歸因解釋：考查“證據(jù)推理與模型認知”發(fā)展水平的有效設(shè)問

孫永輝 夏芷玲 楊美華

摘要：化學(xué)研究與生產(chǎn)中，常需對實驗數(shù)據(jù)的變化做出歸因解釋。以2021年江蘇高考化學(xué)試題歸因解釋為例，從證據(jù)推理、模型認知角度簡析解決問題的關(guān)鍵思考過程，簡議歸因解釋對學(xué)生“證據(jù)推理與模型認知”核心素養(yǎng)發(fā)展水平的有效考查。

關(guān)鍵詞：歸因解釋；證據(jù)推理；模型認知；核心素養(yǎng)；發(fā)展水平

文章編號：1008-0546（2022）11-0063-03

中圖分類號：G632.41

文獻標(biāo)識碼：Bdoi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.11.014

一、問題提出

普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）已公布多年，多省市已于2021年進行了第一屆新高考。從各地新高考試題可看出，針對如何考查學(xué)生化學(xué)核心素養(yǎng)（圖1）發(fā)展水平這一關(guān)鍵問題，命題專家從素材選取、設(shè)問角度、題型優(yōu)化等多方面進行了有意義的探索。因此，研究新高考化學(xué)試題有助于回答高考試題如何考查學(xué)生化學(xué)核心素養(yǎng)發(fā)展水平、有助于理解高考試題如何構(gòu)建“一核四層四翼”評價體系等核心問題。

新高考試題出現(xiàn)這樣一類問題：以真實的化學(xué)研究或生產(chǎn)為背景，要求學(xué)生對實驗數(shù)據(jù)的變化進行歸因解釋。那么，歸因解釋主要考查學(xué)生的哪些化學(xué)核心素養(yǎng)？如何評價學(xué)生的化學(xué)核心素養(yǎng)發(fā)展水平？

二、問題分析

“證據(jù)推理與模型認知”核心素養(yǎng)具體內(nèi)涵為：具有證據(jù)意識，能基于證據(jù)對物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)及其變化提出可能的假設(shè)，通過分析推理加以證實或證偽；建立觀點、結(jié)論和證據(jù)之間的邏輯關(guān)系。知道可以通過分析、推理等方法認識研究對象的本質(zhì)特征、構(gòu)成要素及其相互關(guān)系，建立認知模型，并能運用模型解釋化學(xué)現(xiàn)象，揭示現(xiàn)象的本質(zhì)和規(guī)律。[1]王磊[2]和吳星[3]分別對證據(jù)推理與模型認知的關(guān)系進行了論述，趙銘[4]將二者關(guān)系總結(jié)為：“證據(jù)推理與模型認知”是核心素養(yǎng)的思維中心，證據(jù)推理是模型認知的前提和基礎(chǔ)，模型認知是證據(jù)推理的進階和高級形式。

化學(xué)研究與生產(chǎn)中，人們需要通過實驗獲得大量數(shù)據(jù)；揭示數(shù)據(jù)變化背后的化學(xué)奧秘，可以幫助人們調(diào)控化學(xué)反應(yīng)。為了更好地進行歸因解釋，研究者基于必備知識或關(guān)鍵信息提取證據(jù)，對已有模型進行識別、改進或建立新的模型，從宏觀與微觀、定性與定量等角度推出合理結(jié)論，解釋各類數(shù)據(jù)變化的原因?？梢?，歸因解釋主要考查學(xué)生“證據(jù)推理與模型認知”核心素養(yǎng)及其發(fā)展水平。

三、案例剖析

高考化學(xué)試題是評價學(xué)生化學(xué)核心素養(yǎng)發(fā)展水平的重要依據(jù)。江蘇高考化學(xué)試題多年連續(xù)設(shè)置“歸因解釋”，在高考命題中獨樹一幟。下面以2021年江蘇高考化學(xué)試題為例，淺議歸因解釋如何有效考查學(xué)生“證據(jù)推理與模型認知”核心素養(yǎng)發(fā)展水平。

【例1】（2021年江蘇高考第15題，節(jié)選）以鋅灰（含ZnO及少量PbO、CuO、Fe2O3、SiO2）和Fe2（SO4）3為原料制備的ZnFe2O4脫硫劑，可用于脫除煤氣中的H2S。脫硫劑的制備、硫化、再生過程可表示為

