基于深度学习解析高考化学工艺流程题

摘要

在分析高考化学工艺流程题特点、要求和价值的基础上，指出深度学习是应对解题的有效途径。提出3条促进深度学习的路径：首先，强调对必备知识的准确掌握与理解；其次，提倡在教学中创设融入STSE（科学、技术、社会、环境）教育的真实情境；最后，鼓励培养学生的建模思维并开展教学反思。同时，结合新的课堂教学形式，进一步推动深度学习的实施。

Graphical abstract

关键词

必备知识 / 深度学习 / 解析 / 高考化学 / 工艺流程题

高考试卷中的化学工艺流程题，主要考查考生对化学反应及其反应条件、流程和控制的理解。通常情况下，这类题目会提供一些信息，如情境背景、工艺意图与流程、部分化学试剂、处理或实验方法、化学反应方程式以及实验条件等。考生需要通过这些信息对化学工艺流程每个步骤的目的和意义，以及涉及的化学反应原理有较为清晰的认识。基于此，考生应能得出化学反应时物质之间的转化、反应条件的控制以及物质的分离与提纯措施等，从而尽可能接近真实的化工生产情境，并在这一过程中增强自身的核心素养。这类题目信息量大，信息隐藏方式复杂，设问方式灵活多变，考查知识全面。因此，化学工艺流程题已成为全国高考化学科目中的必考题型。深度学习是针对实践中存在大量的机械学习、死记硬背、知其然而不知其所以然的浅层学习现象而提出的，特点是要让学生经历发展的、有意义的学习过程。在此过程中，学生掌握核心知识并把握其本质，形成独立性、批判性、创造性思维，获得积极的、高级的社会性情感^［1］。因此，深度学习是应对高考化学工艺流程题的有效途径。

以高考化学工艺流程题为研究对象，分析这些题目所包含的必备知识及其相应的能力要求，并与日常课堂教学（尤其是高一和高二的新课阶段）进行对比，交流和分享涉及深度学习必备知识的教学策略，旨在进一步提升课堂教学质量。

1 高考化学工艺流程题必备知识与能力要求案例分析

以2024年全国高考理综甲卷第26题（化学第8题）为例，详情如下。

【题例：26（14分）】钴在新能源、新材料领域具有重要用途。某炼锌废渣含有锌、铅、铜、铁、钴、锰的+2价氧化物及锌和铜的单质。从该废渣中提取钴的一种流程如下（图1）。

已知：①K_sp（CuS）=6.3×10^-36，K_sp（ZnS）=2.5×10^-22，K_sp（CoS）=4.0×10^-21。

②以氢氧化物形式沉淀时，lg［c（M）］与溶液pH的关系如图2所示。

回答下列问题：

（1） “酸浸”前，需将废渣磨碎，其目的是__________。

（2） “酸浸”步骤中，CoO发生反应的化学方程式是________________。

（3） 假设“沉铜”后得到的滤液中c（Zn²⁺）和c（Co²⁺）均为0.10 mol·L^-1，向其中加入Na₂S至Zn²⁺沉淀完全，此时溶液中c（Co²⁺）=_____mol·L^-1，据此判断能否实现Zn²⁺和Co²⁺的完全分离_____（填“能”或“不能”）。

（4） “沉锰”步骤中，生成1.0 mol MnO₂，产生H⁺的物质的量为________。

（5） “沉淀”步骤中，用NaOH调pH=4，分离出的滤渣是__________。

（6） “沉钴”步骤中，控制溶液pH=5.0~5.5，加入适量的NaClO氧化Co²⁺，其反应的离子方程式为__________。

（7） 根据题中给出的信息，从“沉钴”后的滤液中回收氢氧化锌的方法是______________。

【试题分析】该题第（1）小题考查化学反应速率的影响因素。通过学习，学生已习得增大反应物的接触面积能够加快化学反应速率。因此，“酸浸”前将废渣磨碎的目的是：增大接触面积，加快“酸浸”速率。第（1）小题考查的是基础知识，难度较低。

第（2）小题考查具体物质（CoO）在“酸浸”时化学方程式的书写，这有一定难度，但学生如果能以物质类别（金属氧化物）视角审题，知道金属氧化物与酸反应的一般规律，就不难写出CoO与H₂SO₄的化学方程式：CoO+H₂SO₄=CoSO₄+H₂O；相反，如果学生不能从物质类别视角审题，或者并不知道金属氧化物与酸反应的规律，这一小题的得分就没有保障。此处需要学生有一定的知识迁移能力，考查学生的学科素养，难度一般。

