基于化学学科能力表现的“化学反应速率与化学平衡”模块试题分析与思考

摘要： 化学学科能力分为学习理解能力、应用实践能力和迁移创新能力，具体分为九个水平。基于化学学科能力分析近五年（2019～2023年）北京高考试卷“化学反应速率与化学平衡”模块试题，归纳总结试题的特点与学科能力表现水平，进一步提出相应的备考建议与备考方案。实施备考方案能有效提升学生的化学学科能力，达到化学学科核心素养的相关要求。

关键词： 化学学科能力表现； 化学反应速率与化学平衡； 备考建议； 化学学科核心素养

文章编号： 1005-6629（2024）07-0086-06 中图分类号： G633.8 文献标识码： B

高考试题在核心素养培育过程中起到评价和导向的作用［1］。化学高考试题在考查核心知识的同时，注重考查学生的关键能力。2023年北京市高考评价报告中指出，化学试卷中考查的关键能力包括：辨识理解能力、概括应用能力、分析推理能力和探究创新能力。这些能力与化学学科能力有相似之处，自2016年王磊团队提出化学学科能力后，化学学科能力作为一种试题分析和教学改进的工具，一直被广泛运用。本文运用化学学科能力表现模型作为试题分析工具，归纳总结相关试题的变化特点，探索基于核心素养的化学教学及备考工作。

《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》（以下简称“课标”）在“化学反应速率与化学平衡”模块上多次提出学生要对“数据、图表”进行描述、分析、解释、说明、提出解决方案等能力要求。数据、图表来源于真实的工业生产，解决真实问题就是在落实核心素养的要求。该模块与化学五大核心素养密切相关。以“科学探究与创新意识”素养为例，课标将该素养分为四个层级，难度由低到高分别对应第一级到第四级。分析课标中对“化学反应速率与化学平衡”的相关要求，发现其核心素养发展水平主要集中在第三级和第四级，属于较高的核心素养发展水平，这也决定了化学反应速率与化学平衡的相关内容对于学生复习备考来说是重点，也是难点，研究这个模块的试题变化对于提升学生的关键能力很有价值。

1 化学学科能力及表现简介

王磊团队提出的“学科能力构成模型”（见图1）包括四个维度［2］。其中，核心知识及活动经验需转化为自觉主动的学科认识方式才能成为学科能力，进一步形成学科素养。研究对象及问题情境会影响学科认识方式的形成。

学科能力具体分为三个一级要素（A、B、C）和九个二级要素（A1～C3）。九大学科能力内涵各异，从A1到C3依次递增，A层着重知识理解，B层强调应用实践，C层体现迁移创新能力（见表1）。

2 基于化学学科能力表现的试题分析

对2019～2023五年北京高考中的“化学反应速率与化学平衡”相关试题分布及学科能力进行分析，得到表2。选择题以每一个题为单位、非选择题以每一个小空为单位进行统计。

以2023年19（1）③中的第三个空为例（见图2），说明题目与化学学科能力的关系。本题以Cu被I2氧化为实验探究情境，该情境对于学生来说属于陌生情境。在陌生情境中，学生需要运用一定的铜及其化合物、氧化还原、速率平衡的基础知识，调用“基于实验现象的复杂证据推理”的科学思维和基于资料信息的现场学习能力才能给出正确答案。首先，学生需明确铜未完全反应的事实说明Cu和I2的反应速率变慢。通过速率的影响因素论证速率变慢的原因：由于Cu表面覆盖了CuI，使得反应物之间的接触面积变小，导致反应速率下降；其次，学生还需要充分反思：为什么Cu表面会覆盖CuI？通过对本题表格中实验设计过程及现象的推理分析，明确c（I-）低时，Cu表面形成难溶的CuI，才会存在覆盖问题。经过以上复杂的推理过程，学生作答：由于c（I-）低，导致Cu表面会覆盖CuI，使得反应物之间的接触面积变小，使反应速率下降。这些推理过程是基于真实问题需要学生进行多角度、多步骤的系统推理，因此该问题属于化学学科能力中的C1水平。

