基于课程标准的命题探索与实践——以化学反应原理非选择题为例

赖亚楼

(湖南省益阳市第一中学)

教育部出台的《普通高中学校办学质量评价指南》明确要求严格依据课程标准设计作业和命制试题。化学课程标准指出,学业水平考试的主要目的是评价学生化学学科核心素养的发展状况和学业质量标准的达成程度。所谓化学核心素养测试,就是测评学生利用化学知识解决真实情境中的实际问题的能力。那么在命题时,如何将“情境” “问题” “知识”三者紧密联系融为一体以实现对学生化学核心素养的测评呢?笔者结合化学反应原理高考真题进行了研究探索与命题实践。

1.探索命题策略

化学反应原理旨在探索化学反应的规律及其应用,因此试题除考查“变化观念与平衡思想”外,还应通过具备“应用性”和“创新性”的问题重点考查“证据推理与模型认知”的学科核心素养。

1.1 真实新颖的情境是命题的基石

中国高考评价体系明确要求试题具有创新性,情境具有真实性。而创新性的第一表现就是新颖的(即学生陌生的)情境。笔者就近5年全国Ⅰ卷或乙卷中化学反应原理非选择题的素材情境进行了统计(如表1所示)

表1 近5年全国Ⅰ卷或乙卷中化学反应原理非选择题素材情境统计

续表

从“表1”可知近5年的试题都选用了学生陌生的科研情境。而且选择的科研情境大多都交代了来源,甚至说明了是哪位学者的成果。此外,还有两点值得注意:一是近5年的试题情境均包含多重平衡体系,特别是2021年的试题,整道试题涉及的连续反应竟多达三对;二是近3年的试题情境中均出现了数据曲线图。

1.2 结构不良的问题是考查学科思想的有效途径

人教版新教材特别增设了“方法导引”栏目(例如“变量控制” “图像分析”和“化学方程式中的变化与守恒”),以增强学生的化学学科思想。在试题命制时,应选取适度复杂的情境设置结构不良的问题,考查学生对学科思想的理解情况与应用能力,严防“死记硬背”“机械刷题”。

图1

曲线上v最大值所对应温度称为该α′下反应的最适宜温度tm。ttm后,v逐渐下降。原因是__________________________________________________。

【答案】升高温度,k增大使v逐渐提高,但α降低使v逐渐下降。ttm后,k增大对v的提高小于α引起的降低。

【分析】该试题以SO2催化氧化的反应速率方程为情境,给出了一个完全陌生的公式以及相关解释。试题结构高度不良,没有固定的解决途径。学生需要先通过阅读将题干信息内化,从而推理出试题条件下n和α′为定值,v的大小由k和α来决定的结论。继而利用变量控制的学科思想解释曲线的变化趋势。学生结合必备知识与学科思想自己分析问题,制定解决方案,变知识接受者为问题解决者。

1.3 学科的融合是素养测评的利器

化学课程标准指出应综合运用化学和其他学科的知识分析解决有关问题,发展学生的学科核心素养。中国高考评价体系也提到:要求学生具备合理地组织、调动不同学科的相关知识与能力,高质量地应对复杂问题情境。由此可见,学科融合尤其是数学工具的运用,是化学反应原理试题素养测评的利器。

【例2】(2021年全国乙卷,28题节选)McMorris测定和计算了在136～180℃范围内下列反应的平衡常数Kp。

图2

①由图可知,NOCl分解为NO和Cl2反应的ΔH________(填“大于”或“小于”)0;

【分析】试题巧妙地将2个反应平衡常数的对数与温度的倒数绘制成线性关系图,要求学生利用图中数据信息归纳平衡常数与温度内在关系,并在此基础上论证第三个反应的平衡常数与温度的关系。其中①问和②问的第一小问为后续的论证起到了铺垫和引导作用,论证时需利用函数单调性的定义证明第三个反应的平衡常数K随温度T单调递增,进而证明该反应的ΔH大于0。数学工具的运用极大地丰富了对平衡思想考查的方式,并大大增加了对证据推理的考查力度。

2.命题实践

化学课程标准提供了以化学学科核心素养为导向的一般命题程序如图3所示。根据探索得到的命题策略结合该命题程序笔者命制了如下试题。

图3 命题程序

2.1 原创试题

载氧体化学链燃烧技术(CLC)是一种燃烧效率更高的新技术。以H2为燃料气,CaSO4为载氧体的CLC体系的工作原理如图4所示。

图4

已知:“燃料反应器”中发生反应的热化学方程式为

(1)该CLC体系每消耗1 mol H2,放出241.8 kJ的热量,则“空气反应器”中发生反应的热化学方程式:__________________________________________________。

(2)随着温度的升高,“燃料反应器”中还可能发生如下副反应:

武汉工程大学绿色化工过程教育部重点实验室利用HSC软件绘制出1 mol CaSO4和1 mol H2在不同温度下反应的平衡体系中的物质组成如图5所示:

图5

①ΔH2=________259.6 kJ/mol(填“+”或“-”),理由是__________________________________________________。

②该CLC体系工作时,“燃料反应器”中应该采用________(填标号),否则不但会影响燃烧效率而且会有污染物生成。

A.高温高压 B.高温低压

C.低温高压 D.低温低压

③“ΔH-TΔS=-RTlnK”是化学反应等温式的一种表达形式,其中ΔH、ΔS可以视为与温度无关的定值,R是常数。我国研究人员根据化学反应等温式利用HSC软件计算出不同温度下,反应1的平衡常数K1和反应2的平衡常数K2如下:

