學術探索情境類高考化學試題的特點及啟示

文吉槐 楊志義

摘要： 學術探索情境類化學電源高考試題追求真實情境，強調(diào)知識應用，為近年來以核心素養(yǎng)為導向的高考化學試題的代表。通過對近5年高考化學全國卷“化學電源”試題的分析，從文獻來源、試題情境、考查形式、考查內(nèi)容、知識融合等方面總結了試題的特點。并提出強化必備知識、引導模型建構、注重情境分析、提升信息素養(yǎng)等教學啟示和建議。

關鍵詞： 學術探索情境； 高考化學； 化學電源； 試題特點； 教學啟示

文章編號： 10056629（2023）07007606

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

《普通高中化學課程標準（2017年版）》提出以真實情境為測試載體的命題原則，試題情境的創(chuàng)設應緊密聯(lián)系學生的學習和生活，體現(xiàn)科學、技術、社會和環(huán)境的發(fā)展成果［1］。單旭峰，宋修明根據(jù)情境素材的來源將目前高考化學情境素材分為日常生活情景、生產(chǎn)環(huán)保情境、學術探索情境、實驗探究情境和化學史料情境［2］。其中，學術探索情境類試題以學術刊物最新的研究方法和成果為情境信息，還原了知識產(chǎn)生和應用的真實場景，與新課程改革及招生考試制度改革的理念相契合。通過對近5年（2018～2022年）高考全國卷分析發(fā)現(xiàn)，“化學電源”類考題均以學術探索情境形式呈現(xiàn)，追求情境的真實性，強調(diào)知識的應用，為近年來以核心素養(yǎng)為導向的高考化學試題的代表。

1 試題特點

1.1 源于研究文獻

2018至2022年高考理綜（化學）全國卷共計13套。其中2018年、2019年和2020年各有3套，稱為Ⅰ卷、Ⅱ卷、Ⅲ卷；2021年和2022年各2套，稱為甲卷和乙卷。13套試卷中直接考查化學電源的試卷有8套，每套1題，共計8道。這8道考題均以陌生的新型化學電源為背景，其情境信息來自近年來發(fā)表在國際頂級期刊的最新文獻，如Science、 Angew、 JACS、 Nature Energy等。以國際化學領域傳統(tǒng)頂級期刊Angew為例，2018年全國Ⅱ卷第12題、2019年全國Ⅰ卷第12題、2020年全國Ⅰ卷第12題的背景信息均出自該期刊上的研究文章，凸顯了命題者對試題素材質量的重視。此外，命題者還比較傾向于選取國內(nèi)學者的最新研究成果，如2022年全國甲卷第10題來自天津大學科研團隊2020年3月發(fā)表在Nature Energy上有關“ZnMnO2水系電池”的研究文章［3］；2022年全國乙卷第12題是來自南開大學科研團隊2022年3月刊登在Chemical Society Reviews上有關“光LiO2電池”的研究文章［4］，這也顯示了近來我國科學家在電化學領域取得的豐碩成果。

從試題的命制來看，學術探索情境類試題首先遵從了原文獻，還原了知識的真實場景，表現(xiàn)在試題的圖片情境信息和關鍵文字情境信息直接取材于原文獻。同時，為適應高考要求，對專業(yè)的研究方法和成果進行了簡化和提煉，對部分信息進行了適當?shù)难a充或刪減。以2022年全國甲卷第10題為例，從原文獻看，其圖片信息較為繁瑣（見圖1），不適合直接照搬作為高考試題情境，簡化后的圖片呈現(xiàn)的是一個三室雙膜電池裝置，更加明了直觀，突出主題（見圖2）。作為電池的重要組成部分，電解質是分析電池工作原理的關鍵，也是高考考查的重點。因此，命題者將該信息作了適當處理，在呈現(xiàn)完整電解質信息的同時，把離子移動方向作了隱藏，刪除了正負極名稱和電極反應式，同時將這些知識放在選項中進行考查。信息的適當補充，可以使試題呈現(xiàn)的情境更加豐富，知識更加完善，助力考生的思維推導。適當?shù)男畔h減，如電極名稱、電子移動方向、離子移動方向、隔膜種類及電極反應式等，則可靈活調(diào)整試題難度，同時檢驗考生的邏輯推理、模型建構、信息整合等能力，豐富知識的考查。

