基于真实情境的电化学选择题命制

摘要： 基于对深圳市高考模拟命题比赛命题素材的解读，以及高考电化学试题的考点统计，分析参赛作品中电化学试题选项的命制角度，发现大多数试题在涵盖高考高频考点的基础上略有创新，体现了命题教师对高考试题的专注和潜心研究。此外，呈现部分试题的优化过程，提出选择题命制的思考和建议，为考试命题提供参考与借鉴。

关键词： 真实情境； 电化学； 选择题命制； 模拟命题比赛

文章编号： 1005-6629（2024）07-0081-05 中图分类号： G633.8 文献标识码： B

1 背景介绍

高中阶段电化学模块的学习有利于学生提升模型建构及应用能力，学生基于电化学原理模型，综合应用元素及其化合物、氧化还原反应和离子反应等相关知识分析电化学装置的工作原理，进一步强化了学科知识与实际应用之间的关联。高考电化学试题命制时，常以科技前沿中权威的电化学研究文献报道为素材，以真实的电化学装置为载体，考查学生解决实际问题的能力。为提升我市高中化学教师的命题能力，加强对高考试题的系统研究，在深圳市2023年高考化学模拟命题比赛中，提供用于命题的文献多篇，参赛教师需根据所提供的文献进行关键信息提取，结合日常教学积累进行封闭式原创命题。现以其中的电化学选择题命制为例，阐述试题命制及优化策略，以期为基于真实情境的试题命制提供参考与借鉴。

本次命题提供的电化学素材为清华大学王保国教授团队发表在Nature Communications期刊的题为Continuous ammonia electrosynthesis using physically interlocked bipolar membrane at 1000mA cm-2的论文［1］，该论文报道了一种将“榫卯”结构的双极膜应用于电化学合成氨的创新性研究，通过双极膜高效解离水，实现了电化学合成氨过程的连续性和稳定性（图1）。

该电解装置工作时，阳极室和阴极室中的电解质溶液分别为1mol·L-1 KOH溶液、1mol·L-1 KOH和2000ppm KNO3混合溶液，并以72mL·min-1的速度循环流动1小时；通电后，NO-3、 OH-分别在阴极和阳极放电生成NH3、 O2；与此同时，双极膜中水解离出的H+和OH-在电场作用下通过离子交换层分别移向阴极和阳极，消除离子消耗而引起的电荷不平衡问题。

文献所给出的工作原理示意图清晰，且在图中相应位置也进行了电极反应式等的标注。封闭命题时，即使英文阅读能力相对薄弱的参赛教师也能大体了解该电解装置的工作原理，进行原创性命题；而英文阅读能力较强的教师则可进一步基于文献内容挖掘创新考查点。在所提交的25份现场命题作品中，有22份（占比88%）试题能够基于此文献命制。可见，此文献作为一线教师命题素材具有一定的亲和性，对高中化学教学测评具有适切性。

2 电化学选择题命制

2.1 试题命制角度

对2021～2023年全国甲卷、乙卷及2021年进入新高考的八省市（共30套）高考电化学选择题的考点进行分析（图2）可知，其高频考点主要集中在电极反应式正误判断、基于电子守恒的相关计算及离子迁移方向的判断等，同样也常涉及电极反应分析（反应类型分析、产物分析等）、电解液变化（主要为浓度变化和pH变化）分析、电极判断及总反应式正误判断等考点；而需要基于情境信息进行综合分析的创新考查也频频出现，如2023年全国乙卷第12题结合所给信息，对炭化纤维素纸的作用进行了考查，学生需结合题目信息及已有知识进行综合分析。

此次命题比赛22份电化学试题中，设置电极反应式正误判断选项的试题有17份（占比77%），其中阴极反应式正误判断有13份， 这就更加贴合电化学合成氨的情境素材。

设置基于电子守恒相关计算选项的试题有19份（占比86%），主要为：电极反应物或产物和双极膜内解离水的量的关系、外电路通过电子和电极产物的量的关系、电极产物或外电路通过电子与极室内溶液质量变化的量的关系等。

设置离子迁移方向判断选项的试题有10份（占比45%），大多数试题聚焦水解离出H+和OH-的迁移方向，个别试题则试图通过K+的迁移方向间接考查双极膜的作用。

总的来说，大多数参赛教师能够较好地把握高考电化学选择题的高频考点，体现了参赛教师对高考试题的研究和教学积累。

此外，部分参赛教师还挖掘文献信息进行选项的创新设计，如：

“若将该装置中双极膜替换为阴离子交换膜，则会降低合成氨的产率”，基于文献中，选择阳离子交换膜、阴离子交换膜和双极膜进行比较，相同条件下仅使用双极膜时电解装置可在1000mA·cm-2电流下保持恒定电压5000s；若使用阳离子交换膜或阴离子交换膜，会产生严重的离子（K+或NO-3）交叉，导致该电合成过程不稳定。

