基于化學學科能力表現的“化學反應速率與化學平衡”模塊試題分析與思考

摘要： 化學學科能力分為學習理解能力、應用實踐能力和遷移創新能力，具體分為九個水平?；诨瘜W學科能力分析近五年（2019～2023年）北京高考試卷“化學反應速率與化學平衡”模塊試題，歸納總結試題的特點與學科能力表現水平，進一步提出相應的備考建議與備考方案。實施備考方案能有效提升學生的化學學科能力，達到化學學科核心素養的相關要求。

關鍵詞： 化學學科能力表現； 化學反應速率與化學平衡； 備考建議； 化學學科核心素養

文章編號： 1005-6629（2024）07-0086-06 中圖分類號： G633.8 文獻標識碼： B

高考試題在核心素養培育過程中起到評價和導向的作用［1］?；瘜W高考試題在考查核心知識的同時，注重考查學生的關鍵能力。2023年北京市高考評價報告中指出，化學試卷中考查的關鍵能力包括：辨識理解能力、概括應用能力、分析推理能力和探究創新能力。這些能力與化學學科能力有相似之處，自2016年王磊團隊提出化學學科能力后，化學學科能力作為一種試題分析和教學改進的工具，一直被廣泛運用。本文運用化學學科能力表現模型作為試題分析工具，歸納總結相關試題的變化特點，探索基于核心素養的化學教學及備考工作。

《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱“課標”）在“化學反應速率與化學平衡”模塊上多次提出學生要對“數據、圖表”進行描述、分析、解釋、說明、提出解決方案等能力要求。數據、圖表來源于真實的工業生產，解決真實問題就是在落實核心素養的要求。該模塊與化學五大核心素養密切相關。以“科學探究與創新意識”素養為例，課標將該素養分為四個層級，難度由低到高分別對應第一級到第四級。分析課標中對“化學反應速率與化學平衡”的相關要求，發現其核心素養發展水平主要集中在第三級和第四級，屬于較高的核心素養發展水平，這也決定了化學反應速率與化學平衡的相關內容對于學生復習備考來說是重點，也是難點，研究這個模塊的試題變化對于提升學生的關鍵能力很有價值。

1 化學學科能力及表現簡介

王磊團隊提出的“學科能力構成模型”（見圖1）包括四個維度［2］。其中，核心知識及活動經驗需轉化為自覺主動的學科認識方式才能成為學科能力，進一步形成學科素養。研究對象及問題情境會影響學科認識方式的形成。

學科能力具體分為三個一級要素（A、B、C）和九個二級要素（A1～C3）。九大學科能力內涵各異，從A1到C3依次遞增，A層著重知識理解，B層強調應用實踐，C層體現遷移創新能力（見表1）。

2 基于化學學科能力表現的試題分析

對2019～2023五年北京高考中的“化學反應速率與化學平衡”相關試題分布及學科能力進行分析，得到表2。選擇題以每一個題為單位、非選擇題以每一個小空為單位進行統計。

以2023年19（1）③中的第三個空為例（見圖2），說明題目與化學學科能力的關系。本題以Cu被I2氧化為實驗探究情境，該情境對于學生來說屬于陌生情境。在陌生情境中，學生需要運用一定的銅及其化合物、氧化還原、速率平衡的基礎知識，調用“基于實驗現象的復雜證據推理”的科學思維和基于資料信息的現場學習能力才能給出正確答案。首先，學生需明確銅未完全反應的事實說明Cu和I2的反應速率變慢。通過速率的影響因素論證速率變慢的原因：由于Cu表面覆蓋了CuI，使得反應物之間的接觸面積變小，導致反應速率下降；其次，學生還需要充分反思：為什么Cu表面會覆蓋CuI？通過對本題表格中實驗設計過程及現象的推理分析，明確c（I-）低時，Cu表面形成難溶的CuI，才會存在覆蓋問題。經過以上復雜的推理過程，學生作答：由于c（I-）低，導致Cu表面會覆蓋CuI，使得反應物之間的接觸面積變小，使反應速率下降。這些推理過程是基于真實問題需要學生進行多角度、多步驟的系統推理，因此該問題屬于化學學科能力中的C1水平。

