“證據推理與模型認知”素養在高考中的考查及復習

張莉娜 張 偉 葛繼寧(正高級教師)

(1.北京教育學院數學與科學教育評價研究中心2.北京市第九中學 3.北京市昌平區第二中學)

新課程的高考要以《普通高中化學課程標準》(以下簡稱“課程標準”)為依據，實施素養導向的考試評價.因此，高三的復習需要依據課程標準分析研讀高考試題的命題思路，并使用素養導向的試題來考查學生化學學科核心素養的達成度.課程標準界定了“證據推理與模型認知”素養，指的是學生具有證據意識，能基于證據對物質組成、結構及其變化提出可能的假設，通過分析推理加以證實或證偽;建立觀點、結論和證據之間的邏輯關系.知道可以通過分析、推理等方法認識研究對象的本質特征、構成要素及其相互關系，建立認知模型，并能運用模型解釋化學現象，揭示現象的本質和規律.本文以課程標準為依據，以高考題為例重點分析“證據推理與模型認知”素養的考查，并以原創試題“汽車尾氣的凈化”為例，介紹命制指向化學學科核心素養的高三原創試題的思路.

1 “證據推理與模型認知”素養在高考中的考查

例 以Na2SO3溶液和不同金屬的硫酸鹽溶液作為實驗對象，探究鹽的性質和鹽溶液間反應的多樣性，如表1所示.

表1

(1)經檢驗，現象Ⅰ中白色沉淀是Ag2SO3.用離子方程式解釋現象Ⅰ:_______.

①用稀H2SO4證實沉淀中含有Cu＋的實驗現象是________.

②通過下列實驗證實，沉淀中含有Cu2＋和，如圖1所示.

圖1

a.白色沉淀A 是BaSO4，試劑1是_________.

b.證實沉淀中含有Cu2＋和的理由是_________.

(3)已知:Al2(SO3)3在水溶液中不存在.經檢驗，現象Ⅲ的白色沉淀中無，該白色沉淀既能溶于強酸，又能溶于強堿，還可使酸性KMnO4溶液褪色.

①推測沉淀中含有亞硫酸根和_________.

②對于沉淀中亞硫酸根的存在形式提出了2種假設:

ⅰ.被Al(OH)3所吸附;

ⅱ.存在于鋁的堿式鹽中.

對假設ⅱ設計了對比實驗，證實了假設ⅱ成立.

a.將對比實驗方案補充完整.

步驟1:見圖2.

步驟2:_______(按圖2形式呈現).

圖2

b.假設ⅱ成立的實驗證據是_________.

(4)根據實驗亞硫酸鹽的性質有________.鹽溶液間反應的多樣性與_________有關.

參考答案

(2)①析出紅色固體;

②a.HCl和BaCl2溶液.

b.在I－的作用下，Cu2＋轉化為白色沉淀CuI，轉化為.

(3)①Al3＋、OH－.

②a.如圖3所示.

圖3

b.V1明顯大于V2.

(4)亞硫酸鹽的溶解性、氧化還原性、在水溶液中的酸堿性;兩種鹽溶液中陰、陽離子的性質和反應條件.

分析 1)測試對象(學生水平):本題是2016 年高考北京理科綜合卷第28 題，測試對象為北京籍考生.

2)測試宗旨(核心素養):本題主要考查了“證據推理與模型認知”素養，以及部分“宏觀辨識與微觀探析”“科學探究與創新意識”素養，如能從宏觀和微觀相結合的視角分析與解決實際問題;能從問題和假設出發，依據探究目的，設計實驗方案.

3)測試載體(真實情境):以Na2SO3溶液和不同金屬的硫酸鹽溶液多樣性反應的實驗為情境，按照認識物質及其變化的基本模型(如圖4)展開，對學科基本知識進行結構化理解.Na2SO3溶液分別與3 種硫酸鹽溶液發生反應，創設了真實、有意義的測試情境，并在此基礎上設計出該試題的測試任務，對學生能力的要求不斷提高，側重考查信息理解、分析數據、做出推測、設計實驗、驗證假設、得出結論等一系列思考和研究過程，在多角度、多環節的思維過程中，綜合地、多層次地考查學生的綜合素質，達到高考擇優選拔的目的.

