









基金項目:本文系廈門市教育科學(xué)“十四五”規(guī)劃2023年度課題“基于化學(xué)學(xué)科理解的課例研究”的階段性研究成果。
摘" 要:本文以廢舊電池材料的回收利用為命題素材,展示了核心素養(yǎng)視角下工業(yè)流程題的命題思路及流程。命題以化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)發(fā)展水平為測試目標(biāo),以學(xué)業(yè)質(zhì)量水平為依據(jù),注重情境的適切性,關(guān)注學(xué)科主干知識及信息提取能力的考查,通過梳理核心知識的分布,優(yōu)化改進(jìn)測試任務(wù),分析學(xué)生的作答情況,探查學(xué)生的認(rèn)知水平,提出針對性的備考策略。
關(guān)鍵詞:核心素養(yǎng);工業(yè)流程題;題目命制;備考策略
文章編號:
1008-0546(2024)14-0070-06
中圖分類號:
G632.41
文獻(xiàn)標(biāo)識碼:
B
一、問題的提出
化學(xué)工業(yè)流程題是高考的必考題型之一。目前對于該題型的普遍認(rèn)知是圍繞化工生產(chǎn)的實(shí)際過程或?qū)嶒?yàn)室對工業(yè)生產(chǎn)的模擬,選擇性地進(jìn)行簡化處理使之符合高中生的認(rèn)知,并以流程圖形式呈現(xiàn)題目,加以考查。[1]筆者通過梳理發(fā)現(xiàn),高考工業(yè)流程題考查內(nèi)容既包括元素化合物、實(shí)驗(yàn)裝置及操作、溶液中的平衡轉(zhuǎn)化等知識,又涵蓋實(shí)驗(yàn)流程的綜合分析、物質(zhì)的量有關(guān)計算,考查范圍廣、綜合性強(qiáng),對于宏觀辨識與微觀探析、變化觀念與平衡思想、證據(jù)推理與模型認(rèn)知核心素養(yǎng)的評價有重要意義?!镀胀ǜ咧谢瘜W(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版2020年修訂)》(以下簡稱《高中新課標(biāo)》)在學(xué)業(yè)水平考試命題建議中提出命題應(yīng)堅持以化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)為測試宗旨,以化學(xué)學(xué)業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù),靈活遵循命題程序,準(zhǔn)確把握“素養(yǎng)”“情境”“問題”“知識”四個要素的聯(lián)系,提高命題質(zhì)量。[2]由此可以看出,指向核心素養(yǎng)的試題命制不能再持有以知識點(diǎn)掌握水平為導(dǎo)向的學(xué)業(yè)質(zhì)量觀[3],而應(yīng)通過特定情境下真實(shí)問題的解決來評價學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)狀況和學(xué)業(yè)質(zhì)量的達(dá)成程度。因此,筆者以工業(yè)流程題的命制為載體,探索核心素養(yǎng)視角下的命題思路并帶來教學(xué)中的思考。
二、核心素養(yǎng)導(dǎo)向下的命題實(shí)踐
1. 命題程序及測試宗旨