温度/℃60080010001200K16.6×1082.5×1081.0×1084.8×107K21.5×10-48.5×10-25.7×1001.1×102

ⅰ. 随着温度的升高K1的变化趋势小于K2的原因是__________________________________________________。

ⅱ.1 000℃时,平衡体系中H2和H2O的物质的量分别为________mol和________mol。

ⅲ.保持1 000℃不变,将“燃料反应器”的容积压缩,重新达到平衡后,H2、H2O、SO2的物质的量的变化情况为:H2________(填“增大” “减小”或“不变”,下同)、H2O________、SO2________。

(2)①+ 随着温度的升高CaO(或SO2)的物质的量增加,说明升高温度反应2平衡正移,因此ΔH2>0(或较高温度下才有CaO和SO2生成,说明反应2低温下不自发而高温下自发,因此ΔH2>0)

2.2 命制思路

2.2.1 考试类别与测试目标

首先本试题的定位为学业水平选择性考试模拟试题,并以测评学生的化学学科核心素养为目标。

2.2.2 创设真实情境

为体现在立德树人方面化学学科育人的核心价值,在实际命题中要精选与我国相关的素材作为试题情境。我国提出了将在2030年前实现“碳达峰”、2060年前实现“碳中和”的目标,化学科学在实现“碳达峰” “碳中和”中可以发挥重要作用。据此,笔者循着多重平衡和数据曲线等高考热点问题从节能、环保等方面选择情境素材。通过知网下载、筛选核心期刊的相关文献以保证情境的真实性和科学性。最终选取了白歆慰团队、任雪娇团队和陈升团队的三篇文献作为素材,在对素材进行整合加工时,以尊重文献和注重情境信息的多样化呈现为原则,创设了上述科研问题情境。

2.2.3 设计测试任务

首先每一个测试任务都是在上述真实情境中自然产生的。除此以外还特别注重如下几个方面:

一是问题设置时特别注重情境的融入。即学生无法脱离情境信息,仅凭借必备知识解决问题,而必须从情境中获取各种呈现形式的信息,进行分析推理解决问题。例如:在(1)问中需要学生先读懂CLC体系的工作原理图,再结合试题给出的反应1的热化学方程式和氢气燃烧的数据,利用盖斯定律书写热化学方程式。在(2)②问中需要学生综合燃料反应器中发生的两个反应的热化学方程式,以及CLC体系的作用等信息进行判断,从而选择有利于反应1(放热且无污染性气体)平衡正移的条件,再利用影响化学平衡的因素得出答案。

二是注重设问形式和信息呈现的多元化。例如:(2)①问第一空,要求判断反应的吸放热,不以传统形式呈现而以“ΔH2=____259.6 kJ/mol(填“+”或“-”)”的方式呈现,是为了在问题中提供后续设问所需要用到的数据信息。

三是设计了部分开放性问题,允许学生从多角度作答。例如:(2)①问第二空学生可以从平衡移动或者化学反应进行的方向两方面作答。考查学生灵活运用知识进行图像分析的能力。

四是创设多元互补的信息,考查学生解决跨学科问题的能力。例如:(2)③问ⅰ中给出了化学反应等温式以及与其相匹配的数据表,学生需要综合给出的公式、表格以及(2)①问第一空的数据三点信息,并现学现用对它们加以内化,最终利用函数思维通过数学推算解决问题而不是简单的“套公式”。

2.2.4 梳理化学知识与方法

本试题不仅仅需要运用已有的必备知识,还需要从试题中领悟相关知识,现学现用解决问题。具体涉及的知识和方法有:盖斯定律、化学平衡的移动、化学反应进行方向的判断、化学反应等温式、化学平衡常数的计算、原子守恒等。试题知识的覆盖面大,实现了利用多种工具(化学知识)对化学核心素养的多角度测评。

2.2.5 推敲修改定题

命制试题都不可能是一蹴而就的,本试题在命制过程中就有多处经过了修改。推敲修改时除考虑试题的科学性、严谨性和学科核心素养考查的落实情况外,还应特别关注如下两点。

一是注重必备知识考查的全面性。例如:最初命制的试题没有考查“影响化学平衡的因素”这一历年高考均进行了考查的重要必备知识。后经反复思考结合试题情境增加了(2)②问。

二是注重从作答者角度设问,以防出现歧义。例如:最初命制的试题(2)③问ⅲ的设问方式为“H2、H2O、SO2的物质的量如何变化________。”问题的要求不够明确,学生可能不知如何作答造成非智力性失分,也不利于阅卷。

3.命题建议

高考的核心功能之一是引导教学,那么我们命制的模拟试题尤其是用于大型考试的模拟试题也应该具备引导教学的功能。

3.1 命制具有科普价值的试题,落实以考促教

首先,高考评价体系指出要培养终身学习能力,促进人的持续发展。因此在试题命制时应该选择基于中学化学的科研素材,并使学生可以通过信息引导理解素材所涉及的前沿知识。在素养测评的同时开阔学生的视野,锻炼现学现用的能力。其次试题作为一种教学资源,其中所蕴含的真实情境和解决问题的方案,可以用于开展情境化教学,使得这些具备科普价值的试题不仅仅服务于考生也有利于广大学生认识化学的学科价值,提升科学精神与社会责任。

3.2 命制人性化试题,落实以考促学