化学核心素养导向下的命题实践与研究

摘要：以“菱锌矿制备硫酸锌”生产环保情境素材为例，全面展示利用核心素养导向下的试题命制的系统构成模型指导命题的全过程，即以核心素养为测试宗旨，明确考试类别與水平，依据测试目标遴选并适当合理简化真实情境，根据关键能力优化测试任务，梳理必备知识均衡合理分布，以期实现考试由一般评价工具向全面育人载体转变。

关键词：核心素养；真实情境；关键能力；必备知识；试题命制

文章编号：10056629（2023）06008008中图分类号：G633.8文献标识码：B

1 核心素养导向下的命题流程的确定

试题命制应以核心素养测试为宗旨，以真实情境为测试载体，关注情境的价值引领性、素材真实性、形式多样性和呈现的科学性，从日常生活、生产环保、学术探索、实验探究和化学史料等不同类型的素材中遴选情境，通过调控情境的复杂度、陌生度和开放度；以化学知识为解决问题的工具，融入化学语言与概念、反应变化与规律、物质转化与应用、物质结构与性质和实验原理与方法等核心必备知识^［1］，通过调控知识的综合与关联程度；以实际问题为测试任务，通过单一、指定、提示或自主等不同认识角度进行问题设计，合理分布理解与辨析、分析与推测、归纳与论证、实验与探究等不同能力层阶的关键能力^［2］的考查，帮助学生形成完整系统的化学学科知识体系，培养学生的实践和工程设计能力，促进学生高阶思维的养成，自觉形成自主学习和终身学习的意识和能力。

本文根据当前高考及化学学业水平等级性考试价值导向^［3］，结合命题框架和命题程序^［4］，融合中国高考评价体系，形成核心素养导向下的命制试题的系统构成，如图1所示。

2 核心素养导向下的命制实践

2.1 明确考试类别与水平，确定测试宗旨与目标

作为学业水平等级性考试命题，根据课程标准要求，主要选择学业质量水平4作为命制的依据。工业流程题的主要功能是通过对物质转化的测试重点发展学生的“变化观念与平衡思想”的核心素养，课标中关于本部分对学生的能力要求是能基于“绿色化学”理念设计无机化合物制备的方案，并对方案进行评价和优化；能分析评估物质转化过程对环境和资源利用的影响。

2.2 遴选真实情境，对素材进行合理加工

工业流程题主要选择生产环保情境作为命题素材，本题以自然界存在的菱锌矿

（主要成分为ZnCO₃，常含铁和锰元素，有时含钴、镉、铟等元素）

为原料生产硫酸锌的工艺作为试题情境，体现综合性和应用性的考查要求。硫酸锌在医学上可用作收敛剂、农业上可用作饲料添加剂，彰显化学科学对人类和社会发展的重大贡献，有利于学生树立可持续发展意识和绿色化学观念，体现了教育性。情境来源于化工生产文献，且锌及其化合物相对于学生来说陌生度小，其中蕴含的物质转化涉及的考点覆盖面广，复杂度大、有一定的开放度，较好地体现了真实性。菱锌矿制硫酸锌的工业流程如图2^［5～7］所示。

一种菱锌矿主要成分为ZnCO₃（19.34%），含SiO₂（27.56%）以及Ca（2.9%）、 Pb（1.68%）、 Mg（4.87%）、 Fe（2.6%）、 Al（0.03%）、 Mn（0.13%）、 Cu（0.02%）、 Cd（0.17%）、 As（0.02%）等元素。由于As、Cd两种元素对于学生来说陌生度较大，在氧化剂存在下，砷在净化过程中主要形成FeAsO₄（K_sp=5.7×10^-21）和Cd₃（AsO₄）₂（K_sp=2.2×10^-33）沉淀除去；Cd则在通过加入锌粉发生置换反应除去。其中需要补充的信息和数据过多，容易对主干元素的转化造成干扰，基于以上考虑，调控情境复杂度的时候，将As、 Cd两种元素略去。

整个工艺流程过于庞大，为了体现情境的适切性，将过滤步骤与前一个对应的步骤整合成一个操作。整个流程中滤液、滤渣出现的频率较高且指代的物质各不相同，为了让学生明晰物质的进出，将原流程中的滤液和滤渣分别依次编号，使得学生能够直接抓住流程主干。在用KMnO₄氧化之前需对滤液pH进行调节，原流程中没有画出相对应的物质流，为了突出核心操作，在对流程重新加工的时候，特地将其外显出来。原流程是以网状的形式呈现的，篇幅大，需要提取的信息较多，为了使物质的进出更加清晰，特将流程进行重新绘制，以锌元素的净化除杂为主轴、锌元素的二次浸出为辅助，凸显物质转化，外显变化观和守恒观。

