辯證唯物主義視域下化學(xué)歸因分析思維邏輯的構(gòu)建

楊國武

（江蘇省高郵中學(xué) 江蘇 高郵 225600）

一、問題的提出

“歸因”一詞，從字面的意義來理解，即為“歸納、表述（某結(jié)果的）原因”；現(xiàn)有文獻(xiàn)更多從社會(huì)心理學(xué)的層面來解釋，歸因是指人們對(duì)他人或自己行為原因的推論過程。化學(xué)學(xué)科的歸因分析即“為某個(gè)化學(xué)過程的結(jié)果尋找原因”。

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》中化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)3“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”中“建立觀點(diǎn)、結(jié)論和證據(jù)之間的邏輯關(guān)系”的描述揭示了歸因分析的本質(zhì)。此外，新課標(biāo)在核心素養(yǎng)具體水平劃分中多處出現(xiàn)了涉及歸因分析的內(nèi)容。如“宏觀辨識(shí)與微觀探析”水平2中“能從物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)說明同類物質(zhì)的共性和不同類物質(zhì)性質(zhì)差異及其原因”；“變化觀念與平衡思想”水平3中“能運(yùn)用化學(xué)反應(yīng)原理分析影響化學(xué)變化的因素”；“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”水平4中“能依據(jù)各類物質(zhì)及其反應(yīng)的不同特征尋找充分的證據(jù)，能解釋證據(jù)與結(jié)論之間的關(guān)系”等。［1］鑒于此，歸因分析題成為命題者的熱門之選。

與歸因分析題的熱度形成鮮明對(duì)比的是，學(xué)生對(duì)此類問題的作答卻差強(qiáng)人意。具體表現(xiàn)有：信息提取偏差、知識(shí)調(diào)用混亂、思維邏輯模糊、語言表述不清等等。因此，探求此類問題的基本解題方案是目前化學(xué)教學(xué)中亟待解決的問題。思維邏輯是分析問題的脈絡(luò)框架，綱舉而目張，有必要引導(dǎo)學(xué)生在歸因分析中構(gòu)建清晰的邏輯，結(jié)合具體的情境和知識(shí)，從頂層思維出發(fā)，“順流而下”，尋求事物間的因果聯(lián)系。唯物辯證法又稱為“馬克思主義辯證法”，是研究自然科學(xué)和社會(huì)科學(xué)的重要的哲學(xué)方法，是人類認(rèn)識(shí)世界和改造世界的有力武器。在歸因分析中滲透唯物辯證法的思想，培養(yǎng)科學(xué)有序的思維邏輯，不僅分析化學(xué)問題有了科學(xué)的方法論，而且能夠幫助學(xué)生樹立辯證唯物主義和歷史唯物主義的科學(xué)觀念。

筆者在知網(wǎng)上以“唯物辯證法”與“歸因分析”為關(guān)鍵詞進(jìn)行檢索，沒有找到有關(guān)文獻(xiàn)。筆者發(fā)現(xiàn)大多數(shù)研究者關(guān)注的是“歸因分析法”與關(guān)鍵能力與核心素養(yǎng)的關(guān)系。如江偉［2］以Fe3+的水解情境為例，剖析了基于歸因分析法不同層次的設(shè)問技巧以及問題解決方法；王程、白旭寧［3］論述了中學(xué)化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的五個(gè)方面與唯物辯證法的緊密聯(lián)系。本文將唯物辯證法與情境問題解決的思維模型建立聯(lián)系，以期為化學(xué)課堂教學(xué)提供一些有益的視角。

二、歸因分析常見思維邏輯與唯物辯證法的關(guān)系

“以真實(shí)情境為載體，以實(shí)際問題為任務(wù)”是新課標(biāo)提出的命題原則。從具體問題來看，情境是外表，實(shí)際問題所隱含的思維邏輯才是內(nèi)核。而唯物辯證法所包括的對(duì)立統(tǒng)一、量變與質(zhì)變等規(guī)律，能夠?yàn)樵S多不同情境下的不同問題提供思維邏輯的頂層設(shè)計(jì)。具體如下：

