高中化学核心能力评价及教学建议高中化学科目

| 原载于《教育测量与评估》2019 年第 6 期

关于作者

姜鹤佩/厦门市教育科学研究所学生发展研究中心主任，高级教师，主要研究方向为教育测量与评估。

【摘要】核心学科能力是实现核心素养“教-学-评”一体化、落实“一个核心、四层四翼”高考评价体系的重要环节。本文系统分析了核心能力与必备知识、真实情境与核心素养的关系，提出了化学学科核心能力的测试维度，通过典型测试题分析，得出基于核心学科能力培养的教学改进建议：选择合适的教学情境，培养信息获取与处理能力；基于证据合理推断，把握核心要素构建模型；设计综合性的实验任务，在问题解决中领悟系统思维。

【关键词】一个核心、四个层次、四个翅膀；关键能力；核心素养；现实情境；教学改进

为进一步推进考试招生制度改革，促进教育公平，提高选拔水平，2014年国务院发布《关于深化考试招生制度改革的实施意见》，新一轮高考改革正式启动。2015年，教育部考试中心提出了高考“一点四面”的思路，2016年在此基础上调整为“一体四层四翼”，2017年优化为“一核四层四翼”的高考评价体系。2018年，“一核四层四翼”进一步细化，主要体现在评价重点放在各学科关键能力的考察上。因此，明确关键学科能力的内涵，明确其测试维度和呈现形式，对于学校和教师以关键能力培养为抓手推进学科教学具有重大而现实的意义。

1. 化学核心能力的内涵

实施新高考内容改革的有效途径，是建立具有中国特色、符合当前国情的高考评价体系。“一个核心、四个层次、四个翅膀”的高考评价体系应运而生。其中，“一个核心”即“立德树人、服务选人、引领教学”，高度凝练了高考在素质教育中的核心功能，明确了考试目的；“四个层次”即“必备知识、关键能力、学科素养、核心价值观”，是高考素质教育的细化，明确了考试内容；“四个翅膀”即“基础性、综合性、应用性、创新性”，是高考素质教育评价维度的体现，明确了考试要求。

新课程标准提倡“教学-学习-评价”一体化，以培养学生的学科核心素养为目标。学科素养是指“学生经过高中阶段的学习，面对复杂的现实问题或复杂的学术情境，能够在正确的思想观念指导下，运用学科知识技能、思维方式和方法，高质量地认识、分析和解决问题的综合素质”[1]。学科核心素养的评估主要通过“关键能力”的测量来实现，即选取真实复杂的情境并将其转化为驱动问题，将必备的核心知识转化为驱动问题，并测试学科关键能力。在测试学科关键能力的过程中，实现学科核心素养的培养。其中，“关键能力以学科素养为基础，与必备知识相联系，是重要的环节和纽带”[2]。

2017年9月，中共中央办公厅、国务院办公厅印发《关于深化教育体制机制改革的意见》[3]，指出“关键能力”是指“支撑终身发展、适应时代要求的能力，其具体解读是认知能力、合作能力、创新能力、专业能力”。教育部考试中心专家在分析2018年全国高考试题时[4]将“关键能力”定义为“高素质人才必须具备的重要认知能力，也是国家社会发展所要求的应用能力和创新能力”。单旭峰[5]根据化学学科的特点，将“关键能力”细分为“信息获取与处理能力、证据识别与推理能力、模型构建与认知能力、实验操作与探究能力”。在此基础上，笔者总结出了关键能力与必备知识、核心素养之间的关系，以及关键能力的三维划分和化学学科关键能力的四维划分，它们的相互关系如图1所示。

图1 关键能力的组成部分及分类

2. 化学关键能力测试维度

化学核心素养凸显学科特色，注重学科思维方法，有利于培养适应未来社会和终身发展的具有核心竞争力的人才。[6]为系统有效地测试学生的核心素养，统筹规划测试题的测量目标，笔者在化学核心素养测试模型的基础上，确定了核心知识、情境材料、能力提升三个维度，如图2所示。