由表1進一步統計可知，每年度在“化學反應速率與化學平衡”的考查分值情況見表3。

由表3可知，從分值來看，呈現先升后降的趨勢，2021年達到最大值，當年高考卷也是公認的最難的一套北京試卷。分值越高，學生感受整套試卷越難。由此可知：速率、平衡的試題決定了整套試卷的難度。因此，在備考復習中要加大速率、平衡的比例。從2021年來看，16分的考查內容不僅是速率、平衡單一模塊的考查，而是原理結合了結構、無機、實驗等的跨模塊綜合考查，增加了思維難度。此外，高考試卷要考查核心素養，落實素養的題目必然是真實問題，真實問題一般是復雜且陌生的，陌生的程度決定了思維難度。試題越陌生，學生解決試題的思維路徑越長、越曲折、需要多角度認知，因此原理的備考復習，必然要結合大量的真實復雜陌生的實際問題。

由表2進行“化學平衡”內部核心知識的二次統計分析，得到圖3。該雷達圖直觀展示：“用平衡移動解釋實際問題”的考查頻次最多，這也是高考備考復習的重點。

由表2進行“化學反應速率”內部核心知識的二次統計，得到圖4。由圖4可知，考查分值最高的是“從速率的影響因素視角解釋復雜問題”，這也是備考復習的一個重點。因而在復習中要增加真實問題的比例，將速率的影響因素視角模型化，多次引導學生面對真實問題時能從速率的影響因素視角切入，快速解決。

由表2進行學科能力考查分值的統計分析，得到不同學科能力維度下的分值統計如圖5所示。五年試題中，A3和C1的學科能力考試頻次最高。因而在備考復習中，要重視題目設問指向“A3、 C1“的能力培養。教師可以通過讓學生多說多講，鍛煉說明論證的能力。同時，增加真實復雜陌生試題的練習比例，提升學生的思維品質。

3 基于化學學科能力表現的化學復習思考

基于高考試題的分析，針對北京高考的特點，在備考復習中，應該從知識維度上增加“用平衡移動解釋問題”“速率的影響因素解釋復雜問題”的比例，從學科能力維度上重視“A3和C1”能力的培養?！盎瘜W反應速率與化學平衡”屬于核心知識多、考查能力高的模塊，因此破解該模塊的備考復習策略之一是：將復雜問題分類歸納成若干專題，進行專題式復習，才能幫助學生養成解決速率、平衡問題的能力。復習專題應該由易到難，以下是一種復習方案設計（見圖6）。第一個專題是落實速率、平衡基礎知識，方式是以思維導圖將知識形成體系，落實課標“知識結構化”的要求。第二個專題是落實教材出現的實驗，方式是重現實驗、培養“證據推理”意識，將近些年的高考、模擬題進行關聯，提高學生問題解決的能力。第三個專題是從速率的影響因素視角解釋實際問題。為了幫助學生養成速率解決問題的認知角度，需要把真題、模擬題中的真實問題進行分類研究——一種典型的圖像“先升后降”、自催化、凈消耗問題（即消耗速率大于生成速率模型）、凈生成問題（即生成速率大于消耗速率模型）、主副反應競爭（催化劑選擇性），基于反應機理、催化機理、決速步等角度的真實問題解決等。

簡單的歸類不會讓學生形成思維定勢，而是幫助學生建立一定的分析視角，有了分析視角后，遇到新的問題時，學生就能從學過的視角進行遷移。第四個專題是從“平衡移動視角”解釋真實圖表問題。具體細化為5個二級專題進行細致復習。

第一，單一平衡體系——以工業合成氨為例，如何調控反應。第二，多平衡體系——協同關系，如何系統解釋平衡移動帶來的影響。第三，多平衡體系——競爭關系，如何選擇影響體系結果的主要平衡？如何選擇平衡移動的主要影響因素？第四，平衡計算。單平衡體系如何通過三段式解決轉化率問題？在多平衡體系中，如何基于多重平衡常數進行計算？第五，對于平衡移動的方向和結果，如何形成模型化的解決思路？

