大概念视野下的化学高考试题研究
2024-07-08范斌
［摘 要］大概念是当前学科教学的核心之一，也是高考评价体系中重要的考查要素之一。大概念为以真实情境为载体的高考试题的分析和解答提供了清晰的思维方向，理解和掌握大概念是解答化学高考试题的关键。化学教师在教学中要以大概念为教学目标，把基于大概念的教学作为发展学生化学学科核心素养的有力抓手。
［关键词］大概念；化学高考试题；示例
［中图分类号］ G633.8 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-6058（2024）14-0057-06
【名师简介】范斌，正高级教师，特级教师，中国化学会“化学基础教育奖”获得者，南宁市“我最喜爱的老师”，南宁市范斌名师暨特级教师工作室主持人，南宁师范大学硕士研究生导师，广西教育研究院首届高中化学中心组成员，南宁市教坛精英领航工程导师，南宁市教育科学研究所兼职化学教研员，南宁市首届普通高中新课程新教材实施化学学科教学指导专家。
高考作为我国教育体系中的重要一环，其评价体系对于评估学生的学习成果和选拔优秀人才具有重要意义。近年来，随着教育改革的不断深入，高考评价体系也在不断发展和完善。其中，大概念作为高考评价体系中重要的考查元素之一，为高考试题的分析和解答提供了清晰的思维方向。本文将从大概念的角度对化学高考试题进行深入的研究。
一、大概念解读
大概念反映学科本质，具有高度概括性、统摄性和迁移应用价值［1］。威金斯、麦克泰格等人把大概念比作车辖 ，有了车辖，车轮等零部件才能组装起来，否则只能散落一地、毫无用处，如不能用大概念将相关知识内容联系起来，留给我们的就只是一些零碎的、无用的知识，不能起到任何作用［2］。“大概念”的英文是“big idea”，这里用的是“idea”而非“concept”，因此邵朝友、崔允漷等人认为应将其翻译为“大观念”［3］，指向思想或看法。笔者也倾向于将“big idea”翻译成“大观念”，这样更容易让一线教师理解大概念的本质，并与“概念”一词区分开来。但是为了与新课程标准中的提法相一致，本文仍沿用“大概念”的提法。
大概念本质上是一种具有高度概括性的知识，是专家对大量真实案例进行概括和联结，从而对某个概念产生了新的理解和感悟，并将这个概念与另一个概念进行有机联结［4］。比如，醇类化合物中含有羟基（－OH），这使得醇类具有亲水性和能与酸发生酯化反应的特性。而酮类化合物中含有羰基（C＝O），这使得酮类具有与醇类不同的化学性质，如能与亲核试剂发生加成反应。由此得出化学学科大概念“有机物的官能团决定有机物的性质”，从而将“官能团”和“性质”两个概念建立了联结。大概念往往具有很强的统摄性，能够迁移到很多复杂的真实问题的解决过程中。如基于“有机物的官能团决定有机物的性质”这一大概念，我们可以通过了解有机物的官能团预测其可能的性质，或者在需要让某种物质具备特定性质时，我们可以设计相应的合成路线和化学反应引入对应的官能团。
二、大概念在化学教学及高考试题中的地位分析
大概念能够发挥知识的统摄性、结构性和功能性价值，帮助学生理解学科知识的本质，建构知识网络。同时，大概念还能够促进学生发生知识联结，发展适应能力，实现自我建构与自我进化。基于大概念的教学是发展学生学科核心素养的有力抓手。《普通高中课程方案（2017年版2020年修订）》提出，教学要进一步精选学科内容，重视以学科大概念为核心，使课程内容结构化，以主题为引领，使课程内容情境化，促进学科核心素养的落实［5］。《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》提出，要选择体现基础性和时代性的化学课程内容，引导学生进一步学习化学的基本原理和方法，形成化学学科的核心观念；注重引导学生在化学知识结构化的自主建构中理解化学核心观念；在必修课程阶段，突出化学基本观念（大概念）的统领作用［6］。《义务教育化学课程标准（2022年版）》也提出，重视大概念统领是课程内容设计的重要理念［7］。由此可见，大概念已成为新课程教学的核心内容之一。