第（3）小题有两小问，分别涉及难溶电解质溶度积的计算与判断。先要根据K_sp（ZnS）及金属离子浓度小于等于10^-5 mol/L（认定为沉淀完全）计算出体系中c（S^2-）为2.5×10^-17 mol/L，再根据K_sp（CoS）就求出体系中的c（Co²⁺）为1.6×10^-4 mol/L，与原有0.1 mol/L c（Co²⁺）相比较可知Co²⁺有沉淀下来，说明不能实现Zn²⁺和Co²⁺的完全分离。该小题考查学生的关键（计算）能力，以及根据计算结果并结合题意进行判断的能力，计算特别是带有较复杂科学计数的计算是学生的弱项，这一问难度适中。

第（4）小题难点之一在于，学生要知道{\mathrm{S}}_{\mathrm{2}}{\mathrm{O}}_{\mathrm{8}}^{\mathrm{2}-}结构中有一个具有氧化性的过氧根（‐O‐O‐）；难点之二在于，要结合信息写出其反应的离子方程式为：Mn²⁺+{\mathrm{S}}_{\mathrm{2}}{\mathrm{O}}_{\mathrm{8}}^{\mathrm{2}-}+2H₂O=2\mathrm{S}{\mathrm{O}}_{\mathrm{4}}^{\mathrm{2}-}+MnO₂+4H⁺，且产生1.0 mol MnO₂时产生H⁺的物质的量应根据方程式计算出，其答案为4.0 mol。{\mathrm{S}}_{\mathrm{2}}{\mathrm{O}}_{\mathrm{8}}^{\mathrm{2}-}的结构以及离子型氧化还原方程式的正确书写是解题的关键，涉及的必备知识及关键能力要求较高，该小题的难度较大。

第（5）小题是根据流程走向和题给信息分析出用NaOH调至pH=4，分离出的滤渣是Fe（OH）₃。这一问考查了学生的信息综合与加工能力，难度中等。

第（6）小题难点在于，题目信息Co²⁺沉淀时相关pH范围与题中“控制溶液pH=5.0~5.5”不一致，这就要求学生必须判断出NaClO氧化Co²⁺生成的是Co（OH）₃，从而达到“沉钴”的目的，再结合离子反应、氧化还原反应相关能力要求，写出答案为：ClO^-+2Co²⁺+5H₂O=2Co（OH）₃↓+Cl^-+4H⁺。这一问对学生的信息加工能力要求较高，难度较大。

第（7）小题一是要求学生根据流程图分析出“沉铜”“沉锰”“沉铁”及“沉钴”后的滤液中含有Zn²⁺；二是要结合上一小题中“沉钴”时pH已调至5.0~5.5，以及题目所给lg［c（M）/mol·L^-1］和溶液pH的关系图进行分析，则最后一问的答案也就有了眉目：向滤液中缓慢滴加NaOH至溶液pH小于12，过滤、洗涤、干燥，就可以得到氢氧化锌。这一问要求学生有较强的综合分析能力与表达能力，难度大。

2 基于高考化学工艺流程题分析的深度学习策略

学科必备知识，与过去“双基”（即基础知识与基本技能）理念相似，在当前教育语境下，它包括必需的陈述性知识和程序性知识。学科必备知识涵盖学科的基本常识与事实、基本概念与原理，以及基本技能与技术，共同构成一套基础的知识体系。对学生而言，结合上述深层学习内容及其特点，对必备知识进行深度学习，能够提高学习质量与效能；对教师而言，能提高课堂教学质量。因此，对必备知识进行深度学习策略的研究，具有现实意义。

2.1 准确掌握与理解必备知识，铸牢深度学习基石

准确掌握与理解必备知识，能够为个人的学习和发展奠定坚实的基础。在日常生活、学术研究和职业发展方面，都需要以一定的知识储备为基础。准确掌握和理解这些知识，可以帮助考生分析问题的本质、找到有效的解决方法，以便更好地进行深入学习和探索，并进行创新与突破，从而不断提升自己的知识水平和综合素养。

