深挖素材以同材異構(gòu)提升命題水平
——以“CO2無細胞化學(xué)酶法合成淀粉”為例

云南 沈艷華

一、問題的提出

2019年11月，教育部考試中心研制的《中國高考評價體系》及其說明由人民教育出版社出版發(fā)行，該體系以“一核”“四層”和“四翼”規(guī)范了每一次命題的目的、內(nèi)容和要求，并宣布現(xiàn)有高考體系的《考試大綱》和《考試說明》不再修訂。《中國高考評價體系》及其說明的頒布，明確了今后的各級各類命題將以必備知識、關(guān)鍵能力、學(xué)科素養(yǎng)、核心價值為命題考查內(nèi)容；以基礎(chǔ)性、綜合性、應(yīng)用性、創(chuàng)新性為考查要求。因此，各級模擬試題的命制應(yīng)該先明確考試的性質(zhì)，通過“四層”規(guī)定命題內(nèi)容，“四翼”保障命題水平，提升命題質(zhì)量。

圖1 《中國高考評價體系》的“一核四層四翼”圖示

“同材異構(gòu)命題”是指利用相同的素材創(chuàng)設(shè)試題情境，從不同的角度設(shè)置問題，從而深度挖掘素材價值，鍛煉命題者深度理解“一核”“四層”和“四翼”的學(xué)科體現(xiàn)，以期通過命題能力的提升引領(lǐng)教學(xué)設(shè)計能力的提升。

二、以“CO2無細胞化學(xué)酶法合成淀粉”為試題情境的同材異構(gòu)命題思考

1.素材背景

2021年9月24日，中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所所長馬延和團隊的研究成果“無細胞化學(xué)酶系統(tǒng)催化CO2合成淀粉”在國際學(xué)術(shù)期刊《自然》上發(fā)表。此合成代謝途徑(ASAP)“從陽光到甲醇，再到淀粉”，首先通過光伏發(fā)電將光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽偻ㄟ^光伏電解水產(chǎn)生氫氣；然后通過催化劑利用氫氣將二氧化碳還原成甲醇，經(jīng)C1到C3、C6、Cn，最終合成淀粉。全過程共11步核心反應(yīng)，比其他的人工合成步驟要少。

該成果理論上1立方米反應(yīng)器的年產(chǎn)淀粉量，相當于我國5畝土地玉米種植的平均年產(chǎn)量，可想而知其能量轉(zhuǎn)化效率之高、合成意義之重大。一個具有跨時代意義的學(xué)科知識應(yīng)用，自然是一個具有“立德樹人、引導(dǎo)教學(xué)”的命題好素材，因此，我們以此為背景，訓(xùn)練命題能力。

百度搜索“CO2無細胞化學(xué)酶法合成淀粉”，獲得相關(guān)結(jié)果約28 600 000個；搜索“ZnO-ZrO2氧化鋯催化CO2加氫合成甲醇”，獲得相關(guān)結(jié)果約111 000個，本次研究選定《自然》雜志中發(fā)表的文章為參考文獻，確保命題素材的科學(xué)性、嚴謹性。

“ASAP”蘊含多種能量轉(zhuǎn)化形式，涉及多種官能團的性質(zhì)與轉(zhuǎn)化、多種反應(yīng)規(guī)律的辨識與應(yīng)用、反應(yīng)熱力學(xué)與動力學(xué)的基本模型轉(zhuǎn)換與應(yīng)用，具有高效、節(jié)能環(huán)保的學(xué)科價值體現(xiàn)，可以考查反應(yīng)變化與規(guī)律、物質(zhì)轉(zhuǎn)化與應(yīng)用、物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)、化學(xué)用語與概念、反應(yīng)原理與條件的控制等基礎(chǔ)知識。此外，“ASAP”也蘊含著素材的篩選與圖表識別、有效證據(jù)的分析與推測、結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的分析與歸納、論證等學(xué)科關(guān)鍵能力的試題情境。因此，命題人可以多方面運用素材，從多角度考查考生的知識與能力，落實化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)，充分挖掘素材的學(xué)科知識，真正做到運用學(xué)科思想構(gòu)建模型，跳出題海、提升命題能力。

