吳俊杰　姜建文

摘要： 論述化工流程題作為測評學生化學學科核心素養(yǎng)發(fā)展水平優(yōu)選題型的適切性。以人教版高中化學教材選修2《化學與技術》中“海水提溴”工藝為原型，以化工流程題的形式試命制一道基于化學學科核心素養(yǎng)測評的學業(yè)水平等級性考試試題，對情境素材選擇及測試任務設計進行詳細說明，并對試題考查的化學學科核心素養(yǎng)的類別、水平及具體表現要求進行評析，提出了解決化工流程題的一般思維模型。

關鍵詞： 化工流程題; 試題命制; 化學學科核心素養(yǎng); 教材; 思維模型

文章編號： 10056629（2020）08008405

中圖分類號： G633 8

文獻標識碼： B

1? 問題提出

2017年版新課標更新了高中化學課程的基本理念，倡導基于化學學科核心素養(yǎng)的評價[1]，學業(yè)水平考試應緊緊圍繞化學學科核心素養(yǎng)的發(fā)展水平和化學學業(yè)質量標準來確定化學學習評價目標[2]。而要實現對學生化學學科核心素養(yǎng)發(fā)展水平科學有效的測評，首先應從試題的題型上加以考究?！霸囶}的類型是反映考試內容的形式，服務于考試測量的目的、內容及要求，不同的題型，實現的功能不同”[3]。那么何種題型更適合新一輪課程改革的要求，能夠在考試中落實對學生化學學科核心素養(yǎng)發(fā)展水平的測評呢？顯然，化工流程題在非選擇題中是一個優(yōu)選。

化工流程題是一類情境素材源于生產生活實際，以工藝流程圖為背景信息，以實際化學問題的解決為題設導向，以物質的性質和轉化為核心考點，將化學反應原理、實驗、計算及綠色化學觀念等知識、技能和價值觀的考查有機融合的一類試題。此類試題已成為新課標高考化學科試卷的高頻題型，其取材新穎，問題表征多樣，考查能力多向，不少專家學者對此題型給予了高度肯定，如王后雄認為“此類試題呈現化學工藝流程真實情景，……是考查化學核心素養(yǎng)高階水平的亮點題型”[4]。且此類試題凸顯“從微觀層次認識物質，以符號形式描述物質，在不同層面創(chuàng)造物質”的化學學科本質特征，同時又易滿足“以真實情境為測試載體，以實際問題為測試任務，以化學知識為解決問題的工具”的命題原則[5]?？梢哉J為，化工流程題是當下測評學生化學學科核心素養(yǎng)發(fā)展水平的優(yōu)選題型之一。

2? 化工流程題的命制

2.1? 情境素材的選擇

2017年版新課標要求“以真實情境為測試載體”，真實情境主要包括以下要素：“情境中的事件應該是真實發(fā)生或者能夠發(fā)生的，基于該情境的設問也能夠在現實生活中找到，題干中提供的信息或數據應該能夠實現”[6]。顯然，化工流程題的測試情境較易滿足以上要求，但從類型眾多、結構繁雜的工業(yè)生產工藝中甄選出情境素材需考慮多方因素，如情境材料的普適性、價值取向等[7]，其中易被忽視且經常出現的問題是情境材料的選擇與控制超出學生現有的學科認知結構、學習及生活經驗。故試題選材不能只關注到化學技術在實際生產中的應用而不匹配其與當下學生的學科知識基礎、認知水平及教學現狀的適切性?；诖?，以教材中的化工流程作為試題情境素材能較好地兼顧情境素材的真實性及其與學生知識儲備及認知發(fā)展水平的適切性。教材中工業(yè)流程是化學知識在生產實際中的應用典例，其知識面廣、問題多，教材本身并沒有做過多延伸，這為高考試題選材提供了豐富的信息源。故挖掘教材工藝流程既可以考查學生基于真實情境的問題解決能力，又能兼顧學生的學科知識基礎，不失為此類試題情境創(chuàng)設的合理途徑之一。下面以人教版高中化學教材選修2《化學與技術》[8]第二單元課題2“海水的綜合利用”中的“海水提溴”部分為題材原型展開試題命制。

2.2? 測試任務的設計

2.2.1? 查閱相關文件，明確測試內容及要求

在新課程改革不斷推進的過渡時期，本文仍以《2019年普通高等學校招生全國統(tǒng)一考試大綱（化學）》[9]為主要參考進行化工流程題的命制。測試的“化學學習能力要求”定位于“接受、吸收、整合化學信息的能力，分析和解決化學問題的能力”;測試的知識內容及能力要求層次定位于“了解常見非金屬元素單質及其重要化合物的制備方法，掌握其主要性質及其應用”“了解常見非金屬元素單質及其重要化合物對環(huán)境的影響”等。