圖4

4)測試任務(實際問題):試題從證據的獲取、結論的表征、從證據到結論的推理論證、復雜體系中多證據與多結論的關系梳理、基于從假設尋找變量設計實驗方案、基于假設尋找實驗方案中的定量證據等不同的思維角度設問，考查“證據推理”素養的達成.本題考查了學生應用化學模型認識物質的組成、結構及變化，包括關聯表征(第1問)、解釋和論證(第2問)、預測和設計(第3問)這3個不同水平.在解決問題過程中，考查了“實驗探究陌生物質的性質及變化”的化學認識模型，從物質類別、元素價態的角度，依據復分解反應和氧化還原反應原理，預測物質的化學性質(溶解性、氧化還原性、酸堿性)和變化(生成沉淀的反應、氧化還原反應和酸堿反應)，設計實驗進行驗證，分析、解釋實驗現象，歸納得到實驗結論.這個化學認識模型的建構是在高考前的化學學習過程中完成的，本題考查了模型運用(第1、2 問)、模型優化和創新(第3問)，達到了“模型認知”素養水平4.

5)解決問題的工具(化學知識):本題要求學生能運用已有的知識，以及從試題給出的實驗情境中接受、整合相關信息來分析解決問題，這些知識涉及:從離子角度分析電解質在水溶液中的反應，基于鹽的溶解性認識與Ag＋形成難溶電解質Ag2SO3并用離子方程式表征(第1 問);從化合價角度認識的還原性與Cu2＋的氧化性，預測發生的氧化還原反應，實驗探究反應產物，描述實驗現象和收集有關數據，具體涉及常見、I2的檢驗(第2問);通過鹽溶液中溶質與溶劑的相互作用認識Na2SO3溶液的堿性與Al2(SO4)3溶液的酸性，發生復分解反應后探究產物中的存在形式，設計實驗方案并根據假設的結論收集定量證據(第3問);綜合Na2SO3溶液與不同的硫酸鹽溶液的反應，做出概括、分析和解釋，揭示化學變化的特征規律(第4問).

依據課程標準深度剖析典型高考題對“證據推理與模型認知”素養的考查不難發現，在高中化學學習和復習備考的過程中，要了解:化學是一門以實驗為基礎的學科，透過實驗揭示物質變化規律是化學學科研究的基礎.高考題從實驗入手，將多角度認識物質及其變化的考查要求通過實驗整合起來，因此在高三復習中要在注重基礎實驗技能培養的同時鍛煉實驗探究能力，從多角度、多層面對實驗基礎知識、反應規律融合掌握.本題創設實驗情境，引導學生從多個角度看待鹽溶液的性質及化學變化，分析真實情境中存在多種微粒、多個反應及反應間存在相互影響、動態變化的復雜體系.體系的“復雜”就體現在多微粒、多反應的動態變化，學生需要在證據與結論的復雜推理中基于問題解決進行作答.

下面介紹如何依據課程標準，參照高考題的命制思路，命制“證據推理與模型認知”素養的高三檢測題，幫助學生整合與活化知識，檢測素養的達成度.

2 “證據推理與模型認知”素養的復習檢測題

試題自2020年7月1日起，在全國范圍內實行輕型汽車國Ⅵ排放標準，其中要求汽車行駛排放的CO 不超過700mg·km－1、氮氧化物不超過60mg·km－1.汽車行業通過稀薄燃燒和三元催化等技術降低汽車尾氣排放.稀薄燃燒是使空燃比(A/F:空氣質量與燃油質量之比)稍大于理論值，汽油燃燒更加充分，節能且降低尾氣排放量.汽車安裝三元催化轉化器進行尾氣處理，溫度為316～649 ℃時，可以轉化90%以上有害物質.

(1)請分析汽油(主要成分為碳氫化合物，以下縮寫為HC)和空氣在汽車發動機汽缸中發生的反應，解釋汽車尾氣中氮氧化物的來源________.