1.控制一果一因

唯物辯證法的基本觀點(diǎn)之一是：世界是普遍聯(lián)系的，世界上的一切事物都處于相互影響、相互作用、相互制約之中。同樣，反應(yīng)體系的物質(zhì)之間也是普遍聯(lián)系的，這是化學(xué)過程復(fù)雜性的本源。在科學(xué)研究中，為了探求某一因素對(duì)反應(yīng)結(jié)果的影響，普遍的做法便是做控制變量的對(duì)比實(shí)驗(yàn)。即控制其他影響因素均相同的前提下，某因素的獨(dú)立存在對(duì)結(jié)果獨(dú)特的影響。

例：（2016江蘇高考20題節(jié)選）納米鐵粉可用于處理地下水中的污染物。相同條件下，納米鐵粉去除不同水樣中NO-3的速率有較大差異（見圖1），產(chǎn)生該差異的可能原因是_________。

圖1 2016江蘇高考第20題圖

答案：Cu或Cu2+催化納米鐵粉去除NO-3的反應(yīng)（或形成的Fe-Cu原電池增大納米鐵粉去除NO-3的反應(yīng)速率）

解決這類問題的關(guān)鍵就是明晰變量與結(jié)果的關(guān)系模型，一個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果存在多個(gè)影響因素，從數(shù)學(xué)模型的視角可以呈現(xiàn)出如圖2的關(guān)系：

圖2 變量與結(jié)果的關(guān)系

思考的方向?yàn)樵摋l件（或物質(zhì)）在反應(yīng)體系中的特殊作用，如作催化劑，或者作為反應(yīng)物產(chǎn)生額外的新物質(zhì)對(duì)反應(yīng)體系產(chǎn)生新的影響。

2.一果多因

（1）影響結(jié)果的因素間互為矛盾關(guān)系

唯物辯證法告訴我們：矛盾（即對(duì)立統(tǒng)一）是事物普遍聯(lián)系的根本內(nèi)容。矛盾存在于一切事物的發(fā)展過程中。矛盾又分為主要矛盾和次要矛盾，其中，在事物發(fā)展過程中處于支配地位，對(duì)事物發(fā)展起決定作用的矛盾就是主要矛盾。其他屬于從屬地位，對(duì)事物發(fā)展不起決定作用的矛盾則是次要矛盾，主次矛盾相互依賴，相互影響，并在一定條件下相互轉(zhuǎn)化。因此，在分析一個(gè)化學(xué)問題時(shí)，條件的改變，可能會(huì)影響到?jīng)Q定結(jié)果的多方面因素，當(dāng)因素間互為矛盾關(guān)系時(shí)，既要看到主要因素，又要看到次要因素，著重把握決定結(jié)果的主要因素。

例.（19年江蘇高考20題節(jié)選）CO2催化加氫合成二甲醚是一種CO2轉(zhuǎn)化方法，其過程中主要發(fā)生下列反應(yīng)：

在恒壓、CO2和H2的起始量一定的條件下，CO2平衡轉(zhuǎn)化率和平衡時(shí)CH3OCH3的選擇性隨溫度的變化如圖3。

圖3 2019江蘇高考第20題圖

溫度高于300℃，CO2平衡轉(zhuǎn)化率隨溫度升高而上升的原因是_________。

答案：反應(yīng)Ⅰ的ΔH＞0，反應(yīng)Ⅱ的ΔH＜0，溫度升高使CO2轉(zhuǎn)化為CO的平衡轉(zhuǎn)化率上升，使CO2轉(zhuǎn)化為CH3OCH3的平衡轉(zhuǎn)化率下降，且上升幅度超過下降幅度。此類問題的思維邏輯為“矛盾的主次分析”，具體流程如圖4所示。

圖4 矛盾的主次分析流程

常見的問題如酸式鹽酸堿性判斷、多元弱酸體系弱離子濃度隨pH變化關(guān)系等，均屬于這一類問題。

（2）影響結(jié)果的因素間互為同一關(guān)系

影響事物發(fā)展方向的多種因素間呈同一關(guān)系，彼此對(duì)結(jié)果的影響是一致的，共同促進(jìn)了事物向某一方面發(fā)展。

例：（20年江蘇高考20題節(jié)選）CO2/HCOOH循環(huán)在氫能的貯存/釋放、燃料電池等方面具有重要應(yīng)用。

CO2催化加氫。在密閉容器中，向含有催化劑的KHCO3溶液（CO2與KOH溶液反應(yīng)制得）中通入H2生成HCOO-，其他條件不變，HCO-3轉(zhuǎn)化為HCOO-的轉(zhuǎn)化率隨溫度的變化如圖5所示。反應(yīng)溫度在40℃～80℃范圍內(nèi)，HCO-3催化加氫的轉(zhuǎn)化率迅速上升，其主要原因是_________。

