理科综合贵在学科思维、方法的综合探析，本文主要内容关键词为：探析论文,学科论文,思维论文,理科综合论文,方法论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
理科综合考试是面向21世纪培养创造型人才的需要。从2002年起，全国所有省市高考都将实行“3＋综合”考试形式。 综合理科试题不是理、化、生等科目按一定比例的简单“拼盘”，而是以现实生活中的有关理论问题和实际问题立意命题，它要求更加真实和更加全面的模拟现实。试题要求学生的，不单是对事物的局部或某一侧面进行描述，而是注重对事物整体的结构、功能和作用进行多视角、全方位的认识，注重对事物变化发展过程的分析理解。试题所涉及的知识应以多样性、复杂性和综合性等形式呈现出来；所强调的能力，主要是运用多学科知识，分析和解决问题的能力，为高校选拔创造型人才。
从目前理科综合试题看，可分为2类：
（1）组合型。即2个或2个以上的学科知识形式上的综合， 被组合的学科一般仍保持原学科的基本体系或框架，或原学科的基本体系和框架虽被打破，但理科综合试题中每小题的知识仍基本上是彼此独立的、割裂的，没有或基本上没有联系。如2000年苏、浙、吉高考理科综合试题大致属于这种情形。这些理科综合试题分别考查物理、化学、生物等学科的知识、技能和方法，每小题基本上只涉及一个学科，小题之间看不出有什么内在的联系。
（2）混合型。 这种类型的理科综合试题在综合的程度上比组合型试题前进了一步，不再是有关学科形式上的综合，而是将所合并的学科用一条明确的线索和按一种思想统一起来，具有一定的完整性，但各学科仍然具有相对的独立性。当前一些理科综合试题的模拟试题有些采用这种命题形式。笔者曾经对这些理科综合试题进行了一些研究，发现有一定的规律性。例如，一些理科综合试题以考察大自然为主线综合各学科的知识，精选太阳和地球、地球和生物、生物体内的化学反应等自然现象为内容，以基本的概念如物质、能、生命、进化作为基础，综合考察大自然，使被合并的各学科内容之间建立起一定的联系。其试题框架和内容是：①光（光速，光的波动，光谱）；②能（太阳光和能，动能，势能，化学变化和能，能的转化和利用）；③物质的结构（X 射线和结晶，固体、液体和气体，气体分子运动论，原子和分子的结构）；④物质的反应（化学键，氧化与还原，电解，化学平衡）；⑤万有引力和太阳系（落体运动，运动定律，匀速运动，行星的运动，万有引力，太阳系）；⑥地球的结构（大气的构造和它的运动，海洋的构造和它的作用，坚固的地球构造，构成地球的物质）；⑦生命和物质（生物体的结构，生物体内的化学反应，生物体的调节，生命的连续）；⑧进化（地球的进化，生物的进化）。从理科综合试题整体结构来看，虽在一定程度上摆脱了原有学科知识的束缚，试题具有相对的完整性。但是，从试题各小题所考查的内容本身看，某些小题仍带有原有学科系统的痕迹，只涉及一个学科的内容；这些小题的知识是根据某一学科编制考查的，而不是根据不同的学科统一编制考查的。
笔者以为，上述2类理科综合试题， 并不是真正意义上的理科综合试题。随着理科综合考试的不断深入，理科综合试题终将走向融合，即融合型理科综合试题。
所谓融合型理科综合试题，就是完全打破了所合并学科的界限，超越了学科分界的传统框架，使被合并的各学科知识之间形成了紧密的、有机的联系。一方面，这种理科综合试题虽然由几门学科合并而成，但合并后的内容如同化学反应之后形成的新物质，已完全不同于原有合并学科的体系和框架，而是按照一种新的体系或组织方式，构成了一个完整的、统一的整体，每一题以跨学科知识（某课题或论题）来表明各学科知识的综合和统一。例如，用“能量”作为综合试题的知识点可综合考查力能（势能、动能、力、功、功率）、热能（热量、比热、汽化热）、光能（放射热、化学作用）、化学能（反射热、溶解热）、电磁能（电压、电路、磁力、发热化学作用）、振动能（共鸣、共振）、原子能、生物能这些来自物理、化学、生物等学科的知识；另一方面，融合型理科综合试题在命题思想上更加强调学科间的思维、方法上的综合，即强调理科之间思维方法的通用性和兼容性。
下面笔者以化学知识为载体，列举几例来说明融合型理科综合试题思维方法的通用性和兼容性，以期得到同行的探讨、批评和指正。
例1 Al[3＋]半径50pm，Si[4＋]半径41pm，Mg[2＋]为65pm，Ca[2＋]为99pm，O[2－]为140pm。Al[3＋]可以取代原子晶体中的Si[4＋]，不足的正电荷用K[＋]补充。当有25％的硅被铝原子取代时，则形成正长石。正长石能与水和CO[,2]同时作用发生风化，变成高岭土[Al[,2]Si[,2]O[,5]（OH）[,4]]，同时钾离子以酸式碳酸盐的形式流出来。又知高岭土中硅元素物质的量为反应物中硅元素物质的量的1／3，其余的硅以化合态沉淀物的形式析出。问：
