先破后立 建模融通

胡敏友

摘要：化工流程题对学科核心素养价值具有较大的承载力，对认知目标考查和评价具有其他考题所不具有的全面性与综合性，在近几年几乎已固化为高考试题的必考题型，学生面对化工流程题时往往存在“心理畏惧”和“思维无序”等问题。对化工流程题结构特点进行剖析后，提出“先破后立建模融通”的解题方法，并对其进行应用反思。

关键词：化工流程题；先破后立；解题反思

文章编号：1008-0546（2023）07-0075-04 中图分类号：G632.41 文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2023.07.014

一、引言

由于化工流程题能很好地体现化学理论研究与化学工业生产之间的密切关系，同时，化工流程题还几乎涵盖了“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、实验探究与创新意识、科学精神与社会责任”等化学学科核心素养的全部内容，对学科核心素养价值具有较大的承载力，对必备知识和关键能力的表现评价有很大的灵活自由度，除体现化学科学的应用性外，对认知目标考查和评价也具有其他考题所不具有的全面性与综合性，所以，化工流程题在近几年已逐渐固化为高考试题的必考题型。

高考试题中的化工流程题是由以前高考试题中的“无机框图推断题”发展演变而来的新的高考题型，试题往往以化工生产或化学科学研究实验流程为问题情境载体，对实际生产或实验流程进行简约化处理后，以元素化合物知识、基本化学原理、生产或实验操作和工艺条件选择等知识为平台，用语言文字、化学符号、化学（生产或实验）术语、数据图表等表述问题情境，以流程图的形式将生产情境或实验过程进行再现，考查内容既有“物质转化及陌生化学方程式的书写、氧化还原反应原理的分析和计算、化学反应速率的影响因素、平衡移动原理及计算、化学实验操作及条件控制、滴定原理及产品纯度分析、电解原理等”[1]中学化学学习中必备的知识，又有“阅读理解、信息提炼、分析判断、演绎推理、语言表述和实验设计”等学科学习的关键能力。考查的认知目标重点指向“理解”和“应用”，也有“分析” “评价” “创造”等高阶认知目标。[2]

试题的情境背景通常用两个流程（两条线）呈现，一是核心物质（元素）的转化线，二是生产（实验）的工艺操作流程线。设置具体问题往往从“原料的利用、方法路径的选择、生产（实验）条件控制、核心反应、产品质量分析”等方面切入，问题设置形式灵活。

以2021年江苏高考化学试题中第15题为例分析如下：

（2021年江苏高考第15题）以锌灰（含ZnO及少量 PbO、CuO、Fe 2 O 3 、SiO 2 ）和 Fe 2 （SO 4 ） 3 为原料制备的ZnFe 2 O 4 脱硫剂，可用于脱除煤气中的H 2 S。脱硫剂的制备、硫化、再生过程如图1所示。（题干部分以陌生物质（ZnFe 2 O 4 ）制备为问题情境，以两条线（物质转化线和实验操作线）分三阶段（脱硫剂的制备、硫化和再生）呈现生产流程。

（1）“除杂”包括加足量锌粉、过滤加H 2 O 2 氧化等步骤。除Pb 2+ 和Cu 2+ 外，与锌粉反应的离子还有___（填化学式）。

（问题1从方法路径选择方面，在对原料进行净化除杂环节设计问题，考查内容为“滤液、滤渣成分”分析，涉及流程中核心元素（Fe、Zn）、杂质元素（Pb、Cu、Si）转化中相关的系列反应，具体指向H 2 O 2 的氧化性及Zn与其它离子间的氧化还原反应。）

（2）“调配比”前，需测定 ZnSO 4 溶液的浓度。准确量取2.50 mL除去Fe 3+ 的ZnSO 4 溶液于100 mL容量瓶中，加水稀释至刻度；准确量取20.00 mL稀释后的溶液于锥形瓶中，滴加氨水调节溶液 pH=10，用0.0150 mol·L -1 EDTA（Na 2 H 2 Y）溶液滴定至终点（滴定反应为 Zn 2+ +Y 4- = ZnY 2- ），平行滴定3次，平均消耗EDTA溶液25.00 mL。计算ZnSO 4 溶液的物质的量浓度_______（写出计算过程）。

