归因解释：考查“证据推理与模型认知”发展水平的有效设问

孙永辉 夏芷玲 杨美华

摘要：化学研究与生产中，常需对实验数据的变化做出归因解释。以2021年江苏高考化学试题归因解释为例，从证据推理、模型认知角度简析解决问题的关键思考过程，简议归因解释对学生“证据推理与模型认知”核心素养发展水平的有效考查。

关键词：归因解释；证据推理；模型认知；核心素养；发展水平

文章编号：1008-0546（2022）11-0063-03

中图分类号：G632.41

文献标识码：Bdoi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.11.014

一、問题提出

普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）已公布多年，多省市已于2021年进行了第一届新高考。从各地新高考试题可看出，针对如何考查学生化学核心素养（图1）发展水平这一关键问题，命题专家从素材选取、设问角度、题型优化等多方面进行了有意义的探索。因此，研究新高考化学试题有助于回答高考试题如何考查学生化学核心素养发展水平、有助于理解高考试题如何构建“一核四层四翼”评价体系等核心问题。

新高考试题出现这样一类问题：以真实的化学研究或生产为背景，要求学生对实验数据的变化进行归因解释。那么，归因解释主要考查学生的哪些化学核心素养？如何评价学生的化学核心素养发展水平？

二、问题分析

“证据推理与模型认知”核心素养具体内涵为：具有证据意识，能基于证据对物质组成、结构及其变化提出可能的假设，通过分析推理加以证实或证伪；建立观点、结论和证据之间的逻辑关系。知道可以通过分析、推理等方法认识研究对象的本质特征、构成要素及其相互关系，建立认知模型，并能运用模型解释化学现象，揭示现象的本质和规律。[1]王磊[2]和吴星[3]分别对证据推理与模型认知的关系进行了论述，赵铭[4]将二者关系总结为：“证据推理与模型认知”是核心素养的思维中心，证据推理是模型认知的前提和基础，模型认知是证据推理的进阶和高级形式。

化学研究与生产中，人们需要通过实验获得大量数据；揭示数据变化背后的化学奥秘，可以帮助人们调控化学反应。为了更好地进行归因解释，研究者基于必备知识或关键信息提取证据，对已有模型进行识别、改进或建立新的模型，从宏观与微观、定性与定量等角度推出合理结论，解释各类数据变化的原因。可见，归因解释主要考查学生“证据推理与模型认知”核心素养及其发展水平。

三、案例剖析

高考化学试题是评价学生化学核心素养发展水平的重要依据。江苏高考化学试题多年连续设置“归因解释”，在高考命题中独树一帜。下面以2021年江苏高考化学试题为例，浅议归因解释如何有效考查学生“证据推理与模型认知”核心素养发展水平。

【例1】（2021年江苏高考第15题，节选）以锌灰（含ZnO及少量PbO、CuO、Fe2O3、SiO2）和Fe2（SO4）3为原料制备的ZnFe2O4脱硫剂，可用于脱除煤气中的H2S。脱硫剂的制备、硫化、再生过程可表示为

（4）将硫化后的固体在N2：O2=95：5（体积比）的混合气体中加热再生，固体质量随温度变化的曲线如图2所示。在280～400℃范围内，固体质量增加的主要原因是▲。

【简析】

结合“Zn、Fe元素价一类二维图”模型（图3）进行定量推理的过程如表1所示。

再生完全时，剩余固体的质量/原始固体的质量x100%=205%>102%，这表明ZnS、FeS只有部分被氧化为ZnSO4和Fe2（SO4）3。综上分析，本题合理答案可表述为：ZnS、FeS部分被氧化生成硫酸盐。

【简议】

本题以“硫化”后的固体“再生”时质量“异常”增大为背景，考查学生能否借助“元素价一类二维图”认知模型，预测ZnS和FeS可能的性质与变化，推测“异常”产物可能的组成与性质，并依据证据证明或证伪假设；同时考查学生能否从定性与定量结合上收集证据，并通过定性分析与定量计算推出合理的结论。[1]本题有效考查“证据推理与模型认知”核心素养是否达到水平3。