大概念既然已成为新课程教学的核心内容，也必然会成为高考评价体系中重要的考查要素。高考的核心功能之一是为高校选拔人才。高考命题专家多是大学教授，大学教授是解决真实问题的专家，他们在研究过程中，通过对大量案例的积累，概括出解决问题的思维方式和观念。浙江大学的刘徽教授把这些思维方式和观念称为“专家思维”，并且把大概念界定为“反映专家思维方式的概念、观念或论题，它具有生活价值”［8］。大学教授不希望他们选拔出的学生是一些依靠“死记硬背”“机械刷题”的高分低能学生，而是希望他们选拔出的学生在生活实践或学习探索中，能够在正确的思想价值观念的指引下，熟练运用大概念解决真实情境中陌生且复杂的问题。比如，现在的化学高考试题几乎不再考查教材中原有方程式的书写，而是改为考查实际生产情境中陌生方程式的书写，涉及价类二维、守恒观、变化观等大概念的考查。正所谓“无价值，不入题；无情境，不成题；无思维，不命题；无任务，不立题”。大学化学教授认为在陌生的真实情境中考查大概念，才能有效地考查学生的化学学科素养和综合能力，才能选拔到他们所需要的人才。为此，高中化学教师在平时教学中应以大概念为教学核心，引导学生理解和掌握大概念，培养学生解决真实问题的关键思维能力，从而最终实现高考评价体系“立德树人、服务选才、引导教学”的核心功能［9］。
三、应用大概念分析和解答化学高考试题的示例
（一）大概念“物质的制备要考虑安全、经济和纯净”在高考试题分析和解答中的应用
在大概念“物质的制备要考虑安全、经济和纯净”中，“安全”指的是在物质制备过程中不发生爆炸、不排放有毒有害物质等，“经济”指的是原料便宜、条件简单、速度快、转化率高、副反应少、产品损耗少等，“纯净”指的是产品不含有较多杂质。这个大概念可以迁移应用到所有物质的制备当中，无论是实验室制备还是化工生产制备。因此，所有以物质制备为背景的试题中出现的如“这么做目的是什么？”“原因是什么？”等问题的解答思路均指向“为了安全、经济和纯净”。反之，“不这样做的目的和原因是什么？”等问题的解答思路则指向“这样做可能会不安全、不经济或不纯净”。
【例1】（2022年高考湖北卷第 16 题节选）高技术领域常使用高纯试剂。纯磷酸（熔点为42 ℃，易吸潮）可通过市售 85%磷酸溶液减压蒸馏除水、结晶除杂得到，纯化过程需要严格控制温度和水分，温度低于21 ℃易形成2H3PO4·H2O（熔点为30 ℃），高于 100 ℃则发生分子间脱水生成焦磷酸等。某兴趣小组为制备磷酸晶体设计的实验装置如下（夹持装置略）：
回答下列问题：
（2）P2O5的作用是 。
（3）空气流入毛细管的主要作用是防止 ，还具有搅拌和加速水溢出的作用。
（4）升高温度能提高除水速度，实验选用水浴加热的目的是 。
（6）过滤磷酸晶体时，除需要干燥的环境外，还需要控制温度为 （填标号）。
A. <21 ℃ B. 30～35 ℃ C. 42～100 ℃
