素养测评导向的化工流程题命制实践与思考*

吴俊杰　姜建文

摘要： 论述化工流程题作为测评学生化学学科核心素养发展水平优选题型的适切性。以人教版高中化学教材选修2《化学与技术》中“海水提溴”工艺为原型，以化工流程题的形式试命制一道基于化学学科核心素养测评的学业水平等级性考试试题，对情境素材选择及测试任务设计进行详细说明，并对试题考查的化学学科核心素养的类别、水平及具体表现要求进行评析，提出了解决化工流程题的一般思维模型。

关键词： 化工流程题; 试题命制; 化学学科核心素养; 教材; 思维模型

文章编号： 10056629（2020）08008405

中图分类号： G633 8

文献标识码： B

1  問题提出

2017年版新课标更新了高中化学课程的基本理念，倡导基于化学学科核心素养的评价[1]，学业水平考试应紧紧围绕化学学科核心素养的发展水平和化学学业质量标准来确定化学学习评价目标[2]。而要实现对学生化学学科核心素养发展水平科学有效的测评，首先应从试题的题型上加以考究。“试题的类型是反映考试内容的形式，服务于考试测量的目的、内容及要求，不同的题型，实现的功能不同”[3]。那么何种题型更适合新一轮课程改革的要求，能够在考试中落实对学生化学学科核心素养发展水平的测评呢？显然，化工流程题在非选择题中是一个优选。

化工流程题是一类情境素材源于生产生活实际，以工艺流程图为背景信息，以实际化学问题的解决为题设导向，以物质的性质和转化为核心考点，将化学反应原理、实验、计算及绿色化学观念等知识、技能和价值观的考查有机融合的一类试题。此类试题已成为新课标高考化学科试卷的高频题型，其取材新颖，问题表征多样，考查能力多向，不少专家学者对此题型给予了高度肯定，如王后雄认为“此类试题呈现化学工艺流程真实情景，……是考查化学核心素养高阶水平的亮点题型”[4]。且此类试题凸显“从微观层次认识物质，以符号形式描述物质，在不同层面创造物质”的化学学科本质特征，同时又易满足“以真实情境为测试载体，以实际问题为测试任务，以化学知识为解决问题的工具”的命题原则[5]。可以认为，化工流程题是当下测评学生化学学科核心素养发展水平的优选题型之一。

2  化工流程题的命制

2.1  情境素材的选择

2017年版新课标要求“以真实情境为测试载体”，真实情境主要包括以下要素：“情境中的事件应该是真实发生或者能够发生的，基于该情境的设问也能够在现实生活中找到，题干中提供的信息或数据应该能够实现”[6]。显然，化工流程题的测试情境较易满足以上要求，但从类型众多、结构繁杂的工业生产工艺中甄选出情境素材需考虑多方因素，如情境材料的普适性、价值取向等[7]，其中易被忽视且经常出现的问题是情境材料的选择与控制超出学生现有的学科认知结构、学习及生活经验。故试题选材不能只关注到化学技术在实际生产中的应用而不匹配其与当下学生的学科知识基础、认知水平及教学现状的适切性。基于此，以教材中的化工流程作为试题情境素材能较好地兼顾情境素材的真实性及其与学生知识储备及认知发展水平的适切性。教材中工业流程是化学知识在生产实际中的应用典例，其知识面广、问题多，教材本身并没有做过多延伸，这为高考试题选材提供了丰富的信息源。故挖掘教材工艺流程既可以考查学生基于真实情境的问题解决能力，又能兼顾学生的学科知识基础，不失为此类试题情境创设的合理途径之一。下面以人教版高中化学教材选修2《化学与技术》[8]第二单元课题2“海水的综合利用”中的“海水提溴”部分为题材原型展开试题命制。

2.2  测试任务的设计

2.2.1  查阅相关文件，明确测试内容及要求

在新课程改革不断推进的过渡时期，本文仍以《2019年普通高等学校招生全国统一考试大纲（化学）》[9]为主要参考进行化工流程题的命制。测试的“化学学习能力要求”定位于“接受、吸收、整合化学信息的能力，分析和解决化学问题的能力”;测试的知识内容及能力要求层次定位于“了解常见非金属元素单质及其重要化合物的制备方法，掌握其主要性质及其应用”“了解常见非金属元素单质及其重要化合物对环境的影响”等。

