基于證據推理和模型認知的曲線變化歸因

【摘 要】聚焦圖像探究題中曲線走勢前后不一致的情形，研究近幾年高考化學試題中的案例，了解曲線變化的特點，分析其背后成因，并嘗試從證據推理和模型認知的角度對此類問題的快速求解進行有益探索?；谧C據推理與模型認知，對以反應時間為變量、以反應物用量或反應物濃度為變量、以反應溫度為變量的曲線進行變化歸因。

【關鍵詞】圖像探究 證據推理 模型認知

【中圖分類號】G633.8? ? 【文獻標識碼】A? 【文章編號】1002-3275（2023）23-76-05

“歸因”一詞最初來源于心理學，是指人們對他人或自己行為的原因進行分析，推論出產生這些行為原因的過程。［1］用于自然科學中，歸因指的是對事物變化的原因進行分析、推論和解釋，這需要學生具備較強的證據推理能力?！镀胀ǜ咧谢瘜W課程標準（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱課程標準）中對此提出了明確要求，即學生要具有證據意識，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。自然科學中的證據是指能用于證明或推斷某個事實或情況的各種信息、材料和數據。證據必須具備兩個特性，一是真實性，確?？陀^真實，準確無誤；二是關聯性，它與要證明或推斷的事實或情況之間有內在關聯。就考試而言，源于教材、屬于本學科的、無爭議且有關聯的知識、原理、規律等皆可作為證據，都可運用于分析和推理。具備證據推理能力能夠確保歸因流程的可行性，但要讓整個分析、推理和解釋過程變得清晰流暢，學生還需具備另一項核心素養，即模型認知能力。課程標準指出，學生要能建立觀點、結論和證據之間的邏輯關系；要能通過分析、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。模型建構屬于高階思維的范疇，體現透過現象看本質的能力。它要求學生在系統掌握化學必備知識的基礎上，通過信息提取、分類定位、證據查找、分析推理、凝練匯總，最后概括歸納出能表征事物構成要素、相互關系、本質特征的簡潔且抽象的模型，實現對事物認知的質的飛躍。

在高考化學試卷中，圖像類題目是不可或缺的存在，這些試題大多取材于日常生活、生產科研、環境治理、工程實踐，旨在通過創設真實的問題情境以考查學生的必備知識、核心素養、關鍵能力。圖像類題目涉及面廣、綜合性強，其解答過程需要學生具備扎實的化學“雙基”，以良好的邏輯推理能力作為支撐，以靈活的遷移運用能力作為保障。部分題目構思精巧，以考查高階思維能力為立意，具有一定難度，學生在解答此類題目時得分率普遍偏低。鑒于此，本文從證據推理與模型認知的角度，對近幾年高考化學圖像探究題中的一種常見考情，即曲線前后變化不一致的情形進行教學探討。

一、近幾年高考圖像探究題案例呈現

圖像探究題內容涉及面廣，考查角度靈活多樣，側重點各有不同。其中要求對曲線前后走勢不同的原因進行解釋的考法頗令一線教師關注，本文對相關案例進行整理，包括試題題目情境、探索圖像、問題三個部分。

案例1（2019年高考化學北京卷第27題節選）：

甲烷水蒸氣催化重整是制高純氫的方法之一。用CaO可以去除CO2，H2體積分數和CaO消耗率隨時間變化關系如圖1所示。

從t1時開始，H2體積分數顯著降低，此時CaO消耗率約為35%，但已失效。結合化學方程式解釋原因：________________。

案例2（2020年高考化學天津卷第13題節選）：

95℃時將Ni片浸在不同質量分數的硫酸中，經4小時腐蝕后的質量損失情況如圖2所示。

當ω（H2SO4）大于63%時，Ni被腐蝕的速率逐漸降低的原因可能是________。

案例3（2020年高考化學江蘇卷第20題節選）：

CO2/HCOOH循環在氫能的貯存/釋放、燃料電池等方面具有重要應用。CO2催化加氫法：在密閉容器中，向含有催化劑的KHCO3溶液（CO2與KOH溶液反應制得）中通入H2生成HCOO-。其他條件不變，HCO[-3]轉化為HCOO-的轉化率隨溫度的變化如圖3所示。