“双极膜能够防止NH3扩散到阳极被氧化”，基于文献中离子交换膜是电合成装置中所必须的组成部分，能分离两侧不对称电解质并防止NH3扩散到阳极再氧化。

“双极膜左侧为阳膜，右侧为阴膜”，基于文献中双极膜结构示意图，即阴极室一侧为阳离子交换层，阳极室一侧为阴离子交换层。

“电池工作中，需不断向右侧补充KOH固体”，基于文献对双极膜作用的分析，该电化学合成过程中无K+通过交换膜，又可补充阳极消耗的OH-，因此阳极室KOH的物质的量保持稳定。

“当阳极产生44.8L气体（标准状况）时，阴极产生0.9mol NH3，则FE（NH3）=90%”，已在题干上说明FE为法拉第效率，即FE（B）=生成B所需电子/通过电极的电子。基于文献给出该电极副反应的产物为NO-2和N2H4，且此条件下产生NH3的法拉第效率超过90%。

总之，参赛教师基于对文献的细致挖掘，结合高中化学的主干知识，进行创新考点的设计，进一步强化了学科知识的灵活应用，突显情境的测评价值。

2.2 试题命制优化

为进一步确保基于文献原创命题的合理性和试题本身的严谨性及逻辑性，以部分试题的优化过程为例，阐述试题命制优化的策略。

2.2.1 充分理解素材，合理调整信息

大多数参赛教师关于电极反应式的考查聚焦在阴极反应式上，阴极产物几乎均以NH3的形式呈现，即阴极反应式为NO-3＋8e-＋6H2O=NH3↑＋9OH-。虽然结合题目所给信息不影响学生判断电极反应，但产物的存在形式会带来一定的困扰，NH3极易溶于水，在常温常压下的水溶液体系中，其主要的存在形式应为NH3·H2O［3］。事实上，文献中有关产物检验的描述为：采用吲哚酚蓝法利用分光光度计检测阴极区溶液中氨的浓度。因此，阴极产物以NH3·H2O的形式存在更加合理，即阴极反应式为NO-3＋8e-＋7H2O=NH3·H2O＋9OH-。命题时，教师可充分理解素材信息，特别是当文献所给信息与高中阶段教学表达不一致时，更需要深入分析文献内容，或查阅其他相关文献辅助理解，以合理的方式呈现出更加符合高中生认知的信息，以免带来不必要的干扰。

2.2.2 立足高频考点，明确考查目的

命制选择题时，其选项的设置应能准确清晰地体现测评目标，避免出现即使学生没有准确理解信息中所呈现的化学反应原理也能进行判断作答的情况。以一位参赛教师所命制的电化学选择题为例，具体如下：

一种采用新型双极膜电解硝酸盐制备NH3的方法，可以提高产生NH3的法拉第效率［FE，FE（B）=生成B所需电子/通过电极的电子］。已知双极膜是由阳离子交换膜和阴离子交换膜复合而成，工作时内层的H2O在催化剂作用下解离成H+和OH-向两极移动；阴极副产物有N2H4等。该装置的工作原理如图所示，下列说法正确的是

A. 电源两极电势：a极高于b极

B. 双极膜m侧为阴离子交换膜

C. 电解一段时间后，阴极区电解质溶液pH下降

D. 当阳极产生44.8L气体（标准状况）时，阴极产生0.9mol NH3，则FE（NH3）=90%

参考答案：D

试题C选项，阴极区电解质溶液pH变化主要是由阴极反应引起的，而对于阴极反应NO-3＋8e-＋7H2O=NH3·H2O＋9OH-，理论上，1mol NO-3得到8mol e-生成1mol NH3·H2O；同时，8mol H+经过阳离子交换层进入阴极区，结合反应产生的OH-，生成8mol H2O；而此电极反应消耗7mol H2O，净结果为生成1mol H2O和1mol OH-；NH3·H2O和OH-的产生使溶液呈碱性，虽然生成的H2O能起到稀释作用，但最终溶液的pH与题目所给起始时KNO3溶液的pH相比是增大的。然而，如果学生误将阴极反应当作NO-3＋8e-＋9H+=NH3·H2O＋2H2O，同样也能得出阴极区电解质溶液pH增大的结论，但此时就无法辨别学生是否真正理解或能否正确书写阴极反应，而且学生书写电极反应式的常见障碍点之一就是不能结合电解质溶液的酸碱性进行合理分析。因此，可将此选项调整为对阴极反应式的考查，即阴极上的电极反应为NO-3＋8e-＋9H+=NH3·H2O＋2H2O。调整后的试题，在两个平行班（共116人）试测，其中有52%的学生误选C选项，说明此部分学生未能根据题目所给的溶液信息准确书写电极反应式。访谈时，了解到部分学生在判断电极反应式时，误认为双极膜内水解离出的H+直接参与电极反应，而忽略了KNO3溶液作为电解质溶液的中性环境。因此，考查目标清晰的选项设置，更有利于甄别学生对化学原理的理解与分析水平。