最新的學術研究成果與社會經(jīng)濟發(fā)展、科技進步、生活實際等密切相關，是考查學生知識和素養(yǎng)水平的良好素材。文獻情境素材對所有考生而言都是陌生的，可以確保試題的公平性，也能引導學生重視情境的分析和知識的應用，避免機械式記憶。高質量的期刊文獻則為試題情境的真實性、試題的高質量提供了保障。

1.2 追求真實情境

情境是高考評價體系中的考查載體，所謂的“情境”即“問題情境”，指的是真實的問題背景，是以問題或任務為中心構成的活動場域。高考評價體系中的“四層”考查內(nèi)容和“四翼”考查要求，是通過情境和情境活動兩類載體來實現(xiàn)的，即通過選取適宜的素材，再現(xiàn)學科理論產(chǎn)生的場景或是呈現(xiàn)現(xiàn)實中的問題情境，讓學生在真實的背景下發(fā)揮核心價值的引領作用，運用必備知識和關鍵能力去解決實際問題，全面綜合展現(xiàn)學科核心素養(yǎng)［6］。學術探索情境類“化學電源”試題呈現(xiàn)的情境信息通常有3～5條，其情境內(nèi)容基于學科知識理論，源自科學研究，強調(diào)真實性，體現(xiàn)應用價值。

情境的真實性反映了問題本身的復雜性和獨特性，因此，真實情境類試題除了呈現(xiàn)“共性”的化學基礎知識，還具備“個性”特點。如2020年全國Ⅰ卷第12題呈現(xiàn)的“ZnCO2水介質電池”，與考生對傳統(tǒng)電池的充放電認識有所不同，其充電反應并不是放電反應的逆過程。在正極，放電是CO2被還原并結合H+生成HCOOH的過程，而充電則是H2O被氧化為O2并釋放H+的過程（見圖3）；2022年全國乙卷第12題呈現(xiàn)的“光催化電極產(chǎn)生電子（e－）和空穴（h+）……驅動陽極反應Li2O2+2h+2Li++O2”信息，需要考生結合情境，理解空穴（h+）具有結合電子的性質，其作用相當于氧化劑。若考生將解題經(jīng)驗泛化，被規(guī)律束縛，將很難走進情境去分析真實問題。

真實情境不僅包含了豐富的化學知識，其創(chuàng)新的研究方法也富有啟發(fā)性，針對的社會問題具有人文教育價值。有時學生對試題中的化學知識內(nèi)容不一定留下印象，但他們會記住試題中某一段文字（可能與化學知識無關）、某一項新發(fā)現(xiàn)、某一個生活觀念，這就是試題情境的教育性［7］。如2018年全國Ⅱ卷第12題呈現(xiàn)的“可呼吸NaCO2電池”，放電時從外界獲取溫室氣體CO2，充電時再放出CO2。試題的背后是對變廢為寶、資源化利用，實現(xiàn)綠色可持續(xù)發(fā)展的探索；又如，2022年全國甲卷呈現(xiàn)的“水系ZnMnO2電池”，其背景源于科研人員創(chuàng)造性地利用電解質去耦合策略，使正極MnO2和負極Zn分別處于不同的酸堿性環(huán)境，以發(fā)揮電池的最佳性能，體現(xiàn)了化學研究促進科技進步、滿足人類美好生活的重要價值。因此，以“真實情境”為測試載體，傳遞學科核心價值和理念，考查學生在陌生情境下解決實際問題的能力，實現(xiàn)對必備知識和關鍵能力的考查，進而評價學生的化學學科核心素養(yǎng)的達成情況，已成為考試評價的重要目標［8］。