圖5 2020江蘇高考第20題圖

答案：溫度升高反應(yīng)速率增大，溫度升高催化劑的活性增強(qiáng)。該類型題目的思考流程如圖6：

圖6 多因素互為同一關(guān)系思考流程

（3）影響結(jié)果的因素間互為直接和間接的關(guān)系

例：一定溫度時(shí)，在1L的容器中，1 mol PCl5分解：

反應(yīng)平衡后，再加入1mol PCl5（g），平衡如何移動(dòng)？

a.增大了反應(yīng)物的濃度，平衡正向移動(dòng)

b.增大了體系壓強(qiáng)，平衡逆向移動(dòng)

壓強(qiáng)改變對(duì)平衡移動(dòng)影響的本質(zhì)是通過影響組分濃度而得以實(shí)現(xiàn)的。因此，濃度的變化是直接影響因素，壓強(qiáng)是因?yàn)闈舛鹊母淖兌淖兊模情g接影響因素。應(yīng)當(dāng)優(yōu)先分析直接因素對(duì)體系的影響，因此，a是正確的。

思維邏輯：主要矛盾的主要方面（直接因素）決定事物的性質(zhì)和發(fā)展方向，次要方面（間接因素）屬于被支配地位，分析此類問題時(shí)，優(yōu)先考慮直接影響因素。如果直接因素不能影響結(jié)果，則考慮由直接影響因素進(jìn)一步造成的新的影響因素（即間接影響因素）。思維邏輯見圖7：

圖7 直接因素與間接因素的思維模型

3.量變引起質(zhì)變“過猶不及”模型

質(zhì)量互變規(guī)律是唯物辯證法的基本規(guī)律之一。量變是質(zhì)變的必要準(zhǔn)備，質(zhì)變是量變的必然結(jié)果。并不是量變就一定能引起質(zhì)變，而是量變發(fā)展到一定程度時(shí)，事物內(nèi)部的主要矛盾運(yùn)動(dòng)形式發(fā)生了改變，進(jìn)而引發(fā)質(zhì)變。從中可以看出，“度”是量變和質(zhì)變的區(qū)分標(biāo)志，是事物保持其質(zhì)的量的界限。“適度原則”是實(shí)踐活動(dòng)的正確準(zhǔn)則。

例：（21年江蘇新高考適應(yīng)性考試14題節(jié)選）皮革廠的廢水中含有一定量的氨氮（以NH3、NH+4形式存在），通過沉淀和氧化兩步處理后可使水中氨氮達(dá)到國家規(guī)定的排放標(biāo)準(zhǔn)。

氧化：調(diào)節(jié)經(jīng)沉淀處理后的廢水pH約為6，加入NaClO將廢水中的氨氮轉(zhuǎn)化為N2，n（ClO-）/n（氨氮）對(duì)廢水中氨氮去除率和總氮去除率的影響如圖8所示。當(dāng)n（ClO-）/n（氨氮）＞1.54后，總氮去除率下降的原因是_______。

圖8 2021江蘇新高考適應(yīng)性考試14題圖

答案：次氯酸鈉投加量過大，導(dǎo)致污水中部分氨氮氧化為其它價(jià)態(tài)，例如硝酸根離子，則總氮去除率下降。該類問題的思維邏輯見圖9。

圖9 量變引起質(zhì)變的思維模型

該思維模型還可以處理如下類似問題：

（1）氣體通入溶液反應(yīng)：流速過緩，反應(yīng)速率慢；流速過快，氣液接觸時(shí)間短，轉(zhuǎn)化率低。

（2）氣體與催化劑接觸反應(yīng)：流速過緩，反應(yīng)量低；流速過快，氣體與催化劑接觸時(shí)間短，轉(zhuǎn)化率低。

（3）適當(dāng)?shù)目諝饽苁谷剂铣浞秩紵^量的空氣帶走熱量，熱效率降低。

（4）催化劑（含酶、微生物等）在合適的溫度催化活性最高。

（5）適當(dāng)?shù)某恋韯┦鼓畴x子充分沉淀，過量則可能重新溶解：

4.競(jìng)爭(zhēng)型

唯物辯證法認(rèn)為，事物內(nèi)部的矛盾性是競(jìng)爭(zhēng)的根本原因，競(jìng)爭(zhēng)的本質(zhì)是新事物的產(chǎn)生和舊事物的滅亡。人與自然、不同的物種、不同的社會(huì)制度等都存在競(jìng)爭(zhēng)，新舊事物的更替是普遍的。從物質(zhì)變化的角度來看，在同一反應(yīng)體系中，物質(zhì)之間會(huì)發(fā)生多種反應(yīng)，這些反應(yīng)間存在競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，不同的條件會(huì)使反應(yīng)間的主次關(guān)系發(fā)生變化。

