“化學反應速率與限度”高考試題特征分析及啟示

陳愛民 楊玉琴

摘要： 從試題容量、呈現(xiàn)方式、試題情境、學科知識、學習水平、思想方法等角度，對2001至2020年全國高考1卷涉及“化學反應速率與限度”的試題特征進行演進分析，發(fā)現(xiàn)高考試題要求學生展現(xiàn)以問題情境為導向的問題解決能力，并逐年強調(diào)學科思想方法的考查，彰顯化學平衡思想，體現(xiàn)化學學科價值。

關鍵詞： 化學反應速率與限度; 化學平衡; 高考試題; 特征分析; 發(fā)展研究

文章編號： 1005-6629（2022）05-0089-06

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

“化學反應速率與限度”主題歷來是中學化學課程內(nèi)容的重要組成部分，對學生形成“變化觀念與平衡思想”“證據(jù)推理與模型認知”“科學態(tài)度與社會責任”等學科核心素養(yǎng)具有不可替代的作用[1]。高考評價對日常教學具有重要的導向作用，本文對2001至2020年理綜化學高考全國1卷（簡稱“全國1卷”）涉及“化學反應速率與限度”的試題進行梳理與命題演進分析，以把握高考評價特征，為該主題高考命題及教學的改進提供借鑒。

1 研究方法

1.1 研究樣本

選取2001～2020年全國1卷中與“化學反應速率與限度”內(nèi)容相關的試題，如表1所示。之所以選擇全國1卷的試題，是因為全國卷具有權威性和統(tǒng)攝性，能夠體現(xiàn)當時教學的導向，且有縱向可比性，對以后的教學具有引領和指導作用。

1.2 分析框架

龔偉、王祖浩等認為，化學試題特征是指試題在容量、題型結(jié)構、試題情境、學科知識、學科思想方法等多方面的綜合特征，并構建了相應的分析框架[2]。此框架與《普通高中化學課程標準（2017年版）》提出的“核心素養(yǎng)、真實情境、實際問題、化學知識”高考命題框架具有較高的一致性。因此，以此框架為基礎，將原框架中的“內(nèi)容情境”改為“試題情境”，并將情境內(nèi)涵界定為與實驗、生產(chǎn)、科學研究等實際應用相關的真實應用背景，以更符合課程標準的要求（如表2所示）。現(xiàn)以2019年全國1卷第28題[3]為例作具體說明。

2 命題特征分析

根據(jù)表2框架對試題樣本進行分類統(tǒng)計。對于試題情境、學科知識和學科思想方法等的分類是由兩位研究者先獨立進行，然后互相比對、協(xié)商，取得一致后再進行統(tǒng)計和分析。

2.1 試題容量分析

由表1可見，從2001～2020年全國1卷對“化學反應速率與限度”的考查形式，以2010年為分水嶺，之前除2004年以外分值皆為6分，分值固定;之后分值明顯增加，尤其是2013、 2014、 2015年除填空外還多1道選擇，故分值高達21分;2015年之后只有填空題，分值又回到14～15分，總設問數(shù)在6～10之間。可見，2010年之后高考1卷對“化學反應速率與限度”內(nèi)容的考查量明顯增加，顯示對該主題的重視，這與該主題在高中化學教學內(nèi)容中的重要地位和作用相符。

2.2 呈現(xiàn)方式分析

試題的題型結(jié)構與信息呈現(xiàn)方式如表3所示。

2.2.1 題型結(jié)構

由表3可見，題型涉及選擇、填空、計算，2010年前題型主要以選擇題型為主，只有2004年題型以計算題形式出現(xiàn)。2010年首次以填空題呈現(xiàn)，且之后涉及“化學反應速率與限度”的考查都是填空形式。填空題作為一種半限制性的題型，通過多層次的設問將考查內(nèi)容引向深入，往往要求學生組織或建構一個答案，對學生的思維能力和表達能力要求都較高[4]。因此，從題型結(jié)構的變化來看，對“化學反應速率與限度”的考查要求后10年比前10年顯然要高。