1.3 注重知識融合

高考要求學生能夠觸類旁通、融會貫通，既包括同一層面橫向的交互融合，也包括不同層面之間縱向的融會貫通?！吨袊呖荚u價體系說明》指出，在命制試題時，要從研究對象或事物的整體性、完整性出發(fā)，不僅要從學科內(nèi)容上進行融合，凸顯對復合能力的要求，也要在試題呈現(xiàn)形式上豐富多樣，從而實現(xiàn)對學生素質綜合全面的考查［9］。融合的目的是保證知識的完整性，防止知識的割裂，這是高考評價體系“四翼”考查中綜合性、應用性和創(chuàng)新性對知識融合的必然要求?；瘜W融合型試題分級分類框架見圖4［10］，該分級分類框架根據(jù)素材知識情境的類別與解題的相關度將融合的級別分為四級，級別越高融合的程度越高，通常情況下試題的綜合性越強，難度也越大。

下面應用融合型試題分級分類框架，對比研究2016年全國新課標Ⅱ卷第11題（以下簡稱“2016年試題”）和2019年全國Ⅰ卷第12題（以下簡稱“2019年試題”），分析內(nèi)容見表1?？梢钥闯觯?016年試題的融合度低，僅為1級。表現(xiàn)在試題素材簡單，為中學已學化學知識，且無情境圖片，問題選項僅涉及電極反應式和離子移動方向兩個方面的問題，考生作答的關鍵是根據(jù)氧化還原原理對電極反應的分析；2019年試題則表現(xiàn)出了較高的融合度，所給情境素材中只有“合成氨”是已學知識，“生物燃料電池”“MV2+/MV+”“氫化酶、固氮酶”均為新知識，且與解題相關聯(lián)。不過考生結合圖文信息，是可以對素材進行解讀，選出正確答案的，因此試題的融合度為3級。從近5年全國卷化學電源試題來看，1級和2級融合度試題已被淘汰，原因在于此類低融合度試題偏向對已有知識的簡單記憶，或“情境素材”與解題脫離。3級融合度試題則成為主流，意味著試題情境素材會出現(xiàn)新知識，考生解題過程中需要運用新知識對素材進行解讀。需要注意的是，試題難度與融合度之間也并非存在必然聯(lián)系，如2022年全國乙卷12題出現(xiàn)的新知識“光催化電極產(chǎn)生電子（e－）和空穴（h+）”是考生不能完全解讀的，從融合型試題的分級標準來看，該題的融合度為4級。但命題者設問的起點并不高，在不能完全解讀素材的情況下，考生仍能解題。因此，真實情境為載體的命題要求決定了考生不可能通過僅給的少數(shù)信息對試題進行完全解讀，但在保證情境真實性、復雜性的同時，命題者可在學生知識的“最近發(fā)展區(qū)”處設問。

例1 （2016年全國新課標Ⅱ卷第11題）MgAgCl電池是一種以海水為電解質溶液的水激活電池。下列敘述錯誤的是

A． 負極反應式為Mg2e－Mg2＋

B． 正極反應式為Ag＋+e－Ag

C． 電池放電時Cl－由正極向負極遷移

D． 負極會發(fā)生副反應Mg+2H2OMg（OH）2+H2↑

例2 （2019年全國Ⅰ卷第12題）利用生物燃料電池原理研究室溫下氨的合成，電池工作時MV2+/MV+在電極與酶之間傳遞電子，如圖5所示。下列說法錯誤的是

A． 相比現(xiàn)有工業(yè)合成氨，該方法條件溫和，同時還可提供電能

B． 陰極區(qū)，在氫化酶作用下發(fā)生反應H2+2MV2+2H++2MV+

C． 正極區(qū)，固氮酶為催化劑，N2發(fā)生還原反應生成NH3

D． 電池工作時質子通過交換膜由負極區(qū)向正極區(qū)移動

1.4 考題形式及核心考點相對固定

從近5年全國卷來看，化學電源考題均為選擇題，試題由題干和選項兩部分構成。題干提出一個化學電源問題并給出部分情境信息，選項則是根據(jù)信息進行的知識補充、原理推測、方法評價等。化學電源選擇題往往具有知識覆蓋面廣、切入點多、跨度大等特點，可以通過有限的素材對核心價值、學科素養(yǎng)、關鍵能力和必備知識進行較為全面的考查。因此，選擇題仍然會是化學電源試題今后的主要考查形式。

