深挖素材以同材異構提升命題水平
——以“CO2無細胞化學酶法合成淀粉”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行，該體系以“一核”“四層”和“四翼”規范了每一次命題的目的、內容和要求，并宣布現有高考體系的《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、關鍵能力、學科素養、核心價值為命題考查內容；以基礎性、綜合性、應用性、創新性為考查要求。因此，各級模擬試題的命制應該先明確考試的性質，通過“四層”規定命題內容，“四翼”保障命題水平，提升命題質量。

圖1 《中國高考評價體系》的“一核四層四翼”圖示

“同材異構命題”是指利用相同的素材創設試題情境，從不同的角度設置問題，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”的學科體現，以期通過命題能力的提升引領教學設計能力的提升。

二、以“CO2無細胞化學酶法合成淀粉”為試題情境的同材異構命題思考

1.素材背景

2021年9月24日，中國科學院天津工業生物技術研究所所長馬延和團隊的研究成果“無細胞化學酶系統催化CO2合成淀粉”在國際學術期刊《自然》上發表。此合成代謝途徑(ASAP)“從陽光到甲醇，再到淀粉”，首先通過光伏發電將光能轉變為電能，再通過光伏電解水產生氫氣；然后通過催化劑利用氫氣將二氧化碳還原成甲醇，經C1到C3、C6、Cn，最終合成淀粉。全過程共11步核心反應，比其他的人工合成步驟要少。

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

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

“ASAP”蘊含多種能量轉化形式，涉及多種官能團的性質與轉化、多種反應規律的辨識與應用、反應熱力學與動力學的基本模型轉換與應用，具有高效、節能環保的學科價值體現，可以考查反應變化與規律、物質轉化與應用、物質結構與性質、化學用語與概念、反應原理與條件的控制等基礎知識。此外，“ASAP”也蘊含著素材的篩選與圖表識別、有效證據的分析與推測、結構與性質的分析與歸納、論證等學科關鍵能力的試題情境。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，落實化學學科核心素養，充分挖掘素材的學科知識，真正做到運用學科思想構建模型，跳出題海、提升命題能力。

圖2 “無細胞化學酶系統催化CO2合成淀粉”的11步核心反應流程

2.命題策略

(1)利用同材異構，提升編寫能力，明晰考試目標

學科素養是確定命題能力層級的重要導向。例如，掌握基礎知識、辨析基本概念、獲取有關信息屬于“理解與辨析能力”，識別有效證據、科學推理論證、處理轉化數據、歸納總結規律屬于“分析與推測能力”，判斷物質結構、分析物質性質、預測反應現象、推測反應結果屬于“歸納與論證能力”，設計探究方案、描述實驗現象、分析實驗數據、評價探究方案屬于“探究與創新能力”。

此外，在命題時，還應關注考試時間與單道試題耗時的關系，斟酌考查角度與問題設置，問題的搭配以及試題的區分度，答案的合理性與書寫量。

不同的考試性質決定了不同的試卷呈現方式。例如：新教材“學業水平合格性考試”針對必修第一冊、必修第二冊的教學，檢測所有經歷過高中化學學習的學生，試題更側重基于真實情境考查基礎性與簡單的綜合性；新教材“學業水平等級性考試”及“高考模擬卷”試題不僅需要注重考查學科本質，也應考查考生從化學學科視角綜合運用已有知識解決實際問題。此外，試題的應用性與創新性也隨教學內容的增加而提升。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，明確考試性質是編寫命題細目表的指南針。

在命制高考模擬題時，可預設如表1的細目表：

表1

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

A.該反應屬于加成反應

B.DHA能發生取代反應，不能發生氧化反應

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，最多可消耗2 mol NaOH

【參考答案】A

【解題思路】該反應為不飽和鍵減少的反應，屬于加成反應，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，B項錯誤；DHA分子中的單鍵碳類似于甲烷結構，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，D項錯誤。

在命制學業水平合格性考試的模擬試題時，可預設細目表如表2所示：

表2

試題以合成路線中的一個具體物質為試題情境為背景，考查分子式的識別、基礎有機化合物的性質、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；通過減少陌生反應使試題的知識點定位更明確；通過給定物質的結構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，中國科學院天津工業生物技術研究所“無細胞化學酶系統催化CO2合成淀粉”一文在國際學術期刊《自然》上發表。其中HOCH2COCH2OH(DHA)是合成中的一個中間產物。下列說法正確的是( )