2.2.2? 查閱相關工藝資料，選取適切性良好的考點

考試內容效度是考試效度的重要證據之一，學業(yè)水平考試內容的選擇關系到對考試結果所做出的解釋是否有效，是否可以將考試結果解釋為學生學業(yè)水平的標志[10]。學業(yè)水平考試作為基于標準的教育體系的一個重要組成部分，確定學業(yè)考試內容規(guī)范的基本原則是保證其與課程標準的內容標準的一致性，包括內容領域或主題一致性、知識深度水平適應性、知識范圍對應性、內容主題或知識點的平衡性以及知識的建構[11，12]。基于此，以上述考試大綱中的相關要求為宏觀指導，以2017新課標中契合考試目的的“學業(yè)質量標準”及所選測試知識主題的“內容要求”為測試任務設計的參考細則，能較大程度地保證測試內容的規(guī)范性。對查閱相關工藝資料[13～17]所得考點進行規(guī)范性篩選，結果如下：

（1） 硫酸的重復利用： 減少硫酸的使用;減少污染物的排放。

（2） “封閉式空氣吹出法”優(yōu)點： 解決尾氣污染環(huán)境問題;節(jié)省資源（尾氣含SO2和Br2）。

（3） “空氣吹出法”制溴工藝中預處理階段“酸化”的作用： Br2+H2OH++Br-+HBrO，pH大于7時，溶液顯堿性，溴單質極易水解，調節(jié)pH小于7后，溴單質從溶液中較易釋放出來。

（4） “水蒸氣蒸餾法”與“空氣吹出法”的比較分析： 前者原料為含溴量高的苦鹵等，后者則為普通低濃度的含溴海水，工藝上的差別在于是否有溴元素的富集過程，主要涉及耗能問題。

2.2.3? 完善題頭及題干內容，轉化考點為測試任務

在保證試題內容科學性及不影響學生理解題給信息等的前提下，推敲試題用語，精簡試題結構，完善試題基本要素及必要的附加信息，得化工流程題全貌如下。

溴作為一種重要的化工原料，在醫(yī)藥、燃料、農藥、制冷劑、阻燃劑、防爆劑等領域均有著廣泛的用途，而地球上約99%的溴存在于海水中，故海水中溴資源的開發(fā)利用具有重大意義[18]。目前海水提溴的工藝技術有多種，在我國應用最廣泛的是“空氣吹出法”[19]，即用Cl2把海水中的Br-氧化為Br2，然后用空氣或水蒸氣吹出。某“封閉式空氣吹出法”工藝[20]流程如圖1。

（1） 圖中海水在“氧化”之前為什么要先“酸化”[21]，請結合化學方程式進行說明。

（2） 圖中“吸收塔”用于對“吹出塔”吹出的游離溴的吸收，請寫出該反應的離子方程式。

（3） 早期“空氣吹出法”工藝并無圖中“封閉循環(huán)系統(tǒng)”，吸收塔的尾氣直接排入空氣中，請簡述“封閉循環(huán)系統(tǒng)”的作用[22]。

（4） 圖中“蒸餾”步驟控制溫度[23]在80℃至90℃之間，請解釋其原因。（溴單質的沸點為58.5℃）

（5） 圖中“廢液回收”步驟可減少（填物質化學式）的使用，降低成本。

（6） 圖中“分離”步驟在實驗室中主要通過玻璃儀器、進行分離。

（7） 另一類制溴工藝為“水蒸氣蒸餾法”，即以溴離子濃度相對更高的苦鹵為原料，在經第一次氧化過程后直接將游離溴蒸出，而圖中直接以海水為原料的“空氣吹出法”工藝則在第一次氧化過程后再經吹出、吸收、二次氧化等過程才將游離溴蒸出，請問導致此差別的主要原因[24]是什么？

參考答案：

（1） Br2+H2OH++Br-+HBrO，pH大于7時，溶液顯堿性，溴單質極易水解，調節(jié)pH小于7后，已被氧化為溴分子的溴水解過程受到抑制，可減少氧化劑Cl2的用量，同時有助于溴單質的吹出。

（2） Br2+2H2O+SO24H++2Br-+SO2-4。

（3） 避免尾氣直接排入大氣，解決尾氣污染環(huán)境問題;節(jié)省資源（尾氣夾帶SO2和未被完全吸收的Br2），提高資源利用率。

（4） 溫度過高（≥100℃）會使溴蒸氣夾雜大量水分;溫度過低（58.5℃左右）不利于溴的蒸出，故該過程控溫在80℃至90℃之間較為合適。

（5） H2SO4。

（6） 分液漏斗、燒杯。

（7） 兩者工藝所用原料不同，苦鹵中的溴離子濃度一般相較海水更高，所以考慮到耗能問題，“空氣吹出法”工藝需要在一次氧化后經“吹出、吸收、二次氧化”等步驟進行溴元素的富集過程后再蒸出游離溴。