化學電源類試題雖然以復雜多樣的真實情境為測試載體，但其解決問題的工具即化學知識卻是相對固定的。對8道化學電源考題統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，其考查的核心知識主要是化學方程式、電極判斷、離子移動方向、電子（或電流）移動方向、微粒濃度變化、計算、電池評價七個方面。且考查內(nèi)容集中度高，方程式考查率為100%，且有5道考題涉及方程式的選項達到兩個。離子移動方向考查率為75%，僅2020年全國Ⅰ卷和2020年全國Ⅲ卷沒有出現(xiàn)。該考點通常結合“隔膜”進行考查，如2018年全國Ⅲ卷的“高聚物隔膜”、2019年全國卷Ⅰ的“交換膜”、2022年全國甲卷的“離子選擇性隔膜”、2022年全國乙卷的“離子交換膜”均未告知隔膜種類，需要考生結合情境對隔膜種類進行判斷，進而分析離子移動情況?？疾轭l率較高的還有微粒濃度的變化，為37.5%。此外，電池評價這一考點也值得關注，這類問題需要考生結合考題情境，對電池優(yōu)缺點、應用場景、電極材料的選擇等方面的評價作出判斷，體現(xiàn)了高考化學對“關鍵能力”中思維認知能力群的考查。如2019年全國Ⅲ卷第12題A選項“相比現(xiàn)有工業(yè)合成氨，該方法條件溫和，同時還可以提供電能”，該選項要求考生能結合電池工作原理，判斷出該電池的優(yōu)點；2022年全國乙卷第12題B選項“充電效率與光照產(chǎn)生的電子和空穴量有關”，該選項要求考生能結合給定的“光催化電極產(chǎn)生電子（e－）和空穴（h＋）驅動反應”信息，判斷充電效率與光照產(chǎn)生的電子和空穴量之間的關系。

2 啟示

2.1 強化必備知識

必備知識是指即將進入高等學校的學習者在面對與學科相關的生活實踐或學術探索問題情境時，高質量地認識問題、分析問題、解決問題所具備的知識，包括基本事實、基本概念、基本原理等內(nèi)容，是學科素養(yǎng)的基礎支撐［11］。以學術探索情境為背景的化學電源試題雖然以陌生情境為載體，以圖文形式呈現(xiàn)，綜合考查學生的信息獲取能力和信息加工能力。但就其考查的內(nèi)容而言，仍然是以氧化還原反應為基礎、化學電源工作原理為核心的必備知識，如電極判斷、電極反應式、離子移動方向、電子（或電流）方向、電化學計算等?？忌鷳⒅亟Y合氧化還原反應基本原理，加強對電化學反應式的書寫。從微觀角度分析離子移動方向及微粒濃度的變化以及導致這些變化的原因。結合氧化還原反應中的電子守恒，強化電化學相關計算的練習。

2.2 引導模型建構

化學知識模型的建構可以幫助學生建立解決復雜化學問題的思維框架，更加直觀地理解并解決化學問題，為后續(xù)學習提供有力的思維導向和支撐，以實現(xiàn)化學的學科價值［12］。比如，在電化學知識的整合復習階段，教師可以引導學生建構如圖6所示的知識模型。該模型打通了原電池和電解池各要素之間的相互聯(lián)系，有利于學生加強對電池放電和充電過程的理解與應用，提升知識整合能力和模型認知素養(yǎng)。

多室多膜電池中，選擇性隔膜的判斷至關重要，以2022年全國甲卷第10題的鋅MnO2水系電池為例。此類試題，可建立如下快速判斷隔膜種類模型：Ⅰ室和Ⅱ室含有的同種離子是SO2-4，則隔離Ⅰ室和Ⅱ室的膜為陰離子膜；Ⅱ室和Ⅲ室含有的同種離子是K+，則隔離Ⅱ室和Ⅲ室的膜為陽離子膜，見圖7。其原理分析如下：Ⅰ室和Ⅱ室用陰離子膜隔離，SO2-4在充放電過程中的移動不會導致電解質種類的改變，Ⅱ室和Ⅲ室采用陽離子膜隔離的原因也是如此。如果改變離子交換膜的種類，Ⅰ、 Ⅱ、 Ⅲ室電解質種類將會發(fā)生變化，且電池在非工作狀態(tài)下可能導致Ⅰ室的H+和Ⅲ室OH－移向Ⅱ室發(fā)生中和反應，進而降低Ⅰ和Ⅲ室的酸堿性。