分析：本题主要以实验室制备陌生物质纯磷酸的真实情境为载体，可根据大概念“物质的制备要考虑安全、经济和纯净”进行分析。由题中信息可知纯磷酸易吸潮，因此P2O5的作用为干燥气体（为了纯净）。空气从毛细管出来相对大导管来说气泡更小、更多且速度快，从而避免暴沸现象的发生（为了安全）。由题中信息可知，温度高于100 ℃磷酸会发生分子间脱水生成焦磷酸，因此磷酸纯化过程需要严格控制温度，而水浴加热可以避免直接加热造成的过度剧烈与温度的不可控性，进而避免产品损耗和不纯（为了经济和纯净）。由题中信息可知，温度低于21 ℃时磷酸易形成2H3PO4·H2O，纯磷酸的熔点为42 ℃，因此过滤磷酸晶体时需要控制温度为30～42 ℃（为了经济和纯净）。
【例2】（2023年高考全国乙卷第9题节选）LiMn2O4作为一种新型锂电池正极材料受到广泛关注。由菱锰矿（MnCO3，含有少量Si、Fe、Ni、Al等元素）制备LiMn2O4的流程如下：
（2）不宜使用H2O2替代MnO2，原因是 。
分析：本题主要以化工生产中制备陌生物质 LiMn2O4的真实情境为载体，根据大概念“物质的制备要考虑安全、经济和纯净”，可推知不宜使用H2O2替代MnO2的原因是可能会引起不安全、不经济或不纯净。根据H2O2催化易分解的性质可知，氧化后生成的Fe3+可以催化H2O2分解，不能使溶液中的Fe2+全部氧化为Fe3+。这样做既浪费了H2O2，又可能除不净Fe（既不经济又不纯净）。
【例3】（2023年高考全国甲卷第8题节选）BaTiO3是一种压电材料。以BaSO4为原料，采用下列路线可制备粉状BaTiO3。
回答下列问题：
（2）已知“焙烧”后固体产物有BaCl2、易溶于水的BaS和微溶于水的CaS。“浸取”时主要反应的离子方程式为 。
（3）“酸化”步骤应选用的酸是 （填标号）。
a.稀硫酸 b.浓硫酸 c.盐酸 d.磷酸
（4）如果焙烧后的产物直接用酸浸取，是否可行？ ，其原因是 。
分析：此题以化工生产中制备陌生物质 BaTiO3的真实情境为载体，根据大概念“物质的制备要考虑安全、经济和纯净”可知，化工生产的每一步都要考虑这三个方面。题中酸化步骤选用酸的依据同样如此。由流程可知，酸化后要再浓缩结晶，酸化是为了将BaS转化为易溶于水的钡盐，由于BaSO4和Ba3（PO4）2溶解度很小，将导致钡元素损耗，不经济，而BaCl2可溶于水，因此根据经济原则应选用的酸是盐酸。
（二）大概念“反应的本质是异性相吸”在高考试题分析和解答中的应用
化学反应的实质是断旧键成新键，或是微观粒子的重新组合，而微观粒子组合的选择性取决于微观粒子的电性，同性相斥和异性相吸也属于事物变化的一般规律。
【例4】（2023年高考山东卷第16题节选）卤素可形成许多结构和性质特殊的化合物。-40 ℃时，F2与冰反应生成HOF和HF。HOF水解反应的产物为 （填化学式）。
分析：此题以陌生物质 HOF的性质为载体。因为电负性Ｆ>Ｏ>H，所以HOF分子中F显-1价，带负电，H2O电离的H+带正电。根据大概念“反应的本质是异性相吸”，可推知HOF水解时生成的带负电的Ｆ-与H2O电离的带正电的H+结合生成HF，而HOF水解时生成的带正电的OH+则与H2O电离的带负电的OH-结合生成H2O2；H2O2不稳定，发生后续反应分解生成O2和H2O，因此，HOF水解反应的最终产物为HF、H2O和O2。
【例5】（2023年高考山东卷第18题节选）三氯甲硅烷（SiHCl3）是制取高纯硅的重要原料，常温下为无色液体，沸点为31.8 ℃，熔点为-126.5 ℃，易水解。已知电负性Cl>H>Si，SiHCl3在浓NaOH溶液中发生反应的化学方程式为 。