（问题2从对产品ZnSO 4 进行质量分析的角度设计问题，重点考查“滴定原理、实验操作和物质的量浓度计算”等内容。）

（3）400 ℃时，将一定比例H 2 、CO、CO 2 和H 2 S的混合气体以一定流速通过装有ZnFe 2 O 4 脱硫剂的硫化反应器。

①硫化过程中ZnFe 2 O 4 与H 2 、H 2 S反应生成ZnS和FeS，其化学方程式为_________。

（问题3是在产品ZnFe 2 O 4 的具体应用环节，对 产品脱硫反应的原理进行分析，考查知识内容指向“陌生方程式书写，氧化还原反应原理分析”等。）

②硫化一段时间后，出口處检测到COS。研究表明ZnS参与了H 2 S与CO 2 生成COS的反应，反应前后ZnS的质量不变，该反应过程可描述为________。

（问题4要求对产品应用过程中发生的具体反应进行描述，考查内容为“化学反应原理描述，陌生反应的反应物、产物、催化剂、反应条件”的分析等，涉及的关键能力为信息综合分析、语言逻辑表述等。）

（4）将硫化后的固体在N 2 ∶O 2 =95∶5（体积比）的混合气体中加热再生，固体质量随温度变化的曲线如图2所示。在280～400 ℃范围内，固体质量增加的主要原因是__________

（问题5是根据产品再生过程中发生的化学反应，配合变化曲线图进行设计的，属于“归因类问题”，考查内容涉及的关键能力为“核心反应的判定、图像信息综合分析、语言逻辑表述”等。）

教学实践发现，解决化工流程题存在的最大障碍是“心理畏惧”和“思维无序”，导致产生这些障碍的主要原因：一方面是由于试题中的情境新颖、陌生程度大、问题融合性强、题干文字多、信息量大。另一方面是由于解题者对陌生信息提炼、加工整合能力不足，再加上在学科基础知识的掌握上存在“盲点”。另外，还有可能是因为“试题本身信息过于复杂冗长、信息缺失或试题涉及的知识与高中教学实际发生冲突”等因素导致。

如何能较好的解决在解题过程中所面临的两大问题呢？

二、破

“破”即对流程情境进行“分段肢解、分线切割”，让题干情境中隐藏的知识“裸露”，再运用化学基础知识和化学实验基本操作原理，分级构建解决各级问题的思维模型。

从化工流程题的整体结构上看，试题结构基本都包含“原料预处理、除杂、物质转化、产品的分离与提纯”等四个部分（有的可能没有“预处理”或“分离提纯”，但会增加“产品再生”或“原因的分析”等），因此，破题时可以将试题的情境信息切成四块。

1. 原料预处理

在原料预处理环节中，通常会涉及到“碱浸（蚀）”“酸溶（蚀）” “水浸” “焙烧” “粉碎”等生产术语或操作名称，这些名词背后涉及的是物质在特定条件下的化学反应、反应速率、转化（反应）效率等内容，考题中设计的问题往往是从化学的角度分析影响化学反应速率因素，具体可以到“增大化学反应速率，可以采取哪些措施”等。如2022年全国高考甲卷26中的问题（1）菱锌矿焙烧生成氧化锌的化学方程式为_________。（2）为了提高锌的浸取效果，可采取的措施有________、__________。这类问题的突破可以通过弄清在具体反应条件下，参加反应的物质有哪些？产物有哪些？结合相关物质的性质进行分析。对反应速率问题，可以结合教材介绍的影响速率的主要因素（温度、浓度、催化剂、接触面积、射线等）进行分类讨论。

2. 除杂

这部分涉及到的内容多且杂，试题中呈现的杂质元素多数是中学教材中重点研究过的、通常是以氧化物或盐的形式在题干信息中存在的，如Ca、Mg、Fe、Cu、Si、Al等元素，这些杂质元素在整个流程中要经过系列转化后，最终转化为相应的沉淀或形成配合物留在溶液中加以除去。在这个环节中，熟悉这些元素及其化合物的主要性质，架构这些重点元素及其重要化合物之间的演变关系图，厘清它们之间的转化关系及转化条件是突破的关键。

3. 物质转化

物质转化反应通常包括核心元素转化反应和杂质元素的转化反应，在这个环节中会涉及到“氧化还原反应分析” “陌生方程式书写” “电解原理及应用”“化学平衡”等知识，设计的问题往往较难。解决这个环节中的问题需要运用“变化观念和守恒思想”，将相关物质的性质、转化反应等知识系统化、网络化，构建解题“思维模型”。

4. 分离提纯

试题中涉及到的物质分离提纯的常见方法有“过滤、蒸馏（分馏）、萃取、结晶（重结晶）、分液”等，弄清楚各分离方法适应分离的物质、使用的主要仪器、操作程序和动作要点后，再根据题给信息确定具体分离方法是解题的一般思路。

