“物質結構與性質”領域學科能力評價研究

[摘 要] 研究建立“物質結構與性質”領域的學科能力評價框架，包括內容主題、研究對象、問題情境、認識角度、認識方式、學科能力活動要素等6個維度。基于評價框架對考生在2024年天津市高中學業水平等級性考試化學試卷該領域試題上的作答表現進行分析，并面向教師開展教學情況調查。結果發現考生在學習理解、應用實踐、遷移創新方面的能力表現均存在不同維度的薄弱項。教師對于課標的理解程度、學情的把握情況也存在一定不足。基于以上結果，從“教、學、評”一體化角度提出以下教學建議：一是落實課標要求，強化“位-構-性”觀念；二是厘清核心概念，運用理論解釋物質結構；三是重視教材資源，培養圖文信息加工能力。

[關鍵詞] 等級性考試；物質結構與性質；學科能力；“教、學、評”一體化

[中圖分類號] G424.74 [文獻標識碼] A

[文章編號] 1673—1654（2025）02—001—008

在新課標、新教材、新高考的背景下，“物質結構與性質”成為本輪高中化學教學改革中選擇性必修模塊之一，也成為等級性考試中的重要考查內容。2024年天津市高中學業水平等級性考試化學試卷（以下簡稱“試卷”）命題，嚴格依據《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱“課標”），既遵循《中國高考評價體系》對學生知識能力素養的考查，又引導中學教與學遵循教育規律，有效促進教與考的銜接。通過創設問題情境和層次化的學科活動，對學生的必備知識、關鍵能力和學科核心素養進行考查。

學科能力是學科核心素養的重要組成部分，是課程教學實現立德樹人教育目標的基本要求和必要途徑，是個體能夠順利地完成特定學科認識活動和問題解決任務的穩定的心理調節機制，具體包括定向調節機制和執行調節機制，明確知識經驗在能力素養中的基礎地位[1]。

研究旨在建立“物質結構與性質”領域的學科能力評價框架，基于評價框架對考生在“物質結構與性質”領域試題上的作答表現進行分析，并在此基礎上開展教師問卷調研，了解教師對課程標準和學生學情的把握情況，以期為一線教師更好地“依標教學”，為“教、學、評”一體化提供方向指引。

一、物質結構與性質領域的學科能力評價框架

“物質結構與性質”是新高考新增模塊，相關領域的學科能力表現還處于初步探索階段，王磊團隊認為，在能力素養培養中，學科核心知識和活動經驗是能力發展的基礎，學科認識方式是能力發展的核心機制，研究對象和問題情境是能力發展的調控變量，學習理解、應用實踐、遷移創新等學科能力活動是能力發展的關鍵活動要素[2]。研究結合課標中“物質結構與性質”領域的相關內容主題及核心概念建立各主題下的子主題，并編碼（如表1所示），參考王磊對于學科能力活動要素的分類[3]，張曄等人對于研究對象與問題情境、學科認識方式分類的相關研究[4]，從內容主題、研究對象、問題情境、認識角度、認識方式、學科能力活動要素等多個能力表現維度構建了“物質結構與性質領域的學科能力評價框架”（如表2所示）。

以評價框架為依據，對試卷所考查的能力維度進行分析，能夠更準確地定位考生的能力表現。以試卷選擇題第2題為例，對照課標中關于“物質結構與性質”領域的學業質量水平描述[5]64-67，可確定試題所對應的具體評價指標，將具體試題考查任務轉變為可觀察、可測量、可操作的評價要素，如表3所示，各個評價維度作為有機整體共同指向試題對物質結構與性質領域不同維度上的考查特征，也構成學生在物質結構與性質領域的表現期望，表現期望既是學習目標，也是評價目標。

【例1】試卷第2題

渤海中北部發現的億噸級油田對保障我國能源安全具有重要意義。石油組分由C、H、O、S、N等元素構成。下列判斷正確的是（" " "）

A.電負性：Cgt;O B.價電子數：Sgt;N

C.原子半徑：Ngt;C D.鍵角：NH3gt;CH4

【答案】B

二、考生學科能力評價結果及教師教學情況分析

（一）考生的學科能力評價結果

根據考生作答情況，高考評價項目組通過分析考生水平典型表現[6]，劃定了不同水平組考生的臨界分數。其中，如圖1所示，G4組為精通水平（83分及以上），G3組為熟練水平（64～83分），G2組為基本水平（45～64分），G1組為基本水平以下（45分以下）。