（4）將硫化后的固體在N2：O2=95：5（體積比）的混合氣體中加熱再生，固體質(zhì)量隨溫度變化的曲線如圖2所示。在280～400℃范圍內(nèi)，固體質(zhì)量增加的主要原因是▲。

【簡析】

結(jié)合“Zn、Fe元素價一類二維圖”模型（圖3）進行定量推理的過程如表1所示。

再生完全時，剩余固體的質(zhì)量/原始固體的質(zhì)量x100%=205%>102%，這表明ZnS、FeS只有部分被氧化為ZnSO4和Fe2（SO4）3。綜上分析，本題合理答案可表述為：ZnS、FeS部分被氧化生成硫酸鹽。

【簡議】

本題以“硫化”后的固體“再生”時質(zhì)量“異?！痹龃鬄楸尘?，考查學(xué)生能否借助“元素價一類二維圖”認知模型，預(yù)測ZnS和FeS可能的性質(zhì)與變化，推測“異常”產(chǎn)物可能的組成與性質(zhì)，并依據(jù)證據(jù)證明或證偽假設(shè)；同時考查學(xué)生能否從定性與定量結(jié)合上收集證據(jù)，并通過定性分析與定量計算推出合理的結(jié)論。[1]本題有效考查“證據(jù)推理與模型認知”核心素養(yǎng)是否達到水平3。

【例2】（2021年江蘇高考第18題，節(jié)選）甲烷是重要的資源，通過下列過程可實現(xiàn)由甲烷到氫氣的轉(zhuǎn)化。

甲烷—>重整—>CO轉(zhuǎn)化—>催化氧化—>氫氣

（2）CH4與CO2重整的主要反應(yīng)的熱化學(xué)方程式為

反應(yīng)Ⅰ：CH4（g）+CO2（g）=2CO（g）+2H2（g）

△H=246.5 kJ·mol-1

反應(yīng)Ⅱ：H2（g）+CO2（g）=CO（g）+H2O（g）

△H=41.2 kJ·mol-1

反應(yīng)Ⅲ：2CO（g）=CO2（g）+C（s）

△H=-172.5 kj.mol-1

②1.O1x10 5Pa下，將n起始（CO2）：n起始（CH4）=1：1的混合氣體置于密閉容器中，不同溫度下重整體系中CH4和CO2的平衡轉(zhuǎn)化率如圖4所示。800℃下CO2平衡轉(zhuǎn)化率遠大于600℃下CO2平衡轉(zhuǎn)化率，其原因是▲。

【簡析】

因為圖4表示不同溫度下重整體系中CH4和CO2的平衡轉(zhuǎn)化率，故可借助溫度對化學(xué)平衡移動的影響模型（圖5）進行推理。

反應(yīng)Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ均與CO2有關(guān)，焓變是分析不同溫度下反應(yīng)Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ達到平衡時CO2轉(zhuǎn)化率大小的重要依據(jù)。根據(jù)溫度對化學(xué)平衡的影響模型知：△H<0的反應(yīng)在低溫下達到平衡時進行程度更大；△H>0的反應(yīng)在高溫下達到平衡時進行程度更大。因此，本題合理答案可表述為：反應(yīng)Ⅰ、反應(yīng)Ⅱ的△H>0，高溫下正反應(yīng)進行程度大，CO2反應(yīng)的量多；反應(yīng)Ⅲ的△H<0，高溫下正反應(yīng)進行程度小，CO2的生成量少。

【簡議】

本題以CH4與CO2重整多重平衡體系為背景，考查學(xué)生能否準(zhǔn)確識別并選用“勒夏特列原理”之溫度對化學(xué)平衡影響的規(guī)律模型，分析CO2平衡轉(zhuǎn)化率隨溫度的變化，準(zhǔn)確判斷平衡體系中的主要矛盾及矛盾隨溫度升高而轉(zhuǎn)化的情況，從而將化學(xué)事實和理論模型之間進行關(guān)聯(lián)和合理匹配。[1]本題有效考查“證據(jù)推理與模型認知”核心素養(yǎng)是否達到水平2。