图2 基于关键能力的测试框架

其中一个维度是学科核心知识。核心知识是落实关键能力的重要基础，是培养学科核心素养的重要抓手。布卢姆弟子安德森（LW Anderson）在《教育目标分类法》修订版中将知识分为“内容（陈述性、概念性）知识、程序性知识和认知（元认知）知识”[7]。单旭峰根据学科研究内容，进一步将核心知识具体化为学科知识和跨学科综合知识[8]。其中，学科知识在学科大概念的引领下形成知识域，强调知识的认知功能和迁移价值；跨学科综合知识强调化学作为21世纪中心学科，融合了科学的学科研究方法，体现了运用跨学科知识解决现实复杂问题的价值。

第二个维度是情境材料。情境材料承载着核心知识，是实现关键能力测试的核心和关键环节。孔燕等根据学生对情境材料的熟悉程度和熟练程度，将情境材料分为“课本情境、生活情境、学术情境”[9]。课本情境主要考查知识的重复和再现水平，属于低级能力；生活情境主要考查知识的迁移和应用；学术情境主要考查知识的远距离迁移，属于高级能力。单旭峰将情境重组为“生活应用情境、化学历史情境、工业生产情境、科研情境”[8]。关键能力的考查需要学生面对现实复杂的情境，调用知识，形成解决问题的总体思路，这是知识从结构化发展到功能化、素养化的必由之路。

第三个维度是能力的提升。不同于布卢姆教育目标分类将认知维度划分为“记忆、理解、应用、分析、评价、创造”和考试大纲中较为笼统的“认识、理解、领悟、应用”的描述，我们根据王雷的学科能力构成模型[10]，将能力划分为“学习与理解、应用与实践、迁移与创新”。每个能力维度又细分为三个子能力，按照给定角度→提示角度→自主角度、单一角度→多重角度、孤立静态→系统动态的顺序提升。

化学核心能力的测试主要通过选取真实情境，将其转化为驱动性问题，考查学生必备的知识，调节学生的认知维度，实现测试关键能力的测量目标。为了更准确地反映学生化学关键能力的真实水平，防止“刷题”造成测量系统误差，福建省厦门市教育科学研究院组织专门团队，根据图1、图2所示的关键能力维度和测试框架，开发了学生化学关键能力测试题，并对该市所有高中生样本进行了测试，取得了良好的效果。下文以典型测试题为例，具体阐述该学科关键能力测试的范式和特点。

3. 化学关键能力评估

1.信息获取与处理能力

信息获取与处理能力指学生通过对自然、社会、生产、生活中的化学现象的观察，对实验现象、实物和模型的观察，对图形图表的阅读，获取相关的感性知识和印象，并进行初步加工、吸收和有序贮存的能力；能从试题提供的新信息中准确提炼出实质性内容，并与相关知识块相结合、重新组织成新的知识块的能力。[5]例1针对环境保护问题，通过图像中物质变换的信息，考察化学反应过程中所涉及的能量变换、物质变换问题，属于内容知识；考查的能力水平属于学习与理解，试题通过给定角度来降低难度，属于概括与联想能力水平。

例1：习近平主席在巴黎气候大会上指出，要有效控制大气温室气体浓度，推动绿色低碳发展。

（1）半导体光催化转化CO2的机理如图所示：

①能量转换的形式为：光能→____→____。

②在转化反应中，O2为____（填“氧化产物”或“还原产物”）。若以单位质量CO2所得到的电子数来表示转化效率，则CO2转化为____（填化学式）时转化效率最低。

本题要求学生理解信息，准确提取试题中的实质性内容，然后进行加工、综合，形成解决问题的能力。从图中可以看出，太阳能驱动装置中电子的定向运动引起非自发反应“H2O→O2”，CO2转化为相应的含碳化合物。由此可判断其能量转化形式为“光能→电能→化学能”；根据信息“H2O→O2”可知氧元素的价数为“-2→0”，在反应过程中被氧化，为氧化产物；根据信息“转化效率”的定义可知，单位量的CO2转化为CO和HCOOH所获得的电子为2mol，转化效率最低。