2.2.2 信息呈現(xiàn)方式

由表3可見，信息呈現(xiàn)主要是通過圖像圖表載體、化學用語、文字表述等。20年高考中通過圖像（表）呈現(xiàn)的有14年，屬于高頻考查，且常考常新。看似年年不同，考察角度在變，但實質(zhì)是以外界條件溫度、濃度、壓強等單一因素的改變影響反應物或生成物的量（濃度、含量、轉(zhuǎn)化率）的變化來分析平衡移動情況為主，即采用控制變量法探究外在條件對化學反應速率、限度的影響。不過，圖像中的信息量是逐步發(fā)生變化的。圖1～4分別呈現(xiàn)了隨年份變化的幾種不同的典型圖像。圖1、圖2的圖像較為簡單，提取的信息量少，僅呈現(xiàn)物質(zhì)的量或濃度與時間的關系，呈現(xiàn)反應的變化趨勢。圖3所示為2014年第28題呈現(xiàn)的平衡轉(zhuǎn)化率與溫度、壓強的關系，圖4所示為2019年第28題呈現(xiàn)的分壓隨時間變化的關系。顯然，圖3、圖4比圖1、圖2復雜，圖3中呈現(xiàn)平衡轉(zhuǎn)化率與溫度、壓強的關系，多了一種變化量，要用控制變量法進行分析。圖4呈現(xiàn)的是分壓與時間的關系，但圖4中曲線多，要結(jié)合題中的信息作出判斷（H2的分壓始終高于CO）繼而進行后續(xù)分析。說明近幾年圖像考查內(nèi)容和角度多變，對“化學反應速率與限度”知識的理解及運用能力的要求在逐年提高，并要求學生具有閱讀圖像、運用圖像解決問題的能力。

可見，2010～2020年高考要求學生通過觀察分析數(shù)據(jù)曲線、通過材料分析提取圖像信息的能力要求有逐步增加的趨勢，逐漸注重學生學科能力的考查。

2.3 試題情境分析

試題情境分析結(jié)果統(tǒng)計如表4所示。

可見，2010年前的選擇題題干及設問皆以考查學科知識和技能為主，沒有設置實際應用情境。2010年后，除了2016年外，皆設置了真實的應用情境，其中2010～2020年間研究情境設置最多。研究情境是根據(jù)國內(nèi)外科學工作者研究的新信息設計考查背景，需要學生具有“準確提取實質(zhì)性內(nèi)容，并與已有知識塊整合重組為新知識塊的能力”[5]。如2011年，以科學家利用太陽能分解水生成的氫氣在催化劑作用下與二氧化碳反應生成甲醇，并開發(fā)出甲醇燃料電池這一研究背景為真實情境。情境中提供太陽能分解水的信息，要求學生利用氫氣燃燒與水分解互為逆反應，焓變數(shù)值相等，解決水分解耗能的真實問題;提供氫氣與二氧化碳生成甲醇的信息，要求學生根據(jù)氫氣、一氧化碳的燃燒熱，運用蓋斯定律解決甲醇不完全燃燒的焓變的真實問題。工業(yè)生產(chǎn)是化學學科實現(xiàn)社會價值的主要途徑，生產(chǎn)情境試題選材重視理論聯(lián)系實際，關注與化學有關的科學技術、社會經(jīng)濟和生態(tài)環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展[6]。2010～2020年間有2年采用了生產(chǎn)情境，如2014年，以乙烯氣相直接水合法或間接水合法生產(chǎn)乙醇為情境，要求學生從中提取工藝條件、生產(chǎn)成本等關鍵信息，解決工業(yè)生產(chǎn)中的原料循環(huán)利用、酸液處理等問題，通過直接水合法和間接水合法的比較滲透安全意識以及環(huán)保觀念等。

可見，全國1卷對“化學反應速率與限度”主題的考查載體從2010年前的純粹的學科知識背景過渡到真實的科學研究、工業(yè)生產(chǎn)等真實應用背景，重視真實情境、實際問題與學科知識三者之間的融合，考查學生運用知識解決實際問題的能力，彰顯了化學學習的重要意義與學科價值。

2.4 學科知識分析

“化學反應速率與限度”專題知識點統(tǒng)計結(jié)果如表5所示。考查的知識點主要涉及反應速率、轉(zhuǎn)化率及產(chǎn)率、平衡移動、平衡常數(shù)、溶度積常數(shù)等。其中，平衡移動知識點考查最多，搭配轉(zhuǎn)化率、反應速率、平衡常數(shù)等進行考查。并且，考查的知識點顯示出逐漸增多的趨勢，2001～2009年段中知識點考查比較常規(guī)、單一，每題僅有1～2個知識點;2010～2020年之后考查知識點增多，每題有4～6個知識點，呈現(xiàn)一題多點，且許多知識點是通過情境創(chuàng)設、科學探究呈現(xiàn)。

