新高考背景下“物質結構與性質”試題研究

摘 要：新高考方案實施后，各省市學業水平等級性考試逐漸取消了選考題。原來的“物質結構與性質”選考題成為必考題后，與其他類知識的整合考查已成為主流趨勢?；跇嫿ǖ脑囶}分析框架，對2017～2023年已取消選考題各省市的高考試卷進行分析，從中總結“物質結構與性質”知識在試題中的整合類型和整合機制，進而對試題命制與復習教學提出建議。

關鍵詞：化學高考；物質結構與性質；知識整合；試題分析

文章編號：1005-6629（2024）09-0087-06

中圖分類號：G633.8

文獻標識碼：B

1 問題的提出

自新高考方案實施以來，全國各省市分步實施新課程、使用新教材^［1］。《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》（下稱“新課標”）將原來的選修模塊改為選擇性必修模塊，教材在內容上也加強了模塊間的關聯。相應地，各省市新高考也做出了變化——取消選考題。“物質結構與性質”選考題成為必考題后，呈現出與其他類知識整合考查^［2］的趨勢。

然而，目前有關“物質結構與性質”試題的研究大多僅關注對該類知識^［3］的單獨分析，鮮少關注“物質結構與性質”與其他類知識整合考查的情況^［4］，系統梳理上述知識整合的研究更為罕見。在高考試題中，“物質結構與性質”知識與其他類知識有何整合類型？其背后的整合機制如何？本研究基于構建的試題分析框架，進一步自下而上地梳理“物質結構與性質”知識與其他知識的整合情況，為一線教師進行試題命制與復習教學提供參考。

2 研究設計

2.1 研究對象

為了達成研究目的，本研究從實施新高考方案后的2017～2023年各省市試卷中，選擇取消了選考題的高考化學試卷（總計43份）為研究對象。

2.2 試題分析框架

基于新課標中的課程內容對高中化學課程體系的知識進行重新整合，得到如表1所示的化學知識分類。其中，“知識類型”來源于新課標必修和選擇性必修課程內容^［5］，并按照知識內涵進行重新整合，得到“實驗探究”“常見無機物及其應用”“化學反應原理”“物質結構與性質”和“有機化學基礎”五類知識，這也與高考非選擇題的主干考查內容^［6］相對應。而在高考選擇題中除了以上五類知識外，還會涉及對基本概念等內容的考查^［7］，故而在知識類型中增設了“化學基本概念”，這同時也是以往全國新課標高考化學考試大綱中的知識要求^［8］。此外，各類知識所包含的具體內容參考已有文獻進行整合，具體見表1。

表1經過化學教育領域專家的評定，已確認其具有良好的內容效度，能應用于試題編碼。

2.3 研究過程

本研究中的分析單元為一個選項或一個小問，為提高研究的可靠性，由3名化學教育研究者依據試題分析框架（表1）對試題中具體考查的知識進行編碼并歸類。經一致性檢驗，在化學知識維度的評分者間系數為0.90（大于標準值0.80^［16］）。對于編碼不一致的結果，由3名編碼者通過協商后得出一致的編碼。

3 結果與討論

如圖1所示，試題中出現“物質結構與性質”知識分別與四類知識的整合。其中，整合頻次較高的有“常見無機物及其應用”和“有機化學基礎”類知識，這可能是上述三類知識均聚焦于研究“物質”這一對象有關；與“化學基本概念”類、“化學反應原理”類知識的整合頻次相對較少；此外，試題中未出現與“實驗探究”類知識的整合。下文將依次呈現“物質結構與性質”知識與這四類知識的整合情況。

3.1 與“化學基本概念”類知識的整合

如圖2所示，對于僅考查“化學基本概念”這類知識的題目而言，通常是對同位素、同素異形體、電子式、結構式、方程式等常見基本概念和化學用語進行設問，或針對物質的量、摩爾質量、阿伏伽德羅常數等常見物理量進行計算。而融入“物質結構與性質”知識后，試題以物質為關聯點，從微粒間相互作用（如2022年遼寧卷第3題）和微粒的空間排布（如2021年湖北卷第6題）的角度考查學生對物質的認識，具體表現為計算一定質量或體積的物質中所含有的孤對電子數、共價鍵數目、某雜化類型的原子數等，需要學生從微觀角度對物質結構進行分析，隨后結合常見物理量之間的變換公式進行計算（注：圖2～圖5中的劃線部分為截至2023年全國各地高考試題已被整合考查的知識）。