反應溫度在40～80℃范圍內，HCO[-3]催化加氫的轉化率迅速上升，其主要原因是________。

案例4（2019年高考化學江蘇卷第15題改編）：

在恒壓、NO和O2起始濃度一定的條件下，催化反應相同時間，測得不同溫度下NO轉化為NO2的轉化率如圖4實線所示。圖中虛線表示相同條件下NO的平衡轉化率，實線與虛線重合點最低溫度約330℃。

圖中150～300℃區間，NO轉化率先上升后下降的原因是________。

案例5（2021年高考化學江蘇卷第18題節選）：

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。將n（CO）∶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5所示。

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?________。

案例6（2020年高考化學山東卷第18題節選）：

探究CH3OH合成反應化學平衡的影響因素，有利于提高CH3OH的產率。以CO2、H2為原料合成CH3OH涉及的主要反應如下：

不同壓強下，按照n（CO2）∶n（H2）=1∶3投料，實驗測定CO2的平衡轉化率和CH3OH的平衡產率隨溫度的變化關系如圖6所示。

圖6中T1溫度時，三條曲線幾乎交于一點的原因是? ?。

案例7（2019年高考化學江蘇卷第20題節選）：

CO2催化加氫合成二甲醚是一種CO2轉化方法，其過程中主要發生下列反應：

在恒壓、CO2和H2的起始量一定的條件下，CO2平衡轉化率和平衡時CH3OCH3的選擇性隨溫度的變化如圖7所示。

溫度高于300℃，CO2平衡轉化率隨溫度升高而上升的原因是? ?。

案例8（2020年全國Ⅰ卷高考理綜第28題節選）：

接觸法制硫酸生產中的關鍵工序是SO2的催化氧化：SO2（g）+[12]O2（g）[釩催化劑]SO3（g） ΔH=?98 kJ·mol?1。研究表明，SO2催化氧化的反應速率方程為：v=k[αα′-10.8]（1?nα′）。式中：k為反應速率常數，隨溫度t升高而增大；α為SO2平衡轉化率；α′為某時刻SO2轉化率；n為常數。在α′=0.90時，將一系列溫度下的k、α值代入上述速率方程，得到v～t曲線，如圖8所示。

二、案例中的圖像特點及其成因

此類圖像中包含坐標，曲線走勢特征明顯。圖中的自變量（橫坐標）通常是時間、濃度、壓強、溫度等物理量，因變量（縱坐標）多為轉化率、產率、物質的量分數、體積分數、反應速率等。圖例的曲線走勢都突出一個“變”字，即隨著橫坐標的增大，縱坐標曲線原本走勢發生改變，前后不一致。這一新情況的出現會出乎學生預料，究其原因，主要是他們從教材中獲得的知識原理具有簡單、基礎、理想化的特點，此外一些學生思考問題的角度通常比較單一，層次相對片面，因此可能會對這類題型感到困惑。但在真實的化工生產、環境治理、資源利用中，影響事物的因素很多，需考慮的問題也很多。事物是矛盾的組合體，各影響因素之間既有對立也有統一，彼此交錯，相互制衡。當兩個影響因素方向不一致的時候，則需要考慮矛盾的主與次，主要矛盾決定了事物的發展方向，但主要矛盾并非一成不變，在事物運動發展的過程中，矛盾的主次有可能會發生轉換，從而改變事物原有的發展軌跡。了解了上述規律，再結合圖像探究題的真實背景，曲線走勢可能會出現前后不一致的現象就不足為奇了?？紤]到現實中影響曲線走勢的變量很多，它們之間的邏輯關系不能一概而論，需要區分對待，通過建立幾種典型的自變量—因變量聯動思維模型使之清晰明確化，然后融匯貫通，可將其靈活運用于解釋各種曲線變化。

