好等优势，近年来受到越来越多研究者的青睐。本题难度为0.65，区分度为0.71，较好地发挥了压轴选择题的功能。试题以锌—碘溴液流电池为素材能让学生认识和了解化学在解决能源中发挥着重要的作用，在考查学生的“变化观念与平衡思想”、“证据推理与模型认知”的同时，渗透“科学精神与社会责任”的价值立场。

（二）以CO2利用与封存为主题的考查

环境保护和能源供应是人类文明进入21世纪以来可持续发展所面临的重大挑战。煤炭、石油、天然气等化石能源供能时所释放出的温室气体对环境造成了严重影响。天然固碳途径存在能效比较低、速度比较慢的不足。在这样的背景下，CO2利用技术的创新与环境问题的耦合度、关联度越来越深。［12］(P28-42)碳捕集、利用与封存技术能够将CO2转化成燃料或化学品，实现CO2的再循环，减少温室气体排放。

例2．（2018年·天津卷第10（3）题）CO2是一种廉价的碳资源，其综合利用具有重要意义。O2辅助的Al-CO2电池工作原理（如图3所示）。该电池电容量大，能有效利用CO2，电池反应产物Al2(C2O4)3是重要的化工原料。

电池的负极反应式：_______________。

电池的正极反应式：6O2+6e-＝6O6CO2+6O＝3C2O24-+6O2

反应过程中O2的作用是____________。

该电池的总反应式：_______________。

图3 Al-CO2电池工作原理示意图

［命题意图］以碳利用与封存技术的研究进展作为载体，综合考查电池工作原理、电池电极反应方程式等知识。

［命题分析］CO2的捕集、利用与封存技术有利于持续推动二氧化碳减排。题目以CO2的利用与封存为主线设计考题，将电化学等主干知识有机融合在一起。题目考查考生从所给信息中准确地理解O2辅助的Al-CO2电池工作原理，并结合所学电化学知识写出对电极反应式和总反应方程式的理解与辨析，考查学生综合分析示意图和电极反应式，判断出O2在过程中发挥催化作用的分析与推测能力。题目也在潜移默化地向学生传递“绿色化学”的观点，渗透“创新意识”的素养理念，让学生体会化学研究的最新进展在解决环境问题方面的社会价值。

（三）以资源回收为主题的考查

废水处理后产生的含重金属污泥，属于危险废弃物，如不妥善处理，污泥中的重金属可能会通过多种途径进入土壤和水体，容易产生严重的二次污染。［13］(P129-130)重金属废弃物的绿色处置和资源化技术研究已成为化学研究的热点之一，其中电解回收法是利用电解槽在不同电压下将电镀污泥浸出液中重金属离子进行电解，发生氧化还原反应，使离子定向移动，从而达到回收重金属的目的。［14］(P175-186)这其中涉及的化学知识与原理也能创设“真实情境”，适切地考查学生的能力与素养。

例3．（2017 年·天津卷第7（4）题）某混合物浆液含Al(OH)3、MnO2和少量Na2CrO4。考虑到胶体的吸附作用使Na2CrO4不易完全被水浸出，某研究小组利用设计的电解分离装置（图4），使浆液分离成固体混合物和含铬元素溶液，并回收利用。

Ⅰ.固体混合物的分离和利用（略）

Ⅱ.含铬元素溶液的分离和利用

［命题意图］以废水中重金属Cr的回收作为载体，综合考查电解原理、电极反应、水的电离平衡等知识，考查学生的分析与推测能力。

［命题分析］以混合物的分离及回收利用为主线，将电解原理、化合物的性质和制备等知识有机联系，本小题难度为0.14，区分度为0.26。题目考查学生对电解原理的理解、实验和推理为基础的科学探究方法等重点知识内容，综合运用电解原理、水的电离平衡与Cr2O的转化关系判断出电解产物的分析与推测能力，以及渗透“社会责任”的素养理念，展示化学工作者用技术解决和改进环境问题的“科学态度”。

四、结语

在新一轮高中课程改革的推动下，中学教学正从“能力立意”转向“素养立意”，考试命题也必然随之转型。因此，纯粹的知识性考查题目比例将会适当减少，综合的能力性、素养性考查题目会逐渐增加，但化学学科能力和学科核心素养是建构于学科知识基础之上的，即使是以科技文献为背景的情境化试题，其中也必然包含着化学的基本知识和基本原理，这必然要求在理解、掌握和应用的基础上解决“真实情境”中的问题。

（一）对于学科命题的思考

促进学生主体发展才是考试真正的价值取向，考试内容的呈现要检测学生主体发展的状况，考试方式的采纳要适合学生主体发展。［15］只有着眼于社会发展需要，关注学生发展的前瞻性需求，才能为命题找准方向和依据。

化学科学和技术发展中的基础、应用和前沿问题的研究文献，为构建“真实情境”提供了丰富的原始素材。要深度结合化学发展的趋势和前沿，挑选中学教学内容相近的锂离子电池、钠离子电池、锂硫电池、固态电池、燃料电池、液流电池等研究文献素材创设真实的电化学试题情境，命制高质量的试题，方能引导学生感受化学为社会发展带来的进步，体现化学的应用价值，传递正确的价值理念，在命题中贯彻落实立德树人的根本任务。

试题的命制也需进一步以考查学生的学科核心素养为目标进行设置，加强情境性，深入挖掘素材中的研究方法和思维方式，使试题呈现“陌生但真实”、“高起点但低落点”的特点，才能有效地实现对学生核心素养的测量。此外，要运用项目反应理论等现代教育测量理论，积极开展水平性考试的试卷等值研究和题库建设，保证成绩的可比性，维护考试的公平公正。［16］

（二）对于课堂教学的建议

题目作答的过程本身就是对信息进行接收、整合、加工、表达的过程。因此，放弃“套路”，回归基础，理解掌握现象背后的化学基本方法和基本原理，让学生用自己所学的化学知识，发挥自己的能力，解决真实的情境问题，才能切实回应题目。

学生能在真实的情境中解决实际问题，是发展学科核心素养的教学的重要目标。试题创设的情境、蕴含的学科思想、承载的素养功能和价值都是丰富的教学资源。对于教学而言，要让学生掌握和理解电化学的基本概念，如正极与负极、阳极与阴极等，构建起完整的电化学知识体系和框架。因此，在教学中可以将试题的情境素材和学科知识相结合，让学生在真实情境中运用教材知识，最大限度地激发学生的兴趣，拓宽学生的知识面，从相对真实的情境中感悟学科的研究方法和思维方式，增强学习的真实感。与此同时，也要避免将解题的经验规律泛化，不应让“规律”束缚学生的思维，不应让“常识”迷惑学生的认知。让学生在“解决问题”中学会学习，落实科学态度、科学精神的培育，才能真正做到举一反三，触类旁通，悟道开窍。