【例3】（2021年江蘇高考第18題，節(jié)選）甲烷是重要的資源，通過下列過程可實現(xiàn)由甲烷到氫氣的轉(zhuǎn)化。

（3）利用銅-鈰氧化物（xCuO·yCeO2，Ce是活潑金屬）催化氧化可除去H2中少量CO，催化氧化過程中Cu、Ce的化合價均發(fā)生變化，可能機理如圖6所示。將n（C0）：n（O2）：n（H2）：n（N2）=1：1：49：49的混合氣體以一定流速通過裝有xCuO·yCeO2催化劑的反應(yīng)器，CO的轉(zhuǎn)化率隨溫度變化的曲線如圖7所示。

②當(dāng)催化氧化溫度超過150℃時，催化劑的催化活性下降，其可能原因是▲。

【簡析】

由證據(jù)“催化氧化過程中Cu、Ce的化合價均發(fā)生變化”知，金屬元素價態(tài)變化如圖6所示，并建立微觀“催化機理”模型：CO、O2分別與Cu+、氧空位等活性位點發(fā)生作用才能有效促進CO的催化氧化?？梢姡呋趸瘻囟瘸^150℃時，催化劑活性下降的原因是Cu+等活性位點減少。反觀反應(yīng)體系，混合氣體中的CO或H2將Cu+或Cu2+[CU2+可通過步驟（i）生成Cu+]還原為Cu，導(dǎo)致活性位點減少，催化劑活性下降。故本題合理答案可表述為：溫度升高，Cu2+（或Cu+）被H2（或CO）還原為Cu。

【簡議】

本題以研究CO轉(zhuǎn)化率隨溫度變化為背景，重點討論溫度超過150℃時，催化劑的催化活性“異常”下降的原因。本題主要考查學(xué)生能否對復(fù)雜化學(xué)問題情境中的關(guān)鍵要素進行分析，收集證據(jù)，從微觀視角發(fā)現(xiàn)活性位點，建立并正確運用“催化機理”模型推出合理的結(jié)論，最終綜合解釋或解決復(fù)雜的化學(xué)問題。[1]本題考查學(xué)生“證據(jù)推理與模型認知”核心素養(yǎng)是否達到水平4。

四、結(jié)語

化學(xué)研究與生產(chǎn)中，歸因解釋有助于人們理解反應(yīng)機理、控制反應(yīng)條件，使化學(xué)反應(yīng)朝著人們期望的方向進行，進而便利生產(chǎn)應(yīng)用、服務(wù)人類發(fā)展。歸因解釋是化學(xué)研究與生產(chǎn)中的真問題，符合普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）對高考“以核心素養(yǎng)為測試宗旨，以真實情境為測試載體，以實際問題為測試任務(wù)， 以化學(xué)知識為解決問題的工具”的命題原則；[4]踐行《教育部關(guān)于做好2021年普通高校招生工作的通知》中“高考命題要優(yōu)化情境設(shè)計，增強試題開放性、靈活性，充分發(fā)揮高考命題的育人功能和積極導(dǎo)向作用”的命題要求[5]。歸因解釋是考查學(xué)生“證據(jù)推理與模型認知”核心素養(yǎng)發(fā)展水平的有效設(shè)問，研究歸因解釋有助于理解高考試題如何構(gòu)建“一核四層四翼”評價體系等核心問題。[6]

參考文獻

[1]中華人民共和國教育部，普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017化學(xué)教與學(xué)2022年第11期年版2020年修訂）[s]．北京：人民教育出版社，2020．

[2]王磊，于少華，對高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)若干問題的理論闡釋及實踐解讀[J]．中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考，2018（7）：3-6．

[3]吳星．對高中化學(xué)核心素養(yǎng)的認識[J]．化學(xué)教學(xué)，2017（5）：3-7．

[4]趙銘，趙華，“證據(jù)推理與模型認知”的內(nèi)涵與教學(xué)研討[J]．化學(xué)教學(xué)，2020（2）：29-33．

[5]中華人民共和國教育部．教育部關(guān)于做好2021年普通高校招生工作的通知，http：//www．moe.gov.cn/srcsite/A 15/moe_776/s3258/202102/t20210208_513027.html.

[6]中華人民共和國教育部考試中心．中國高考評價體系[M]．北京：人民教育出版社，2020：9，9-12.

*本文系江蘇省教學(xué)研究“十三五”重點課題“基于高中化學(xué)學(xué)業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的教學(xué)與評價研究”（2019JK13-ZB04）和江蘇省教育科學(xué)“十三五”重點自籌課題“基于學(xué)業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的高中化學(xué)核心素養(yǎng)評價指標(biāo)體系研究”（B-b/2020/02/63）的研究成果之一。