2.证据识别与推理能力

证据辨识与推理能力要求学生能根据证据对物质的组成、结构和变化等提出可能的假设，并通过分析推理予以证实或反驳；并能建立观点、结论与证据之间的逻辑关系。[5] 例2 根据证据NaClO2中Cl元素的价数为+3，推断其氧化能力比氯气强；根据(NH4)2CO3溶液呈碱性，推断碳酸盐的水解程度大于铵盐；根据随着反应的进行pH值逐渐降低，推断氧化剂发生了变化，并在此基础上继续推理，得出合理的结论。

例2：采用NaClO2/(NH4)2CO3溶液脱除烟气中的SO2和NO工艺流程如左下图所示：

已知NaClO2的氧化性随着pH的升高而下降，在酸性条件下会分解生成ClO2。

（1）NaClO2中Cl元素的价数为____。

(2) (NH4)2CO3溶液呈碱性的原因是____（请结合离子方程式解释）。

（3）最初，NO被氧化成

离子公式是____。

（4）随着吸收反应的进行，吸收剂溶液的pH值逐渐____（填“增大”、“降低”或“不变”）。

（5）经过一段时间的脱硫、脱氮后，溶液呈酸性，NO氧化为HNO3的化学反应式为____。

（6）研究了（NH4）2CO3对NO和SO2去除效率的影响，实验结果如右上图所示。NO去除效率随（NH4）2CO3浓度增加而下降的主要原因是____。

本题采用循序渐进的方式，让学生判断氯的价数为+3，所以氧化性比氯气强；溶液呈碱性是因为碳酸根离子的水解程度比铵离子强，为后面基于信息的氧化还原离子方程式的写出做铺垫。“一开始NO被氧化成

难点在于介质的判断，通过问题（2）的准备，可以判断溶液是碱性的，进一步推理，OH-其实是由

水解提供。

溶液的pH值随着消耗而逐渐降低，此时要注意题目中的证据“在酸性条件下会分解成ClO2”，此时NO被氧化成HNO3的氧化剂是ClO2。下面的化学反应式书写是一道程序性问题，我们还需要找到NO去除率降低的原因，即NaClO2的氧化性随着pH的升高而降低的证据。整道题要求学生找到合适的证据，并将证据与核心知识结合起来，进行合理的推断，得出正确的结论。

3 模型构建与认知能力

模型构建与认知能力要求学生通过科学方法认识研究对象的本质特征、组成要素及其相互关系，建立认知模型，并能应用其预测变化规律、化学现象或物质结构等，揭示现象的本质和规律。[5]例3以南京大学何平教授在国际顶级学术期刊Joule上发表的研究论文《海水中提取锂金属》为基础，属于学术范畴，要求学生基于电化学认知模型，从器件维度（电子位点的得失、电子导体、离子导体）和原理维度（电极、电路、物质存在形态、氧化性还原性）提炼出解决问题的关键要素，形成解决此类问题的认知模型；考查的知识点涉及电子导体、离子导体、离子定向运动、电解质溶液、守恒定律计算等，属于程序性知识；考查的能力属于迁移创新。测试要求学生能从资料中准确提取关于能量和物质转化的关键因素，并把这些关键因素联系起来，建立模型，形成解决问题的总体思路，具体能力层级为复杂推理。