圖2 “無細胞化學(xué)酶系統(tǒng)催化CO2合成淀粉”的11步核心反應(yīng)流程

2.命題策略

(1)利用同材異構(gòu)，提升編寫能力，明晰考試目標

學(xué)科素養(yǎng)是確定命題能力層級的重要導(dǎo)向。例如，掌握基礎(chǔ)知識、辨析基本概念、獲取有關(guān)信息屬于“理解與辨析能力”，識別有效證據(jù)、科學(xué)推理論證、處理轉(zhuǎn)化數(shù)據(jù)、歸納總結(jié)規(guī)律屬于“分析與推測能力”，判斷物質(zhì)結(jié)構(gòu)、分析物質(zhì)性質(zhì)、預(yù)測反應(yīng)現(xiàn)象、推測反應(yīng)結(jié)果屬于“歸納與論證能力”，設(shè)計探究方案、描述實驗現(xiàn)象、分析實驗數(shù)據(jù)、評價探究方案屬于“探究與創(chuàng)新能力”。

此外，在命題時，還應(yīng)關(guān)注考試時間與單道試題耗時的關(guān)系，斟酌考查角度與問題設(shè)置，問題的搭配以及試題的區(qū)分度，答案的合理性與書寫量。

不同的考試性質(zhì)決定了不同的試卷呈現(xiàn)方式。例如：新教材“學(xué)業(yè)水平合格性考試”針對必修第一冊、必修第二冊的教學(xué)，檢測所有經(jīng)歷過高中化學(xué)學(xué)習的學(xué)生，試題更側(cè)重基于真實情境考查基礎(chǔ)性與簡單的綜合性；新教材“學(xué)業(yè)水平等級性考試”及“高考模擬卷”試題不僅需要注重考查學(xué)科本質(zhì)，也應(yīng)考查考生從化學(xué)學(xué)科視角綜合運用已有知識解決實際問題。此外，試題的應(yīng)用性與創(chuàng)新性也隨教學(xué)內(nèi)容的增加而提升。因此，試題是階段考還是模擬考、是合格性考試還是水平性考試，以及考試的階段，都對試卷有著不同的要求。可以說，明確考試性質(zhì)是編寫命題細目表的指南針。

在命制高考模擬題時，可預(yù)設(shè)如表1的細目表：

表1

試題以該合成流程中的一個陌生反應(yīng)為情境，考查鍵線式與分子式的識別等化學(xué)用語、醇類的性質(zhì)、陌生物質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)。可命制的試題為：

A.該反應(yīng)屬于加成反應(yīng)

B.DHA能發(fā)生取代反應(yīng)，不能發(fā)生氧化反應(yīng)

C.DHA分子中所有原子可能處于同一平面上

D.1 mol DHA與足量NaOH溶液反應(yīng)，最多可消耗2 mol NaOH

【參考答案】A

【解題思路】該反應(yīng)為不飽和鍵減少的反應(yīng)，屬于加成反應(yīng)，A項正確；DHA屬于烴的含氧衍生物，可以燃燒，燃燒屬于氧化反應(yīng)，B項錯誤；DHA分子中的單鍵碳類似于甲烷結(jié)構(gòu)，不能讓所有原子處于同一平面上，C項錯誤；DHA分子中含有的羥基和羰基均不與NaOH溶液反應(yīng)，D項錯誤。

在命制學(xué)業(yè)水平合格性考試的模擬試題時，可預(yù)設(shè)細目表如表2所示：

表2

試題以合成路線中的一個具體物質(zhì)為試題情境為背景，考查分子式的識別、基礎(chǔ)有機化合物的性質(zhì)、同系物的概念。與上一題相比，試題未使用鍵線式，降低了試題難度；通過減少陌生反應(yīng)使試題的知識點定位更明確；通過給定物質(zhì)的結(jié)構(gòu)簡式減少試題的思維含量。可命制的試題為：

【試題2】2021年9月24日，中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所“無細胞化學(xué)酶系統(tǒng)催化CO2合成淀粉”一文在國際學(xué)術(shù)期刊《自然》上發(fā)表。其中HOCH2COCH2OH(DHA)是合成中的一個中間產(chǎn)物。下列說法正確的是( )

A.DHA分子式為C3H2O3

B.DHA能發(fā)生氧化反應(yīng)、取代反應(yīng)

