新高考背景下“物质结构与性质”试题研究
作者： 周紫薇 邓峰 李妃 陈圳
摘 要：新高考方案实施后，各省市学业水平等级性考试逐渐取消了选考题。原来的“物质结构与性质”选考题成为必考题后，与其他类知识的整合考查已成为主流趋势。基于构建的试题分析框架，对2017～2023年已取消选考题各省市的高考试卷进行分析，从中总结“物质结构与性质”知识在试题中的整合类型和整合机制，进而对试题命制与复习教学提出建议。
关键词：化学高考；物质结构与性质；知识整合；试题分析
文章编号：1005-6629（2024）09-0087-06
中图分类号：G633.8
文献标识码：B
1 问题的提出
自新高考方案实施以来，全国各省市分步实施新课程、使用新教材［1］。《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》（下称“新课标”）将原来的选修模块改为选择性必修模块，教材在内容上也加强了模块间的关联。相应地，各省市新高考也做出了变化——取消选考题。“物质结构与性质”选考题成为必考题后，呈现出与其他类知识整合考查［2］的趋势。
然而，目前有关“物质结构与性质”试题的研究大多仅关注对该类知识［3］的单独分析，鲜少关注“物质结构与性质”与其他类知识整合考查的情况［4］，系统梳理上述知识整合的研究更为罕见。在高考试题中，“物质结构与性质”知识与其他类知识有何整合类型？其背后的整合机制如何？本研究基于构建的试题分析框架，进一步自下而上地梳理“物质结构与性质”知识与其他知识的整合情况，为一线教师进行试题命制与复习教学提供参考。
2 研究设计
2.1 研究对象
为了达成研究目的，本研究从实施新高考方案后的2017～2023年各省市试卷中，选择取消了选考题的高考化学试卷（总计43份）为研究对象。
2.2 试题分析框架
基于新课标中的课程内容对高中化学课程体系的知识进行重新整合，得到如表1所示的化学知识分类。其中，“知识类型”来源于新课标必修和选择性必修课程内容［5］，并按照知识内涵进行重新整合，得到“实验探究”“常见无机物及其应用”“化学反应原理”“物质结构与性质”和“有机化学基础”五类知识，这也与高考非选择题的主干考查内容［6］相对应。而在高考选择题中除了以上五类知识外，还会涉及对基本概念等内容的考查［7］，故而在知识类型中增设了“化学基本概念”，这同时也是以往全国新课标高考化学考试大纲中的知识要求［8］。此外，各类知识所包含的具体内容参考已有文献进行整合，具体见表1。
表1经过化学教育领域专家的评定，已确认其具有良好的内容效度，能应用于试题编码。
2.3 研究过程
本研究中的分析单元为一个选项或一个小问，为提高研究的可靠性，由3名化学教育研究者依据试题分析框架（表1）对试题中具体考查的知识进行编码并归类。经一致性检验，在化学知识维度的评分者间系数为0.90（大于标准值0.80［16］）。对于编码不一致的结果，由3名编码者通过协商后得出一致的编码。
3 结果与讨论
如图1所示，试题中出现“物质结构与性质”知识分别与四类知识的整合。其中，整合频次较高的有“常见无机物及其应用”和“有机化学基础”类知识，这可能是上述三类知识均聚焦于研究“物质”这一对象有关；与“化学基本概念”类、“化学反应原理”类知识的整合频次相对较少；此外，试题中未出现与“实验探究”类知识的整合。下文将依次呈现“物质结构与性质”知识与这四类知识的整合情况。
3.1 与“化学基本概念”类知识的整合
如图2所示，对于仅考查“化学基本概念”这类知识的题目而言，通常是对同位素、同素异形体、电子式、结构式、方程式等常见基本概念和化学用语进行设问，或针对物质的量、摩尔质量、阿伏伽德罗常数等常见物理量进行计算。而融入“物质结构与性质”知识后，试题以物质为关联点，从微粒间相互作用（如2022年辽宁卷第3题）和微粒的空间排布（如2021年湖北卷第6题）的角度考查学生对物质的认识，具体表现为计算一定质量或体积的物质中所含有的孤对电子数、共价键数目、某杂化类型的原子数等，需要学生从微观角度对物质结构进行分析，随后结合常见物理量之间的变换公式进行计算（注：图2～图5中的划线部分为截至2023年全国各地高考试题已被整合考查的知识）。
在整合机制方面，从学科思维的角度看，物质的量、阿伏伽德罗常数等物理量的学科价值在于从微观和定量的视角来理解科学概念和科学原理［17］，指向的是对物质结构的认识，相应衍生出了试题中“结构-常见物理量”知识的整合考查，这也引导教学中需从不同角度准确理解概念的内涵，灵活把握概念理解的深度。
3.2 与“常见无机物及其应用”类知识的整合
“物质结构与性质”与“常见无机物及其应用”类知识通常以元素或物质为关联点，在考查元素化合物的性质、变化时要求结合“物质结构”或“元素周期律（表）”等知识来回答问题，知识之间呈现出三种整合类型（如图3所示）。
第一，试题体现了“结构-性质”知识的整合，即要求学生从有无氢键、键能大小等微粒间相互作用的角度比较物质的熔点、沸点等性质，或从原子半径、原子轨道排布等空间结构的角度解释无机物性质。