2.2.3 精琢选项设置，确保逻辑自洽

命制选择题时，各选项需逻辑自洽，即选项不能自相矛盾，各选项之间不能相互提示、包含等，确保各选项内容呈现符合逻辑规范，且具有独立、有效的测评功能［4］。以一位参赛教师所命制的电化学选择题为例，具体如下：

电合成氨进一步提高人类生产中氨的产量。现采用双极膜（H2O解离出H+、 OH-分别移至两极室溶液），通过电解KNO3溶液制备氨，该装置的工作原理如图所示。下列说法正确的是

A. 电极a连接电源正极，发生还原反应

B. 双极膜中H2O解离出的OH-移向电极b

C. 理论上，当外电路中通过0.4mol电子时，Ⅱ室溶液质量减小3.2g

D. 电解结束后，两室溶液混合pH保持不变

参考答案：B

本题对所给情境素材中的原理示意图进行了简化处理，四个选项试图涵盖不同的考查内容。但细究题干与选项，发现仍可进一步优化。

本题将原文献阳极室中的电解液由KOH溶液改为KNO3溶液后，阳极反应发生了改变，此时，相应的实验条件，如电解电压也需随之改变［已知：O2＋4H+＋4e-=2H2O（φθ=+1.23V）；O2＋2H2O＋4e-=4OH-（φθ=+0.40V）］［5］。那么，原有实验条件是否适合调整后的电化学过程、是否会影响产氨的稳定性和持续性，均需得到进一步的实验验证。因此，命题时不能随意改变原文献中的化学反应原理、试剂或条件，以免试题因背离真实情境而缺乏科学性。

对于A选项，电解时与电源正极相连的电极为阳极，阳极发生氧化反应，则出现了选项自身的矛盾，学生可在不理解题目内容的情况下予以排除。而本选项重在考查学生基于图中信息“NO-3NH3”，判断此过程发生还原反应，电极a应为阴极，其与电源负极相连接。因此，A选项可调整为“电极a应接电源正极”，这样既确保学生基于元素价态变化判断电极类别的推理链的完整性，又避免学生通过选项自身矛盾而直接排除，使得选项脱离情境而失去了应有的测评价值。

对于C选项，理论上，根据O2～4e-，外电路通过0.4mol电子时，阳极生成0.1mol O2逸出体系，同时，4mol OH-通过阴离子交换层进入阳极室，阳极室溶液质量变化应为两者质量差，即增加3.6g。但不少学生仅考虑逸出O2的质量，通过局部分析就直接判断溶液质量减少了3.2g，此考查角度很好地检测了学生思维的全面性。事实上，C选项的分析过程包含了B选项的描述，即B选项的存在对C选项的判断有一定的提示作用。因此，B选项的独立测评功能被削减，可将B选项调整为对阴极反应式的考查。

总之，自相矛盾的选项虽对学生基础知识的理解掌握有一定的诊断作用，但其往往脱离情境，不利于对学生分析解决问题能力的测评；而对其他造成干扰的选项，在一定程度上缺失了本应具备的独立考查功能，继而导致选项设置的不均衡性。因此，设置逻辑自洽的选项是选择题信度和区分度良好的重要保障。

2.2.4 关注情境价值，发挥教育功能

本文献素材同时兼具良好的价值引领和教育功能，如合成氨本身就是具有跨时代意义的伟大发明，本研究中的电合成氨技术又是我国科学家在合成氨工艺改良方面的重大突破，且电合成氨装置中具有“榫卯”结构的双极膜的研发也借鉴了我国传统的木工技艺。但此次命题作品中，仅有少部分参赛教师关注到试题的教育功能。有6份试题在题干呈现“我国科研团队”“我国科学家”“我国科研人员”等描述，彰显了我国科研工作者在科技前沿领域的重大研究、创新突破和杰出贡献；3份试题在题干中呈现“近年来，我国科学家致力于研究条件温和且对环境友好的电合成氨方法”“相比于工业合成氨，电解法合成氨条件温和、更加环保”“有望实现温和条件下利用硝酸盐持续高效合成氨”等信息，突出了电化学技术在合成氨实验条件优化、产率提升等方面的重要作用，进一步彰显电合成技术的独特魅力和化学学科的核心价值。