(2)圖5是空燃比與有害氣體排放量的關系，最佳空燃比為陰影區域.

圖5

請根據上面的信息，分析采用此空燃比的優缺點分別是_________.

(3)分析發動機排放出的氣體成分，小明提出無需外加試劑，利用2NO＋2CO＝N2＋2CO2進行尾氣凈化.

請判斷上述反應能否發生_________(填寫“能”或“否”);理由是________.

(4)三元催化劑能提升汽車尾氣凈化反應的速率，早期的催化劑是鉑，科學家研究反應機理來探索更廉價高效的催化劑，圖6是某新型催化劑催化NO與CO 的反應過程，請在圖中圈出催化劑.

圖6

(5)政府監控汽車尾氣排放，在道路上安裝了汽車尾氣檢測裝置，某汽車尾氣檢測數據為CO 900 mg·km－1、氮氧化物83 mg·km－1，請你判斷尾氣是否符合國Ⅵ排放標準，如果符合，給出判斷的依據;如果不符合，請分析可能原因并給出改進建議:

①________(填寫“符合”或“不符合”);

②________(寫出判斷依據或分析原因給出改進建議).

參考答案

(1)空氣中的氮氣與氧氣在發動機汽缸反應生成氮氧化物.

(2)此空燃比區域，汽油充分燃燒且HC、CO 的含量低，缺點是氮氧化物的含量高.

(3)能;CO 和NO 中的碳元素和氮元素均是中間價態，既有氧化性又有還原性，根據產物N2和CO2推測CO 體現還原性、NO 體現氧化性，此反應可能發生(要求作答完整、系統分析化合價變化).

(4)圈出ZSM5—Mn.

(5)不符合;發動機進氣管故障，燃料和空氣的進氣比例不對，對發動機進氣管進行排查和修理.三元催化器的催化劑表面積碳，催化劑失效，對三元催化器進行清洗.汽車溫控故障，三元催化器不在316～649 ℃溫度范圍內，尾氣處理效果差，檢測催化器的工作溫度并修理.

分析1)測試對象(學生水平):本題的使用對象為高中三年級的學生，這部分學生是在完成必修和選擇性必修化學學習的基礎上，選擇化學作為計入高校招生錄取總成績的學業水平考試科目.

2)測試宗旨(核心素養):本題測試的主要是“證據推理與模型認知”的化學學科核心素養，要求學生能從原子、分子水平認識物質及其變化，具有證據意識，能從事實中提取證據，從宏觀與微觀、定性與定量相結合的角度收集證據，能基于證據對物質組成、結構及其變化提出可能的假設，通過分析推理加以證實或證偽，建立觀點、結論和證據之間的邏輯關系;并能識別物質模型和化學反應的理論模型，運用模型解釋物質的性質及其變化.

3)測試載體(真實情境):本題以“國Ⅵ排放標準”以及“汽油發動機可燃混合氣燃燒及三元催化轉化器工作機理”等相關文獻為背景，創設了真實、有意義的測試情境:在國Ⅵ排放標準下，有哪些辦法讓汽車尾氣的排放不超標，并結合中學的教學實際，設計測試問題，檢測學生“證據推理與模型認知”素養，同時培養學生的科學態度與環境保護意識.

4)測試任務(實際問題):本題提出3 個實際問題，汽車尾氣的有毒有害物質是怎么產生的? 如何將有毒有害的物質轉化為無毒無害物質? 轉化需要哪些條件? 涉及物質的組成、性質及轉化等方面.依托圖表和文字敘述的方式，將化學知識與技術參數以及科學研究相融合，要求學生在閱讀文字背景信息的基礎上明確汽車尾氣中的有害成分，從元素的視角明確尾氣是怎么產生的;利用圖形分析推理選擇合適空燃比的原因，從而在發動機內部減少尾氣的產生;基于氧化還原反應原理選擇合適的反應路徑實現尾氣的凈化;尾氣從發動機快速排出，所以凈化的快慢至關重要，因此要通過催化劑提高反應速率;最后基于尾氣的產生和凈化的全過程，解決實際生活中尾氣超標的問題.

