用好图形表征 提升学生的关键能力——近三年广东省高考试题分析与启示

董 淑 梅

(广州大同中学, 广州 510000)

一、提出问题

通过对近三年的广东省高考试题和2023年全国卷对比发现,在试题中有对学生进行2个或多个关键能力的融合考查。基于真实的探究实验或具体的工业生产情境,体现“四重表征”中描述宏观物质的变化情况,结合现象、图表曲线的数据、操作结论进行对微观粒子间的反应分析推测或归纳论证进行设问[1]。尤其通过读图表和曲线获取论据设计问题,维持了较稳定的占比。大部分通过表格数据呈现、曲线图形变化趋势,特殊点和对比数据的异同来设问,但是学生对图形通常感到畏惧,经常觉得图形所给的信息抽象,难以提取,或者提取出的信息难以实现和宏-微-符三重表征间的有效转化。

(一)关键能力

单旭峰依据《普通高中化学课程标准(2017年版)》(以下简称《课程标准》)的学业要求和学业质量水平,梳理能力要求等关键词,将化学学科的关键能力归结为如图1所示的理解与辨析、分析与推测、归纳与论证、探究与创新等4个维度。一方面,关键能力是高考评价体系设定的关键能力群的学科化体现,另一方面,这些关键能力是学业要求的综合化表现,是学科素养在特定形势下的具体内涵和技能表现[2]。

图1 化学关键能力内涵

(二)“四重表征”教学

1993年,苏格兰约翰斯顿提出学习者可从宏观、微观和符号三种表征水平上认识和理解化学知识。随着科技的进步,2009年,钱扬义基于手持技术背景,将化学与计算机、数学等学科相结合,提出曲线表征,以此将原有的三重表征拓展四重表征。分别为: 宏观表征表示宏观信息在个体大脑中呈现和记录的方式;微观表征从微观粒子角度研究物质的组成、结构、运动、性质及其相互作用、反应机理等信息;符号表征表示化学物质组成、结构、性质、状态等符号在学习者大脑中的反映;曲线表征是将化学反应中的物质变化以坐标曲线的形式在学习者头脑中的反映。

“四重表征”的教学模式是一种提高学生化学学科素养,建立正确的化学基本观念、提升化学学科关键能力的一种有效的方式。而且教师可按学习进度的要求设计四重表征的认知发展路径,引导学生进行“四重表征”间的转换,减轻学生的记忆负担,便于知识的迁移应用,提高问题解决能力[3]。

表3 学生认知路径的发展与教师教学活动的建议[3]

二、图表主题高考试题分析

(一)2021-2023年广东高考试题图信息提取题分布情况

试题类型表格信息对比图形曲线变化图形特殊点提取提取数据处理2023全国甲卷7 7 10(2)7 10(2) 2023全国乙卷11(2)7 10(1)(3)7 10(1)(3)7 10(1)(3)2023新课标卷7 10(4)77 10(1)(4)2021广东卷10 17(4)⑤⑥14 19(4)14 19(4)14 19(4)2022广东卷17①② 18(2)13 15 17i 19(2)②③15 17i 18(3)19(2)②2023广东卷10 17(3)15 19(2)19(4)19(4)

2023年全国卷是理综部分,对于图表信息提取及“四重表征”之间相互转化解决问题考察占15分左右,而在广东近三年的高考试题中分值在20分左右,尤其是图表中信息对比分析、控制变量找异同点及曲线中特殊点的提示、数据分析处理。下面以2022、2023年广东卷部分试题进行分析。

1.表格题中提取有效信息解决问题:

序号反应试剂体系温度/℃反应前反应后iii0.20mol·L-1CuSO”4溶液100mL1.20gFe粉ab0.56gFe粉ac

①温度:b________c(填“>”“<”或“=”)。

②________(选择表中一组数据计算)。结果表明,该方法可行。学生通过表中给出的数据判断过量问题,因为反应后的体系温度即反应的吸放热量的多少与反应物的物质的量成正比的,在图表信息中分析数据的异同点,控制变量数据表征处理转化数据就能秒出①的“>”,然后要选择其中一组数据结合前面给的Q的计算公式及已有知识Q与ΔH的转化关系计算出②的答案。

以学生熟悉的反应创设情境,提出问题将盖斯定律与实验设计有机地相结合,考查对盖斯定律本质的理解与运用,考查学生分析物质性质、识别有效证据、推断反应结果及对图表中给出的数据表征进行分析处理的多重关键能力。

例2.(2022年广东卷17题) 用浓度均为0.1mol/L的HAc和NaAc溶液,按下表配制总体积相同的系列溶液;测定PH,记录数据。

序号V(HAc)/mLV(NaAc)/mLV(N2O)/mLn(NaAc)∶n(HAc)pHⅠ40.00//02.86Ⅱ4.00/36.0003.36

②由实验Ⅰ和Ⅱ可知,稀释HAc溶液,电离平衡________(填”正”或”逆”)向移动;结合表中数据,给出判断理由:________。

抓住题中总体积相同,通过控制变量的方式变换表中数据,结合图表中数据变化的情况结合宏观的PH数据变化将信息处理转化为用化学符号表示的微观电离平衡移动的本质,再用文字表述出来就是答案。