新一輪課程改革強(qiáng)調(diào)現(xiàn)實(shí)情境中的意義創(chuàng)生和復(fù)雜問題的解決,試題的命制應(yīng)指向多樣化情境中的問題解決與需求滿足,是結(jié)構(gòu)化的知識與技能、系統(tǒng)化的思維與方法、統(tǒng)攝性的價值與觀念的多維集合。[4]命制過程應(yīng)以核心素養(yǎng)為主軸,同時考慮學(xué)生各階段的身心發(fā)展情況。本次命題的測試對象為高二學(xué)生,其解決綜合性問題時的知識關(guān)聯(lián)程度不高,應(yīng)對開放情境時的遷移度不夠,因此預(yù)設(shè)題目的難度適中。本次命題的測試目標(biāo)為運(yùn)用動態(tài)平衡的觀點(diǎn)看待和分析化學(xué)變化,提升宏觀辨識與微觀探析、變化觀念與平衡思想、證據(jù)推理與模型認(rèn)知的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng);能運(yùn)用化學(xué)計量定量分析化學(xué)變化;能對具體物質(zhì)的性質(zhì)和變化作出解釋或預(yù)測。《高中新課標(biāo)》要求試題情境的創(chuàng)設(shè)應(yīng)該體現(xiàn)科學(xué)、技術(shù)、社會和環(huán)境發(fā)展的成果,注重真實(shí)情境與試題的融合,因此在設(shè)計問題時應(yīng)以測試目標(biāo)為導(dǎo)向,以認(rèn)知水平為基礎(chǔ),形成不同層次、結(jié)構(gòu)合理的測試任務(wù),考查學(xué)生靈活運(yùn)用結(jié)構(gòu)化知識解決實(shí)際問題的能力。命題程序如圖1所示。
2. 素材分析及命制過程
隨著科技的發(fā)展,鋰離子電池的應(yīng)用愈加廣泛,但廢舊電池中有害物質(zhì)的泄露會危害環(huán)境及人類健康,因此需對廢舊鋰電池進(jìn)行無害化處理,將其材料分離與回收,以實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。這一情境緊密聯(lián)系生產(chǎn)、生活實(shí)際,學(xué)生熟悉度高,對于工業(yè)流程問題的考查針對性較強(qiáng)。本測試實(shí)驗(yàn)原理來自論文《廢舊三元電池正極活性材料酸性浸出液中鈷鎳錳鋰的分離與回收》[5](以下簡稱原論文),通過(NH4)2C2O4、NH4HCO3、NaOH、Na2CO3沉淀劑逐步分離出鈷、錳、鎳、鋰,并在工藝優(yōu)化的基礎(chǔ)上,探查各金屬元素的回收率,其工藝流程如圖2所示。
本測試試題命制過程具體如下。
(1)強(qiáng)調(diào)情境的適切性及合理性。原論文中提供的分離工藝路線設(shè)計圖清晰簡潔,但若作為試題,信息呈現(xiàn)過于直白,因此在試題編制過程中,將每一步過濾出的沉淀及濾液中所含的金屬離子的部分信息隱去,使其更加符合試題的表達(dá)形式,可以提高流程分析所需的思維容量。原論文對于電池正極活性材料的酸浸原理并未呈現(xiàn),而相關(guān)文獻(xiàn)[6]研究發(fā)現(xiàn),三元正極活性材料的主要成分為LiMeO2(Me為Ni、Co、Mn),可利用硫酸溶液及H2O2將材料中的Ni、Co、Mn金屬元素還原為+2價,便于后續(xù)的分離和收集。因此,筆者在流程圖中增加了“酸浸”這一過程,并將其改編為陌生氧化還原反應(yīng)方程式的書寫題目。該題目既要求學(xué)生熟悉氧化還原反應(yīng)價態(tài)變化規(guī)律以判斷出產(chǎn)物,又需準(zhǔn)確提取材料中的信息,能夠深入考查學(xué)生對于陌生情境靈活運(yùn)用所學(xué)知識解決實(shí)際問題的能力。[7]此外,在加入(NH4)2C2O4沉淀分離出Co2+的過程中,濾液中的Mn2+也會轉(zhuǎn)化為MnC2O4沉淀出來,但若涉及Mn2+的沉淀,會增大該過程的復(fù)雜程度,且考慮到學(xué)生的認(rèn)知水平,避免思維負(fù)擔(dān),在命題過程中,筆者刪掉了Mn2+的沉淀過程,凸顯出主要流程,使得考查更有針對性。