三、基于證據推理與模型認知的曲線變化歸因

曲線變化只是表象，背后的真正原因是某種新情況的出現打破了事物原有的發展趨勢。試題中的圖像通常是由對一組實驗進行連續不斷的測定，或對多組平行實驗進行橫向對比測定所獲得的數據繪制而成。而在進行對比實驗時，需要控制單一變量，即在溫度、濃度、壓強、催化劑、反應時間、溶液pH值等諸多影響因素中，只能改變其中的一項，以此確保實驗結果具有信服力。與此相對應的，在嘗試建立自變量—因變量聯動思維模型時，也需要按不同的自變量加以討論。

（一）以反應時間為變量的曲線變化歸因

以反應時間為橫坐標時，這類圖像的縱坐標通常探究產物的量或反應速率的變化情況，它們之間的內在關系及聯動模式如圖9所示。

1．以反應速率為研究對象

一是隨著反應時間推移，反應物濃度下降會導致反應速率變慢。二是對于放熱反應，體系溫度升高會使反應速率加快。三是當某種產物能起催化作用的時候，反應速率會加快，例如加熱KClO3與KMnO4混合物制O2時，反應速率先慢后快，草酸與KMnO4（H+）反應時，溶液褪色先慢后快?，F實反應速率受上述因素共同制肘，并且當這些因素的影響方向一致時容易判斷結果，但若影響不一致，則需考慮哪個影響因素占優。另外，矛盾的主次不是固定不變的，隨著時間推移，矛盾主次可能會發生轉換，導致反應速率由快轉慢或由慢變快。此外，需關注反應過程中固體表面的變化，后續反應快慢將受到反應接觸面大小的影響，本文中的案例1就是因固體表面生成CaCO3導致的固—氣反應阻礙。

2．以產物的量為研究對象

隨著反應時間推移，反應物的量不斷減少，產物的量逐漸增加，當反應物和產物的量不再隨時間推移而改變時，反應達到平衡狀態。這些常規變化不會引起曲線走勢異常，但如果某反應物過量，則可能會與產物發生后續反應，從而導致產物的量減少。例如Cl2通入淀粉-KI溶液中，因過量Cl2會與產物I2反應，實驗中溶液顏色先由無色變藍色，再變為無色。

（二）以反應物用量或反應物濃度為變量的曲線變化歸因

量變引起質變的哲學觀在化學學科中體現得淋漓盡致。增加某反應物的用量或濃度，可能使溶液的氧化性（或還原性）增強，還可能使反應物之間的不足與過量對比發生變化，從而導致前后發生的化學反應不一樣。例如稀H2SO4與活潑金屬反應生成H2，濃H2SO4與金屬反應生成SO2，基于上述事實可以合理推斷出一個硫酸與金屬反應的普適情形，即增大對比實驗中的硫酸濃度，生成氣體種類會由一種變為兩種，且二者比例隨著硫酸濃度的增大而改變。類似的例子還有很多，常見增大反應物用量或反應物濃度導致的曲線變化歸因如圖10所示。

關于本文案例2的求解，首先學生需明確它是金屬與濃H2SO4的反應，其次需要找關聯證據，回憶、思考此類反應的個例與共性。課堂實驗表明，銅與熱濃H2SO4的反應中，銅片表面會先變黑（CuO），然后溶液中出現黑灰色懸濁物（CuO與CuSO4混合物），同時金屬鐵在冷的濃H2SO4中發生鈍化，其原因是鐵片表面生成的致密氧化物薄膜阻礙了反應的繼續進行。基于這兩個證據，可以合理推斷并歸納出金屬與濃硫酸反應的普適模型：第一步先氧化生成金屬氧化物，第二步金屬氧化物繼續與酸反應。此外，金屬氧化物薄膜的生成可能會對后續反應造成嚴重阻礙。學生一旦能在腦海中形成金屬與濃H2SO4反應的清晰認知，這類題目的求解便水到渠成。