三、立

再现试题情境背景中的“两条线”。根据题干情境信息中提供的信息内容，结合相关物质的性质，对核心物质（元素）转化和杂质元素（物质）演变过程中涉及到具体反应、各中间物质一一列出，厘清流程中各物质的衍生关系，绘出元素（物质）演变的清晰脉络（即物质转化线）。从流程中“原料预处理的方法路径选择、生产（实验）条件控制、杂质去除、产品分离与提纯、产品质量分析”等方面切入，清晰还原题干情境信息中涉及的具体实验操作内容，形成系列操作流程线。借助“两条线”统领，综合已建立的各级思维模型，构建“破题”的清晰的逻辑思维顺序。对2022年全国高考甲卷第26题建模分析如下：

题干节选：硫酸锌（ZnSO 4 ）是制备各种含锌材料的原料，在防腐、电镀、医学上有诸多应用。硫酸锌可由菱锌矿制备，菱锌矿的主要成分为ZnCO 3 ，杂质为SiO 2 以及Ca、Mg、Fe、Cu等的化合物。其制备流程如图3所示。

建模分析如图4所示。

四、反思

1. 化工流程问题核心素养价值的实现遵循育成规律。而素养是一种综合质性能力，其形成并非可以在课题课时学习中发展到位，而是要经过持续性培育和螺旋式发展。[3] 也就是说，培养学生解决化工流程问题的关键能力和核心素养，不能仅仅局限于高三阶段，化学学科教学应有长远规划，持续性培养。现有的高中各级教材中都有“流程资源”呈现，如普通高中教科书化学必修第一册专题3第三单元中“从海水中提取镁”、[4]“从海带中提取碘”、[4] 高中教科书化学必修第二册专题9第一单元中“铝的冶炼”、高中教科书化学必修第二册专题9第二單元中“物质制备反应路线的选择”[5]“反应条件的控制”[5] 等。在高一阶段，若能有效利用这些教材中呈现的教学资源并合理拓展设置一些真实的流程情境，教学中按照流程走向，从原料的预处理到核心反应，再到最后的产品的分离与提纯的顺序，逐级设置系列问题，运用问题引领学生不断深入了解流程中每一步生产或实验操作的目的、物质转化的过程及涉及的反应原理，在高一新课教学中有层次、有目的地渗透“流程思想”，让学生感知情境，学生就会在经常接触“流程”的过程中，逐步消减“流程”带给的陌生和恐惧，慢慢形成完整的逻辑思维体系，提升破解流程的关键能力。

2. 化工流程题的问题情境真实、化学问题典型、教学评价价值高，除学科基础知识外，还更多地融入了“工业技术思想”（即：以知识、经验和资源利用为基础，通过设计、操作、条件和风险控制，使其产生预期功能变化来满足某些方法程序、技能规则的综合体的思想[6]）和“工程思维”（即：创造性思维、系统性思维、权衡性思维、价值性思维和双赢性思维[2]）。那么，将实际生产工艺进行简化改造为考题后，试题中的能力要求与《课程标准》中的能力要求相匹配问题、问题设置的典型性、科学性、评价功能和对教学的导向性问题等仍值得深入研究。

3. “先破后立建模融通”是一种解题方法，而非教学策略。但它也如同很多文献资料中介绍的针对工艺流程题的教学案例及解决策略一样，教学中如果能合理地指导学生在解题过程中运用此方法和解题思维模型进行解题训练，一定程度上能促进学生解题能力的提升。不过，在如何解决好学生解题能力不足的“源头问题”、从根本上消除学生对工艺流程题的恐惧心理、培养并提升学生解决工艺流程题的关键能力等方面，此方法仍显得单薄和稚嫩！

参考文献

[1] 曾国琼. 化工流程题的命题特点及复习备考策略[J]. 中学化学教学参考，2022（1）：41-45.

[2] 朱志江. 化学典型问题核心素养价值分析及教学构想——以化工流程情境类问题为例[J]. 化学教学，2021，（8）：86-89.

[3] 杨玉琴，倪娟. 学科核心素养视域下的教学目标：科学研制与准确表达[J]. 化学教学，2019（3）：3-7.

[4] 王祖浩. 普通高中教科书化学必修第一册[M]. 南京：江苏凤凰教育出版社，2020.

[5] 王祖浩. 普通高中教科书化学必修第二册[M]. 南京：江苏凤凰教育出版社，2020.

[6] 吴俊明. 技术理性是技术素养的灵魂——科学课程中的技术教育（三）[J]. 化学教学，2013（4）：8-10.