解决这两个问题都是通过数据表征结合宏观表征转化成用化学符号表示的微观变化表征,以此考查学生对数据表征的加工和整理能力及四重表征间的相互转化能力。

(二)图形题中提取有效信息解决问题

例1.(2023年广东卷19题(2))某研究小组对(1)中②的反应进行了研究。用浓度分别为2.0mol·L-1、2.5mol·L-1、3.0mol·L-1的HNO3溶液进行了三组实验,得到c([FeR3]2+)随时间t的变化在曲线如图。

①c(HNO3)=3.0mol·L-1时,0～0.1min内,[FeR3]2+的平均消耗速率=________。

②下列有关说法中,正确的有________。

B．[FeR3]2+平衡转化率:αⅢ>αⅡ>αⅠ

C．三组实验中,反应速率都随反应进程一直减小

D．体系由橙红色转变为淡蓝色所需时间:tⅢ>tⅡ>tⅠ

考查学生对图形中曲线上特殊点的提取,通过起点、拐点和保持不变的一段线段所呈现出的数据表征进行提取、分析处理、应用解决①②中的问题。①中的问题通过读图获取起点数据1.5mol·L-1,1分钟时曲线Ⅲ在图中对应的是1.0mol·L-1,根据速率公式学生应该很快做出答案。对于平时思维严谨,认真细致的同学会注意到纵坐标的浓度标识为数量级10-6mol·L-1,如果平时不细致的同学就会容易忽略掉这一信息点,看似送分的空却没有送出去。②中的B、C、D三个选项都可以通过读图分析出来,平衡转化率就等于转化的比上起始的浓度,三者起点相同意味着初始物质的量浓度相同,三条曲线的拐点(平衡点)出现的高度不同Ⅰ高于Ⅱ高于Ⅲ,即平衡浓度Ⅰ大于Ⅱ大于Ⅲ,很容易得出转化率Ⅲ>Ⅱ>Ⅰ;当平衡点出现时浓度不变即反应速率就不变,故C中的一直减小就是错误的;D拐点出现得越早说明时间越短,故D错误。

研究组用吸收光谱法研究了(3)中M与L反应体系。

当c0(L)=1.0×10-5mol·L-1时,测得平衡时各物种c平/c0(L)随c0(M)/c0(L)的变化曲线如图。c0(M)/c0(L)=0.51时,计算M的平衡转化率________(写出计算过程,结果保留两位有效数字)。

该问解决的关键是读取图形中曲线的交点,学生通过曲线变化过程中的交点记录的数据分析转化成宏观体系中处于平衡状态时L与ML的量相同,结合化学符号表征的微观粒子的变化列出三段式进行计算,如果对微观粒子变化和化学符号表征转化能力强的同学还可以用M和L原子守恒的方法更快的解决问题。

解决这两个问题都是通过曲线表征中的特殊点给出的宏观表征转化成用化学符号表示的微观变化表征,利用符号表征进行计算得出结果。以此考查学生获取有效信息、识别有效证据、处理转化数据的多重关键能力,及四重表征间的相互转化能力。

三、教学启示

在平时的高三教学中我们可以挑选有代表性的习题分微专题进行复习:

(一)图表中关注变量

化学中通常考察的单一变量,因此在表格中数据呈现出来时,要“定多议一”即每次控制其他量相同的情况下只对比一个变量,2021广东卷17题为例分析建构解决问题的思维模型,通过弱电解质的电离平衡和难溶电解质的溶解平衡结合电导率的数据曲线表征;控制温度或者是溶解的溶质的浓度二者其一保持不变来解决问题;再选取典型习题进行巩固。

(二)图形中关注曲线的变化及特殊点

在原理部分例如强弱电解质的电离程度比较,平衡移动的影响因素、中和滴定曲线的绘制等都可以用“四重表征”模式教学[4]。

1.利用已有图形引导学生分析

借鉴同行们做的实验视频或者是绘制出的曲线数据表征,在预测和分析过程中即培养学生提取有效信息分析解决问题的关键能力,又帮助学生开拓了新的分析问题的思维方式,而且从图形中能提取出有效的信息对学生来说已经是成功的体验、归纳与分析能力的培养,学生从认知的层级来理解知识点,减少学生记忆的负担,同时构建出曲线表征的图形,完成由图形——理论的相互转换,降低了抽象知识理解的难度。

2.利用宏观实验现象分析引导学生绘制图形

可将一部分传统实验进一步改进为实时、可视化的手持技术实验,手持技术实验操作简单快捷,有条件的可以课堂上演示,现场绘制出图形给出数据更有视觉冲击对大脑思维的震撼效果,让学生感受到科学技术的力量。对不能用手持技术现场做出来的曲线可以通过表格给出相应的数据由学生绘制例如溶液中的离子平衡图像题中经常考察的PH与某个离子百分含量之间的曲线,学生绘制一次后就会有深刻的体会,不会在恐惧这些变化的曲线交织在一起了。

总之,一幅图形的出现胜过教师的万语千言。养成学生通过理论预测、宏观现象观察、曲线图形数据表征验证预测的准确性、合理性;养成看图析图进而学会绘图的习惯,达到提升关键能力的目的。