2.3 注重情境教學

模型的建構有利于學生對零散知識的整合，能迅速排除干擾，聚焦重點，快速解答，但容易形成定勢思維，忽略問題的真實情境。如2019年全國Ⅲ卷第13題的3DZn電池，該題給出的不是化學電源的工作原理示意圖，而是電池的結構剖面圖，見圖8。工作原理示意圖是簡化了的抽象裝置，便于直接分析出正負極、電極反應等核心工作原理。而結構剖面圖更趨近于電池的真實構造，但其工作原理并不能從結構圖中直接顯示出來，這便對情境的分析提出了更高的要求。

電化學技術的更新不僅滿足人類發(fā)展的需求，也作為情境素材出現(xiàn)在試題中不斷啟發(fā)著學生解析問題的創(chuàng)新型思維。因此，引導學生關注情境、分析情境，有利于學生跳出定勢思維，解決陌生情境下的復雜問題，提升思維品質。當然，提升在真實情境中解決問題的能力不是單靠情境試題的訓練就能迅速提升的。其重點在于平時教學中教師對問題情境的有效創(chuàng)設，進而促進學生學習方式的轉變，如真實的STSE問題情境、生產(chǎn)環(huán)保情境、實驗探究情境、學術探索情境、化學史情境等。新版高中化學教科書從正文到拓展欄目再到課后習題均設計了大量的情境素材。以《選擇性必修1——化學反應原理》一書中“化學電源”教學內(nèi)容為例，三個版本的教材均十分重視情境素材的選取。人教版情境類習題多達11道，從傳統(tǒng)的普通鋅錳電池、紐扣電池到前沿的微生物電池、海水電池，涉及領域廣泛。魯科版拓展欄目的情境素材豐富多樣，有原理性探究，如鋅銅原電池電流產(chǎn)生原因；有知識性介紹，如電化學儲能技術；也有項目式活動，如設計載人航天器用化學電池。蘇教版重視教材正文的情境素材，通過圖文形式展示了六種不同的電池。這些情境素材一方面展示了化學知識對人類文明進程的重要作用，有利于培養(yǎng)學生科學態(tài)度與社會責任，另一方面也呈現(xiàn)了知識產(chǎn)生和應用的場景，有助于培養(yǎng)學生解決生活生產(chǎn)中真實復雜的實際問題的能力，提升科學探究能力和創(chuàng)新意識。

2.4 提升信息素養(yǎng)

2016年，世界教育創(chuàng)新峰會（WISE）推出的研究報告——《面向未來：21世紀核心素養(yǎng)教育的全球經(jīng)驗》顯示，信息素養(yǎng)已成為最受重視的公民七大素養(yǎng)之一［14］。2019年教育部考試中心提出“一層四核四翼”的高考評價體系，其中信息搜索能力和信息整理能力便屬于“四層”考查內(nèi)容中的“關鍵能力”。從近年高考試題趨勢來看，也有意識增加信息獲取的復雜程度，含有表格、流程圖、曲線圖、裝置圖等非文字信息展示方式的題目數(shù)量明顯增加。從2018年開始，全國卷化學電源類試題無一例外使用了圖片情境信息，這類圖片源于最新的文獻研究，因此具有較高的新穎性和陌生性，對考生獲取信息、加工信息和評價信息提出了新要求。如2019年全國卷Ⅰ電源裝置原理圖中出現(xiàn)了“MV+與MV2+在電極與酶之間傳遞電子”信息，考生如果不能有效獲取圖片及文字情境信息，便會將思維禁錮于傳統(tǒng)的化學電源裝置上，認為電子只能在電極上得失，在導線中傳遞，難以理解電極反應的兩步耦合。因此，教學過程中教師應注意引導學生主動參與對化學信息的獲取、分析、加工、評價等過程，并應用化學信息和形成的化學知識分析解決新的化學問題，培養(yǎng)創(chuàng)新精神。當然，提升學生化學信息素養(yǎng)的前提是教師要有提升自身信息素養(yǎng)的自覺性，那便是積極關注化學前沿研究成果，主動從各種渠道獲取不斷涌現(xiàn)出的新方法、新技術并將其納入學科的基本知識結構中。

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