(2)凸顯信息提取能力的考查。沉淀Co2+的過程中,CoC2O4和NiC2O4的溶度積常數(shù)分別為6.3×10-8和4.0×10-10,通過計算發(fā)現(xiàn)兩種物質(zhì)沉淀時所需C2O2-4的濃度分別為6.3×10-7mol/L和1.3×10-8mol/L。Ni2+形成沉淀所需的c(C2O2-4)小,應(yīng)該是NiC2O4先沉淀,但實(shí)際情況卻是Co2+先沉淀。研究表明,溶液中NH3存在的情況下,少量的Co2+和Ni2+會與NH3反應(yīng)生成絡(luò)合物[Co(NH3)6]2+和[Ni(NH3)6]2+。[Ni(NH3)6]2+比[Co(NH3)6]2+穩(wěn)定性強(qiáng),所以Co2+更容易生成CoC2O4沉淀出來。本題目將這一內(nèi)容設(shè)置為已知信息,引導(dǎo)學(xué)生分析Co2+先沉淀的原因,考查學(xué)生的信息提取及應(yīng)用能力。利用NaOH-Na2CO3共沉淀法分離Ni2+的過程中,隨著pH、反應(yīng)溫度、反應(yīng)攪拌時間和沉淀加入量與理論用量之比等因素的改變,會得到不同因素影響下Ni2+沉淀率的變化曲線。通過曲線分析,可以找到沉淀Ni2+的最佳條件。相比于其他類型的問題,圖像中的信息對學(xué)生讀圖識圖、信息遷移和綜合應(yīng)用等能力提出的要求更高。[8]將該題目設(shè)計為圖像分析題,既符合高考考試說明能力要求,又對學(xué)生綜合素養(yǎng)的評價有重要意義。
(3)關(guān)注學(xué)科主干知識的分析與落實(shí)。試題需借助Mn2+和HCO-3在水溶液中的相互作用,分析微粒在水溶液中的電離平衡過程及其影響因素,從微觀的角度探析微粒的相互影響,考查學(xué)生的變化觀念與平衡思想。HCO-3電離出的CO2-3會與Mn2+結(jié)合生成MnCO3沉淀,而CO2-3的消耗會促進(jìn)HCO-3電離進(jìn)一步產(chǎn)生更多的H+,H+會與HCO-3反應(yīng)生成CO2,該過程的化學(xué)方程式為Mn2++2HCO-3MnCO3+H2O+CO2↑。本題目考查溶液中離子間的相互作用及電離平衡等主干知識,是化學(xué)反應(yīng)原理中的核心概念,要求學(xué)生從微觀角度對微粒的轉(zhuǎn)化過程及微粒間的相互影響有深刻理解,因其變化過程較為復(fù)雜,對學(xué)生的素養(yǎng)水平要求較高。此外,本題目在考查過程中,除需寫出變化過程的離子方程式,還需將該過程以文字形式描述出來。文字論述題對答題者的化學(xué)思維能力、學(xué)科內(nèi)涵的理解要求更高,不僅要注意思維的擴(kuò)散和嚴(yán)謹(jǐn),還要做到語言描述的科學(xué)和通順。[9]
3. 試題呈現(xiàn)及屬性分析
鋰離子電池三元正極活性材料中含有大量的有價金屬鈷、鎳、錳、鋰,從廢舊電池材料中回收這些有價金屬,實(shí)現(xiàn)資源化,意義深遠(yuǎn),其回收流程如圖3所示。
已知: ①10L浸出液Ⅰ中Co2+、Ni2+ 、Mn2+、Li+的濃度分別為0.10mol/L、0.03mol/L、0.04mol/L、0.14mol/L。
②25℃時,
Ksp (CoC2O4)=6.3×10-8,Ksp (NiC2O4)=4.0×10-10。
③少量的Co2+與Ni2+分別與氨水反應(yīng)生成絡(luò)合物[Co(NH3)6]2+和[Ni(NH3)6]2+,研究表明,
[Ni(NH3)6]2+比[Co(NH3)6]2+的穩(wěn)定性強(qiáng)。
回答下列問題。
(1)Co2+、Ni2+沉淀時所需的c(C2O2-4)分別是""" mol/L和""" mol/L。通過計算Ni2+應(yīng)先沉淀,但實(shí)際沉淀Ⅰ的主要成分為CoC2O4,其原因是""""""""nbsp;"""""""""" 。
(2)三元正極活性材料的主要成分為LiMeO2(Me為Ni、Co、Mn),將其浸入硫酸溶液,借助H2O2進(jìn)行還原熱處理,該過程的化學(xué)反應(yīng)方程式為:
。