第二，呈现出“结构-变化”知识的整合，要求学生解释物理变化或化学变化中的作用力的变化情况，或根据分子结构或晶体结构推理出转化的物质。譬如，2023年山东卷第16题第（3）小问提供了化合物X的晶胞结构，要求学生根据晶胞结构示意图推理出物质的化学式后方可完成方程式的书写。再如，2021年辽宁卷第8题要求学生先从物质转化过程中推理出具体物质，接着从结构角度对该物质进行分类（极性分子或非极性分子）。这一题目体现了融入“物质结构与性质”知识后，可以从结构视角对物质进行分类，扩充了新人教版教材中在必修第一册第一章中从组成和性质角度对物质进行分类的依据。
第三，体现了“性质-变化”知识的整合。通常是根据电负性、稳定性等元素或物质性质强弱判断陌生反应能否进行，或是根据已发生的化学反应判断物质性质的强弱（如配体的配位能力），彰显了知识的预测与推理功能。
就整合机制而言，上述三种类型是从学科思想的角度进行整合，是“结构决定性质”“性质反映结构”的具体化考查，体现出宏观性质与微观结构间的关联，使认识无机物的视角从物质类别和元素价态视角延伸至微观结构视角，形成了多角度系统认识元素性质与转化的模型［18］，体现了结构化知识的功能价值。
3.3 与“化学反应原理”类知识的整合
“物质结构与性质”与“化学反应原理”知识以元素或物质为关联点，在考查物质反应机理或能量变化时考查结构的内容，试题中体现的知识整合类型如图4所示。
第一，“性质-化学反应”和“结构-化学反应”知识的整合分别体现了试题要求学生从宏观和微观角度对化学反应进行深度剖析，具体表现为要求学生从结构图、机理图中推理出对应的微粒种类，再进一步表征或分析化学变化的过程。譬如，2022年山东卷第15题以钠离子电池电极材料的一组晶胞组成变化示意图为载体，要求学生计算电极材料晶胞在反应前后的微粒数目，并根据微粒数目变化推理出电极材料参与反应时的电子转移数目，将晶胞结构和电极反应的原理整合起来进行考查，体现了该类试题的创新性。
（2022年山东卷第15题）Cu2-xSe是一种钠离子电池正极材料，充放电过程中正极材料立方晶胞（示意图）的组成变化如图所示，晶胞内未标出因放电产生的0价Cu原子。下列说法正确的是（ ）
A. 每个Cu2-xSe晶胞中Cu2+个数为x
B. 每个Na2Se晶胞完全转化为Cu2-xSe晶胞，转移电子数为8
C. 每个NaCuSe晶胞中0价Cu原子个数为1-x
D. 当NayCu2-xSe转化为NaCuSe时，每转移（1-y）mol电子，产生（1-x）mol Cu原子
第二，体现了“结构-能量”知识的整合。“化学反应原理”类知识扩充了从能量的角度认识化学反应，而“物质结构与性质”中的化学键类型（极性键、非极性键）、键能、键长等均影响微粒间的相互作用的强弱，试题中将这两类知识关联起来，体现了对化学反应中的能量变化微观水平的考查。
从整合机制来看，上述整合类型均涉及“物质转化”或“能量转化”，与“物质结构”产生紧密关联，从宏微结合的角度则是完善了对化学反应与能量的认识。而化学反应的方向、限度、速率和水溶液等更关注的是原理与规律层面，与“物质结构与性质”知识产生的关联较为松散。
3.4 与“有机化学基础”类知识的整合
“有机化学基础”类知识主要用于回答有机物的“性质”（保存、使用和分离、检验）与“转化”（合成设计和结构推断）方面的学科问题［19］。从中可见，有机物关注对结构的推断，与“物质结构与性质”知识聚焦的重点相似。在试题中，“物质结构与性质”与“有机化学基础”知识的整合有三种类型（见图5）。
一种是从“结构”到“结构”，即“结构-结构”知识的整合，是根据有机物的物质结构推理得到分子、原子层面的结构。对有机物结构的认识不仅仅是停留在碳骨架或官能团层面，而是更关注有机物结构中的化学键以及微粒（基团）间的相互作用，在以往的基础上提高了对有机物结构的认识要求。如2020年山东卷第7题所示，对于“无机苯”这一陌生物质，试题通过提供其结构与苯相似的信息，使学生能推理出无机苯分子的结构，进而考查其在原子、分子和聚集态层面的结构与性质。
（2020年山东卷第7题）B3N3H6（无机苯）的结构与苯类似，也有大π键。下列关于B3N3H6的说法错误的是（ ）
A. 其熔点主要取决于所含化学键的键能
B. 形成大π键的电子全部由N提供
C. 分子中B和N的杂化方式相同
D. 分子中所有原子共平面
第二种是从“结构”到“性质”，即“结构-性质”知识的整合，是发展“证据推理与模型认知”素养的过程。譬如，2023年湖北卷第7题考查纤维素难溶于水的原因，考查学生自觉调用微观结构视角分析物质性质的思路，体现出素养导向下侧重对问题解决过程的考查，即不只是将知识视为结论，同时还要关注其形成过程和经历的思维，强调其中的推理论证和形成的可迁移的角度和思路，是“结构决定性质”学科思想的具体化考查。
第三种是从“结构”到“变化”，即“结构-变化”知识的整合。与“常见无机物及其应用”知识的整合相似，要求学生判断有机物转化过程中的作用力变化情况或推理有机合成中的物质，进而判断物质的空间结构等。