在整合機制方面，從學科思維的角度看，物質的量、阿伏伽德羅常數等物理量的學科價值在于從微觀和定量的視角來理解科學概念和科學原理^［17］，指向的是對物質結構的認識，相應衍生出了試題中“結構-常見物理量”知識的整合考查，這也引導教學中需從不同角度準確理解概念的內涵，靈活把握概念理解的深度。

3.2 與“常見無機物及其應用”類知識的整合

“物質結構與性質”與“常見無機物及其應用”類知識通常以元素或物質為關聯點，在考查元素化合物的性質、變化時要求結合“物質結構”或“元素周期律（表）”等知識來回答問題，知識之間呈現出三種整合類型（如圖3所示）。

第一，試題體現了“結構-性質”知識的整合，即要求學生從有無氫鍵、鍵能大小等微粒間相互作用的角度比較物質的熔點、沸點等性質，或從原子半徑、原子軌道排布等空間結構的角度解釋無機物性質。

第二，呈現出“結構-變化”知識的整合，要求學生解釋物理變化或化學變化中的作用力的變化情況，或根據分子結構或晶體結構推理出轉化的物質。譬如，2023年山東卷第16題第（3）小問提供了化合物X的晶胞結構，要求學生根據晶胞結構示意圖推理出物質的化學式后方可完成方程式的書寫。再如，2021年遼寧卷第8題要求學生先從物質轉化過程中推理出具體物質，接著從結構角度對該物質進行分類（極性分子或非極性分子）。這一題目體現了融入“物質結構與性質”知識后，可以從結構視角對物質進行分類，擴充了新人教版教材中在必修第一冊第一章中從組成和性質角度對物質進行分類的依據。

第三，體現了“性質-變化”知識的整合。通常是根據電負性、穩定性等元素或物質性質強弱判斷陌生反應能否進行，或是根據已發生的化學反應判斷物質性質的強弱（如配體的配位能力），彰顯了知識的預測與推理功能。

就整合機制而言，上述三種類型是從學科思想的角度進行整合，是“結構決定性質”“性質反映結構”的具體化考查，體現出宏觀性質與微觀結構間的關聯，使認識無機物的視角從物質類別和元素價態視角延伸至微觀結構視角，形成了多角度系統認識元素性質與轉化的模型^［18］，體現了結構化知識的功能價值。

3.3 與“化學反應原理”類知識的整合

“物質結構與性質”與“化學反應原理”知識以元素或物質為關聯點，在考查物質反應機理或能量變化時考查結構的內容，試題中體現的知識整合類型如圖4所示。

第一，“性質-化學反應”和“結構-化學反應”知識的整合分別體現了試題要求學生從宏觀和微觀角度對化學反應進行深度剖析，具體表現為要求學生從結構圖、機理圖中推理出對應的微粒種類，再進一步表征或分析化學變化的過程。譬如，2022年山東卷第15題以鈉離子電池電極材料的一組晶胞組成變化示意圖為載體，要求學生計算電極材料晶胞在反應前后的微粒數目，并根據微粒數目變化推理出電極材料參與反應時的電子轉移數目，將晶胞結構和電極反應的原理整合起來進行考查，體現了該類試題的創新性。

（2022年山東卷第15題）CuSe是一種鈉離子電池正極材料，充放電過程中正極材料立方晶胞（示意圖）的組成變化如圖所示，晶胞內未標出因放電產生的0價Cu原子。下列說法正確的是（ ）

A. 每個CuSe晶胞中Cu²⁺個數為x

B. 每個NaSe晶胞完全轉化為CuSe晶胞，轉移電子數為8

C. 每個NaCuSe晶胞中0價Cu原子個數為1-x

D. 當NaCuSe轉化為NaCuSe時，每轉移（1-y）mol電子，產生（1-x）mol Cu原子

第二，體現了“結構-能量”知識的整合?！盎瘜W反應原理”類知識擴充了從能量的角度認識化學反應，而“物質結構與性質”中的化學鍵類型（極性鍵、非極性鍵）、鍵能、鍵長等均影響微粒間的相互作用的強弱，試題中將這兩類知識關聯起來，體現了對化學反應中的能量變化微觀水平的考查。