（1）写出正长石的分子组成（用化学式表示）；
（2）根据你所学的知识说明：为什么铝能部分取代硅？ 镁能否部分取代硅？为什么？
（3）写出正长石风化成高岭土的离子方程式。 并简述该反应为什么能够发生？
（4）近年来，由于经济的发展，环境的破坏， 岩石（如正长石）的风化速率加快。为什么？
（5）某江河流经正长石等花岗岩地区，请你估计一下江水的pH。
分析 本题是笔者通过查阅相关资料精心编拟的试题。从考查的内容上看，主要考查物质的结构、质量守恒、化学反应的规律及其环境保护等知识；从考查的思维上看，主要考查：①数学知识和方法：数据的分析，立体几何的有关知识；②物理思维：化学方程式的书写，类似于物理学中的“位移”，只考虑起始物和最终的生成物，反应过程中的中间物则不予考虑。这样的思维在考查多个化学反应的较复杂反应中经常用到。因此，该题初看起来是考查化学知识，实际上其考查的知识和思维方法数学、物理、化学、地学等学科均有。
问（1）考查正长石的推理：SiO[,2] 有25 ％的硅被铝取代， 即4SiO[,2]中有1个Si[4＋]被Al[3＋]取代，取代后缺少的1个正电荷用K[＋]补充，得KAlSi[,3]O[,8]，即为正长石的化学式；问（2）考查物质的结构，由于Si[4＋]的离子半径与Al[3＋]离子半径几乎相等，因此Al[3＋]取代Si[4＋]后不会引起结构上较大的变化，但当Mg[2＋]取代Si[4＋]后，由于它们离子半径相差较大，会引起结构上较大的变化，因此不可行；问（3）可根据信息知：反应物中的Si除以高岭石存在之外，还应以H[,4]SiO[,4]形式存在（高中生写成H[,2]SiO[,3]也可），这样很快写出了化学方程式；问（4）是一道环保试题，比较简单。问（5）可由问（3）获得答案。
解答 （1）KAlSi[,3]O[,8]；（2）参见分析，略；（3）2KAlSi[,3]O[,8]＋2H[,2]CO[,3]＋9H[,2]O＝2K[＋]＋2HCO[,3][－]＋4H[,4]SiO[,4]＋Al[,2]Si[,2]O[,5]（OH）[,4]，反应之所以能够发生，是强酸制备弱酸（酸性的强弱相比较而言）；（4）由于工业化发展， 大气中的酸性气体排放到空气中，造成酸雨，酸雨与正长石反应，因此风化速率加快；（5）江水的pH大于7，呈弱碱性。
例2 石墨能与熔融金属钾作用，形成石墨间隙化合物，K原子填充在石墨层间。比较常见的石墨间隙化合物有青铜色C[,X]K（见图1的平面图形，图1中·表示C原子，○表示K原子）、钢青色的C[,24]K、深蓝色C[,36]K、黑色的C[,48]K、C[,60]K等。
（1）青铜色的C[,x]K中x＝____________；
（2）计算C[,x]K中最近2个K原子之间的距离为石墨C—C键长的____________倍。
（3）若考虑C[,x]K的立体图形，C[,x]K化合物具有层状结构，层与层间原子的排列方式是：一层中的碳原子恰好位于另一层中的碳原子之上；而金属原子位于层之间、六棱柱中心处。金属原子为钾时，层间距为5.4埃；纯净石墨的层间距是3.34埃， 而在同一层中的碳原子间的距离很短，等于1.41埃。在化合物C[,x]K中，碱金属的状态是阳离子还是中性原子？通过计算说明。已知K原子半径为2.35埃，K[＋]半径为1.33埃。
（4）C[,x]K能否导电？它的导电性与石墨相比哪个强？
（5）如何由C[,x]K得到C[,24]K、C[,36]K、C[,48]K和C[,60]K 呢？
分析 本题是笔者通过查阅相关资料精心编拟的试题。从考查的内容上看，主要考查化学新材料；从考查的相关知识和思维方法看，主要考查：①数学知识：立体几何和平面几何知识，考查空间想象能力；②物理知识，考查物质的导电性。
问（1）这种类型的试题常用分摊法解决。从图1看，每一个K原子跟6个K原子相连，平均每个K原子分摊1／6。取1个小正三角形，每个小正三角形有3个K原子，因此K原子个数为1／6×3＝1／2，而小正三角形中有4个C原子，因此小正三角形中C∶K＝4∶1／2＝8∶1，故x＝8； 从图1上看，K原子间的距离是石墨六边形碳环中心距离的2倍。问（2）考查简单的平面几何知识；问（3）考查立体几何知识；问（4）可由问（3）的计算，再结合石墨的导电性得出答案；问（5）考查空间想象能力。