選取試卷中與“物質結構與性質”知識領域直接相關的選擇題2、4、10和填空題13題（1）（2）、16題（1）的考生作答情況（得分率）進行統計，“物質結構與性質”知識領域的試題，共26分，各水平組考生得分率情況如圖1所示。

下面以“學科能力活動要素”為依據，選取典型試題，分析考生該領域的學科能力表現。

1.學習理解層面的試題作答情況分析

【例2】試卷第13題

鍺（Ge）、錫（Sn）和鉛（Pb）是第ⅣA族元素，原子序數依次增大。

（1）三種元素中，第一電離能最大的是____________。

（2）基態Ge原子的價層電子排布式為___________。晶體Ge與金剛石具有類似的晶體結構，其晶胞如圖。在該晶胞中，Ge原子的數目為____________。

【答案】（1）Ge或鍺" （2）4s24p2；8

本題要求考生比較同主族元素的第一電離能；熟練掌握第IVA族同族元素的原子結構，并結合能量最低原理、泡利不相容原理及洪特規則書寫Ge元素基態原子的價層電子排布式；同時，借助晶體模型通過均攤法計算晶胞中的微粒個數。第（1）小題考查學生能否準確比較鍺（Ge）、錫（Sn）和鉛（Pb）三種元素第一電離能；第（2）小題考查考生能否準確書寫基態Ge原子的價層電子排布式及計算晶胞中Ge原子的數目。考生需通過對原子和晶體從孤立-系統、從定性-定量規律的學習，達到學習理解更高層面的概括關聯能力水平。

圖2呈現的是考生常見的錯誤作答。第13題（1）涉及同主族元素從上到下第一電離能依次減小的同族元素性質的遞變規律。這一規律的掌握要從概括關聯層面進行規律的理解，而不是停留在記憶層面，否則就會錯答為鉛（Pb）。第13題（2）第1空的錯答原因是考生混淆“價層電子排布式”和“電子排布式”的規范表達形式；錯將原子實之外的部分做為主族元素的價層電子，錯寫成4d104s24p2；對鍺（Ge）所在周期推斷錯誤，錯寫成5s25p2[7]。第13題（2）第2空的典型錯誤是未掌握用均攤法計算晶胞微粒個數或未認真審題。把每個晶胞Ge原子的數目錯答成每摩爾晶胞Ge原子的數目是8 NA，說明考生在定性-定量方面的認知還需加強。

2.應用實踐層面的試題作答情況分析

【例3】試卷第6題

下列實驗操作正確的是（" " ）

【答案】A

本題A選項屬于物質結構與性質復雜變式的應用實踐層級的能力考查。首先根據分子性質的相似相溶原理[8]，飽和NaCl水溶液的極性大于純水的極性，乙酸乙酯是常見的有機溶劑，所以乙酸乙酯在飽和NaCl溶液中的溶解度很小。又由于乙醇可與水分子形成氫鍵等因素使得乙醇在飽和NaCl水溶液中的溶解度大于在乙酸乙酯中的溶解度，所以通過萃取的方法，采用分液漏斗可洗去乙酸乙酯中少量的乙醇。從實測數據看，G4組（精通水平）的學生得分率也只有70.37%，可見學生解決以實驗分離提純為載體的復雜變式情境的孤立-系統的認知方式尚待提升。

3.遷移創新層面的試題作答情況分析

【例4】試卷第12題

甲胺（CH3NH2）水溶液中存在以下平衡：

CH3NH2+H2O?CH3NH+

3+OH-

已知：25℃時，CH3NH2的Kb=4.2×10-4，NH3·H2O的Kb=1.8×10-5。下列說法錯誤的是（" " ）

A.CH3NH2的Kb=[c（CH3NH+3）·c（OH-）c（CH3NH2）]