（三）以反應溫度為變量的曲線變化歸因

溫度升高導致曲線變化是圖像探究題考查最多的情形，原因是改變溫度對反應體系的影響較大。首先，升溫能增大催化劑活性，但超過最佳溫度后再升溫則催化劑活性下降。其次，升溫能加快化學反應速率，但升溫同時可能導致反應物分解、反應物揮發，或導致主反應改變、副反應發生，使得原反應速率減慢。再次，升溫會導致化學平衡發生移動。最后，升高同樣溫度對多平衡共存體系中不同反應的影響程度是不一樣的，低溫段可能以某一反應為主，而高溫段則可能轉變為另一反應占優，這是矛盾主次論與運動發展觀在化學學科中的具體表現?，F實反應中升溫對體系的影響是多方面的，研究對象通常被多個因素共同作用，要厘清這些作用的影響方向是一致還是相反。此外，還需留意不斷升溫可能出現矛盾主次轉換的情形。常見以反應溫度為變量的幾種曲線變化歸因如圖11所示。

本文中的案例3和案例4圖像的前半段曲線上升原因都是溫度升高使反應速率加快，且催化劑活性增強，后半段曲線下降原因則是催化劑活性下降的影響大于溫度上升的影響。案例3題干中并未提及平衡信息，不宜使用平衡移動原理來解釋。案例4在給定溫度范圍內尚未達到化學平衡。案例5深究了催化劑失活的原因，結合催化反應機理，最合理的解釋是“溫度過高不利于氣體在催化劑表面的吸附”。案例6中存在三個化學平衡，升溫對三個反應的影響不盡相同，Ⅰ和Ⅱ平衡逆向移動，而Ⅲ平衡正向移動。當體系溫度較低時，主要發生反應Ⅰ和Ⅱ，這兩個反應等式兩邊的氣體分子數不一樣，改變壓強對它們影響顯著，當溫度較高（T1）時，體系內的反應以Ⅲ為主，而反應Ⅲ左右兩邊氣體分子數相等，壓強改變對該平衡沒有影響，所以T1溫度下三條曲線交于一點。案例7中CO2平衡轉化率是兩個反應的轉化率之和，因反應熱效應不同，升溫導致反應Ⅰ正向移動，而反應Ⅱ逆向移動，溫度高于300℃后CO2平衡轉化率隨溫度升高而上升，說明在此條件下兩個競爭反應中反應Ⅰ轉占為主導位置。案例8中復雜的函數表達式令部分學生望而生畏，但仔細觀察，不難發現該函數表達式中的4個字母實際上只有兩個是變量，如果能將復雜函數簡化概括為v=k·f（α）模式，則學生可能會豁然開朗。相關變量關系可總結為：升溫，k增大會使v增大，但α降低會使v減??；t＜tm時，k增大對v的提高幅度大于α引起的v減小幅度；t＞tm時，k增大對v的提高幅度小于α引起的v減小幅度。

圖像探究題在高考中出現頻率較高，多出現在化工生產、環境治理、資源利用等背景的綜合題中，以真實情境為載體，以實際問題為任務，以化學知識作為解決問題的工具。解答此類題目要求較高，學生需掌握物質結構與性質、物質轉化與應用、化學變化與規律等必備知識，具備宏觀辨識與微觀探析、證據推理與模型認知、變化觀念與平衡思想等學科素養，以及理解與辨析、分析與推測、歸納與論證等關鍵能力，如此才能在現實生產、生活、科研的試題情境中快速提取信息、準確分類定位、厘清問題思路、查找理論支撐、合理分析推斷，最終得出正確答案。以學科知識、原理和規律作為證據進行合理分析推測，進而建構自變量與研究對象之間的聯動變化思維模型，對求解圖像探究題中的曲線變化“異?！眴栴}大有裨益。鑒于高一、高二階段學生掌握的化學“雙基”尚不完備，不宜過早強調建模，但這一教學導向能顯著提升學生的思維品質，強化學生的核心素養，有助于他們快速高效解決問題，教師可在高三復習階段后有意識地對學生加以訓練和強化。

【參考文獻】

［1］徐小健．基于證據推理的“情境探究圖像歸因分析”教學研究［J］．中學化學教學參考，2023（9）：64-68．

黃學民 / 廣西南寧市第三十三中學，一級教師，從事中學化學教學（南寧 530000）