從整合機制來看，上述整合類型均涉及“物質轉化”或“能量轉化”，與“物質結構”產生緊密關聯，從宏微結合的角度則是完善了對化學反應與能量的認識。而化學反應的方向、限度、速率和水溶液等更關注的是原理與規律層面，與“物質結構與性質”知識產生的關聯較為松散。

3.4 與“有機化學基礎”類知識的整合

“有機化學基礎”類知識主要用于回答有機物的“性質”（保存、使用和分離、檢驗）與“轉化”（合成設計和結構推斷）方面的學科問題^［19］。從中可見，有機物關注對結構的推斷，與“物質結構與性質”知識聚焦的重點相似。在試題中，“物質結構與性質”與“有機化學基礎”知識的整合有三種類型（見圖5）。

一種是從“結構”到“結構”，即“結構-結構”知識的整合，是根據有機物的物質結構推理得到分子、原子層面的結構。對有機物結構的認識不僅僅是停留在碳骨架或官能團層面，而是更關注有機物結構中的化學鍵以及微粒（基團）間的相互作用，在以往的基礎上提高了對有機物結構的認識要求。如2020年山東卷第7題所示，對于“無機苯”這一陌生物質，試題通過提供其結構與苯相似的信息，使學生能推理出無機苯分子的結構，進而考查其在原子、分子和聚集態層面的結構與性質。

（2020年山東卷第7題）BNH（無機苯）的結構與苯類似，也有大π鍵。下列關于BNH的說法錯誤的是（ ）

A. 其熔點主要取決于所含化學鍵的鍵能

B. 形成大π鍵的電子全部由N提供

C. 分子中B和N的雜化方式相同

D. 分子中所有原子共平面

第二種是從“結構”到“性質”，即“結構-性質”知識的整合，是發展“證據推理與模型認知”素養的過程。譬如，2023年湖北卷第7題考查纖維素難溶于水的原因，考查學生自覺調用微觀結構視角分析物質性質的思路，體現出素養導向下側重對問題解決過程的考查，即不只是將知識視為結論，同時還要關注其形成過程和經歷的思維，強調其中的推理論證和形成的可遷移的角度和思路，是“結構決定性質”學科思想的具體化考查。

第三種是從“結構”到“變化”，即“結構-變化”知識的整合。與“常見無機物及其應用”知識的整合相似，要求學生判斷有機物轉化過程中的作用力變化情況或推理有機合成中的物質，進而判斷物質的空間結構等。

在整合機制方面，上述知識的整合既可以從物質結構方面去推理有機物的性質，也可以從有機物結構推理更微觀層面的結構知識，體現出這兩類必備知識關聯的雙向性，這也正與新版選擇性必修3教材中強調從結構角度學習有機化學的思想相一致，因此，在教學時應注重知識的結構化、功能化和素養化，以便學生能更好地應對真實情境的復雜問題。

4 啟示

在命題與備考時，應充分發揮高考“立德樹人、服務選才、引導教學”核心功能^［20］的作用，緊跟高考考查方向。下面將結合“物質結構與性質”知識在高考中的整合類型與整合機制分別從試題命制與復習教學方面提出建議。

4.1 對試題命制的啟示

目前，“物質結構與性質”知識尚未與“實驗探究”類知識進行整合考查，也尚未出現包含“物質結構與性質”知識在內的多類知識整合的情況。然而，對化學實驗的深入探究離不開從“物質結構”和“物質性質”角度來發掘實驗問題和剖析現象背后的原理，多類知識整合也有助于考查與發展學生的知識結構化水平。因此，在命題時挖掘“物質結構與性質”與“實驗探究”知識的整合或進行多類知識的整合考查是一種有益嘗試。

參考全國各地真題的知識整合機制，可從核心素養、學科思維、必備知識等不同角度^［21］挖掘知識間的整合機制并進行模擬試題命制嘗試。經過梳理，得到如表2所示的整合方向：方向一以“物質結構與性質”為情境背景，以化學實驗的方式開展實驗探究，將“實驗探究”類知識與思想融入其中進行考查，如以下改編題所示；方向二以“實驗探究”為情境背景，突出結構研究對發現、制備與研究物質的作用，使學生對實驗的原理與結論達到本質理解水平；方向三以物質發現史為例，按物質發展的時間順序整合兩類化學知識，體現科學家的推理論證過程，發展學生對科學本質的認知水平^［22］。