例3：下图是从海水中提取锂金属的装置，运行过程中，在电极C处依次检测到两种气体，下列哪项表述是正确的？

高中化学学科_高中化学科目_高中化学学科基本要求

A.电子的流动方向为：电极d→电极b→电极a→电极c

B.离子交换膜是质子交换膜

C.丁基锂可用LiNO3水溶液代替

D.若导线中传输1mol电子，则电极C产生的气体质量在8~35.5g之间。

本题电化学装置首先分析能量转化的形式，从图中给出的信息我们可以看出太阳能首先转化为电能，电能转化为化学能，所以这个电化学装置就是电解池。其次分析物质转化，“海水提锂”就是将海水中的Li+转化为Li。由于金属锂不能稳定存在于水相中，在丁基锂（有机溶液）的Cu箔表面发生还原反应，所以电极d得到电子发生还原反应作为阴极，电极c失去电子发生氧化反应作为阳极；离子交换膜主要是富集锂离子，所以是锂离子交换膜；电极c附近的电解液是海水，主要是氯化钠的水溶液。阳极阴离子放电，所以Cl-先放电，随着浓度的降低，OH-依次放电。根据电子得失守恒，电极c附近气体在8g~35.5g之间。本题要求学生从资料中梳理出重点要素并与已知的电化学认知模型进行有效匹配，有条不紊地进行分析解决问题。

4 实验操作与研究能力

实验操作与探究能力要求学生了解化学实验研究的一般过程，掌握化学实验的基本操作技能；能根据实验操作和过程，分析实验目的或预测实验结果；能描述实验现象，处理、分析实验数据与结果，得出相应结论。[5]例4以常见的速效氧合鱼浮子为材料，对物质的制备、定量检测、原理探究等进行考察。考试情境为现实生活情境，能力等级属于转移创新。考试要求学生有良好的实验切身体验、严谨的逻辑思维、宽广的系统思维，具体能力等级属于系统探究。

例4：水产养殖用速效增氧剂鱼浮剂主要成分为过碳酸钠（xNa2CO3·yH2O2）。

资料： ①过碳酸钠具有Na2CO3和H2O2的双重性质，在50℃开始分解

②xNa2CO3(水溶液)+yH2O2(水溶液)====xNa2CO3·yH2O2(水溶液)ΔH

实验一过碳酸钠的制备

实验室中，过碳酸钠的制备方法是将Na2CO3与稳定剂的混合溶液与H2O2混合，实验装置如下图所示。

（1）仪器a的名称为____。

（2）恒压滴液漏斗中盛放的药物是____。

（3）以下可用作“稳定剂”：____（填数字）。

A.FeCl2 B.CH3COOH

C.Na3PO4 D.MnO2

（4）反应结束后，停止搅拌，向反应液中加入异丙醇，静置、过滤、洗涤、干燥，即得固体过碳酸钠。加入异丙醇的目的是____。

实验2 过碳酸钠的组成测定

设计组分测定实验方案所用试剂为：甲基橙、石蕊、KI固体、0.2000mol·L-1H2SO4溶液、0.1000mol·L-1Na2S2O3溶液、0.0200mol·L-1KMnO4溶液

（已知：

）

根据以上实验数据，可以分析出过碳酸钠（xNa2CO3·yH2O2）中的x:y=____。

实验三过碳酸钠氧化原理研究

某课题组在常温下进行实验，将鱼漂溶解于水中，然后向H2O2中加入NaCl、Na2CO3、NaOH，同时测定溶解氧含量（mg·L-1），数据记录如下：

结合以上实验结果，鱼浮子溶解于水后，实现水产养殖快速增氧的原理是____。

例4中，实验1为制备实验，要求学生对常见物质的制备有一些切身经验。在固液反应中，固体一般放在三口烧瓶中，液体则盛在恒压分液漏斗中；稳定剂的加入使整个体系稳定，而稳定剂又不能和组分发生化学反应，故选用Na3PO4；为了获得较高的产物收率，常加入有机试剂异丙醇，以降低产物在水中的溶解度，有利于表面水分的挥发，使其更容易沉淀。实验2为组分定量测定实验，即分别测定Na2CO3和H2O2的含量，Na2CO3含量的测定采用连续滴定，关键是以甲基橙为指示剂；由于所配试剂中没有淀粉指示剂，无法用碘滴定法测定H2O2的含量，只能用氧化还原滴定法测定，因此选择KMnO4溶液作为氧化剂进行相关实验。实验3主要考察控制变量，并探索