由表1进一步统计可知，每年度在“化学反应速率与化学平衡”的考查分值情况见表3。

由表3可知，从分值来看，呈现先升后降的趋势，2021年达到最大值，当年高考卷也是公认的最难的一套北京试卷。分值越高，学生感受整套试卷越难。由此可知：速率、平衡的试题决定了整套试卷的难度。因此，在备考复习中要加大速率、平衡的比例。从2021年来看，16分的考查内容不仅是速率、平衡单一模块的考查，而是原理结合了结构、无机、实验等的跨模块综合考查，增加了思维难度。此外，高考试卷要考查核心素养，落实素养的题目必然是真实问题，真实问题一般是复杂且陌生的，陌生的程度决定了思维难度。试题越陌生，学生解决试题的思维路径越长、越曲折、需要多角度认知，因此原理的备考复习，必然要结合大量的真实复杂陌生的实际问题。

由表2进行“化学平衡”内部核心知识的二次统计分析，得到图3。该雷达图直观展示：“用平衡移动解释实际问题”的考查频次最多，这也是高考备考复习的重点。

由表2进行“化学反应速率”内部核心知识的二次统计，得到图4。由图4可知，考查分值最高的是“从速率的影响因素视角解释复杂问题”，这也是备考复习的一个重点。因而在复习中要增加真实问题的比例，将速率的影响因素视角模型化，多次引导学生面对真实问题时能从速率的影响因素视角切入，快速解决。

由表2进行学科能力考查分值的统计分析，得到不同学科能力维度下的分值统计如图5所示。五年试题中，A3和C1的学科能力考试频次最高。因而在备考复习中，要重视题目设问指向“A3、 C1“的能力培养。教师可以通过让学生多说多讲，锻炼说明论证的能力。同时，增加真实复杂陌生试题的练习比例，提升学生的思维品质。

3 基于化学学科能力表现的化学复习思考

基于高考试题的分析，针对北京高考的特点，在备考复习中，应该从知识维度上增加“用平衡移动解释问题”“速率的影响因素解释复杂问题”的比例，从学科能力维度上重视“A3和C1”能力的培养。“化学反应速率与化学平衡”属于核心知识多、考查能力高的模块，因此破解该模块的备考复习策略之一是：将复杂问题分类归纳成若干专题，进行专题式复习，才能帮助学生养成解决速率、平衡问题的能力。复习专题应该由易到难，以下是一种复习方案设计（见图6）。第一个专题是落实速率、平衡基础知识，方式是以思维导图将知识形成体系，落实课标“知识结构化”的要求。第二个专题是落实教材出现的实验，方式是重现实验、培养“证据推理”意识，将近些年的高考、模拟题进行关联，提高学生问题解决的能力。第三个专题是从速率的影响因素视角解释实际问题。为了帮助学生养成速率解决问题的认知角度，需要把真题、模拟题中的真实问题进行分类研究——一种典型的图像“先升后降”、自催化、净消耗问题（即消耗速率大于生成速率模型）、净生成问题（即生成速率大于消耗速率模型）、主副反应竞争（催化剂选择性），基于反应机理、催化机理、决速步等角度的真实问题解决等。

简单的归类不会让学生形成思维定势，而是帮助学生建立一定的分析视角，有了分析视角后，遇到新的问题时，学生就能从学过的视角进行迁移。第四个专题是从“平衡移动视角”解释真实图表问题。具体细化为5个二级专题进行细致复习。

第一，单一平衡体系——以工业合成氨为例，如何调控反应。第二，多平衡体系——协同关系，如何系统解释平衡移动带来的影响。第三，多平衡体系——竞争关系，如何选择影响体系结果的主要平衡？如何选择平衡移动的主要影响因素？第四，平衡计算。单平衡体系如何通过三段式解决转化率问题？在多平衡体系中，如何基于多重平衡常数进行计算？第五，对于平衡移动的方向和结果，如何形成模型化的解决思路？