从上述分析来看，该题要求学生准确掌握与理解的必备知识如下：反应物接触面积是影响化学反应速率的因素，且增大反应物接触面积能加快化学反应速率［第（1）小题］，这是苏教版高中化学必修第二册的教学内容^［2］；在元素化合物及其性质中的金属氧化物与酸反应生成盐和水的复分解反应规律中，CoO对学生而言是陌生物质，但学生进行适当联系就可完成作答［第（2）小题］，这属于苏教版高中化学必修第一册的能力要求^［3］；难溶电解质溶度积常数（K_sp）概念理解、表达式书写、数学运算，以及在此基础上进行的判断［第（3）小题］，属于苏教版高中化学教材《化学反应原理》中的教学内容^［4］；在复杂离子型氧化还原方程式的书写［第（4）小题］中，其中的简单离子型氧化还原方程式的书写是高一化学教学涉及的内容，而对{\mathrm{S}}_{\mathrm{2}}{\mathrm{O}}_{\mathrm{8}}^{\mathrm{2}-}结构的认识与考查，是高三一轮复习时极有可能学习的内容；控制条件分步沉淀下的物质分离与成分判断［第（5）小题］，涉及的知识原型是“沉淀溶解平衡原理的应用”中的沉淀转化知识，也是苏教版高中化学教材《化学反应原理》中的教学内容；特定条件下书写离子型氧化还原反应方程式［第（6）小题］和选择适合的物质回收方法［第（7）小题］两问，涉及的综合性知识内容与能力要求，是学生在高三复习时才能经常接触到的知识。

包括但不限于这些的必备知识，需要学生在平时（尤其在高一、高二）的学习过程中提高课堂学习效率，注重知识与技能的积累，力争达到准确掌握与理解的水平。如果没有做到这一点，在包括高考在内的考试中，一些基础分的获得就难以保障。而对于要求较高的知识迁移和素养类问题，得分几无可能。因此，站在考试角度上讲，只有在准确掌握和理解必备知识的基础上，讨论深度学习才具有实际意义；站在个人发展角度上讲，准确掌握和理解必备知识，是个人可持续发展的基石。

2.2 创设融合STSE教育的真实情境教学，培养深度学习能力

研究表明，在现实环境中，让学生经历识别问题、提出问题、分析问题和解决问题的过程，能够缩短学科知识与学生日常生活之间的距离。这样的过程使学生能够在现实环境中感知知识、发现新知、创造知识和应用所学^［5］。此外，学生生活在一个既完整又充满不确定性的真实复杂环境中的优势体现在，在这种真实的环境中学习，其过程和结果的不确定性能更好地激发学生的探索精神和创造力，同时能培养他们面向未来的学习能力。

该题以炼锌废渣的处理与利用（提取金属）为主题，是一个既源于教材又超越教材的案例。它之所以源于教材，是因为在“沉淀溶解平衡原理的应用”教学过程中，教材提到了“在无机化合物制备与提纯、废水处理等领域，常通过生成沉淀的方法来分离或除去某些离子”这样明确的表述。这种方法强调了基于沉淀溶解平衡，通过控制条件生成沉淀来实现物质分离的重点。而超越教材的部分在于，题目从元素化合物的角度出发，选取了从炼锌废渣中提取钴的工艺流程作为实际情境。这一过程经过了命题者的综合加工处理，不仅涉及学科角度，还考虑到考试要求，全面考查了流程中相关的化学反应原理。显然，仅仅讲授教材中的对应知识点是不够的，因为这种教学方法缺乏综合性。同时，对于高一起始学段的学生来说，过度提高难度也是不合理的，不符合学生的认知规律。因此，在平时的教学中，教师应选择恰当的教材素材作为教学切入点，并创设融合STSE教育的真实情境，逐步渗透学科核心素养，才能培养学生的关键能力^［6］。在苏教版高中化学必修一的教材中，如从海水中提取镁的工业生产流程图、从海带中提取碘的生产过程图以及硫酸工业的主要设备与流程图等，都应该是教师研究的重点。教师可以将这些内容作为教学载体，结合真实的工业生产情境，参考高考命题特点进行教学设计，不仅符合学生的实际认知水平，还能引导学生进行深度学习，培养他们的深度学习能力。

2.3 培养建模思维，提升深度学习水平

创造性，是思维品质中最本质和最宝贵的特质。建模是最有效的知识创造活动之一。同时，它也是帮助学生快速且正确认识、分析及解决问题的最佳方法之一^［7］。建模过程中运用的思维与科学家在知识获取和实践创新中的思维过程相似，能有效促进深度学习和实际科学探究的进行。图3所示的“三段式”工艺流程分析模型值得师生借鉴，该模型适用于解决大多数工艺流程题目。