以其中一個專題（一種典型的圖像“先升后降”）為例，闡述備考復習如何展開。該專題的驅動型問題是：面對“先升后降”圖像類問題，如何形成系統化思維？“先升后降”類圖像，主要考查學生對圖像的分析解釋能力，以及基于圖像的證據推理能力。面對圖像，首先要理解圖像的意義，其次要通過題干分析操作條件，之后要找準題目的研究對象：什么物質、什么反應。之后是最難的一步：界定問題——是速率問題還是平衡問題？然后進行分析作答。下面以2023年北京高考18題（3）②為例，題目如7所示。本題中的“沉淀率”暗示為速率問題（即界定問題），操作條件是時間，沉銀的核心反應{①2［AgCl2］-+Fe2Ag+Fe2++4Cl-、 ②2H++FeFe2++H2↑、 ③2Fe3++Fe3Fe2+}是研究對象。隨著時間的延長，沉銀率先升高后降低，說明這里面有兩個反應。一個是生成銀的反應，一個是消耗銀的反應。生成銀的反應是核心反應①，消耗銀的反應需要學生從體系中利用Ag的性質來尋找。不難發現，體系中有Fe3+，可以消耗Ag，或者是環境中的O2可以氧化Ag，因此“先升”說明生成Ag的反應速率大于消耗Ag的反應速率；“后降”說明生成Ag的反應速率小于消耗Ag的反應速率。

本題典型的錯誤是從平衡移動角度進行分析。因此界定問題的屬性至關重要。

通過對高考題的分析，總結出解決這一類問題的思維范式：從理解圖像意義到分析操作條件，到找準研究對象，到界定問題再到運用導語信息“自洽”作答。操作條件往往是：溫度、濃度、催化劑、接觸面積等。界定問題時引導學生思考是速率問題還是平衡問題。速率問題應該從影響因素出發，平衡問題更多的是考查外界條件對平衡移動的影響。根據題目的導語信息，在表述時邏輯自洽即可，如圖8所示。

依據圖8的思維模型，現在來解決一個真實問題：2023年海淀二模第16題（2）②（見圖9）。本題中有兩個設問。一是研究溫度升高CO2的平衡轉化率下降的原因，二是研究溫度升高甲醇的實驗產率降低的原因。“CO2的平衡產率降低”明確給出了平衡視角?！凹状嫉膶嶒灝a率降低”的信息需要學生判斷是平衡問題還是速率問題。實驗產率沒有達到平衡產率，因此反應沒有達到平衡，應該是速率問題。這里的操作條件是溫度，涉及的反應是括號1中的制備甲醇的主反應和括號1所問的副反應。在“CO2的平衡產率降低”設問處，學生需分析出主反應放熱而副反應吸熱，溫度對兩個平衡移動的影響方向不一致，這就涉及平衡的另一類問題：多平衡體系的競爭問題。“甲醇的實驗產率降低”的設問，調用的是“溫度升高，影響了催化劑活性”的視角。經過系統化復習后，學生很容易調用平衡控制及速率控制的相關視角，給出正確作答。

4 結束語

近五年北京高考“化學反應速率”模塊主要考查的是“從速率的影響因素視角解釋復雜問題”，“化學平衡”模塊主要考查的是“用平衡移動解釋真實問題”。從化學學科能力角度來看，主要考查的是A3和C1兩個水平，C1已經屬于“遷移創新”的學科能力水平，說明速率、平衡專題考查難度較大。在復習備考中，將速率、平衡進行分模塊復習，每個模塊形成突破學生思維障礙的解決問題的模型。通過“模型建構及運用”的方式，幫助學生從沒有思路（或具備部分思路）到具備分析復雜問題的完整思路。同時，在復習過程中應使用大量的真實情境的素材，設置A3和C1水平難度的化學問題，提高學生對復雜問題“分析解釋”和“復雜推理”的學科能力，落實化學學科核心素養的相關要求。

參考文獻：

［1］沈文炳. 基于物理學能力表現的試題分析與思考——以2017年高考全國新課標I卷為例［J］. 物理教學， 2018， 40（3）： 28～31.

［2］王磊. 學科能力構成及其表現研究——基于學習理解， 應用實踐與遷移創新導向的多維整合模型［J］. 教育研究， 2016， （9）： 83～92.

［3］王磊， 支瑤. 化學學科能力及其表現研究［J］. 教育學報， 2016， 12（4）： 46～56.

（北京市海淀區教育科學“十四五”規劃一般課題“核心素養理念下提升高中化學思維能力的課堂教學研究” （編號：HDGH20211262）研究成果。）