3? 試題評析

上述試題要求學生通過提取、處理題給信息，分析產品溴的轉化途徑，綜合運用化學知識解決問題，并依據“綠色化學”思想對資源的開發(fā)利用方案進行分析與評價，考查了元素化合物、氧化還原反應、化學反應原理及實驗操作等學科知識，是較為典型的在真實情境中考查學生讀取與分析化工流程圖能力的試題，凸顯了化學學科核心素養(yǎng)目標的測試要求。本例考查的化學學科核心素養(yǎng)的類別、水平及具體表現要求見表1。

題號素養(yǎng)類別水平具體表現要求

（1）變化觀念與平衡思想4能對具體物質（Br2）的性質和化學變化做出解釋或預測，運用化學變化的規(guī)律分析說明生產實際中的化學變化

宏觀辨識與微觀探析3運用化學符號（化學方程式）說明物質的組成及其變化

（2）宏觀辨識與微觀探析3運用化學符號（Br2與SO2反應的離子方程式）說明物質的組成及其變化

（3）證據推理與模型認知2能從宏觀和微觀結合上收集證據（尾氣中含有未充分利用的SO2和少量未完全吸收的Br2），依據證據從不同的視角分析問題，推出合理的結論（節(jié)約資源、保護環(huán)境）

（4）變化觀念與平衡思想4能對具體物質的性質（Cl2與Br-）和化學變化做出預測（有溴單質的生成）

證據推理與模型認知2能依據證據從不同視角（利用Br2與H2O的沸點差選擇合適的餾出溫度、必要的餾出速率）分析問題，推出合理的結論

（5）變化觀念與平衡思想4能對具體物質的性質（Cl2的強氧化性）和化學變化做出預測，運用化學變化的規(guī)律分析說明生產實際（可能含有副反應）中的化學變化（SO2被氧化為H2SO4）

（6）證據推理與模型認知2能理解和表示化學中常見的認知模型（實驗室分餾操作模型）

（7）科學態(tài)度與社會責任4能依據“綠色化學”思想（降低能耗、提高溴的蒸出效率等）對某一個化學過程進行分析，權衡利弊

測試任務要求的素養(yǎng)水平并沒有完全分布在水平4，主要是考慮到學業(yè)水平等級性考試的區(qū)分功能及降低考生考試壓力等因素。

4? 總結與思考

4.1? 總結

此次試題命制旨在探究在化工流程題題型框架下如何落實“以真實情境為測試載體，以實際問題為測試任務”的命題原則，突出對學生化學學科核心素養(yǎng)的考查，故闡述內容側重點集中在情境素材的選擇、測試任務的設置上，對試題的測評要求沒有作過多的質量指標分析。

4.2? 思考

在上述過程中對化工流程題的教學策略也產生了一些思考，總結如下。

4.2.1? 夯實雙基

化學知識是培養(yǎng)學生化學學科核心素養(yǎng)的重要載體，化學教學是落實化學課程目標、引導學生達成化學學業(yè)質量標準的基本途徑。化工流程題取材廣泛、綜合性強、設問方式靈活，但其“起點高，落點低”，無論情境素材是教材典例的變式還是教材之外學生不熟悉的生產工藝，解決這些問題所需的知識與方法皆源于普通高中化學課程的學習。故在強調發(fā)展學生學科核心素養(yǎng)的課改背景下，仍毋庸諱言學生“雙基”掌握的重要性。

4.2.2? 建構思維模型

在日常教學中，可結合工藝流程圖及圖中每一環(huán)節(jié)的具體考查方向對解此類試題進行思維模型的建構，給學生在面對此類試題時提供一個基本的思考方向。建構化工流程題的一般思維模型如圖2所示。

需要注意的是，理論模型有其一般性和具體性，在解決具體問題時應靈活變通，認識到理論模型與具體實例間的異同，這也是“證據推理與模型認知”化學學科核心素養(yǎng)的高階要求。

4.2.3? 參考課標“建議”，挖掘教材資源

新課標在必修課程及選擇性必修課程模塊下的各主題中都給出了“學習活動建議”和“情境素材建議”?！皩W習活動建議”如“實驗室模擬海水提溴、鎂”“鋅錳干電池的探究”;“情境素材建議”如“硫鐵礦、煤等資源與能源的開發(fā)利用”“鎳的精制、汽車尾氣處理”等，此類學習活動內容及情境素材皆可為化工流程題的測試載體。故在日常教學中應充分參考新課標“建議”，深入挖掘教材資源，為學生正確解答化工流程題積累素材，并指導學生學會歸納總結，培養(yǎng)學生閱讀信息、提取信息、加工信息與表達信息的能力。同時這些真實的STSE素材和問題都是有價值的情境素材，學生在認識這些素材及解決問題的過程中也在逐步發(fā)展并同步表現出其化學學科核心素養(yǎng)水準。

參考文獻：

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