第(1)問，按照“提取證據→提出假設→依據證據證明假設”的順序設置問題，要求學生能從物質及其變化的事實(汽車尾氣中的氮氧化物是生成物)中提取證據，對有關的化學問題(氮氧化物是怎么產生的)提出假設，能依據證據(空氣的主要成分是氮氣和氧氣，汽油的主要成分是碳氫化合物)，利用化學觀點(物質由元素組成和化學反應前后元素種類不變)證明假設(空氣中的氮氣與氧氣在發動機汽缸反應生成氮氧化物)，考查“證據推理與模型認知”素養水平1的達成.

第(2)問，通過空燃比與有害物質關系圖的分析，要求能從定性(基于“汽油不充分燃燒產生一氧化碳和碳氫化合物”和“氮氣與氧氣反應生成氮氧化物”這兩個產生有害氣體的反應)與定量(空燃比與HC、CO、NOx的定量關系)結合上收集證據，能通過定性分析和定量計算推出合理的結論(采用此空燃比的優缺點:空燃比稍大于理論值，優點是汽油充分燃燒且HC、CO 的含量低，缺點是氮氧化物的含量高)，培養學生辯證地看待問題，考查“證據推理與模型認知”素養水平3是否達成.

第(3)問要求學生從化合價角度分析物質性質，結合反應產物說明物質具體體現的性質，論證這個反應的合理性，運用理論模型(從化合價角度分析物質的性質及變化的程序化模型)推測物質的性質(NO 和CO 的性質)與變化(NO 與CO 的氧化還原反應).需要學生綜合運用化學知識與方法，根據物質中核心元素的化合價預測物質性質，再根據尾氣凈化反應的產物分析物質生成的合理性，最終得出結論，考查“證據推理與模型認知”素養水平4是否達成.

第(4)問要求學生從宏觀和微觀結合上收集證據(NO 與CO 的反應)，結合對催化劑的認識(質量和化學性質不變)，依據證據推出合理的結論(ZSM5—Mn是反應歷程中的催化劑)，考查“證據推理與模型認知”素養水平2是否達成.

第(5)問要求學生首先要將題干中的數據與本小問所給信息中的數據進行比對，推出尾氣超標，基于本題中汽車尾氣中有害氣體的產生和消除，識別尾氣超標的變量(包括第2問空燃比、第4問催化劑，還有信息中提到的催化劑的工作溫度)，進行假設并基于變量設計適合的改進方案，即能對復雜的化學問題情境中的關鍵要素(反應物的配比、反應條件、催化劑和溫度)進行分析以建構相應的模型，解決復雜的化學問題(尾氣超標)，考查“證據推理與模型認知”素養水平4是否達成.

5)解決問題的工具(化學知識):本題要求學生運用已有的知識及從試題中接收領悟到的相關知識來解決所提出的問題，這些知識包括:依據物質類別和元素價態識別典型元素的代表物，依據物質通性和氧化還原反應原理，預測物質的化學性質和變化，說明物質的轉化路徑(試題第1問、第3問和第4問);能根據物質性質分析環境中的問題，參與社會性議題的討論(試題第2問和第5問)等.

本題以真實情境(國Ⅵ排放背景下汽車尾氣的產生和凈化)為測試載體，聯系學生生活實際，注重過程性、科學性，形成與測試任務融為一體、具有不同陌生度、豐富而生動的測試載體.以實際問題(稀薄燃燒技術和三元催化技術)為測試任務，突出考查學生認識物質性質和變化的思路及氧化還原反應認知模型，不僅考查了學生對化學基礎知識、基本理論的掌握，而且進一步考查了學生利用所學知識分析和解決真實問題的遷移應用能力.本題的“情境”和“知識”同時服務于“問題”的提出與解決，“問題、情境、知識”三者緊密相連，考查學生在陌生的情境中，能否將知識融會貫通，能否從物質類別和元素價態的視角，利用證據分析推理并結合氧化還原反應的認知模型解決實際問題的能力.

(完)