分析：此题以陌生物质SiHCl3的性质为载体。因为电负性Cl>H>Si，则SiHCl3中氯元素的化合价为-1，带负电，氢元素的化合价为-1，也带负电，硅元素的化合价为+4，带正电。根据大概念“反应的本质是异性相吸”，可推知SiHCl3水解的反应原理是SiHCl3中带负电的Cl和H分别与H2O电离的带正电的H+结合生成HCl和H2，SiHCl3中带正电的Si与H2O电离的带负电的OH-结合生成H4SiO4，H4SiO4易分解成H2SiO3，HCl和H2SiO3继续与NaOH反应生成NaCl和Na2SiO3，故答案为：SiHCl3 + 5NaOH ＝ Na2SiO3 + 3NaCl + H2↑+ 2H2O。
【例 6】（2022 年高考江苏卷第 17 题节选）氢气是一种清洁能源，绿色环保制氢技术研究具有重要意义。
（2）“Fe-HCO[-3]-H2O热循环制氢和甲酸”的原理为： 在密闭容器中，铁粉与吸收CO2制得的NaHCO3溶液反应，生成 H2、HCOONa和Fe3O4；Fe3O4再经生物柴油副产品转化为Fe。
实验中发现，在 300 ℃时，密闭容器中 NaHCO3溶液与铁粉反应，反应初期有 FeCO3生成并放出H2。随着反应进行，FeCO3迅速转化为活性 Fe3O4-x，活性Fe3O4-x是HCO[-3]转化为HCOO-的催化剂，其可能反应机理如图所示。根据元素电负性的变化规律，如图所示的反应步骤I可描述为 。
分析：此题以化工生产中Fe-HCO[-3]-H2O热循环制氢和甲酸的真实情境为载体。因为电负性O>H>C>Fe，在活性Fe3O4-x表面，H2断裂为H原子，一个H原子吸附在催化剂的铁离子上，略带负电，一个H原子吸附在催化剂的氧离子上，略带正电。根据大概念“反应的本质是异性相吸”，可推知HCO[-3]中带正电的C与催化剂上带负电的H相结合，HCO[-3]中带负电的羟基氧与催化剂上带正电的H结合生成H2O，使得HCO[-3]转化为HCOO-。
【例 7】（2022 年高考江苏卷第 14 题节选）硫铁化合物（FeS、FeS2等）应用广泛。
（1）纳米FeS可去除水中微量六价铬［Cr（Ⅵ）］。在pH=4～7的水溶液中，纳米 FeS颗粒表面带正电荷，Cr（Ⅵ）主要以 HCrO[-4]、Cr2O[2-7]、CrO[2-4]等形式存在，纳米 FeS 去除水中 Cr（Ⅵ）主要经过“吸附→反应→沉淀”的过程。在 pH=4～7溶液中，pH 越大，FeS 去除水中 Cr（Ⅵ）的速率越慢，原因是 。
分析：此题以环境污染治理纳米FeS去除水中Cr（Ⅵ）的真实情境为载体。由题中信息可知，带正电的是纳米FeS颗粒，带负电的是HCrO[-4]、Cr2O[2-7]、CrO[2-4]、OH-。根据大概念“反应的本质是异性相吸”，可推知当pH越大，即c（OH-）越大时，带正电的FeS表面吸附带负电的OH-越多，从而吸附带负电的Cr（Ⅵ）的量就越少，FeS溶出量越少，导致去除水中Cr（Ⅵ）的速度越慢。
（三）大概念“事物的影响因素有多个但有主次之分，主要因素决定事物的发展方向，并且主次地位会随时间或条件的变化而变化”在高考试题分析和解答中的应用
“事物的影响……而变化”这个概念其实也是唯物辩证法中事物发展的一般规律。化学变化往往会受到多种因素的影响，但是主要因素决定变化的最终结果。比如，NaHCO3溶液中HCO[-3]有两个变化：水解和电离，但是以水解为主，电离为次，因此NaHCO3溶液最终显碱性。如果事物的发展方向出现突变，一般是影响事物的因素的主次地位发生了互变。