下題為整合方向一的實踐嘗試，以探究Fe³⁺溶液顏色為情境背景，以實驗的形式呈現，在第（4）和第（5）小題從微粒間相互作用的結構視角來解釋實驗事實與總結實驗結論，有機整合了“物質結構與性質”和“實驗探究”知識，體現了“微粒間相互作用-性質探究”的整合類型；而第（3）小題需要從平衡移動的角度對溶液顏色變化進行解釋，是“物質結構與性質”“化學反應原理”和“實驗探究”三類知識的整合，體現了“微粒種類-平衡-規律探究”的整合類型。

（原創題）某小組在進行Fe³⁺溶液配制時得到了黃色與無色兩種顏色的溶液，具體情況見表a。為探究影響Fe³⁺溶液顏色的因素，小組成員查閱資料（見表b）后展開實驗。

I. 提出假設

小組成員依據表a的組別①②提出假設1，依據組別②④提出假設2。

假設1：酸化抑制Fe³⁺水解，影響Fe³⁺溶液顏色。

假設2：（1）________________________________。

II. 設計實驗與收集證據

可供選擇的試劑：0.5mol/L未酸化的Fe（NO）溶液、0.5mol/L酸化的Fe（NO）溶液、0.5mol/L未酸化的FeCl溶液、0.5mol/L酸化的FeCl溶液、2mol/L稀硝酸、2mol/L稀鹽酸、1mol/L NaCl溶液

實驗1：為驗證假設1，甲同學從上述試劑中進行選擇，進行操作與現象描述（2）________________________________________________________________________，說明假設1成立。

實驗2：為了驗證假設2，乙同學取2mL 0.5mol/L酸化的Fe（NO）無色溶液，加入適量1mol/L NaCl溶液，溶液由無色變為黃色，說明假設2成立。

III. 反思與交流

甲同學根據表b資料，結合化學方程式，從平衡移動的角度解釋實驗1溶液顏色的變化（3）____________________________________________________________________ ，由此說明Fe³⁺的水解會影響Fe³⁺溶液的顏色。

乙同學認為實驗2中溶液變黃是由于發生了配體的轉化，請從微觀角度分析［FeCl］^-形成配位鍵的原理（4）________________________________ ，由此實驗得出Fe³⁺溶液的顏色與（5）________因素有關。

［參考答案］

（1） Cl^-與Fe³⁺結合（形成配離子），影響Fe³⁺溶液顏色

（2） 取2mL 0.5mol/L未酸化的Fe（NO）溶液，向其中加入適量2mol/L稀硝酸，若溶液由黃色變為無色

（3） ［Fe（HO）］³⁺+HO［Fe（HO）OH］²⁺+HO^+［24］，加入稀硝酸后，平衡逆向移動，黃色的［Fe（HO）OH］²⁺轉化成［Fe（HO）］³⁺，在稀溶液中為無色

（4） Cl^-提供孤電子對，Fe³⁺提供空軌道，形成配位鍵，進而形成［FeCl］^-配離子

（5） 配體種類

4.2 對復習教學的啟示

在高考復習與日常教學中，應注重知識的結構化，顯化學科思維。知識整合考查已成為試題中的主流趨勢，從本質上看，這也是一種創新。因此，教師在復習時應注重模塊間知識的相互關聯，加強學科內和學科間的綜合運用，引導學生運用不同類知識從不同角度解決問題，提高學生的知識結構化水平。譬如，從結構的角度思考有機化學、無機化學與化學反應原理的問題，引導學生形成“結構決定性質、性質決定用途”的學科思想。此外，教師在日常的教學中要對“物質結構與性質”知識背后的本質和認識過程進一步抽象，顯化其中的“微粒種類”“微粒間相互作用”“微粒的空間排列”等認識視角或思路，引導學生在解決問題時首先調用學科思維來解構和剖析問題，解決“從哪想”的問題^［25］，為創新性問題的解決提供思路。

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