C.DHA與乙醇互為同系物

D.1 mol DHA與足量NaOH溶液反應(yīng)，最多可消耗2 mol NaOH

【參考答案】B

【解題思路】DHA分子式為C3H6O3，A項錯誤；DHA屬于烴的含氧衍生物，可以燃燒，燃燒屬于氧化反應(yīng)；DHA分子含有羥基，可以發(fā)生酯化反應(yīng)，B項正確；同系物首先應(yīng)具有相同種類和數(shù)目的官能團，但一個DHA分子含有兩個羥基一個羰基、一個乙醇分子只含有一個羥基，故C項錯誤；DHA分子中含有的羥基和羰基均不與NaOH溶液反應(yīng)，D項錯誤。

(2)利用同材異構(gòu)提升篩選能力，精簡情境烘托

同一素材從不同的命題角度出發(fā)，可以考查不同的知識、能力與素養(yǎng)。試題情景越真實、復(fù)雜，對學(xué)生的信息提取能力、控制變量排除干擾能力、選擇合適的方法解決問題的能力等會有更綜合的考查。命題者可以根據(jù)命題細目表的考查要求，篩選必要素材，創(chuàng)設(shè)必要的試題情景。

命題所選的情景素材并非越多越好、越新越好，但試題也不能沒有試題情境呈載信息。有的試題沒有刪除與解題相關(guān)度不大的信息，導(dǎo)致考生閱讀量增大、信息篩選時間增加；有的試題沒有試題情境呈載信息，又容易造成知識的應(yīng)用與遷移能力考查的不足。

例如，“無細胞化學(xué)酶系統(tǒng)催化CO2合成淀粉”首先通過光伏發(fā)電將光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽偻ㄟ^光伏電解水產(chǎn)生氫氣，然后通過催化劑利用氫氣將二氧化碳還原成甲醇。這是考查反應(yīng)規(guī)律、方程式計算、理論綜合題的一個極好的情境素材，但題干如果把十一個核心反應(yīng)都呈現(xiàn)出來，就會讓考生閱讀量增大，造成解題障礙。因此，命題者可以確定考查目標，預(yù)設(shè)如表3的細目表：

表3

試題以“高考模擬題”為目標，選取三步反應(yīng)創(chuàng)設(shè)情境，考查催化劑的概念、反應(yīng)規(guī)律的應(yīng)用、守恒關(guān)系計算與公式計算。可命制的試題為：

【試題3】2021年9月，中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所成果“無細胞化學(xué)酶系統(tǒng)催化CO2合成淀粉”在國際學(xué)術(shù)期刊《自然》上發(fā)表，引發(fā)化學(xué)界的極大關(guān)注。其中部分核心反應(yīng)轉(zhuǎn)化圖3所示。設(shè)NA表示阿伏加德羅常數(shù)的值，下列說法正確的是( )

圖3

A.反應(yīng)Ⅱ和Ⅲ中用到的“cat”與H2O2是催化劑

B.標準狀況下，2.24 L X中含極性鍵的數(shù)目為0.2NA

C.常溫常壓下，反應(yīng)Ⅰ中電子轉(zhuǎn)移數(shù)為6NA

D.若碳元素不損失，理論上44 g CO2可制得淀粉的質(zhì)量為27 g

【參考答案】D

【解題思路】H2O2在反應(yīng)Ⅱ中既是氧化劑又是還原劑，在反應(yīng)Ⅲ中為氧化產(chǎn)物，不是催化劑，A項錯誤；X為水，標況下不是氣體，B項錯誤；不知道參與反應(yīng)Ⅰ的化學(xué)物質(zhì)的量，無法計算，C項錯誤；D.若碳元素不損失，根據(jù)碳守恒知，D項錯誤。

6nCO2～ (C6H10O5)n

6n×44 g 162ng

44 g → 27 g

如以“高考模擬題”為目標，考查理論綜合能力，在命制高考模擬題時，可預(yù)設(shè)如表4的細目表：

表4

可命制的試題為：

【試題4】(14分)2021年9月24日，我國中科院天津工業(yè)生物所研究成果“無細胞化學(xué)酶系統(tǒng)催化CO2合成淀粉”相關(guān)論文在國際學(xué)術(shù)期刊《自然》上發(fā)表。成果利用光伏發(fā)電，將電解水獲得的H2與CO2反應(yīng)合成甲醇，再由甲醇經(jīng)若干酶促反應(yīng)合成淀粉。根據(jù)題意回答下列問題：