2.3 设计测试任务，合理进行设问

在关注了情境的教育性、适切性并合理调控其复杂度以后，根据核心素养测试目标，初步命题试题如下：

硫酸锌是制造多种锌盐，木材防火、防腐剂以及生产立德粉、媒染剂等的重要原料。利用菱锌矿（主要成分为ZnCO₃，含SiO₂以及Ca、 Pb、 Mg、 Fe、 Al、 Mn、 Cu等元素的化合物）制备ZnSO₄·7H₂O的工艺流程如下：

Ⅰ. 25℃时，相关难溶物溶度积常数如下表：

Ⅱ. 25℃时，相关金属离子［c₀（Meⁿ⁺）=0.1mol·L^-1］形成氢氧化物沉淀pH范围如下：

（1） “浸取过滤”中加入H₂SO₄的目的是________。

（2） “沉铁过滤”中Fe₂（SO₄）₃中加入（NH₄）₂SO₄生成黃铵铁矾［（NH₄）₂Fe₆（SO₄）₄（OH）₁₂］的化学方程式为________。

（3） 将滤渣①进行“酸浸过滤”“沉铁过滤”的目的是________，后续可将滤液重新回流至“浸取过滤”步骤中。

（4） “调溶液pH=5过滤”中，物质X最适宜的是________（填标号）。

A. NH₃·H₂O B. ZnCO₃C. NaOH D. ZnO

（5） 向80～90℃的滤液②中分批加入适量KMnO₄，Fe²⁺、 Mn²⁺分别被氧化为Fe³⁺和MnO（OH）₂，滤渣③中有MnO₂，有关反应的离子方程式为________。

（6） “置换过滤”中加入锌粉除去的离子有________。

（7） “沉钙镁过滤”产生的滤渣⑤与Y为________（填化学式）反应释放HF并循环利用。

在具体设计测试任务的时候，要有效地将素材情境与核心知识进行有效地关联，考查学生的学科关键能力。

首先，设问需要确保科学性。由于Al³⁺在pH=4.7沉淀完全，Zn²⁺在pH=6.2时开始沉淀，因此加入X调pH=5既可以“沉铝”又不让锌元素损失。在“浸取过滤”步骤强酸性溶液环境中此时加入的物质X调节溶液的pH为弱酸性，应不引入新的杂质且不污染环境。加入NH₃·H₂O既引入了杂质离子NH⁺₄，又易分解产生NH₃污染空气；加入NaOH则引入了杂质Na⁺，综上加入ZnCO₃、 ZnO比较合适。

其次，设问需要注重进阶性。“沉铁过滤”步骤加入（NH₄）₂SO₄生成黄铵铁矾［（NH₄）₂Fe₆（SO₄）₄（OH）₁₂］，根据元素守恒可写出化学方程式“3Fe₂（SO₄）₃+（NH₄）₂SO₄+12H₂O====（NH₄）₂Fe₆（SO₄）₄（OH）₁₂↓+6H₂SO₄”。在（2）设问进行铺垫以后，再结合表格数据信息Fe²⁺、 Zn²⁺开始沉淀和沉淀完全的pH分别为6.3～8.3、 6.2～8.2，因此可以得出“富集Zn²⁺，降低Fe²⁺的浓度”。整个设问按照学生认识层级逐级设问，上一问为下一问做好知识铺垫，较好地体现了设问的进阶性。

第三，设问需要体现综合性。高三的学生对氧化还原离子方程式的书写步骤驾轻就熟，“得失电子守恒→电荷守恒→原子守恒”三部曲学生信手拈来，这种孤立地仅从物质转化的视角来书写离子方程式严重影响了学生对其中物质变化的深刻理解，而有效综合融入沉淀溶解平衡实际转化的视角将有利于提升学生对该部分知识的理解。在加入氧化剂KMnO₄之前已经调控溶液pH=5，Fe²⁺被氧化为Fe³⁺时，还需要结合表格数据Fe³⁺开始沉淀和沉淀完全的pH为1.5～2.8，很显然，此时Fe³⁺存在的形态应该为Fe（OH）₃，再根据三部曲问题就可以迎刃而解，得到“3Fe²⁺+MnO^-₄+7H₂O====3Fe（OH）₃↓+MnO₂↓+5H⁺”，根据Mn²⁺被氧化为MnO（OH）₂，再结合此时溶液pH为5（弱酸性）可写出“3Mn²⁺+2MnO^-₄+7H₂O====5MnO（OH）₂↓+4H⁺”。对2个离子方程式分析可以得出，Fe（OH）₃和MnO（OH）₂与H⁺是共存的。通过对该设问的考查，可以帮助学生对离子共存和离子方程式的书写从孤立走向系统，从定性走向定量，从变化观念走向平衡思想。

