從工藝流程題的解答中培養化學核心素養

摘 要：化學工藝流程題以化工生產為載體，根據生產過程中涉及的化學知識、化學原理、實驗操作等進行設問，充分體現了對證據推理與模型認知、變化觀念與平衡思想、科學探究與創新意識等學科核心素養的考查。文章對2020年和2021年高考全國卷部分工藝流程題進行了對比分析，對其設問方式、命題角度進行了歸納總結，并從解題思路上指導學生掌握此類題目的答題模式，旨在提升學生的化學核心素養。

關鍵詞：化學核心素養;工藝流程試題分析;解題思路;教學啟示

作者簡介：魏倩倩（1989—），女，甘肅省白銀市實驗中學，一級教師。

一、課題的提出

《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》將高中化學學科的核心素養概括為五個方面，并強調核心素養是學科育人價值的集中體現，是學生綜合素質的具體體現。因此，一線教師要加強對學科核心素養的研究和思考，并不斷在實踐中總結經驗。按照其要求，高考命題應該把真實情境、實際問題和學科知識有機地結合起來。

工藝流程題，就是用框圖形式將化工生產過程中的主要流程表示出來，并根據生產過程中涉及的知識、原理、實驗操作等進行設問，形成以化工生產為載體的工藝試題。其素材主要涉及廢物的回收利用、礦石的開發提取等，充分體現了對證據推理與模型認知、變化觀念與平衡思想、科學探究與創新意識等高中化學學科核心素養的考查。本文對2020年和2021年高考全國卷部分工藝流程圖題進行了對比分析，對其設問方式、命題角度進行了歸納總結，并從解題思路上指導學生掌握此類題目的答題模式，促使學生在解題過程中不斷提升化學核心素養。

二、高考化學工藝流程題分析

工藝流程題是近幾年高考化學必考題，一般以主觀題的形式出現。考查內容主要涉及實驗基本操作，化學反應原理，物質之間的相互轉化，物質的分離提純以及轉化率、產率等的計算。該模塊試題隱含的信息較多，并且大多是學生不熟悉的，學生有本能的畏懼心理，甚至無從下手，得分率普遍偏低。為改變這一現狀，筆者對2020年、2021年高考全國卷部分工藝流程題進行了統計分析，總結了這類題型的命題角度，并從核心素養的角度出發對學生素養水平的劃分做了進一步分析，詳見表1。由表1可知，工藝流程題的綜合性強、難度大，對學生能力要求高。下面以2021年全國乙卷化學26題為例做具體分析。

例題：磁選后的高鈦爐渣，主要成分有TiO2、SiO2、Al2O3、MgO、CaO以及少量的Fe2O3。為節約和充分利用資源，通過如下工藝流程（見圖1）回收鈦、鋁、鎂等。

該工藝條件下，有關金屬離子開始沉淀和沉淀完全的pH已知，回答以下問題：

（1）“焙燒”中，TiO2、SiO2幾乎不發生反應，Al2O3、MgO、CaO、Fe2O3轉化為相應的硫酸鹽。寫出Al2O3轉化為NH4Al（SO4）2的化學方程式_____。

（2）“水浸”后“濾液”的pH約為2.0，在“分布沉淀”時用氨水逐步調節pH至11.6，依次析出的金屬離子是____。

（3）“母液”中Mg2+濃度為___mol·L-1。

（4）“水浸渣”在160 ℃“酸溶”，最合適的酸是____。“酸溶渣”的成分是____、____。

（5）“酸溶”后，將溶液適當稀釋并加熱，TiO2+水解析出TiO2·xH2O沉淀，該反應的離子方程式是_________。

（6）將“母液1”和“母液2”混合，吸收尾氣，經處理得______，循環利用。

分析：由第1問可知，高鈦爐渣與硫酸銨混合后焙燒時，TiO2、SiO2不反應，Al2O3、MgO、Fe2O3、CaO轉化為相應的硫酸鹽，尾氣為NH3;將焙燒后物質加入熱水水浸，TiO2、SiO2不溶于水，微溶的CaSO4部分溶于水，NH4Al（SO4）2、MgSO4、Fe2（SO4）3溶于水，過濾得到含有TiO2、SiO2、CaSO4的水浸渣和含有NH4+、Al3+、Mg2+、Fe3+和少量CaSO4的濾液;由第2問可知向pH約為2.0的濾液中加入氨水調節pH至11.6，根據題給表格中有關金屬離子開始沉淀和沉淀完全的pH數據可知，溶液中Fe3+、Al3+和Mg2+依次沉淀，過濾得到含有（NH4）2SO4、CaSO4的母液和氫氧化物沉淀。由第4問可知，“水浸渣”需要在160 ℃“酸溶”，故只能選擇高沸點酸硫酸，而SiO2、CaSO4與濃硫酸不反應，只有TiO2與稀硫酸反應得到TiOSO4，過濾得到含有SiO2、CaSO4的酸溶渣和TiOSO4溶液;將TiOSO4溶液加入熱水稀釋并適當加熱，使TiO2+完全水解生成TiO2·xH2O沉淀和硫酸，過濾得到含有H2SO4的母液和TiO2·xH2O。