(3)加入NH4HCO3可將Mn2+沉淀,析出沉淀的同時還會產(chǎn)生氣體X,寫出該過程的離子方程式:
; 請用平衡移動知識解釋氣體X產(chǎn)生的原因:
。
(4)采用NaOH-Na2CO3共沉淀法從鎳鋰中分離鎳,不同條件下的鎳、鋰沉淀率如圖4所示,應(yīng)選擇的最佳條件是: ""。
(5)回收得到Li2CO3的質(zhì)量為36.26 g,則Li+的回收率為" ""(保留4位有效數(shù)字)。
本試題的問題形式包括計算、文字描述、圖像分析等,涵蓋類型豐富,考查內(nèi)容既包括流程中的宏觀與微觀變化的定性分析,又包括物質(zhì)的量有關(guān)的定量計算,涉及氧化還原反應(yīng)、電離平衡、沉淀溶解平衡等知識。結(jié)合《高中新課標(biāo)》中的學(xué)業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn),本題目考核的學(xué)業(yè)水平在四個方面均有涉及,符合高二學(xué)生的認(rèn)知特點(diǎn)。試題命制屬性的綜合分析如表1所示。
4. 試題解讀及評分標(biāo)準(zhǔn)
依據(jù)所命制的試題,評分標(biāo)準(zhǔn)的制定主要考查學(xué)生分析問題思路的準(zhǔn)確性和全面性。如第(1)題第三空,學(xué)生需準(zhǔn)確找到題目中所給的信息,依據(jù)
[Ni(NH3)6]2+比[Co(NH3)6]2+的穩(wěn)定性強(qiáng),判斷分析得出正確結(jié)論。若學(xué)生對流程分析不清楚或提取信息能力不強(qiáng),便無法正確回答出原因。第(3)小題第二空對溶液中微粒變化分析的全面性提出要求,若學(xué)生僅能分析出MnCO3產(chǎn)生的原因是HCO-3電離出CO2-3與Mn2+結(jié)合,而未能描述出CO2-3的減少對HCO-3電離的影響,無法解釋CO2產(chǎn)生的原因,則說明其對溶液中微粒變化的認(rèn)知水平停留在單一認(rèn)知層面,并沒有將溶液中離子中的相互作用全面聯(lián)系起來。試題的具體評分標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。
三、答題分析與備考策略
命題結(jié)束后,筆者選擇高二年級220名選考化學(xué)的學(xué)生進(jìn)行測試。測試對象已結(jié)束選擇性必修課程內(nèi)容的學(xué)習(xí),但未開始元素化合物及工業(yè)流程題的一輪復(fù)習(xí)。筆者按照評分標(biāo)準(zhǔn)對各試題的得分率進(jìn)行統(tǒng)計,并通過面對面訪談了解學(xué)生的解題思路及認(rèn)知水平,在此基礎(chǔ)上分析學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中的認(rèn)知障礙,以期在教學(xué)過程中得到改進(jìn)。
1. 答題情況分析
統(tǒng)計結(jié)果顯示,第(1)題得分率較高,約為80%,說明學(xué)生已具備基本的信息提取及計算能力;第(4)題得分率為65.75%,錯誤的原因主要是圖4中曲線變化幅度不明顯,如攪拌16分鐘、20分鐘、24分鐘時沉淀率相差不大,學(xué)生并未仔細(xì)觀察。值得注意的是,第(3)題總體得分率較低,暴露出學(xué)生在分析溶液中離子變化時的諸多問題,如對電離平衡過程的分析片面、缺乏連續(xù)性,未形成完整的認(rèn)識思路,或未能將分析思路詳細(xì)地轉(zhuǎn)化為文字描述。HCO-3電離出H+ 和CO2-3、Mn2+與CO2-3結(jié)合生成沉淀是分析該題目的關(guān)鍵。因CO2-3的消耗使得HCO-3的電離平衡向右移動,產(chǎn)生更多的H+并與HCO-3反應(yīng)生成CO2是后續(xù)過程。以第(3)題為例,不同水平層次的典型回答如表3所示。