解答 （1）x＝8；（2）设石墨C—C键长为a， 碳环中心垂直于边的距离为h，则K原子间
若钾为中性原子，可计算得dk[0]＝7.53埃；若钾为阳离子， 可计算得dk[＋]＝5.30埃，该值与实验值接近，因此C[,x]K中钾为K[＋]；（4）由于C[,x]K中钾为K[＋]，钾的价电子均在石墨层间，可增强石墨的导电性，其导电性比石墨强；（5）C[,24]K、C[,36]K、C[,48]K和C[,60]K都是在C[,x]K的基础上，缺掉了中心K原子，若每两层有一个K层，则导致化学配比为C[,24]K，如果每三层有一个K层，则为C[,36]K， 依此类推。
例3 在面对我们生活周围的各种事物、状况， 你是否联想过它们的规律性？如何在人世百态中把它组合成属于自己的一个逻辑？请回答下列问题：
（1）假若现在，在你手里有一系列象下面一样的数据， 你如何把它们组织排列后说出其相关性？
（a）B B A B B
B B A B X
B B A X X
B B B A X
（b）B B A A B B
B B A A B X
B B A A X X
B X A A X B
B X A A X X
（c）B B A B B
B B A D B
B B B A B B B A D B A B B B
B B B A D B A B B B A B B B
（d）B B B A B B A D B
B B B A D A B B B
（2）如果在上题中符号A、B、D、X各代表化学中的某种元素， 请指出它们各是什么元素？你是否可以找到属于化学的规律性？
（3）A、B两种元素组成的化合物中有一种化合物（记为Y，下同）为正四面体结构，可用什么来证明？若Y分子中相邻的B原子之间的距离为am，则A—B键的键长为多少米（要求写出准确值）？
（4）在海底Y分子能与水分子结合成水合物。若将这种结晶水合物从海底取出拿到地面上，它将有什么变化？为什么？已知1m[3]这种晶体能释放出164m[3]的Y气体，试估算晶体中水与Y 的分子比（不足的数据由自己假设，只要假设得合理均按正确论）。
分析 本题是笔者通过查阅资料精心编拟的综合试题。主要考查学生的观察能力、分析能力和归纳能力，考查学生思维的发散性和敏锐性。从考查内容看，问（1）考查学生的观察和综合能力，问（2）要求找出A、B、X、D之间的关系，最终确定它们为何种元素；问（3 ）可将甲烷分子置于一个正四面体中，可算出C—H键的键长；问（4 ）由于海底的压强很大：P＝P[,0]＋ρgh，其中P为海底压强，P[,0]为大气压，ρ为海水的密度，g为重力加速度，h为海的深度。因此，海底的压强很大，蕴藏在海底的甲烷可在高压下形成外观像冰的甲烷水合物，其固体是甲烷分子填充在冰中水分子的空隙中形成的（因为甲烷和水分子间不会有氢键，甲烷的加入不会改变冰的基本骨架）。“冰甲烷”中水分子与甲烷分子以分子间作用力（取范德华力）相对作用，形成分子晶体。若将“冰甲烷”从海底取出拿到地面上，从海底取出的甲烷水合物在外压急剧降低的情况，将迅速升华并放出甲烷气体；最后一问要求学生自己假设必要的条件来计算甲烷水合物中甲烷和水的分子比，由于应试者可能有不同的设定，此题的开放性显而易见。最简单的设定是：设海底的甲烷水合物密度为1g／mL，这个数据包括不包括填隙的甲烷的质量，两可，说明即可。显然这是一个极限假定，若假定密度小于1g／mL，水合物岂不漂浮到海面上来了？不同应答者假设不同，得出结果不同，得出甲烷和水的分子比大多在6～9之间。从学科间的知识和方法看，主要考查：①数学知识和方法：排列组合；立体几何等知识；②物理知识和方法：压强与物质三态之间的关系等。
解答 （1）考查学生的逻辑思维，略；（2）学生通过观察后发现A是物质的骨架，B与A成键，X逐步取代B等规律，很自然地想到A可能为碳元素，B可能为氢元素，D可能为氧元素，X 可能为卤族元素（发散思维）；A能否是Si等元素呢？学生经过讨论后发现：此种情况不可能。 因为Si—Si键键能没有Si—O键键能大，若A为Si元素，则该物质不稳定（由发散思维到收敛思维）；（3）可用CH[,2]X[,2]（如CH[,2]Cl[,2]）不存在同分异构体来证明；
（4）CH[,4]迅速由固态变为气态；若假设甲烷气体体积是折合成标准状况下的数据，则：164m[3]÷22.4m[3]／kmol＝7.32kmol；设甲烷水合物固体的密度与水的密度是相同的，为1g／cm[3]，则其中的水有：1m[3]×1000kg／m[3]÷18kg／mol＝55.56kmol，因此：CH[,4]∶H[,2]O＝7.32kmol∶55.6kmol＝1∶7.6。