2.2.2  查阅相关工艺资料，选取适切性良好的考点

考试内容效度是考试效度的重要证据之一，学业水平考试内容的选择关系到对考试结果所做出的解释是否有效，是否可以将考试结果解释为学生学业水平的标志[10]。学业水平考试作为基于标准的教育体系的一个重要组成部分，确定学业考试内容规范的基本原则是保证其与课程标准的内容标准的一致性，包括内容领域或主题一致性、知识深度水平适应性、知识范围对应性、内容主题或知识点的平衡性以及知识的建构[11，12]。基于此，以上述考试大纲中的相关要求为宏观指导，以2017新课标中契合考试目的的“学业质量标准”及所选测试知识主题的“内容要求”为测试任务设计的参考细则，能较大程度地保证测试内容的规范性。对查阅相关工艺资料[13～17]所得考点进行规范性筛选，结果如下：

（1） 硫酸的重复利用： 减少硫酸的使用;减少污染物的排放。

（2） “封闭式空气吹出法”优点： 解决尾气污染环境问题;节省资源（尾气含SO2和Br2）。

（3） “空气吹出法”制溴工艺中预处理阶段“酸化”的作用： Br2+H2OH++Br-+HBrO，pH大于7时，溶液显碱性，溴单质极易水解，调节pH小于7后，溴单质从溶液中较易释放出来。

（4） “水蒸气蒸馏法”与“空气吹出法”的比较分析： 前者原料为含溴量高的苦卤等，后者则为普通低浓度的含溴海水，工艺上的差别在于是否有溴元素的富集过程，主要涉及耗能问题。

2.2.3  完善题头及题干内容，转化考点为测试任务

在保证试题内容科学性及不影响学生理解题给信息等的前提下，推敲试题用语，精简试题结构，完善试题基本要素及必要的附加信息，得化工流程题全貌如下。

溴作为一种重要的化工原料，在医药、燃料、农药、制冷剂、阻燃剂、防爆剂等领域均有着广泛的用途，而地球上约99%的溴存在于海水中，故海水中溴资源的开发利用具有重大意义[18]。目前海水提溴的工艺技术有多种，在我国应用最广泛的是“空气吹出法”[19]，即用Cl2把海水中的Br-氧化为Br2，然后用空气或水蒸气吹出。某“封闭式空气吹出法”工艺[20]流程如图1。

（1） 图中海水在“氧化”之前为什么要先“酸化”[21]，请结合化学方程式进行说明。

（2） 图中“吸收塔”用于对“吹出塔”吹出的游离溴的吸收，请写出该反应的离子方程式。

（3） 早期“空气吹出法”工艺并无图中“封闭循环系统”，吸收塔的尾气直接排入空气中，请简述“封闭循环系统”的作用[22]。

（4） 圖中“蒸馏”步骤控制温度[23]在80℃至90℃之间，请解释其原因。（溴单质的沸点为58.5℃）

（5） 图中“废液回收”步骤可减少（填物质化学式）的使用，降低成本。

（6） 图中“分离”步骤在实验室中主要通过玻璃仪器、进行分离。

（7） 另一类制溴工艺为“水蒸气蒸馏法”，即以溴离子浓度相对更高的苦卤为原料，在经第一次氧化过程后直接将游离溴蒸出，而图中直接以海水为原料的“空气吹出法”工艺则在第一次氧化过程后再经吹出、吸收、二次氧化等过程才将游离溴蒸出，请问导致此差别的主要原因[24]是什么？

参考答案：

（1） Br2+H2OH++Br-+HBrO，pH大于7时，溶液显碱性，溴单质极易水解，调节pH小于7后，已被氧化为溴分子的溴水解过程受到抑制，可减少氧化剂Cl2的用量，同时有助于溴单质的吹出。

（2） Br2+2H2O+SO24H++2Br-+SO2-4。

（3） 避免尾气直接排入大气，解决尾气污染环境问题;节省资源（尾气夹带SO2和未被完全吸收的Br2），提高资源利用率。

（4） 温度过高（≥100℃）会使溴蒸气夹杂大量水分;温度过低（58.5℃左右）不利于溴的蒸出，故该过程控温在80℃至90℃之间较为合适。

（5） H2SO4。

（6） 分液漏斗、烧杯。

（7） 两者工艺所用原料不同，苦卤中的溴离子浓度一般相较海水更高，所以考虑到耗能问题，“空气吹出法”工艺需要在一次氧化后经“吹出、吸收、二次氧化”等步骤进行溴元素的富集过程后再蒸出游离溴。

3  试题评析

上述试题要求学生通过提取、处理题给信息，分析产品溴的转化途径，综合运用化学知识解决问题，并依据“绿色化学”思想对资源的开发利用方案进行分析与评价，考查了元素化合物、氧化还原反应、化学反应原理及实验操作等学科知识，是较为典型的在真实情境中考查学生读取与分析化工流程图能力的试题，凸显了化学学科核心素养目标的测试要求。本例考查的化学学科核心素养的类别、水平及具体表现要求见表1。