2. 備考策略
(1)循序漸進(jìn)、專題復(fù)習(xí),形成問題分析的思維模型。
工業(yè)流程題的綜合性強(qiáng)、思維容量大,決定了在復(fù)習(xí)過程中要循序漸進(jìn),不可一蹴而就。在一輪復(fù)習(xí)過程中,教師可以拆解出工業(yè)流程題中的常見題型,形成如“陌生情境下氧化還原反應(yīng)方程式的書寫”“物質(zhì)的量在化學(xué)計算中的應(yīng)用”“混合溶液中離子變化與平衡體系”“常見無機(jī)物的性質(zhì)及轉(zhuǎn)化”等專題。在教師的分析、指導(dǎo)下,學(xué)生進(jìn)行針對性的訓(xùn)練與強(qiáng)化,形成解決對應(yīng)問題的思維模型,提高主干知識的認(rèn)知水平。
例如,2023年新課標(biāo)卷化學(xué)第27題第(6)小題考查焦亞硫酸鈉(Na2S2O5)與重鉻酸根離子(Cr2O2-7)反應(yīng)的氧化還原方程式的書寫。真實(shí)情境下陌生氧化還原方程式的書寫,不應(yīng)拘泥于知識點(diǎn)的死記硬背,而是需要準(zhǔn)確的信息提取及證據(jù)推理能力。針對該題目,首先要從工藝流程信息中推斷出Cr的存在形式為Cr2O2-7,進(jìn)一步確定出反應(yīng)物為S2O2-5與Cr2O2-7,根據(jù)氧化還原反應(yīng)規(guī)律,判斷出產(chǎn)物為SO2-4和Cr3+;其次,利用化合價的升降守恒,確定Cr2O2-7和S2O2-5的系數(shù)為2和3,則產(chǎn)物中SO2-4和Cr3+的計量數(shù)為6和4;再次,根據(jù)方程式兩邊的電荷守恒及溶液的酸堿性信息,將H+補(bǔ)充在方程式左側(cè);最后,利用元素守恒配平并檢驗(yàn)書寫是否規(guī)范。陌生氧化還原反應(yīng)方程式書寫思維模型如圖5所示。
從本題的答題情況分析可以看出,學(xué)生對于復(fù)雜混合溶液中平衡體系的分析仍存在較大問題。日常教學(xué)過程中,教師可以梳理該部分內(nèi)容的核心知識,分析“溶液中有哪些物質(zhì)”“物質(zhì)在溶液中發(fā)生了哪些相互作用”以及“物質(zhì)間相互作用的結(jié)果是什么”三個基本問題[10],引導(dǎo)學(xué)生建立分析問題的思路和認(rèn)知模型。通過建立水溶液中微粒間相互作用的分析模型(見圖6),可提升學(xué)生對混合溶液中微粒間作用的認(rèn)知水平。
(2)系統(tǒng)分析、評價方案,注意工業(yè)流程的前后聯(lián)系。
工業(yè)流程題情境陌生、環(huán)節(jié)復(fù)雜,路線中涉及到多種無機(jī)物的性質(zhì)及轉(zhuǎn)化,前后關(guān)聯(lián)密切,需對路線中的細(xì)節(jié)及整體方案有清晰的認(rèn)知。
例如,2023年山東卷化學(xué)第17題以高鎂鹵水為原料經(jīng)兩段除鎂制備Li2CO3,部分流程如圖7所示。精制Ⅰ加入生石灰(CaO)的目的是將其轉(zhuǎn)化為Ca(OH)2來沉淀鹵水中的Mg2+。精制Ⅱ加入純堿的目的是除去精制Ⅰ過程中過量的Ca2+。兩步操作前后相關(guān),后一步為前一步“掃尾”,且精制Ⅱ過程過濾所得的濾液經(jīng)濃縮,通過加入飽和Na2CO3溶液可以促進(jìn)Li2CO3的析出?!安僮鱔”應(yīng)選擇的試劑也需要系統(tǒng)分析工藝路線得出。因精制Ⅱ所得濾液中存在大量CO2-3,若直接將其濃縮,Li2CO3會隨著NaCl析出,降低最終沉鋰的產(chǎn)率,因此“操作X”的目的是除去溶液中的CO2-3,此處應(yīng)選擇試劑鹽酸。從該片段可以看出,解決工業(yè)流程問題的關(guān)鍵是既要熟悉物質(zhì)的性質(zhì),又要“瞻前顧后”、整體考量,在細(xì)節(jié)處判斷操作的可能性,在整體上分析方案的合理性。