在该模型中，每个阶段的常见考查方式均展现其中，对学生所需的必备知识与能力群的考查清晰明了。以该题为例，第（1）小题问的是将废渣磨碎的目的，属于模型中的“原料预处理”阶段（第一阶段）；第（2）至第（6）小题的设问，属于模型中的“物质转化与分离”阶段（第二阶段）；第（7）小题属于模型中的“目标产品的生成”（第三阶段）。建模从心理上降低了学生做题的畏惧感，让学生走上了解题的快车道。

当然，还可以进一步充实该模型。例如，补充以下内容：原料预处理的常见方法与设问角度、反应速率的影响因素、氧化还原反应；物质转化与分离的常见方法与设问角度、常见操作与注意事项、对应的考查知识点；除杂的常见方法与设问角度、氧化还原转化、沉淀转化；目标产品生成的常见方法与设问角度、结晶方式的选择、洗涤操作、洗涤液的选择，以及电极方程式的书写、电化学相关的定量计算；产品评价的常见方法与设问角度、产品纯度、产率、流程的科学环保和资源利用的最大化；核心思想包括元素守恒思想和绿色化学思想。因此，对于此类模型，笔者鼓励学生采取对号入座的方式，检测自己必备的知识与能力，易于在较短的时间内提高深度学习的水平，提升成绩并增强信心。这里有两方面值得注意：一是在教的方面（特别是高一、高二阶段），教师应该选择合适的素材对学生进行建模思维培养，如常见气体制备的思维模型、化学反应速率三段式法计算模型等；二是在学的方面，鼓励学生针对不同题型特点建立更多、更科学的思维模型，以此提高深度学习的广度。

3 教学反思

化学与工业生产紧密相连，它通过工艺生产流程图来展示信息。这种展示方式考查考生是否能在新情境下运用元素化合物和化学反应原理知识来分析推断物质的转化。同时，考生需要设计无机化合物的制备方案，并对这些方案进行评价和优化。此外，化学还涉及科学技术、社会经济和生态环境等主题，这些都具有强大的应用背景和实际意义。

这类试题的考查范围不仅广泛而且综合性强，涉及的知识与能力层面包括元素化合物知识、化学反应原理、化学实验技能及化学计算等。在教学中，教师需要夯实对常见无机物及其应用的教学，并深入探讨元素化合物性质与化学原理等必备知识。

构建问题解决的学习情境，目的是让学生在完成任务的过程中掌握内在原理及其思想方法。这样，学生逐渐形成全面而深入理解学习主题的能力，借此助力思维模型的建构，并学会迁移应用。因此，教师在日常教学中应基于学科特性，强化素养导向，深化必备知识的考查，聚焦关键能力的培养，并突出思维品质的培养。同时，应帮助学生减少死记硬背和机械式刷题的学习行为，从而为深度学习作出切实的努力。

4 结语

目前，随着素养为本课堂教学理念的推广，广大师生见证了诸如跨学科主题学习、跨学科实践活动和项目式学习等新型教学形式的出现，这些新形式无疑对学生进行深度学习大有裨益。因此，一线教师应当加强理论知识的学习和实践研究，在做好必备知识“守正”的同时，也要在有益于深度学习的教学方式上“创新”，做到教与考的一致性，不断提高课堂教学的附加值。

参考文献

[1] 郭华.深度学习与课堂教学改进［J］.基础教育课程，2019（Z1）：10-15.

[2] 王祖浩.普通高中教科书化学必修第二册［M］.南京：江苏凤凰教育出版社，2021.

[3] 王祖浩.普通高中教科书化学必修第一册［M］.南京：江苏凤凰教育出版社，2021.

[4] 王祖浩.普通高中教科书化学选择性必修1·化学反应原理［M］.南京：江苏凤凰教育出版社，2023.

[5] 黄伟祥.融创思维与技术：“1+N”跨学科学习新样态［J］.中国信息技术教育，2022（21）：5-9.

[6] 中华人民共和国教育部. 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.

[7] 曹育红，许东庆，陈晨.融通真实情境及核心素养的课堂教学模型实践研究：以“难溶电解质沉淀溶解平衡”高三一轮复习为例［J］.化学教与学，2023（01）：54-58，49.