【例8】（2020年高考新课标卷第 10 题节选）研究表明，SO2催化氧化的反应速率方程为：[v=kαα′-10.8] [（1-nα′）]。式中：[k]为反应速率常数，随温度[t]升高而增大；[α]为 SO2平衡转化率，[α']为某时刻SO2转化率，[n]为常数。在[α']=0.90 时，将一系列温度下的[k]、[α]值代入上述速率方程，得到[v-t]曲线，如图所示。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[t]m，当[t
分析：此题以化工生产中SO2催化氧化的真实情境为载体。根据大概念“事物的影响因素有多个但有主次之分，主要因素决定事物的发展方向，并且主次地位会随时间或条件的变化而变化”，并结合图中反应速率在温度[t]m后发生了突变，可推知突变的原因可能是影响反应速率的因素的主次地位发生了变化。SO2催化氧化是放热反应，温度升高使反应平衡逆向移动，转化率α降低。由速率方程[v=kαα-10.81-nα]可知，[v]受[k]和[α]两个因素的影响，温度升高则[k]增大、[α]降低，[k]增大会使[v]提高，而[α]降低会使[v]下降，最终结果取决于谁主谁次。由图可知，当[t
【例 9】（2022 年高考全国甲卷第35题节选）2008 年北京奥运会的“水立方”，在 2022 年冬奥会上华丽转身为“冰立方”，实现了奥运场馆的再利用，其美丽的透光气囊材料由乙烯（CH2＝CH2）与四氟乙烯（CF2＝CF2）的共聚物（ETFE）制成。回答下列问题：
（2）图 a、b、c分别表示 C、N、O和F的逐级电离能I变化趋势（纵坐标的标度不同）。第一电离能的变化图是 （填标号），判断的根据是 ；第三电离能的变化图是 （填标号）。
图a 图b
图c
分析：此题以“水立方”的材料共聚物（ETFE）的制备的真实情境为载体。根据大概念“事物的影响因素有多个但有主次之分，主要因素决定事物的发展方向，并且主次地位会随时间或条件的变化而变化”，并结合图a中第一电离能不是逐渐变大而是有突变，可推知突变的原因可能是影响第一电离能的因素的主次发生了变化，因此思维方向应该从影响第一电离能的因素出发。C、N、O、F四种原子都在第三周期，一般来说同一周期原子的第一电离能主要受其非金属性影响，从左到右非金属性逐渐增大，第一电离能总体趋势应该为逐渐升高，但由于N原子的2p能级排布为半充满状态，半充满结构的稳定性为主要影响因素，非金属性的增大为次要影响因素，因此N原子的第一电离能较C、O两种原子高，第一电离能的变化图为图a。原子的第三电离能为该原子气态基态正2价阳离子失去1个电子后生成气态基态正3价阳离子所需的能量，同一周期原子的第三电离能受其非金属性影响，总体趋势为依次升高，但由于C原子在失去2个电子之后，其第3个电子所在的2s能级为全充满状态，这时全充满结构的稳定性为主要影响因素，导致失去第3个电子需要的能量较高，满足这一规律的图像为图b。
“无情境不命题”，上述每个例题的情境对学生来说都是真实而陌生的，对学生的挑战很大。但通过对上述高考真题的分析我们可以发现，大概念为以真实陌生情境为载体的高考试题的分析和解答提供了清晰的思维方向。同一个大概念可以用于分析和解决不同的真实陌生情境问题，并且非常有效。高考试题对大概念的考查非常广泛，理解和掌握大概念是解答化学高考试题的关键。
四、教师在教学中引导学生理解和掌握大概念的策略
学生在需要用到大概念分析和解答化学高考试题时常存在以下问题：一是平时没有进行深度学习，没有对知识进行联结，大概念储备不足；二是虽然知道一些大概念，但知识掌握不够牢固，对大概念的理解不够深入，不懂迁移运用，不能有效地运用大概念解决问题；三是情境分析能力较弱，不能迅速定位关键信息，不知道用什么概念去分析和解决问题。化学教师可在教学中用以下策略引导学生理解和掌握大概念。