其中第1問和第5問考查陌生情境下方程式的書寫，體現了對信息閱讀、提取和應用能力的考查以及原子守恒思想的運用。第2問考查通過調節溶液的pH，使某些金屬離子沉淀，體現了對教材知識遷移應用的能力以及對數據信息接受、吸收、整合能力的要求。第3問通過Ksp與離子濃度的計算，考查沉淀溶解平衡理論的運用，體現了對利用平衡常數進行定量分析能力的要求。第4問考查流程圖中試劑的選擇以及物質成分的分析，體現了對元素及其化合物性質的辨識能力和對流程圖中物質變化的分析推理能力的要求。第6問考查化工流程圖中循環物質的確定，體現了對綠色化學核心觀念的要求。

三、解題思路指導

解答化學工藝流程題，首先，要從題目給出的信息剝離出流程圖的主線與核心：原料—預處理—核心反應—產品的分離提純—目標產物。從題干上找出原料和目標產物相對較容易，難的是通過題目信息找出流程中涉及的兩條主線：物質轉化線和操作線。要注意從問題中捕捉有用信息，幫助分析流程圖中的相關步驟。

其次，要從整體到局部把握整個流程，明確每步轉化的物質變化與最終獲得目標產物的關系，分析每一步操作試劑的選擇及其目的。

最后，要仔細分析每一步反應的條件以及得到的中間產物，并結合產物的物理、化學性質，用相關的化學原理來解答實際問題。

化學工藝流程中對原料進行預處理的基本操作主要有粉碎、煅燒、酸溶、堿溶、鹽浸等，目的是初步除掉雜質。產品的分離、提純操作主要有過濾、結晶、蒸餾、萃取、分液等。往往還需要考慮條件的選擇，如溫度、濃度、pH等，比如過濾操作中的趁熱過濾，其目的是防止產物因溫度下降導致溶解度減小而析出;同理還有洗滌操作中用冰水洗滌，其目的是防止因為水溫過高導致溶解度較大而造成產品的溶解損失;再比如平衡體系中通過調控溫度、離子濃度等改變反應速率從而引起平衡移動;還有最常考的通過調節溶液的pH使不同的金屬離子分步沉淀;等等。這些都是解決工藝流程題需要儲備的知識，要求學生在復習時針對上述內容進行強化記憶，為順利解答流程題打好理論基礎。

四、教學啟示

就目前高考工藝流程題的命題特點和考查標準來看，其著重考查學生的能力，即核心素養達成水平，要求教師對教學模式做出改進，不光要強調知識的掌握，還要重視能力的培養。在日常教學過程中滲透核心素養，可以從以下兩個方面入手。

（一）注重真實情境創設

素養為本的課堂教學要求教師重視過程教育，要求教師在平常的教學中創設真實而且有意義的情境，讓學生通過對真實情境的分析、思考、討論、探究，體會化學知識在生產生活中的廣泛應用，不斷提升思維能力、積累實踐經驗，在分析和解決實際問題的過程中形成和發展核心素養。教師平時要善于積累情境素材，要有敏銳的化學思維，要能從日常生活、新聞熱點、科技前沿資訊等真實情境中發現隱含的化學知識，并分析這些情境素材中涉及的素養取向，及時地整理收集素材，為將來備課創設情境做好準備。教師要根據不同階段學生的知識儲備、心理特點、認知能力的差異，合理地運用這些情境素材，對情境剖析的深淺度應該與學生的認知能力相匹配。通過文字、圖片、視頻等不同形式引入情境，讓學生身臨其境感受化學知識，圍繞情境進行思考、分析、探究，從而得出解決實際問題的辦法。這不僅提高了學生的學習興趣和課堂參與度，還使學生產生了成就感，長期堅持就能形成良性循環，讓學生越來越喜歡化學，從而激發學生的內生動力。

（二）注重夯實基礎，提高綜合能力

工藝流程題綜合性強，復習時教師應重點關注學生多模塊知識的切換與綜合應用能力的培養。此類題往往結合元素化合物知識考查化學反應原理，這就要求學生從本質上理解影響化學反應速率的因素、化學平衡理論、水溶液中的離子平衡以及電化學原理。比如離子濃度以及Ksp相關計算這類題型，要求教師在復習時通過專項訓練提升學生基于證據進行推理的能力以及定性和定量分析結合的能力。工藝流程以化學實驗為基礎，所以學生要熟練掌握中學實驗涉及的基本操作，不光要知道怎么操作，還要知道為什么要這么做。教師在復習實驗操作時要重視課本上的基礎實驗，比如以粗鹽的提純、離子的檢驗、海水提溴、海帶提碘、乙酸乙酯的制備等基礎實驗為案例，進行實驗原理、實驗方法、實驗操作的復習。結合案例分析，便于學生理解每一步操作的目的，當然也更容易記憶。例如在學習“影響化學反應速率的因素”“平衡移動的影響因素”等知識點時，可以引導學生自主設計實驗方案進行探究。學生通過方案的設計、儀器的選擇、現象的觀察與分析、原理的解釋、歸納過程，熟悉實驗儀器的用途，明確實驗操作的目的，逐步提高分析問題、解決問題的綜合能力。

五、總結

化學核心素養的培養不是一蹴而就的，需要一線教師多思考、多實踐，將核心素養的發展落實在課堂教學中，并通過平時的考練掌握學生的素養達成水平。以上僅是筆者個人針對工藝流程題的解答作出的思考，希望對其他同仁能有所啟發。

[參考文獻]

中華人民共和國教育部.《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》[S].北京：人民教育出版社，2020.

林藝航，陳燕.基于化學核心素養的高考試題分析——評2020年全國Ⅰ卷化學試題[J].化學工程與裝備，2021（01）：282-284.