促进化学学科核心素养发展的评价研究——以高中化学反应原理试题为例

张丽华 刘延卫

(北京市首都师范大学附属房山学校)

1.问题的提出

学科核心素养是学科育人价值的集中体现,是学生通过学科学习而逐步形成的正确价值观、必备品格和关键能力。学科素养的发展是一个不断自我构建和提升的过程,学习评价对于学生学科核心素养具有诊断和发展的功能,可以体现出学生在基础知识、基本原理、基本方法、基本技能等各方面的掌握情况,还可以引导学生在新的情境中灵活调用已有的知识和技能,提升学科能力水平,逐渐形成解决问题的一般思路和方法。

化学反应原理是化学学科的理论基础,它给学生提供了更多的获取知识的方法和渠道,学生可以运用化学反应规律和理论知识以及相应的认识方式解释、解决科学探究和生产生活中的实际问题,促进学生学科核心素养的发展。化学反应原理试题是评价中常见题型,可以在真实的情境下全面诊断学生运用化学知识解决实际问题的能力水平。

教师研究化学反应原理试题的命制,可以促进教师深入探索化学反应原理模块的教学策略,提高化学学科理解能力,改进教学模式,有目的地培养学生学科能力,将教学与评价相结合、相辅相成,从而促进学生学科核心素养的发展。

2.北京高考化学反应原理试题特点

《普通高中化学课程标准》(2017年版2020年修订)中指出:化学学习评价对于学生化学学科核心素养具有诊断和发展的功能,并且提出了命题原则:以核心素养为测试宗旨、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。

北京卷原理试题都源于生产生活中的真实情境,在解决实际问题的过程中评价学生学科素养和能力的发展水平。具体分析见表1。

表1 2020～2022年北京高考化学反应原理试题特点

反应原理试题大多取材于真实的学术研究或生产实践,引导学生将所学的基础知识应用于解决实际问题,体会“像科学家一样思考,像工程师一样实践”,感受先进的科学技术是实现我国现代化的关键,培育学生的家国情怀。试题多采用图表的方式呈现关键信息,图表也是科研成果常用的展示方式,并且比文字表达更直观,简洁明了,有助于学生理解数据之间的关系。在学科能力方面,试题通过合理设计设问梯度,考查学生的不同层级能力水平,尤其侧重考查学生的应用实践能力,评价学生在真实情境中表现出来的提取信息、分析问题、解决问题的能力水平。

3.基于学科核心培养的区域试题命制

3.1 素材的选取与命制思路

根据张旭梅老师撰写的《钌/氮掺杂石墨烯催化硼氢化钠水解制氢的研究》,介绍了硼氢化钠水解制氢体系,考查了硼氢化钠的浓度、反应温度等对硼氢化钠制氢的催化性能的影响。选择该素材的原因:一是氢是能量密度高、来源广泛、产物无污染的能源,硼氢化钠(NaBH4)是研究最广泛的储氢材料之一;二是NaBH4水溶液的性质、NaBH4的浓度对制氢速率的影响等是化学原理部分的重点考查内容。因此,该素材兼具知识和素养的双重发展功能,用于高三模拟题的命制是较为适合的。

3.2 试题呈现与命题意图

【试题】氢气是一种清洁能源,氢气的制取与储存是氢能源利用领域的研究热点。

Ⅰ.制取氢气

(1)甲醇和水蒸气制取氢气的过程中有下列反应:

写出以甲醇为原料制取氢气的热化学方程式______________________________。

(2)理论上,能提高H2平衡产率的措施有______________

(写出一条即可)。

Ⅱ.储存氢气

硼氢化钠(NaBH4)是研究最广泛的储氢材料之一。

已知:ⅰ.B的电负性为2.0,H的电负性为2.1;

ⅱ.25℃下NaBH4在水中的溶解度为55 g,NaBO2在水中的溶解度为0.28 g。

(3)在配制NaBH4溶液时,为了防止发生水解反应,可以加入少量的________(填写化学式)。

(4)向NaBH4水溶液中加入催化剂Ru/NGR后,能够迅速反应,生成偏硼酸钠(NaBO2)和氢气。写出该反应的化学方程式_________。

(5)通过改变NaBH4的浓度,研究对催化剂Ru/NGR活性的影响,结果如图1所示。增加NaBH4的浓度到B点,制氢反应中产氢速率反而下降,推断可能的原因是_________。