2.5 學習水平分析

對各知識點的考查層次要求統(tǒng)計如圖5所示。可見除溶度積常數(shù)外，各知識點不同水平層次的考查都有體現(xiàn)，其中由于平衡移動考查次數(shù)最多，故在不同水平層次的考查點也最多。相較而言，對于平衡常數(shù)的考查知識水平要求較高，而溶度積常數(shù)主要在了解和理解水平層次進行考查。

從考查年份來看，本主題平衡移動知識點考查以2010年為分水嶺。2010年前定性考查平衡移動的方向為主，能運用勒夏特列原理作出平衡移動方向的判斷，考查要求屬于了解層次。2010年之后定量考查平衡移動的結(jié)果（轉(zhuǎn)化率、產(chǎn)率）以及反應速率為主，定性定量考查轉(zhuǎn)化率知識點相對保持不變。2010年后的情境化試題給出與定量計算有關的新信息，需要學生調(diào)用已有的知識與新信息之間建立實質(zhì)性聯(lián)系，建構新的知識體系，形成化學學科的關鍵能力，考查要求屬于理解（掌握）層次。化學平衡常數(shù)和溶度積常數(shù)知識點考查是近10年高考的熱點，溶度積常數(shù)知識點要求相對較低，沒有考查到綜合應用的層次。涉及化學平衡常數(shù)的考查水平層次總體較平穩(wěn)，但2018、 2019、 2020年化學平衡常數(shù)的考查用到氣體物質(zhì)的量濃度、物質(zhì)的量分數(shù)或氣體的分壓來表示進行定量計算，其綜合程度高、能力要求強。

2.6 學科思想方法

學科思想與學科方法合稱為學科思想方法，特指反映學科本質(zhì)、思維和規(guī)律，對學科的發(fā)展起關鍵性作用的核心思想、觀念與方法。其分為轉(zhuǎn)化思想、聯(lián)合思想與辯證思想三種。轉(zhuǎn)化思想又分為動態(tài)平衡思想、條件控制與選擇思想等;聯(lián)合思想又分為定性與定量相結(jié)合思想、微觀與宏觀相結(jié)合思想等;辯證思想又分為量變質(zhì)變思想、對立統(tǒng)一思想等[7]。本專題統(tǒng)計近20年試題所涉及的學科思想方法結(jié)果如表6所示。

由表6可見，研究發(fā)現(xiàn)全國1卷試題體現(xiàn)動態(tài)平衡思想有17年，只有2001、 2002、 2004年的考查為純計算。這與該主題本身的內(nèi)容特點有關，用動態(tài)平衡思想考察化學反應，預測在一定條件下物質(zhì)可能發(fā)生的化學變化或轉(zhuǎn)化也是核心素養(yǎng)背景下高中化學教學的具體要求。

宏微結(jié)合思想是指將宏觀與微觀相聯(lián)系的思維方式，從微觀層次認識物質(zhì)的組成、結(jié)構、性質(zhì)和變化。2001～2010年全國1卷試題沒有體現(xiàn)宏微結(jié)合，2011～2020年每年都有體現(xiàn)宏微結(jié)合試題，涉及考查物質(zhì)的性質(zhì)、化學反應轉(zhuǎn)化等，同時考查化學用語書寫、能量變化、反應的活化能、微粒電子等，從微觀層面分析解釋化學反應速率和限度。高考要求從宏觀和微觀相結(jié)合的視角分析與解決實際問題體現(xiàn)了化學學科的特征思維方式。

化學反應速率與限度受多種因素影響的問題往往比較復雜，為簡化問題的研究，只改變其中的一個因素，而控制其余幾個因素不變，這種方法稱為控制變量法[8]，即在其他條件不變的情況下分別得出濃度、溫度、壓強、催化劑、反應物的表面積等條件對化學反應速率或限度的影響結(jié)論。控制變量法是科學探究中非常重要的思想，由表6可見，20年高考中有5年涉及控制變量法的試題。