以其中一个专题（一种典型的图像“先升后降”）为例，阐述备考复习如何展开。该专题的驱动型问题是：面对“先升后降”图像类问题，如何形成系统化思维？“先升后降”类图像，主要考查学生对图像的分析解释能力，以及基于图像的证据推理能力。面对图像，首先要理解图像的意义，其次要通过题干分析操作条件，之后要找准题目的研究对象：什么物质、什么反应。之后是最难的一步：界定问题——是速率问题还是平衡问题？然后进行分析作答。下面以2023年北京高考18题（3）②为例，题目如7所示。本题中的“沉淀率”暗示为速率问题（即界定问题），操作条件是时间，沉银的核心反应{①2［AgCl2］-+Fe2Ag+Fe2++4Cl-、 ②2H++FeFe2++H2↑、 ③2Fe3++Fe3Fe2+}是研究对象。随着时间的延长，沉银率先升高后降低，说明这里面有两个反应。一个是生成银的反应，一个是消耗银的反应。生成银的反应是核心反应①，消耗银的反应需要学生从体系中利用Ag的性质来寻找。不难发现，体系中有Fe3+，可以消耗Ag，或者是环境中的O2可以氧化Ag，因此“先升”说明生成Ag的反应速率大于消耗Ag的反应速率；“后降”说明生成Ag的反应速率小于消耗Ag的反应速率。

本题典型的错误是从平衡移动角度进行分析。因此界定问题的属性至关重要。

通过对高考题的分析，总结出解决这一类问题的思维范式：从理解图像意义到分析操作条件，到找准研究对象，到界定问题再到运用导语信息“自洽”作答。操作条件往往是：温度、浓度、催化剂、接触面积等。界定问题时引导学生思考是速率问题还是平衡问题。速率问题应该从影响因素出发，平衡问题更多的是考查外界条件对平衡移动的影响。根据题目的导语信息，在表述时逻辑自洽即可，如图8所示。

依据图8的思维模型，现在来解决一个真实问题：2023年海淀二模第16题（2）②（见图9）。本题中有两个设问。一是研究温度升高CO2的平衡转化率下降的原因，二是研究温度升高甲醇的实验产率降低的原因。“CO2的平衡产率降低”明确给出了平衡视角。“甲醇的实验产率降低”的信息需要学生判断是平衡问题还是速率问题。实验产率没有达到平衡产率，因此反应没有达到平衡，应该是速率问题。这里的操作条件是温度，涉及的反应是括号1中的制备甲醇的主反应和括号1所问的副反应。在“CO2的平衡产率降低”设问处，学生需分析出主反应放热而副反应吸热，温度对两个平衡移动的影响方向不一致，这就涉及平衡的另一类问题：多平衡体系的竞争问题。“甲醇的实验产率降低”的设问，调用的是“温度升高，影响了催化剂活性”的视角。经过系统化复习后，学生很容易调用平衡控制及速率控制的相关视角，给出正确作答。

4 结束语

近五年北京高考“化学反应速率”模块主要考查的是“从速率的影响因素视角解释复杂问题”，“化学平衡”模块主要考查的是“用平衡移动解释真实问题”。从化学学科能力角度来看，主要考查的是A3和C1两个水平，C1已经属于“迁移创新”的学科能力水平，说明速率、平衡专题考查难度较大。在复习备考中，将速率、平衡进行分模块复习，每个模块形成突破学生思维障碍的解决问题的模型。通过“模型建构及运用”的方式，帮助学生从没有思路（或具备部分思路）到具备分析复杂问题的完整思路。同时，在复习过程中应使用大量的真实情境的素材，设置A3和C1水平难度的化学问题，提高学生对复杂问题“分析解释”和“复杂推理”的学科能力，落实化学学科核心素养的相关要求。

参考文献：

［1］沈文炳. 基于物理学能力表现的试题分析与思考——以2017年高考全国新课标I卷为例［J］. 物理教学， 2018， 40（3）： 28～31.

［2］王磊. 学科能力构成及其表现研究——基于学习理解， 应用实践与迁移创新导向的多维整合模型［J］. 教育研究， 2016， （9）： 83～92.

［3］王磊， 支瑶. 化学学科能力及其表现研究［J］. 教育学报， 2016， 12（4）： 46～56.

（北京市海淀区教育科学“十四五”规划一般课题“核心素养理念下提升高中化学思维能力的课堂教学研究” （编号：HDGH20211262）研究成果。）