A.DHA分子式為C3H2O3

B.DHA能發生氧化反應、取代反應

C.DHA與乙醇互為同系物

D.1 mol DHA與足量NaOH溶液反應，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；DHA分子含有羥基，可以發生酯化反應，B項正確；同系物首先應具有相同種類和數目的官能團，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，D項錯誤。

(2)利用同材異構提升篩選能力，精簡情境烘托

同一素材從不同的命題角度出發，可以考查不同的知識、能力與素養。試題情景越真實、復雜，對學生的信息提取能力、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。命題者可以根據命題細目表的考查要求，篩選必要素材，創設必要的試題情景。

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度不大的信息，導致考生閱讀量增大、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用與遷移能力考查的不足。

例如，“無細胞化學酶系統催化CO2合成淀粉”首先通過光伏發電將光能轉變為電能，再通過光伏電解水產生氫氣，然后通過催化劑利用氫氣將二氧化碳還原成甲醇。這是考查反應規律、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都呈現出來，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，預設如表3的細目表：

表3

試題以“高考模擬題”為目標，選取三步反應創設情境，考查催化劑的概念、反應規律的應用、守恒關系計算與公式計算。可命制的試題為：

【試題3】2021年9月，中國科學院天津工業生物技術研究所成果“無細胞化學酶系統催化CO2合成淀粉”在國際學術期刊《自然》上發表，引發化學界的極大關注。其中部分核心反應轉化圖3所示。設NA表示阿伏加德羅常數的值，下列說法正確的是( )

圖3

A.反應Ⅱ和Ⅲ中用到的“cat”與H2O2是催化劑

B.標準狀況下，2.24 L X中含極性鍵的數目為0.2NA

C.常溫常壓下，反應Ⅰ中電子轉移數為6NA

D.若碳元素不損失，理論上44 g CO2可制得淀粉的質量為27 g

【參考答案】D

【解題思路】H2O2在反應Ⅱ中既是氧化劑又是還原劑，在反應Ⅲ中為氧化產物，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Ⅰ的化學物質的量，無法計算，C項錯誤；D.若碳元素不損失，根據碳守恒知，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，可預設如表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生物所研究成果“無細胞化學酶系統催化CO2合成淀粉”相關論文在國際學術期刊《自然》上發表。成果利用光伏發電，將電解水獲得的H2與CO2反應合成甲醇，再由甲醇經若干酶促反應合成淀粉。根據題意回答下列問題：

(1)該研究成果中涉及的能量轉換形式為。

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)取物質的量濃度為amol·L-1的甲醇，選擇不同的工程酶組塊經過10 h反應，測得如表6實驗數據：

表6

①最佳的反應條件為

。

②已知溫度升高，反應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可用淀粉的質量濃度表示反應速率為g·L-1·h-1。淀粉的產率為________(用含a的代數式表示，保留兩位有效數字)。

④請畫出實驗1和實驗2的“反應過程—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，則生成甲醇的反應發生在________極，該電極反應式是________。

【參考答案】(1)光能轉化為電能、電能轉化為化學能；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“成果利用光伏發電，將電解水獲得的H2與CO2反應合成甲醇，再由甲醇經若干酶促反應合成淀粉”知該研究成果中涉及的能量轉換形式有光能轉化為電能、電能轉化為化學能等；根據乘法原理，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，相同時間內生成的淀粉量更大，說明所用催化劑為正催化劑，故“反應過程-能量”示意圖如圖5所示(變化趨勢正確即可)：

圖5

(3)利用同材異構促進細節打磨，完善命題規范

試題的嚴謹性與規范性不僅體現了命題者的專業素養，也體現了對考生、閱卷人的尊重。命題者在命制試題時需要思考：試題是否出現科學性錯誤？試題是否有“為命題而命題”的紙上談兵現象，在現實生活中根本不可能實現？試題是否會讓考生產生歧義？同一道題在排版時是否會出現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量的一個重要參數。命題符號通常采用的是《中華人民共和國國家標準有關量、單位和符號的一般標準(GB3101-93)》的相關規定，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、同材異構的命題收獲

命題者以“同材異構”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練命題者考查核心素養、素養水平、關鍵能力、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、整合素材的創造性。

命題者團隊以“同材異構”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、關鍵能力、核心價值是否更能體現學科素養？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置是否更能體現學科素養？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范、簡潔？

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