(1)該研究成果中涉及的能量轉(zhuǎn)換形式為。

若光伏電解水可達到20%的太陽能-電效率和85%的電-氫效率。則理論上通過該流程可由太陽能獲得H2的效率為________。

表5

(3)取物質(zhì)的量濃度為amol·L-1的甲醇，選擇不同的工程酶組塊經(jīng)過10 h反應(yīng)，測得如表6實驗數(shù)據(jù)：

表6

①最佳的反應(yīng)條件為

。

②已知溫度升高，反應(yīng)生成的淀粉量先增加后急劇減少，其可能的原因是。

③實驗4可用淀粉的質(zhì)量濃度表示反應(yīng)速率為g·L-1·h-1。淀粉的產(chǎn)率為________(用含a的代數(shù)式表示，保留兩位有效數(shù)字)。

④請畫出實驗1和實驗2的“反應(yīng)過程—能量”變化趨勢圖。

(4)研究證實，CO2也可在酸性水溶液中通過電解生成甲醇，則生成甲醇的反應(yīng)發(fā)生在________極，該電極反應(yīng)式是________。

【參考答案】(1)光能轉(zhuǎn)化為電能、電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能；17%

(2)-47 kJ·mol-1

(3)①溫度為T2、催化劑為agp-M2

②隨溫度升高、催化劑活性增強，反應(yīng)速率加快，生成的淀粉量增加；之后隨溫度升高、催化劑活性減弱，反應(yīng)速率加快，生成的淀粉量急劇減少

④(變化趨勢正確即可)

圖4

【解題思路】(1)由題干“成果利用光伏發(fā)電，將電解水獲得的H2與CO2反應(yīng)合成甲醇，再由甲醇經(jīng)若干酶促反應(yīng)合成淀粉”知該研究成果中涉及的能量轉(zhuǎn)換形式有光能轉(zhuǎn)化為電能、電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能等；根據(jù)乘法原理，理論上通過該流程可由太陽能獲得H2的效率為20%×85%=17%。

由6nCH3OH ～ (C6H10O5)n

6nmol 162ng

amol → 27ag

④實驗1沒有使用催化劑，活化能較大；實驗2使用了催化劑，相同時間內(nèi)生成的淀粉量更大，說明所用催化劑為正催化劑，故“反應(yīng)過程-能量”示意圖如圖5所示(變化趨勢正確即可)：

圖5

(3)利用同材異構(gòu)促進細節(jié)打磨，完善命題規(guī)范

試題的嚴謹性與規(guī)范性不僅體現(xiàn)了命題者的專業(yè)素養(yǎng)，也體現(xiàn)了對考生、閱卷人的尊重。命題者在命制試題時需要思考：試題是否出現(xiàn)科學(xué)性錯誤？試題是否有“為命題而命題”的紙上談兵現(xiàn)象，在現(xiàn)實生活中根本不可能實現(xiàn)？試題是否會讓考生產(chǎn)生歧義？同一道題在排版時是否會出現(xiàn)跨頁以影響考生的閱讀？

當然，符號的標準化也是衡量命題質(zhì)量的一個重要參數(shù)。命題符號通常采用的是《中華人民共和國國家標準有關(guān)量、單位和符號的一般標準(GB3101-93)》的相關(guān)規(guī)定，例如物理量的符號大多為斜體、單個拉丁字母或希臘字母；單位符號一般采用小寫、羅馬正體格式等等。

三、同材異構(gòu)的命題收獲

命題者以“同材異構(gòu)”進行命題時，可通過每一次變換命題角度時編寫不同的細目表來訓(xùn)練命題者考查核心素養(yǎng)、素養(yǎng)水平、關(guān)鍵能力、必備知識的能力，在深度挖掘素材價值的同時，提升命題者加工素材、整合素材的創(chuàng)造性。

命題者團隊以“同材異構(gòu)”進行命題時，可通過不同命題參與教師對同一素材、同一角度的想法交流，開闊命題者的命題視野、彌補命題者的不足。例如：其他命題者的試題所考查的必備知識、關(guān)鍵能力、核心價值是否更能體現(xiàn)學(xué)科素養(yǎng)？其他命題者的命題思維邏輯是否更縝密？其他命題者的試題情景設(shè)置是否更能體現(xiàn)學(xué)科素養(yǎng)？其他命題者的語言是否更精煉？其他命題者的排版是否更規(guī)范、簡潔？

總之，一次準備與思考充分的“同材異構(gòu)”命題活動，將會成為一次觸動命題人教學(xué)深層思考的進步！