图1

(6)在碱性条件下,用惰性电极电解NaBO2溶液可制得NaBH4,实现物质的循环使用,制备装置如图2所示。

图2

①钛电极的电极反应式是_________。

②电解过程中,阴极区溶液pH________(填“变大” “变小”或“不变”)。

(2)增大水蒸气浓度等合理答案

(3)NaOH

(5)NaBO2溶解度低,易结晶析出附着在催化剂的表面,影响催化剂的活性

试题以氢气的制取与储存为测试情境,以化学原理知识为主线,以“变化观念与平衡思想、证据推理与模型认知”的化学学科核心素养为宗旨,命题意图如下:

一、基本化学原理知识的落实。具体涉及化学反应与能量,化学平衡和化学反应速率,水溶液中的离子平衡等,例如试题的第(1)(2)(3)(4)。

二、强化信息解读。通过元素电负性判断元素的化合价,从而进行电极反应式的正确书写,通过物质在水中的溶解度大小对催化剂活性下降的原因进行推断,例如试题的第(5)(6)。

三、注重化学学科能力的提升。在试题命制过程中,结合学业质量水平,即在学习理解、应用实践和迁移创新等3×3学科能力的具体评价要求,从核心知识的工具性、问题结构及情境等角度出发,突出问题结构对学科能力的考查,注重对学生运用结构化知识解决实际问题能力的考查。

3.3 教学诊断

通过考试数据反馈,本题的得分率见表2:

表2 反应原理模拟试题得分率

第(1)(2)(4)得分率超过了0.7,说明学生对于基本化学原理知识掌握较好,对于陌生信息的处理和实际任务的解决还有待提高。

4.教学建议

从学生的得分情况来看,第(1)(2)(4)问得分较高,反映出学生对“化学反应与能量”的掌握情况较好,并能较好地利用“化学平衡与速率”中相关知识来解释相关现象。而第(3)(5)(6)得分较低,反映出学生在“水溶液中的离子平衡”模块中,将相关知识运用于解决真实问题的能力不足。基于以上情况,现提出以下几点教学建议:

4.1 研究高考真题,总结解题方法

深入研究近几年的高考试题,发现高考试题中情境不断变化,变化的情境主要体现在从不同角度考查学生对知识的理解。理解分为比较、归纳、类比、演绎,但考查的知识和方法是不变的。这就要求在平时的复习中要重点培养学生的阅读能力、信息加工能力、重新整合信息的能力。通过整合高考试题,归纳解题的思路和方法,培养学生解决问题的能力。

4.2 梳理化学知识,选定答题角度

以本原创题为例,本试题需要从题中领悟相关知识,选准角度回答问题。例如,第(3)问通过读题,可以领悟出本题需要从“影响化学平衡的因素”的角度进行解答。又如,第(5)问通过文字和图的相关信息,可以总结出本题需要从“影响化学反应速率的因素”的角度进行解答。所以,选定角度,有利于学生迅速组织语言,从而规范解答。

4.3 及时了解科技前沿,尝试命制考题

所谓的化学核心素养测试,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。此题以“氢气的制取和储存”为情境,将热化学反应、化学平衡、化学反应速率、电化学的知识融合在一起进行考查,体现化学反应的规律及其应用,要求学生运用化学知识解决实际问题。教师在命制考题时,要注意以下几点:

1.将设置的问题融入在情境之中。让学生学会利用情境信息,凭借必备知识来解决问题,如第(3)(4)问的设置。

2.优化并丰富情境的创设,提高试题的灵活性,增强试题的延伸性。如第(5)问的设置,学生可以同时借助文字和图形信息,解答该题目。

3.注重必备知识考查的全面性。例如,本题中考查了化学反应原理中的热化学反应、化学平衡、化学反应速率及电化学四个必备知识模块。学生在学习时要将知识点整合,提升从多角度解决问题的能力。

中国化学会化学教育委员会“十四五”规划2022年重点课题“促进学科能力发展的高中化学命题评价研究”(课题立项号:HJ2022-0003)。