第四，设问需要探索开放性。注重考查思维过程，通过增强试题的开放程度，鼓励学生多角度、多层次地运用发散性思维分析解决问题，培养学生的学科关键能力。“浸取过滤”中加入H₂SO₄的目的既要从核心元素Zn的转化进行分析，又要从杂质离子的分离提纯两个视角进行思考。分析核心元素Zn的转化可以得出，“焙烧”阶段是将ZnCO₃转化为ZnO，因此采取H₂SO₄浸取的目的是“溶解ZnO”；从杂质离子的去除来看，加入H₂SO₄浸取可将Ca、 Pb元素转化为CaSO₄、 PbSO₄沉淀除去。“置换过滤”中加入锌粉主要是利用金属活动性顺序，很多学生能够很顺畅地分析出将溶液中的Cu²⁺转化为Cu，但往往会忽略将Pb²⁺转化为Pb。这种二次沉铅，正是真实工业生产过程中需要考虑的问题，有力地考查了学生思维的缜密性和严谨性。

第五，设问需要注重实践性。注重通过真实的情境来考查学生能否调用已有的实践经验来解决问题的能力。“沉钙镁过滤”产生的滤渣⑤加入Y实现HF再生正是考查学生能否调用“利用浓硫酸和HCl的挥发性的差异制备HCl”的知识，迁移到利用浓硫酸和HF的挥发性差异制备HF。考查学生实验有没有做，有没有真实的体验过程，在工业流程绿色化学观念的考查中有效进行渗透，很好地体现了做中学、用中学、创中学的思想。

2.4 梳理核心必备知识，合理均衡分布

为了确认试题的核心知识的覆盖度、关键能力考查的均衡度、核心素养类型的丰富度，需要对试题中以上要素进行分析，结果如表1所示。

通过对试题属性进行分析，发现在核心知识部分覆盖面基本均衡，但是在化学技术、化学反应速率等方面的考查还存在一定的缺漏；知识点关联程度主要以多点结构和关联结构为主，单点结构和拓展结构过少。在关键能力考查部分，分析与推测能力考查过多，基本都是评价与创造等高阶能力的考查，缺乏能力考查合理的进阶性。核心素养考查相对比较丰富，但是学业质量水平基本都是水平4，综合性、应用性太强，基础性体现得不够。基于此，有必要对试题进行优化和修改。

2.5 推敲修改定题

對试题的知识覆盖面和能力进阶分析以后，发现还有很多需要优化和提升的地方，由此对加工后的流程重新进行审视，发现还存在以下问题：

一是流程还是过于复杂。学生对于将滤渣①加H₂SO₄酸浸过滤，加入（NH₄）₂SO₄将其中的Fe³⁺转化成黄铵铁矾沉淀，然后将滤液与滤液①合并以提高Zn元素的浸出率并降低Fe³⁺的百分含量理解起来难度很大，会冲淡学生对于主干流程的理解，因此斟酌再三，决定将其简化删去。

二是元素种类还是过于复杂。PbSO₄为难溶物且锌粉能将Pb²⁺置换出来对于学生来说都不是必备知识，增加了分析流程的难度，因此将其简化。Mn²⁺与Mg²⁺开始沉淀和沉淀完全的pH范围基本一致，且Mn²⁺是与外加的KMnO₄发生归中反应生成MnO（OH）₂沉淀，沉淀物质相对陌生，“氧化过滤”步骤发生的反应过于复杂，冲淡了对从沉淀溶解平衡定量的视角来理解氧化还原反应离子方程式的书写，因此也将其简化。Al元素的百分含量只有0.02%，在pH调控为5的时候同步协同去除，为了减少学生分析的难度，也将其简化。