B.CH3NH2溶液中存在c（H+）+c（CH3NH+

3）=c（OH-）

C.25℃時，0.1 mol/L NH4Cl溶液與0.1 mol/L CH3NH3Cl溶液相比，NH4Cl溶液中的c（H+）小

D.0.01 mol/L CH3NH2溶液與相同濃度的CH3NH3Cl溶液以任意比例混合，混合液中存在c（CH3NH2）+c（CH3NH+

3）= 0.01 mol/L

【答案】C

本題需要考生有較強的系統探究和復雜推理及定量計算的能力，用NH3·H2O的電離平衡及NH4Cl的水解平衡這樣的熟悉情境去遷移類比CH3NH2的電離平衡和CH3NH3Cl的水解平衡，能從靜態宏觀的物質組成分析出動態微觀粒子之間的質子守恒、物料守恒，能從定性分析上升到定量計算，屬于用物質結構和性質知識的遷移創新能力的考查。除G4考生之外，G1、G2、G3組水平考試的正答率分別為32.46%、45.49%、69.80%（圖3）。對于A和B選項，考生通過NH3·H2O的電離平衡和質子守恒c（OH-）= c（H+）+c（NH4+）去推理CH3NH2的電離平衡表達式和溶液中的質子守恒c（OH-）= c（H+）+c（CH3NH3+）。對于C選項，通過Kb（NH3·H2O）小于Kb（CH3NH2）去推理定性Kh（NH4+）大于Kh（CH3NH3+），所以NH4Cl溶液酸性更強，NH4Cl溶液中c（H+）更大。分析考生在各選項上的作答情況發現，考生錯選D選項偏多，而D選項是有關物料守恒的定量考查，這說明考生在定性到定量認知方式有待提升。

上述評價結果表明，考生在物質結構與性質領域均存在不同程度的認知方式上的不足，會影響到學習理解、應用實踐、遷移創新的能力表現。

（二）物質結構與性質領域的教學情況分析

課標中的學業質量標準是命制學業水平考試的重要依據，但教師在如下幾方面還存在較大困難：如何更系統深入地理解課標的學業質量標準，如何全面評價學生學業質量表現，如何基于學業質量標準分析學業水平考試等。

項目組對全市各區從事過高三教學的855名教師進行了抽樣調查。以選擇題第2題和填空題13題（1）為例，對試題考查涉及的4個學業質量評價指標的教師認知情況調查問卷如表4所示。有一半左右的教師認為4個學業評價指標需要掌握到應用實踐水平。依據“物質結構與性質領域的學科能力評價框架”分析，相關學科能力考查在學習理解層面，并未涉及遷移創新和應用實踐層面。可見，教師在教學過程中對學業評價指標的理解程度略有偏差。通過上述問卷調查可以反饋教師對課標的學習理解程度，從而指導教師更好地理解課標，依據課標進行教學。

學生實際作答水平可以作為教學評價的一種方式，指導教師更好把握學情。通過同類型測試問題，調查教師對學生的預估作答水平。然后，通過教師對學情的預估水平與學生實際的作答水平的對比分析，可以指導教師更精準地把握學情。教師對學生作答水平的預估情況通過教師選擇正確率預估區間，再進行權重統計后的預估得分率表示。

表5分析結果顯示，教師對學生預估得分率與學生實際得分率誤差在2.4%～27.8%，選擇題誤差相對較小，填空題預估相對誤差較大。可見針對測試問題，參與調查的教師對學情的掌握還是存在一定偏差，教師對學生學情的整體預估水平低于學生實際作答水平。上述分析指導教師在教學中對物質結構與性質領域相關內容可以適當調整教學難度，加強學習理解層面填空題的訓練。

三、教學建議

基于對考生學科能力表現的分析和教學情況的調研結果，從“教、學、評”一體化角度提出以下教學建議。

（一）落實課標要求，強化“位-構-性”觀念

物質結構與性質領域的復習要重視從原子結構、分子結構、晶體結構和配合物的結構水平形成物質構成的規律，提升“結構決定性質，性質反應結構”的觀念認知。能理解、描述和表示化學中重要的理論模型并運用于解釋或推測物質的組成、結構、性質與變化，并要用辯證的思想看待理論模型。例如沒有純粹的離子鍵，也沒有純粹的共價鍵，同周期金屬氧化物Na2O比MgO中離子鍵成分百分數大。再如鋁的鹵化物，AlF3（熔點1090℃）中鋁氟之間的化學鍵以離子鍵為主，但AlCl3（熔點192℃）中鋁氯之間的化學鍵以共價鍵為主。能依據物質的微觀結構結合化學反應原理，描述或預測物質的性質和在一定條件下可能發生的化學變化。例如-40℃下F2與冰反應生產HOF和HF。常溫常壓下，HOF為無色氣體，固態HOF為分子晶體，預測HOF水解反應的產物為HF、H2O、O2。能運用定量計算等手段說明簡單無機物和有機物的組成與物質微觀結構之間的關系。例如4.4 g C2H4O中σ鍵數目最多為0.7 NA。通過建立“位-構-性”關系的系統思維框架，進一步發展學生的“證據推理與模型認知”和“宏觀辨識與微觀探析”化學學科素養。