在当年的高考试题中，此文献素材被用于广东卷第16题电化学试题的命制，该试题巧妙地突出了“榫卯”结构的介绍及考查，除在题干上给出“用一种具有‘卯榫’结构的双极膜组装电解池”，也呈现“‘卯榫’结构双极膜”示意图，还创新地设置“相比于平面结构双极膜，‘卯榫’结构可提高氨生成速率”的选项，这就很好地体现了命题专家对文献素材的充分挖掘以及对弘扬中国传统文化的价值引领。而此次命题作品中，仅1份试题给出“榫卯”结构双极膜的示意图，但并未对其进行说明和考查，究其可能原因是：一方面，参赛教师在封闭命题时对“mortise－tenon joint”（榫卯结合）专业词汇的理解较为困难［6］，另一方面，参赛教师力求聚焦高频考点而使命题缺乏创新的思路和力度。

3 总结与思考

3.1 把握高频考点，多维研究真题

对高考试题的纵向、横向分类系统研究是命题的基础，只有对高考试题的高频考点、常规及创新考查方式等做到心中有数，进行文献检索或素材挖掘时，才能更好地找到所考查的必备知识和文献素材信息点之间的有效融合方式，更好地发挥情境对知识的承载作用。研究试题时，除知识考点统计外，也需分专题形成试题命制的多维分析，如基于对《中国高考评价体系》中“一核、四层、四翼”的理解，增加对学科关键能力、学科核心素养水平等维度的分析，或基于布鲁姆教育目标分类学、SOLO分类理论等角度进行分析，进一步全面了解试题的考查要求，为科学命题打好基础。

3.2 选择适切素材，充分解读挖掘

真实情境问题的创设有利于引导学生从“解题”转向“解决问题”，从“做题”转向“做人做事”，因此，真实文献情境的检索和筛选尤为重要。情境在考试测评中发挥着测评和教育的双重功能。基于测评功能，所选情境应具有适切性，与高中化学知识紧密关联；也应具有创新性，有利于学生实现所学知识在陌生情境中的远迁移，从而提高创造性解决问题的能力。基于教育功能，所选情境应具有时代性，引导学生感知时代发展、科技进步，特别是与化学学科相关的科技发展为人类谋求幸福生活所带来的巨大贡献，培养学生的社会责任感和学科认同感；也应具有引领性，通过展现中国传统文化、历史重大贡献及科技前沿发展动态等，激发学生的爱国情怀及民族自信心、自豪感。

同样，素材的解读和挖掘也尤为关键，从素材中提取的有效信息需能够与测试任务或测试问题融为一体，且以符合高中生认知的描述合理呈现。除精读所选文献外，必要时以主体文献的作者或主题为检索关键词适当补充辅助文献，以更好地理解原理本质，提升命题的科学性。

3.3 立足综合考查，提升创新力度

整套试题中，选择题还兼具平衡学科知识覆盖面的功能。因此，选择题命制时，应注重综合性，既可以是聚焦一定主题的拼盘式考查，也可以是基于真实情境的融合式考查。综合的考查视角有利于诊断学生灵活调用不同模块知识的能力，特色的命题思路更有利于诊断学生运用结构化的认知与观念解决实际问题的水平。

总之，科学合理的命题及优化是进行科学测评的前提，也是我们助力学生学科核心素养发展过程中的不懈追求。

参考文献：

［1］［2］Xu Z， Wan L， Liao Y， et al.. Continuous ammonia electrosynthesis using physically interlocked bipolar membrane at 1000mA cm-2 ［J］. Nat. Commun.， 2023， （14）： 1～13.

［3］北京师范大学、华中师范大学、南京师范大学合编. 无机化学（下册）［M］. 北京：高等教育出版社， 2003： 521.

［4］申燕. 高考化学模拟试题选择题的命制［J］. 中学化学教学参考， 2019， （23）： 55～58.

［5］傅献彩， 沈文霞， 姚天扬等. 物理化学［M］.北京： 高等教育出版社， 2006： 485～486.

［6］https：//www.tsinghua.edu.cn/info/1175/102453.htm.

（广东省基础教育高中化学学科（深圳）教研基地项目；深圳市教育科研专家工作专项课题“‘素养为本’的高中化学教学与评价研究”（课题编号：kyzj4p007）阶段性研究成果。）