歸因解釋：考查“證據推理與模型認知”發展水平的有效設問

孫永輝 夏芷玲 楊美華

摘要：化學研究與生產中，常需對實驗數據的變化做出歸因解釋。以2021年江蘇高考化學試題歸因解釋為例，從證據推理、模型認知角度簡析解決問題的關鍵思考過程，簡議歸因解釋對學生“證據推理與模型認知”核心素養發展水平的有效考查。

關鍵詞：歸因解釋；證據推理；模型認知；核心素養；發展水平

文章編號：1008-0546（2022）11-0063-03

中圖分類號：G632.41

文獻標識碼：Bdoi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.11.014

一、問題提出

普通高中化學課程標準（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，針對如何考查學生化學核心素養（圖1）發展水平這一關鍵問題，命題專家從素材選取、設問角度、題型優化等多方面進行了有意義的探索。因此，研究新高考化學試題有助于回答高考試題如何考查學生化學核心素養發展水平、有助于理解高考試題如何構建“一核四層四翼”評價體系等核心問題。

新高考試題出現這樣一類問題：以真實的化學研究或生產為背景，要求學生對實驗數據的變化進行歸因解釋。那么，歸因解釋主要考查學生的哪些化學核心素養？如何評價學生的化學核心素養發展水平？

二、問題分析

“證據推理與模型認知”核心素養具體內涵為：具有證據意識，能基于證據對物質組成、結構及其變化提出可能的假設，通過分析推理加以證實或證偽；建立觀點、結論和證據之間的邏輯關系。知道可以通過分析、推理等方法認識研究對象的本質特征、構成要素及其相互關系，建立認知模型，并能運用模型解釋化學現象，揭示現象的本質和規律。[1]王磊[2]和吳星[3]分別對證據推理與模型認知的關系進行了論述，趙銘[4]將二者關系總結為：“證據推理與模型認知”是核心素養的思維中心，證據推理是模型認知的前提和基礎，模型認知是證據推理的進階和高級形式。

化學研究與生產中，人們需要通過實驗獲得大量數據；揭示數據變化背后的化學奧秘，可以幫助人們調控化學反應。為了更好地進行歸因解釋，研究者基于必備知識或關鍵信息提取證據，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論，解釋各類數據變化的原因?？梢姡瑲w因解釋主要考查學生“證據推理與模型認知”核心素養及其發展水平。

三、案例剖析

高考化學試題是評價學生化學核心素養發展水平的重要依據。江蘇高考化學試題多年連續設置“歸因解釋”，在高考命題中獨樹一幟。下面以2021年江蘇高考化學試題為例，淺議歸因解釋如何有效考查學生“證據推理與模型認知”核心素養發展水平。

【例1】（2021年江蘇高考第15題，節選）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，固體質量隨溫度變化的曲線如圖2所示。在280～400℃范圍內，固體質量增加的主要原因是▲。

【簡析】

結合“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，剩余固體的質量/原始固體的質量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”時質量“異常”增大為背景，考查學生能否借助“元素價一類二維圖”認知模型，預測ZnS和FeS可能的性質與變化，推測“異?！碑a物可能的組成與性質，并依據證據證明或證偽假設；同時考查學生能否從定性與定量結合上收集證據，并通過定性分析與定量計算推出合理的結論。[1]本題有效考查“證據推理與模型認知”核心素養是否達到水平3。

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

甲烷—>重整—>CO轉化—>催化氧化—>氫氣

（2）CH4與CO2重整的主要反應的熱化學方程式為

反應Ⅰ：CH4（g）+CO2（g）=2CO（g）+2H2（g）

△H=246.5 kJ·mol-1

反應Ⅱ：H2（g）+CO2（g）=CO（g）+H2O（g）

△H=41.2 kJ·mol-1

反應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的平衡轉化率如圖4所示。800℃下CO2平衡轉化率遠大于600℃下CO2平衡轉化率，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的平衡轉化率，故可借助溫度對化學平衡移動的影響模型（圖5）進行推理。

反應Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ均與CO2有關，焓變是分析不同溫度下反應Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ達到平衡時CO2轉化率大小的重要依據。根據溫度對化學平衡的影響模型知：△H<0的反應在低溫下達到平衡時進行程度更大；△H>0的反應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Ⅰ、反應Ⅱ的△H>0，高溫下正反應進行程度大，CO2反應的量多；反應Ⅲ的△H<0，高溫下正反應進行程度小，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，考查學生能否準確識別并選用“勒夏特列原理”之溫度對化學平衡影響的規律模型，分析CO2平衡轉化率隨溫度的變化，準確判斷平衡體系中的主要矛盾及矛盾隨溫度升高而轉化的情況，從而將化學事實和理論模型之間進行關聯和合理匹配。[1]本題有效考查“證據推理與模型認知”核心素養是否達到水平2。

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

（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催化劑的反應器，CO的轉化率隨溫度變化的曲線如圖7所示。

②當催化氧化溫度超過150℃時，催化劑的催化活性下降，其可能原因是▲。

【簡析】

由證據“催化氧化過程中Cu、Ce的化合價均發生變化”知，金屬元素價態變化如圖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生作用才能有效促進CO的催化氧化?？梢?，催化氧化溫度超過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?！毕陆档脑颉１绢}主要考查學生能否對復雜化學問題情境中的關鍵要素進行分析，收集證據，從微觀視角發現活性位點，建立并正確運用“催化機理”模型推出合理的結論，最終綜合解釋或解決復雜的化學問題。[1]本題考查學生“證據推理與模型認知”核心素養是否達到水平4。

四、結語

化學研究與生產中，歸因解釋有助于人們理解反應機理、控制反應條件，使化學反應朝著人們期望的方向進行，進而便利生產應用、服務人類發展。歸因解釋是化學研究與生產中的真問題，符合普通高中化學課程標準（2017年版）對高考“以核心素養為測試宗旨，以真實情境為測試載體，以實際問題為測試任務， 以化學知識為解決問題的工具”的命題原則；[4]踐行《教育部關于做好2021年普通高校招生工作的通知》中“高考命題要優化情境設計，增強試題開放性、靈活性，充分發揮高考命題的育人功能和積極導向作用”的命題要求[5]。歸因解釋是考查學生“證據推理與模型認知”核心素養發展水平的有效設問，研究歸因解釋有助于理解高考試題如何構建“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，普通高中化學課程標準（2017化學教與學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，對高中化學課程標準若干問題的理論闡釋及實踐解讀[J]．中學化學教學參考，2018（7）：3-6．

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

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

[5]中華人民共和國教育部．教育部關于做好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.

*本文系江蘇省教學研究“十三五”重點課題“基于高中化學學業質量標準的教學與評價研究”（2019JK13-ZB04）和江蘇省教育科學“十三五”重點自籌課題“基于學業質量標準的高中化學核心素養評價指標體系研究”（B-b/2020/02/63）的研究成果之一。