用好圖形表征 提升學生的關鍵能力
——近三年廣東省高考試題分析與啟示

董 淑 梅

(廣州大同中學, 廣州 510000)

一、提出問題

通過對近三年的廣東省高考試題和2023年全國卷對比發現,在試題中有對學生進行2個或多個關鍵能力的融合考查。基于真實的探究實驗或具體的工業生產情境,體現“四重表征”中描述宏觀物質的變化情況,結合現象、圖表曲線的數據、操作結論進行對微觀粒子間的反應分析推測或歸納論證進行設問[1]。尤其通過讀圖表和曲線獲取論據設計問題,維持了較穩定的占比。大部分通過表格數據呈現、曲線圖形變化趨勢,特殊點和對比數據的異同來設問,但是學生對圖形通常感到畏懼,經常覺得圖形所給的信息抽象,難以提取,或者提取出的信息難以實現和宏-微-符三重表征間的有效轉化。

(一)關鍵能力

單旭峰依據《普通高中化學課程標準(2017年版)》(以下簡稱《課程標準》)的學業要求和學業質量水平,梳理能力要求等關鍵詞,將化學學科的關鍵能力歸結為如圖1所示的理解與辨析、分析與推測、歸納與論證、探究與創新等4個維度。一方面,關鍵能力是高考評價體系設定的關鍵能力群的學科化體現,另一方面,這些關鍵能力是學業要求的綜合化表現,是學科素養在特定形勢下的具體內涵和技能表現[2]。

圖1 化學關鍵能力內涵

(二)“四重表征”教學

1993年,蘇格蘭約翰斯頓提出學習者可從宏觀、微觀和符號三種表征水平上認識和理解化學知識。隨著科技的進步,2009年,錢揚義基于手持技術背景,將化學與計算機、數學等學科相結合,提出曲線表征,以此將原有的三重表征拓展四重表征。分別為: 宏觀表征表示宏觀信息在個體大腦中呈現和記錄的方式;微觀表征從微觀粒子角度研究物質的組成、結構、運動、性質及其相互作用、反應機理等信息;符號表征表示化學物質組成、結構、性質、狀態等符號在學習者大腦中的反映;曲線表征是將化學反應中的物質變化以坐標曲線的形式在學習者頭腦中的反映。

“四重表征”的教學模式是一種提高學生化學學科素養,建立正確的化學基本觀念、提升化學學科關鍵能力的一種有效的方式。而且教師可按學習進度的要求設計四重表征的認知發展路徑,引導學生進行“四重表征”間的轉換,減輕學生的記憶負擔,便于知識的遷移應用,提高問題解決能力[3]。

表3 學生認知路徑的發展與教師教學活動的建議[3]

二、圖表主題高考試題分析

(一)2021-2023年廣東高考試題圖信息提取題分布情況

試題類型表格信息對比圖形曲線變化圖形特殊點提取提取數據處理2023全國甲卷7 7 10(2)7 10(2) 2023全國乙卷11(2)7 10(1)(3)7 10(1)(3)7 10(1)(3)2023新課標卷7 10(4)77 10(1)(4)2021廣東卷10 17(4)⑤⑥14 19(4)14 19(4)14 19(4)2022廣東卷17①② 18(2)13 15 17i 19(2)②③15 17i 18(3)19(2)②2023廣東卷10 17(3)15 19(2)19(4)19(4)

2023年全國卷是理綜部分,對于圖表信息提取及“四重表征”之間相互轉化解決問題考察占15分左右,而在廣東近三年的高考試題中分值在20分左右,尤其是圖表中信息對比分析、控制變量找異同點及曲線中特殊點的提示、數據分析處理。下面以2022、2023年廣東卷部分試題進行分析。

1.表格題中提取有效信息解決問題:

序號反應試劑體系溫度/℃反應前反應后iii0.20mol·L-1CuSO”4溶液100mL1.20gFe粉ab0.56gFe粉ac

①溫度:b________c(填“>”“<”或“=”)。

②________(選擇表中一組數據計算)。結果表明,該方法可行。學生通過表中給出的數據判斷過量問題,因為反應后的體系溫度即反應的吸放熱量的多少與反應物的物質的量成正比的,在圖表信息中分析數據的異同點,控制變量數據表征處理轉化數據就能秒出①的“>”,然后要選擇其中一組數據結合前面給的Q的計算公式及已有知識Q與ΔH的轉化關系計算出②的答案。

以學生熟悉的反應創設情境,提出問題將蓋斯定律與實驗設計有機地相結合,考查對蓋斯定律本質的理解與運用,考查學生分析物質性質、識別有效證據、推斷反應結果及對圖表中給出的數據表征進行分析處理的多重關鍵能力。

例2.(2022年廣東卷17題) 用濃度均為0.1mol/L的HAc和NaAc溶液,按下表配制總體積相同的系列溶液;測定PH,記錄數據。

序號V(HAc)/mLV(NaAc)/mLV(N2O)/mLn(NaAc)∶n(HAc)pHⅠ40.00//02.86Ⅱ4.00/36.0003.36

②由實驗Ⅰ和Ⅱ可知,稀釋HAc溶液,電離平衡________(填”正”或”逆”)向移動;結合表中數據,給出判斷理由:________。

抓住題中總體積相同,通過控制變量的方式變換表中數據,結合圖表中數據變化的情況結合宏觀的PH數據變化將信息處理轉化為用化學符號表示的微觀電離平衡移動的本質,再用文字表述出來就是答案。