3 結(jié)論與啟示

由前分析可知，全國1卷20年“化學反應速率與限度”試題以2010年為分水嶺，題型從選擇題過渡到填空題，試題容量增大，分值大致穩(wěn)定在14～16分。考查知識點逐漸增多，且水平要求逐漸提高。2010年之前，選擇題題干及設問皆以考查學科知識和技能為主;之后，填空題中考查學生發(fā)現(xiàn)、分析、解決真實情境問題的能力逐漸凸顯，運用圖像信息獲取、加工與處理數(shù)據(jù)的要求逐漸提高。且以真實情境為考查載體，彰顯化學學科價值。重視在考查基本知識的同時，考查化學學科思想方法和學科關鍵能力。在“新課標、新高考、新教材”背景下，基于素養(yǎng)為本的教、學、評一體化要求，在教學中應該關注如下幾點。

3.1 重視創(chuàng)設真實的教學情境引導知識建構

新高考強調(diào)“試題的測試任務應融入真實、有意義的測試情境”[9]，“素養(yǎng)立意”的高考命題會更加注重日常生活、生產(chǎn)環(huán)保、學術探索、實驗探究、化學史料等情境的使用。故教學中要重視情境的創(chuàng)設，從化學學科視角和思維去構建問題，解釋生活中的現(xiàn)象，解決生產(chǎn)中的問題。只有在真實的問題解決中引導知識建構，學生才能靈活遷移到新情境中解決問題。“化學反應速率與限度”主題教學可從生產(chǎn)生活、科研和實驗中選取真實情境，如利用工業(yè)合成氨、鎳的精制、水煤氣、高壓氧艙治療以及二氧化氮-四氧化二氮平衡影響的數(shù)字傳感器實驗為真實情境。例如，可利用工業(yè)合成氨加壓原料氣、低于500℃、催化劑、壓縮機、不斷移去液氨等生產(chǎn)信息，針對不同的生產(chǎn)實際進行具體分析，綜合考慮各種影響化學反應速率、反應限度因素的必備知識，以及解決原料的選擇、反應條件的選擇和優(yōu)化、提高轉(zhuǎn)化率的方法等實際問題，培養(yǎng)學生綜合分析和解決問題的能力。

3.2 重視學生讀圖和數(shù)據(jù)分析能力的培養(yǎng)

基于數(shù)據(jù)曲線的化學反應速率和限度的圖像題是全國1卷多年來考查化學反應速率和限度的重要形式。因此，在教學中要有意識地培養(yǎng)學生查找資料、利用圖表收集和處理數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)、獲得結(jié)論的能力。如在化學反應的限度教學中，以2NO2N2O4轉(zhuǎn)化為例，在25℃用不同起始濃度的二氧化氮或四氧化二氮進行反應，得到二氧化氮、四氧化二氮不同時間段濃度的實驗數(shù)據(jù)為素材，讓學生分別計算各個時間段的反應速率，畫出正反應和逆反應速率隨時間變化的曲線圖。通過學生的自主分析歸納得出化學平衡的定義，以及化學平衡是一個動態(tài)平衡的結(jié)論。

另外，還需加強涉及轉(zhuǎn)化率（或產(chǎn)率）與溫度、壓強的關系圖，產(chǎn)率與投料比圖、分壓與溫度圖的讀圖訓練。第一強化識圖，會看點、線、面。多變量常用“定一議二”法，如圖象中有三個量時，應固定一個量來分別討論另兩個量之間的關系;第二強化圖文轉(zhuǎn)換，讀情境、讀圖表、讀問題，運用語言的描述，對圖、表、文進行信息獲取和整合，運用相關原理進行數(shù)據(jù)分析與處理;第三強化尋找真實情境、實際問題、解決問題所需的必備知識三者的相互聯(lián)系，關注生產(chǎn)生活中的實際問題，拓寬學生的視野。

3.3 重視教學內(nèi)容的結(jié)構化

該主題考查的知識點較多且通常需要綜合運用相關知識來分析和解決問題，因此，在平時教學中要重視主題內(nèi)容的結(jié)構化。第一，從知識關聯(lián)角度進行結(jié)構化處理。如在化學反應控制條件教學中，可將為何控制條件、控制哪些條件、怎樣控制條件等相關學科知識結(jié)構化;第二，基于認識思路結(jié)構化。如化學反應中溫度條件的控制，分析思路可從反應快慢、平衡移動、有副反應發(fā)生、物質(zhì)本身的物理性質(zhì)和化學性質(zhì)等角度入手;第三，基于核心觀念的結(jié)構化。本主題可在化學平衡觀、控制變量法這些大觀念下統(tǒng)整教學內(nèi)容開展教學。

參考文獻：

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