还是 OH- 导致氧合过快？综合数据分析显示，这是由于

水解产生的OH-催化了H2O2的分解，根本达不到快速氧化的目的。

四、基于重点学科能力培养的教学建议

1. 选择合适的教学情境培养信息获取和处理能力

信息获取与处理能力的培养，重点在于教材的选择。中学化学教师需要根据核心知识确定本课所要达到的教学目标，然后根据核心知识的特点进行教材的选择。在教材的选择上，教师要保证所选教材与学生学习的生产生活实际紧密联系，体现时效性、针对性、启发性、过程性、科学性和教育性。另外，所选教材需要具有一定的挑战性，有利于激发学生的认知冲突，有利于调动学生的结构化知识，实现知识的功能化。

例如，在高二阶段，化学教师在讲授氧化还原信息方程时，可以开设一门专题课程，内容为“CO2资源利用”。教学流程图如图3所示。所选教材均取自最前沿的学术期刊，属于学术语境，对学生的挑战性很大。该课题要求学生运用结构化、网络化的知识，从信息中提取有效信息，并与所学的核心知识进行整合重组，形成解决问题的能力。学生信息提取的准确度取决于信息的距离、难度和学生的认知。因此，该课题在题目设计上可以说是独树一帜，根据情境的陌生度、复杂性、知识的难度逐步推进，让学生在陌生情境和驱动问题的学习中获取知识、提高能力、培养素养。

图3 “CO2资源利用”教学流程

2.基于证据进行合理推理，把握模型构建的核心要素

在化学学习过程中，学生证据辨别推理能力、模型建构认知能力的培养是一个逐步深化的过程。以原电池认知模型为例，学生首先要基于大量的原电池分析，提炼出其核心要素，即电极、盐桥、电解质溶液、导线；然后理清其核心要素之间的具体关系，如不同活度的金属可作为电极、电解质可参与电极反应、盐桥容纳电解质并维持溶液的电中性、导线连接电极等；最后将这些具体关系形成一个体系[11]，如电解质溶液盐桥中电解质的关系、电极与电解质溶液的关系、导线与电极的连接等，形成原电池认知模型[12]。（见图4）

图4 原电池认知模型

以“设计一种从海水中提取金属锂的电化学装置”（教学流程见图5）为例，本次教学共设计了4个任务。任务1要求学生“独立设计一种从海水中提取金属锂的电化学装置”，关键是要找出“Li+→Li”这一证据，并根据该证据做出合理推断，类比经典的饱和盐水电解，设计出理想的装置。任务2要求学生“根据金属锂的化学性质改进电化学装置”，关键是要找出“锂的化学性质与钠相似”这一证据，因此需要保证锂离子在非水体系中放电。教学过程中将正极电解质溶液设计为丁基锂离子液体。另外，为了保证海水与正极隔开，使大量的锂离子富集在正极，离子交换膜设计为只允许锂离子通过。任务3要求学生“从能量获取和转换的角度优化电化学设备”。因此，它们可以根据提供的数据来推断，以判断电化学设备的性能。在进一步分析之后，提取了混凝土电化学设备的关键核心要素，即电极，电解质解决方案，电解器解决方案，电气电池，电子导体，离子导体和核心反应的核心反应。这些核心的竞争力是有效地链接的，这些核心是为了求解模型的特定链接。转变为方法的学习，并转变为模型构建的学习。当面对陌生和复杂的情况或学术情况时，这将增强学生的解决能力，并培养学生在化学方面的核心能力。

图5“设计用于从海水提取锂金属的电化学装置”的教学过程

3.设计全面的实验任务并了解解决问题时的系统思维

培养实验操作和查询能力的困难在于，学生必须具有动手经验和严格的逻辑推理，即“思考”，不仅有“纯实验的设备和操作，预测和描述，设计和评估”在与实验性操作和询问能力有关的具体实施中，知识与彼此相互交织，并具有高度的全面性和强大的系统。检测，定量分析和财产勘探。任务是高度的挑战，要求学生在设计分离和净化实验时完全考虑系统中所涉及的物质；知识和主题模块的整合程度很高，要求它们能够随时致电和集成以形成新的想法并形成解决实验问题的一般途径。

图6“揭开鱼漂浮精神的秘密”教学过程

参考：