（二）厘清抽象概念，運用理論解釋物質結構

物質結構與性質領域的復習要厘清抽象概念。例如核外電子排布、原子軌道、價電子、電負性、電離能、化學鍵、分子間作用力、氫鍵、晶胞等抽象概念。物質結構與性質領域涉及價層電子對互斥模型、雜化軌道理論、金屬鍵和配合物的價鍵理論等內容[9]。在教學中應當處理好相關理論教學的基本要求和教材中習題的精準落實，用好課標中的學習活動建議和情境素材建議。引導學生開展分類與概括、證據與推理，例如不同類型的晶體的熔沸點影響因素，需要從構成晶體的微粒間作用力的角度來分析，而不同作用力對熔沸點的影響原理是不同的。還要引導學生進行模型與解釋、符號與表征等學習活動，例如對比鐵元素的原子結構示意圖、價層電子排布式、價層電子軌道表示式來符號化地理解鐵原子的核外電子排布。引導學生關聯無機物和有機物的性質，強化對物質結構理論的理解，例如配位化合物在醫藥科學等領域的應用、氫鍵與生命的密切關系、手性分子在藥物研究中的應用。

（三）重視教材資源，培養圖文信息加工能力

教材中的圖文對于培養學生的圖文信息加工能力是很好的資源。教學中應當用好抽象概念圖示化的結構圖，例如教材中s能級、p能級的原子軌道數及其電子云輪廓形狀與取向形象描述的圖，sp、sp2、sp3雜化軌道的圖文，幫助學生理解和復習不同雜化方式對分子空間結構模型的影響。再如通過教材中的C60和C70分離時C60和“杯酚”形成超分子的示意圖，幫助學生理解超分子是由兩種或兩種以上的分子通過分子間作用力形成的分子聚集體[10]。還可通過圖示化的H2O和NH3的分子空間結構及鍵角，以及典型晶體晶胞的結構，幫助學生形成典型代表物質的結構模型。

參考文獻：

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[10] 卓峻峭，傅永平，王昀之，等.高中化學新教材中超分子、分子識別和自組裝的解讀和拓展[J].化學教育（中英文），2022，43（21）：34-42.

Research on the Evaluation of Subject Competence in the Field of \"Structure and Properties of Matter\"：Taking the 2024 Tianjin Senior High School Academic Level Grade Examination Chemistry Test Paper as An Example

Qin Lei1" Bai Yun2" Ying Hua3" He Wen4" Tian Xiaomei5

1 Tianjin Academy of Educational Sciences，Tianjin，300191

2 Tianjin Municipal Educational Admission and Examinations Authority，Tianjin，300387

3 Hexi District Education Center，Tianjin，300203

4 Tianjin Nankai High School，Tianjin，300100

5 Hongqiao District Education Center，Tianjin，300130

Abstract：Based on the model of chemistry subject competence and its performance activities，an evaluation framework for the subject competence in the field of \"Substance Structure and Properties\" was established. The main analysis was conducted on the questions and student responses of the 2024 Tianjin High School Academic Level Graded Examination in Chemistry. The results revealed that students in groups G1 and G2 have varying degrees of weaknesses in their performance of learning comprehension，application practice，and innovative transfer in the field of substance structure and properties. Based on a questionnaire survey of high school chemistry teachers in the region on their understanding of the curriculum standards and their grasp of student learning situations，combined with the responses of the examinees，following teaching suggestions，such as implementing curriculum standards and strengthening the concept of \"position-structure-property\"，clarifying core concepts and using theories to explain substance structures，valuing textbook resources and cultivating the ability of processing graphic and textual information，are proposed from the perspective of \"teaching-learning-assessment\".

Key words：Grade Examination，Material Structure and Nature，Subject Ability，Integration of Teaching，Learning and Assessment

（責任編輯：吳茳）

作者簡介" 秦磊，高級教師，天津市教育科學研究院。天津，300191。白云，研究實習員，天津市教育招生考試院。天津，300387。英華，正高級教師，天津市河西區教育中心。天津，300203。何文，正高級教師，天津市南開中學。天津，300100。田曉梅，正高級教師，天津市紅橋區教育中心。天津，300130。

1 在調查預估得分率時，采用的是選擇題分選項預估，填空題分空預估，故有多個預估得分率。