题号素养类别水平具体表现要求

（1）变化观念与平衡思想4能对具体物质（Br2）的性质和化学变化做出解释或预测，运用化学变化的规律分析说明生产实际中的化学变化

宏观辨识与微观探析3运用化学符号（化学方程式）说明物质的组成及其变化

（2）宏观辨识与微观探析3运用化学符号（Br2与SO2反应的离子方程式）说明物质的组成及其变化

（3）证据推理与模型认知2能从宏观和微观结合上收集证据（尾气中含有未充分利用的SO2和少量未完全吸收的Br2），依据证据从不同的视角分析问题，推出合理的结论（节约资源、保护环境）

（4）变化观念与平衡思想4能对具体物质的性质（Cl2与Br-）和化学变化做出预测（有溴单质的生成）

证据推理与模型认知2能依据证据从不同视角（利用Br2与H2O的沸点差选择合适的馏出温度、必要的馏出速率）分析问题，推出合理的结论

（5）变化观念与平衡思想4能对具体物质的性质（Cl2的强氧化性）和化学变化做出预测，运用化学变化的规律分析说明生产实际（可能含有副反应）中的化学变化（SO2被氧化为H2SO4）

（6）证据推理与模型认知2能理解和表示化学中常见的认知模型（实验室分馏操作模型）

（7）科学态度与社会责任4能依据“绿色化学”思想（降低能耗、提高溴的蒸出效率等）对某一个化学过程进行分析，权衡利弊

测试任务要求的素养水平并没有完全分布在水平4，主要是考虑到学业水平等级性考试的区分功能及降低考生考试压力等因素。

4  总结与思考

4.1  总结

此次试题命制旨在探究在化工流程题题型框架下如何落实“以真实情境为测试载体，以实际问题为测试任务”的命题原则，突出对学生化学学科核心素养的考查，故阐述内容侧重点集中在情境素材的选择、测试任务的设置上，对试题的测评要求没有作过多的质量指标分析。

4.2  思考

在上述过程中对化工流程题的教学策略也产生了一些思考，总结如下。

4.2.1  夯实双基

化学知识是培养学生化学学科核心素养的重要载体，化学教学是落实化学课程目标、引导学生达成化学学业质量标准的基本途径。化工流程题取材广泛、综合性强、设问方式灵活，但其“起点高，落点低”，无论情境素材是教材典例的变式还是教材之外学生不熟悉的生产工艺，解决这些问题所需的知识与方法皆源于普通高中化学课程的学习。故在强调发展学生学科核心素养的课改背景下，仍毋庸讳言学生“双基”掌握的重要性。

4.2.2  建构思维模型

在日常教学中，可结合工艺流程图及图中每一环节的具体考查方向对解此类试题进行思维模型的建构，给学生在面对此类试题时提供一个基本的思考方向。建构化工流程题的一般思维模型如图2所示。

需要注意的是，理论模型有其一般性和具体性，在解决具体问题时应灵活变通，认识到理论模型与具体实例间的异同，这也是“证据推理与模型认知”化学学科核心素养的高阶要求。

4.2.3  参考课标“建议”，挖掘教材资源

新课标在必修课程及选择性必修课程模块下的各主题中都给出了“学习活动建议”和“情境素材建议”。“学习活动建议”如“实验室模拟海水提溴、镁”“锌锰干电池的探究”;“情境素材建议”如“硫铁矿、煤等资源与能源的开发利用”“镍的精制、汽车尾气处理”等，此类学习活动内容及情境素材皆可为化工流程题的测试载体。故在日常教学中应充分参考新课标“建议”，深入挖掘教材资源，为学生正确解答化工流程题积累素材，并指导学生学会归纳总结，培养学生阅读信息、提取信息、加工信息与表达信息的能力。同时这些真实的STSE素材和问题都是有价值的情境素材，学生在认识这些素材及解决问题的过程中也在逐步发展并同步表现出其化学学科核心素养水准。

参考文献：

[1]

[2][5]中华人民共和国教育部制定. 普通高中化学课程标准（2017年版）[S]. 北京： 人民教育出版社， 2018： 2， 74～78.

[3][4]王后雄. 基于“素养为本”的高中化学学业水平考试命题研究[J]. 中国考试， 2018， （1）： 27～38.

[6]PALM T. Theory of authentic task situations [M]// GREER B， VERSCHAFFEL L， VAN DOOREN W， et al. Words and worlds： Modelling verbal descriptions of situations. Rotterdam， the Netherlands： Sense Publishers， 2009： 245～263.