三是提供的数据过于复杂。除了提供6个离子开始沉淀和沉淀完全的pH之外，还提供了4种物质的K_sp，信息量大，需要整合分析的数据过多，冲淡了工业流程中推理物质转化的主干，因此将其略去。直接提供相关离子开始沉淀和沉淀完全的pH，使得整道题计算量过小，基本是使用数据，缺乏将数据处理转化的过程，因此将其调整为对应离子的溶度积常数。这样处理的结果既考虑了数据的简化，又兼顾了内隐的数据处理能力的考查，体现了从定量的视角看待物质转化的意义和价值。

基于以上考虑，重新对素材进行加工优化，保留了原流程中Fe和Ca元素分两步除去分别进入滤渣①②和滤渣①④的真实性特征，形成了新的呈现方式和新的设问方式，具体试题如下：

硫酸锌（ZnSO₄）是制备各种含锌材料的原料，在防腐、电镀、医学上有诸多应用。硫酸锌可由菱锌矿制备，菱锌矿的主要成分为ZnCO₃，杂质为SiO₂以及Ca、 Mg、 Fe、 Cu等元素的化合物。其制备流程如下：

本题中所涉及离子的氢氧化物溶度积常数（25℃）如下表：

回答下列问题：

（1） 菱锌矿焙烧生成氧化锌的化学方程式为________。

（2） 为了提高锌的浸取效果，可采取的措施有________、________。

（3） 加入物质X调溶液pH=5，最适宜使用的X是________（填标号）。

A. NH₃·H₂O B. Ca（OH）₂C. NaOH

滤渣①的主要成分是________、________、________。

（4） 向80～90℃的滤液①中分批加入适量KMnO₄，溶液充分反应后过滤，滤渣②中有MnO₂，该步反应的离子方程式为________。

（5） 滤液②中加入锌粉的目的是________。

（6） 滤渣④与浓H₂SO₄反应可以释放HF并循环利用，同时得到的副产物是________、________。

为了降低学生入题的难度，增强学生答题的信心，（1）设问调整为“焙烧生成氧化锌”的化学方程式的书写，学生可以直接近迁移碳酸钙热分解的化学方程式，有助于提振士气。（2）设问调整为提高锌的浸取速率，既考查学生的发散性思维，又让学生平常经常练习的设问得到了适当重现，体现了试题的基础性。

（3） 调pH加入的物质X没有完全遵循原文献，而是创新性地增加新的认知视角，即分别从不引入新的杂质、对环境友好不引起污染、生产成本较低等综合视角，将ZnCO₃和ZnO调整为Ca（OH）₂，对绿色化学的考查更加深入、更加到位。同时增加了对滤渣①主要成分的考查，要求学生有进出的思想，同时根据提供的K_sp计算得出pH=5时，Fe³⁺的存在形态为Fe（OH）₃，为后续“氧化过滤”步骤离子方程式的书写做好铺垫，降低其书写的难度。因此根据流程中物质的进出流，可分析得出滤渣①主要成分为SiO₂、 CaSO₄、 Fe（OH）₃。由于隐去了Pb²⁺导致（5）的难度大幅下降，因此（6）关于绿色化学的考查则进一步提升难度，从“加什么”提升到“生成了什么副产品”，能力考查得到了合理进阶。对优化后的试题要素重新进行分析，结果如表2所示。

优化后的试题核心知识点的覆盖更加全面，关键能力的考查进阶性更加合理，尤其是支架的搭建和推理能力的考查得到了彰显，使得试题的层次分明，难度大幅下降，有利于较好地区分不同层次学生的习得情况，较好地考查了学生的化学学科核心素养水平。

3 命题启示

命题首先要有命题整体的规划和蓝图。工业流程题的功能是以真实的工业流程为情境，来考查其中蕴含的转化的一系列问题。因此在命题规划中，不仅要关注“价类”二维理想转化，更要从平衡、速率等更本质的视角来分析转化；不仅要关注理想的单一目标转化，更要从整体的系统的转化视角来看待流程；不仅要从物质转化的单一视角来设计转化，更要从物质、能量系统的视角来设计转化；不仅要从定性视角来分析物质转化，更要从定量的视角来审视转化^［8］。当然，在工业流程分析中，不仅要从反应物和生成物的结果的视角来看待物质转化，更要从反应的过程即反应机理的优化的视角来分析物质转化。只有高视角、高站位，方能在细微之处见端倪。