1.教师首先要明确大概念的重要性，研读课程标准，分析教材内容，提取和选择大概念。教师需要清晰地阐述大概念的定义、内涵和外延，以及它在学科知识体系中的地位和作用。其次，“给学生一滴水，教师自己要有一桶水”，要让学生具有专家思维，教师自己先要有专家思维；要让学生理解和掌握大概念，教师自己必须先理解和掌握大概念。笔者经过长期的教学实践，分析和提取了如下图所示的化学大概念群，以供参考。
2.教师要转变观念，从知识本位转向素养本位，教学中要以大概念为主要教学目标，把大概念作为学科核心素养落地的抓手。教师可以设计真实情境，以大问题或项目为导向，设计探究活动，这种探究式学习有助于培养学生的科学思维和问题解决能力，让学生在解决问题的过程中主动建构和理解大概念。比如，教师可以介绍工业合成氨的实际温度在500 ℃左右，让学生在思考“温度对反应速度和物质性质有什么影响”的基础上，继续思考“为什么要将温度控制在500 ℃左右”，引导学生理解并掌握大概念“分析研究事物要全面，既要看到事物的正面，又要看到事物的反面”。学生掌握了这个大概念之后，就会将其迁移到后面的化学反应学习中，主动思考反应条件对化学反应的影响以及如何通过控制反应条件去控制反应等问题。
大概念本质上是概括性很强的思想观念，基于大概念的单元整体教学设计往往指向同一个大概念，更有利于学生对大概念的生成和迁移。教师可以适当使用思维导图、概念地图等可视化工具将大概念及其相关知识点以直观的方式呈现出来，这有助于学生梳理知识，形成清晰的大概念框架。教师要鼓励学生进行合作学习，组织小组讨论等活动，让学生在交流中分享对大概念的理解和思考，通过观点的碰撞和互补，拓宽思路，深化对大概念的认识。同时，对学生的学习成果教师还要及时给予反馈和评价，指出他们在理解大概念方面的优点和不足。通过具体的指导和建议，帮助学生加深对大概念的理解。
3.教师可以将大概念与现实生活情境相结合，通过实例、案例、模拟活动等方式，让学生感受到大概念的实用性和现实意义。这种情境化教学有助于学生更好地理解和应用大概念。教师还可以通过设计拓展性问题、开展创新性项目等方式引导学生将大概念迁移到新的情境和问题中，培养他们的迁移应用能力和创新思维。教师还要为学生提供多样化的学习资源，如教科书、参考书、网络资源等，鼓励学生自主学习和探究。通过广泛阅读和信息搜集，学生可以更深入地理解大概念的内涵和外延。
［ 参 考 文 献 ］
［1］［7］ 中华人民共和国教育部.义务教育化学课程标准：2022年版［M］.北京：北京师范大学出版社，2022.
［2］ 威金斯，麦克泰格. 追求理解的教学设计：第二版［M］. 上海：华东师范大学出版社，2017.
［3］ 邵朝友，崔允漷. 指向核心素养的教学方案设计：大观念的视角［J］.全球教育展望，2017（6）：11-19.
［4］ 岑素艳，范斌.核心素养背景下指向大概念的高中化学教学探析［J］.广西教育，2023（5）：72-75.
［5］ 中华人民共和国教育部.普通高中课程方案：2017年版2020年修订［M］.北京：人民教育出版社，2020.
［6］ 中华人民共和国教育部.普通高中化学课程标准：2017年版2020年修订［M］.北京：人民教育出版社，2020.
［8］ 刘徽.大概念教学：素养导向的单元整体设计［M］.北京：教育科学出版社，2022.
［9］ 教育部考试中心.中国高考评价体系［M］.北京：人民教育出版社，2019.
（责任编辑 罗 艳）