解決這兩個問題都是通過數據表征結合宏觀表征轉化成用化學符號表示的微觀變化表征,以此考查學生對數據表征的加工和整理能力及四重表征間的相互轉化能力。

(二)圖形題中提取有效信息解決問題

例1.(2023年廣東卷19題(2))某研究小組對(1)中②的反應進行了研究。用濃度分別為2.0mol·L-1、2.5mol·L-1、3.0mol·L-1的HNO3溶液進行了三組實驗,得到c([FeR3]2+)隨時間t的變化在曲線如圖。

①c(HNO3)=3.0mol·L-1時,0～0.1min內,[FeR3]2+的平均消耗速率=________。

②下列有關說法中,正確的有________。

B．[FeR3]2+平衡轉化率:αⅢ>αⅡ>αⅠ

C．三組實驗中,反應速率都隨反應進程一直減小

D．體系由橙紅色轉變為淡藍色所需時間:tⅢ>tⅡ>tⅠ

考查學生對圖形中曲線上特殊點的提取,通過起點、拐點和保持不變的一段線段所呈現出的數據表征進行提取、分析處理、應用解決①②中的問題。①中的問題通過讀圖獲取起點數據1.5mol·L-1,1分鐘時曲線Ⅲ在圖中對應的是1.0mol·L-1,根據速率公式學生應該很快做出答案。對于平時思維嚴謹,認真細致的同學會注意到縱坐標的濃度標識為數量級10-6mol·L-1,如果平時不細致的同學就會容易忽略掉這一信息點,看似送分的空卻沒有送出去。②中的B、C、D三個選項都可以通過讀圖分析出來,平衡轉化率就等于轉化的比上起始的濃度,三者起點相同意味著初始物質的量濃度相同,三條曲線的拐點(平衡點)出現的高度不同Ⅰ高于Ⅱ高于Ⅲ,即平衡濃度Ⅰ大于Ⅱ大于Ⅲ,很容易得出轉化率Ⅲ>Ⅱ>Ⅰ;當平衡點出現時濃度不變即反應速率就不變,故C中的一直減小就是錯誤的;D拐點出現得越早說明時間越短,故D錯誤。

研究組用吸收光譜法研究了(3)中M與L反應體系。

當c0(L)=1.0×10-5mol·L-1時,測得平衡時各物種c平/c0(L)隨c0(M)/c0(L)的變化曲線如圖。c0(M)/c0(L)=0.51時,計算M的平衡轉化率________(寫出計算過程,結果保留兩位有效數字)。

該問解決的關鍵是讀取圖形中曲線的交點,學生通過曲線變化過程中的交點記錄的數據分析轉化成宏觀體系中處于平衡狀態時L與ML的量相同,結合化學符號表征的微觀粒子的變化列出三段式進行計算,如果對微觀粒子變化和化學符號表征轉化能力強的同學還可以用M和L原子守恒的方法更快的解決問題。

解決這兩個問題都是通過曲線表征中的特殊點給出的宏觀表征轉化成用化學符號表示的微觀變化表征,利用符號表征進行計算得出結果。以此考查學生獲取有效信息、識別有效證據、處理轉化數據的多重關鍵能力,及四重表征間的相互轉化能力。

三、教學啟示

在平時的高三教學中我們可以挑選有代表性的習題分微專題進行復習:

(一)圖表中關注變量

化學中通常考察的單一變量,因此在表格中數據呈現出來時,要“定多議一”即每次控制其他量相同的情況下只對比一個變量,2021廣東卷17題為例分析建構解決問題的思維模型,通過弱電解質的電離平衡和難溶電解質的溶解平衡結合電導率的數據曲線表征;控制溫度或者是溶解的溶質的濃度二者其一保持不變來解決問題;再選取典型習題進行鞏固。

(二)圖形中關注曲線的變化及特殊點

在原理部分例如強弱電解質的電離程度比較,平衡移動的影響因素、中和滴定曲線的繪制等都可以用“四重表征”模式教學[4]。

1.利用已有圖形引導學生分析

借鑒同行們做的實驗視頻或者是繪制出的曲線數據表征,在預測和分析過程中即培養學生提取有效信息分析解決問題的關鍵能力,又幫助學生開拓了新的分析問題的思維方式,而且從圖形中能提取出有效的信息對學生來說已經是成功的體驗、歸納與分析能力的培養,學生從認知的層級來理解知識點,減少學生記憶的負擔,同時構建出曲線表征的圖形,完成由圖形——理論的相互轉換,降低了抽象知識理解的難度。

2.利用宏觀實驗現象分析引導學生繪制圖形

可將一部分傳統實驗進一步改進為實時、可視化的手持技術實驗,手持技術實驗操作簡單快捷,有條件的可以課堂上演示,現場繪制出圖形給出數據更有視覺沖擊對大腦思維的震撼效果,讓學生感受到科學技術的力量。對不能用手持技術現場做出來的曲線可以通過表格給出相應的數據由學生繪制例如溶液中的離子平衡圖像題中經常考察的PH與某個離子百分含量之間的曲線,學生繪制一次后就會有深刻的體會,不會在恐懼這些變化的曲線交織在一起了。

總之,一幅圖形的出現勝過教師的萬語千言。養成學生通過理論預測、宏觀現象觀察、曲線圖形數據表征驗證預測的準確性、合理性;養成看圖析圖進而學會繪圖的習慣,達到提升關鍵能力的目的。