教師在教學(xué)過程中,可對教材中涉及的方案進(jìn)行詳細(xì)分析及適度拓展,逐步提高學(xué)生“于細(xì)節(jié)處分析操作、整體上評價方案”的能力。例如,教師可以引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注“重結(jié)晶法提純苯甲酸”過程中的諸多細(xì)節(jié),如為什么要加熱溶解?為什么要趁熱過濾?雜質(zhì)(少量NaCl和泥沙)分別在哪一步除去?通過實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的分析幫助學(xué)生建立工業(yè)流程中對各個環(huán)節(jié)的物質(zhì)成分的推理方法。此外,教師可以對教材中“鋁的生產(chǎn)原理”工業(yè)過程進(jìn)行適度加深,讓學(xué)生自主設(shè)計鋁土礦制備鋁單質(zhì)的“酸溶”“堿溶”兩種不同方案,分享、比較、評價兩種流程的優(yōu)缺點(diǎn),并與實(shí)際工業(yè)制鋁過程進(jìn)行比較,在此基礎(chǔ)上自主反思,明確工業(yè)制備過程中的多種角度及常用措施。教師還可以拓展較為陌生的情境,如利用鋁灰(主要成分為Al、Al2O3、AlN、FeO等)制備鋁鞣劑[主要成分為Al(OH)2Cl]的流程分析。由簡單熟悉的情境慢慢過渡到相關(guān)卻有些陌生的情境,這符合學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展規(guī)律。在分析過程中,學(xué)生整體思考的同時專注細(xì)節(jié),能進(jìn)一步完善其調(diào)控工業(yè)流程的思路方法。
(3)完善角度,提高規(guī)范,注重文字描述的準(zhǔn)確表達(dá)。
日常教學(xué)中筆者發(fā)現(xiàn),許多學(xué)生在面對實(shí)驗(yàn)中的文字解釋問題時,總出現(xiàn)認(rèn)識角度不完善或表述不規(guī)范的問題。
例如,2023年浙江省1月化學(xué)選考第20題第(4)小題通過描述用Zn(CH3COO)2和過量(NH4)2CO3反應(yīng),考查得到的沉淀無需洗滌即可直接控溫煅燒得納米ZnO的原因。Zn(CH3COO)2與(NH4)2CO3反應(yīng)得到CH3COONH4和ZnCO3,產(chǎn)物中的CH3COONH4和過量的(NH4)2CO3作為雜質(zhì)在高溫下均可分解或被氧化為氣體而除去,并不會影響最終納米ZnO的純度,因此沉淀無須洗滌。但教師在學(xué)生作答中發(fā)現(xiàn),主要存在兩種表述的偏差:一種是雜質(zhì)成分正確,但是后面寫雜質(zhì)在高溫條件下“揮發(fā)”或“升華”或“水解”而變成氣體逸出;另一種是指出了雜質(zhì)在高溫下分解或氧化為氣體除去,卻未指明雜質(zhì)是什么物質(zhì)。由此可以看出,學(xué)生在文字描述時,會出現(xiàn)“關(guān)鍵信息抓不住、科學(xué)表達(dá)太隨意”的情況。
針對這一現(xiàn)象,筆者對教學(xué)提出以下建議:對于原因解釋類題目,許多學(xué)生常常出現(xiàn)“似是而非”的問題,但自己卻難以發(fā)現(xiàn)和改正。因此,課堂教學(xué)中教師可以引導(dǎo)學(xué)生分組討論,分享自己思考的角度,在交流過程中,學(xué)會抓住關(guān)鍵信息,完善自己的思維過程。對于答題規(guī)范,一定要落在實(shí)處。課堂教學(xué)中教師可以對學(xué)生的作答結(jié)果進(jìn)行拍照講解,一起“批試卷”“找缺陷”,并將典型的錯誤表達(dá)進(jìn)行歸納整理,解釋其錯誤原因,提高作答的準(zhǔn)確性。
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