其次，在真实情境的遴选和简化的过程中，始终坚持情境是为达成核心素养测试的目标而服务的。遴选的情境一定要有足够的包容性，能够将教材中涉及的多种知识或技能容纳其中。当然，遴选的情境还要有足够的延展性和开放性。上述流程选择高锰酸钾作为氧化剂，而在实际工业设计中，双氧水、液氯、次氯酸钠、漂白粉、过硫酸盐等均可作为氧化剂；上述流程除了获得硫酸锌还能获得MgSO₄、 CaSO₄等副产品，若将沉淀剂HF调整为石灰乳，则获得的副产品是氧化镁^［9］；若将上述流程净化除杂获得的硫酸锌溶液加入碳酸氢铵、氨水的混合液调节pH至7，然后将沉淀煅烧可获得活性氧化锌^［10］；若对转化过程中锌粉置换除钴过程进行研究，则可以从反应机理的视角来精细研究“转化过滤”步骤^［11］。根据整份试卷的命题要求利用不同开放性和不同视角的情境延展设计不同能力层级的问题，让学生在开放性的综合情境中创造性地解决问题，形成创造性的结果或结论^［12］。

其三，在实际问题的设计过程中，通过调控设问角度和设问方式不断优化测量的目标。“调溶液pH=5过滤”不拘泥于原文献，从多点的套路式指定角度优化为创新的单点角度，表面上看需要选择的选项少了，降低了漏选的概率，但是需要考虑和分析的角度多了，思维的丰富性和全面性得到了提升。初稿中提供2个表格数据分别涉及溶度积常数和形成氢氧化物的pH，优化后只提供了5种离子对应的氢氧化物的K_sp，表面上数据的阅读量下降了，难度降低了，但实际上K_sp的考查从外显的直接用数据调整为内隐的定量计算。

清·顾文炜《苦吟》中有云“为求一字稳，耐得半宵寒”。命题就是不断地斟字酌句、反复推敲持续完善的过程。真实文献中的素材切忌完全尊重原文献而不加改造地呈现出来，而是要根据学生的认知和生活经验进行合理的加工。问题的设计也不是要将素材中所有的亮点点亮，而是有舍有得，从整道题浑然天成的视角甚至是从整套试卷的立意和要求合理适度地调控难度。对于创新点、难点一定要搭建足够的支架，让不同认知层次的学生都有所收获。核心知识的布点一定要注意均衡合理，有些时候宁可牺牲整道试题的新颖度也要进行知识点部分的调整。不考冷门，不出怪题，通过调控情境材料的丰富度、试题要素的灵活度、解题路径的开放度，引导教学从总结解题技巧走向培养学生的化学学科核心素养。

参考文献：

［1］单旭峰. 基于高考评价体系的化学科考试内容改革实施路径［J］. 中国考试，2019，（12）： 45～52.

［2］单旭峰. 高考化学学科关键能力的建构思路、基本内涵与考察实施路径［J］. 课程·教材·教法，2022，（6）： 139～146.

［3］教育部. 实现高考由“解题”到“解决问题”的转变［EB/OL］. http：//m.moe.gov.cn/fbh/live/2022/54835/mtbd/202209/t20220915_661469.html，20220915.

［4］中华人民共和国教育部制定. 普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）［S］. 北京： 人民教育出版社，2020： 78～79.

［5］石晓安. 利用菱锌矿生产七水硫酸锌［J］. 新疆有色金属，2006，（4）： 32～33，35.

［6］武俊杰，戴惠新，王凯，贾宝亮，孙亚峰. Pb²⁺、 Zn²⁺、 Ca²⁺、 Mg²⁺对“菱锌矿、白云石英”浮选体系的影响［J］. 有色金屬，2022，（4）： 57～63.

［7］黄勋，刘彤. 菱锌矿硫酸浸出工艺条件的研究［J］. 广东化工，2014，（1）： 17～18.

［8］江合佩，单旭峰. 指向化学学科核心素养发展的原创试题命制研究——以“物质转化及应用类试题”命制为例［J］. 化学教学，2022，（7）： 74～80.

［9］郑若锋. 高镁菱锌矿制硫酸锌和氧化镁工艺研究［J］. 无机盐工业，1994，（4）： 10～13.

［10］潘庆辉. 氨硫酸铵法生产氧化锌新工艺［J］. 无机盐工业，2015，（8）： 40～44.

［11］曾桂生，谢刚. 高钴硫酸锌溶液中锌粉净化除钴的机理［J］. 中国有色金属学报，2008，（6）： 117～120.

［12］张开，单旭峰，巫阳朔，左璜. 高考评价体系的研制解读［J］. 中国考试，2019，（12）： 13～20.