例：（2020年江蘇高考19題節(jié)選）實(shí)驗(yàn)室由煉鋼污泥（簡(jiǎn)稱鐵泥，主要成分為鐵的氧化物）制備軟磁性材料α-Fe2O3，其主要實(shí)驗(yàn)流程如下：

向“還原”后的濾液中加入NH4F溶液，使Ca2+轉(zhuǎn)化為CaF2沉淀除去。若溶液的pH偏低、將會(huì)導(dǎo)致CaF2沉淀不完全，其原因是_______。［Ks（pCaF2）=5.3×10-9，K（aHF）=6.3×10-4］

答案：pH偏低形成HF，導(dǎo)致溶液中F-濃度減小，CaF2沉淀不完全

上述例子考查了沉淀溶解平衡與弱電解質(zhì)電離平衡之間的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，反應(yīng)間的競(jìng)爭(zhēng)是普遍的，單就沉淀溶解平衡而言，沉淀溶解平衡與配位平衡（銀氨溶液、銅氨溶液的形成）、氧化還原（硫化亞鐵溶于硝酸），不同沉淀溶解平衡（沉淀的轉(zhuǎn)化）均可能存在競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系。此外，在催化反應(yīng)中，不同微粒對(duì)催化劑表面反應(yīng)活性位點(diǎn)的吸附爭(zhēng)奪也是一種競(jìng)爭(zhēng)。競(jìng)爭(zhēng)是打破，合作是平衡。

5.內(nèi)因和外因

唯物辯證法認(rèn)為，內(nèi)因決定事物的本質(zhì)，是事物發(fā)展的決定性因素。在事物發(fā)展變化過程中，內(nèi)因是事物變化的根據(jù)，外因是事物變化的條件，外因通過內(nèi)因起作用。從化學(xué)變化的角度看，物質(zhì)的性質(zhì)是化學(xué)變化的主要決定因素。

例：（2015年江蘇高考20題節(jié)選）煙氣（主要污染物SO2、NOx）經(jīng)O3預(yù)處理后用CaSO3水懸浮液吸收，可減少煙氣中SO2、NOx的含量。O3氧化煙氣中SO2、NOx的主要反應(yīng)的熱化學(xué)方程式為：

室溫下，固定進(jìn)入反應(yīng)器的NO、SO2的物質(zhì)的量，改變加入O3的物質(zhì)的量，反應(yīng)一段時(shí)間后體系中n（NO）、n（NO2）和n（SO2）隨反應(yīng)前n（O3）：n（NO）的變化見圖10。

圖10 2015江蘇高考第20題圖

增加n（O3），O3氧化SO2的反應(yīng)幾乎不受影響，其可能原因是_____________。

答案：SO2與O3的反應(yīng)速率慢

三、總結(jié)與反思

正如法國生物學(xué)家莫諾所說，“在具有無限差別的一個(gè)個(gè)現(xiàn)象中，科學(xué)的任務(wù)去尋找其中不變的東西”。這“不變的東西”就是規(guī)律，而探求規(guī)律，需要有科學(xué)方法的指導(dǎo)。唯物辯證法的基本哲學(xué)思想并不能直接成為歸因分析的答案，而是在我們?cè)诿鎸?duì)具體問題情境時(shí)，給予正確的思維方向和思考方式，明晰問題的深層邏輯。具體的分析和表達(dá)仍需結(jié)合化學(xué)學(xué)科的知識(shí)體系和表征方式。將唯物辯證法的基本原理與化學(xué)情境問題相結(jié)合，在培養(yǎng)學(xué)生化學(xué)核心素養(yǎng)的同時(shí)，有助于學(xué)生思維能力的培養(yǎng)和思維品質(zhì)的提升，同時(shí)也有助于學(xué)生形成正確的世界觀、人生觀和價(jià)值觀，實(shí)現(xiàn)化學(xué)學(xué)科的教育價(jià)值和育人功能。