【例2】（2021年江苏高考第18题，节选）甲烷是重要的资源，通过下列过程可实现由甲烷到氢气的转化。

甲烷—>重整—>CO转化—>催化氧化—>氢气

（2）CH4与CO2重整的主要反应的热化学方程式为

反应Ⅰ：CH4（g）+CO2（g）=2CO（g）+2H2（g）

△H=246.5 kJ·mol-1

反应Ⅱ：H2（g）+CO2（g）=CO（g）+H2O（g）

△H=41.2 kJ·mol-1

反应Ⅲ：2CO（g）=CO2（g）+C（s）

△H=-172.5 kj.mol-1

②1.O1x10 5Pa下，将n起始（CO2）：n起始（CH4）=1：1的混合气体置于密闭容器中，不同温度下重整体系中CH4和CO2的平衡转化率如图4所示。800℃下CO2平衡转化率远大于600℃下CO2平衡转化率，其原因是▲。

【简析】

因为图4表示不同温度下重整体系中CH4和CO2的平衡转化率，故可借助温度对化学平衡移动的影响模型（图5）进行推理。

反应Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ均与CO2有关，焓变是分析不同温度下反应Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ达到平衡时CO2转化率大小的重要依据。根据温度对化学平衡的影响模型知：△H<0的反应在低温下达到平衡时进行程度更大；△H>0的反应在高温下达到平衡时进行程度更大。因此，本题合理答案可表述为：反应Ⅰ、反应Ⅱ的△H>0，高温下正反应进行程度大，CO2反应的量多；反应Ⅲ的△H<0，高温下正反应进行程度小，CO2的生成量少。

【简议】

本题以CH4与CO2重整多重平衡体系为背景，考查学生能否准确识别并选用“勒夏特列原理”之温度对化学平衡影响的规律模型，分析CO2平衡转化率随温度的变化，准确判断平衡体系中的主要矛盾及矛盾随温度升高而转化的情况，从而将化学事实和理论模型之间进行关联和合理匹配。[1]本题有效考查“证据推理与模型认知”核心素养是否达到水平2。

【例3】（2021年江苏高考第18题，節选）甲烷是重要的资源，通过下列过程可实现由甲烷到氢气的转化。

（3）利用铜-铈氧化物（xCuO·yCeO2，Ce是活泼金属）催化氧化可除去H2中少量CO，催化氧化过程中Cu、Ce的化合价均发生变化，可能机理如图6所示。将n（C0）：n（O2）：n（H2）：n（N2）=1：1：49：49的混合气体以一定流速通过装有xCuO·yCeO2催化剂的反应器，CO的转化率随温度变化的曲线如图7所示。

②当催化氧化温度超过150℃时，催化剂的催化活性下降，其可能原因是▲。

【简析】

由证据“催化氧化过程中Cu、Ce的化合价均发生变化”知，金属元素价态变化如图6所示，并建立微观“催化机理”模型：CO、O2分别与Cu+、氧空位等活性位点发生作用才能有效促进CO的催化氧化。可见，催化氧化温度超过150℃时，催化剂活性下降的原因是Cu+等活性位点减少。反观反应体系，混合气体中的CO或H2将Cu+或Cu2+[CU2+可通过步骤（i）生成Cu+]还原为Cu，导致活性位点减少，催化剂活性下降。故本题合理答案可表述为：温度升高，Cu2+（或Cu+）被H2（或CO）还原为Cu。

【简议】

本题以研究CO转化率随温度变化为背景，重点讨论温度超过150℃时，催化剂的催化活性“异常”下降的原因。本题主要考查学生能否对复杂化学问题情境中的关键要素进行分析，收集证据，从微观视角发现活性位点，建立并正确运用“催化机理”模型推出合理的结论，最终综合解释或解决复杂的化学问题。[1]本题考查学生“证据推理与模型认知”核心素养是否达到水平4。

四、结语

化学研究与生产中，归因解释有助于人们理解反应机理、控制反应条件，使化学反应朝着人们期望的方向进行，进而便利生产应用、服务人类发展。归因解释是化学研究与生产中的真问题，符合普通高中化学课程标准（2017年版）对高考“以核心素养为测试宗旨，以真实情境为测试载体，以实际问题为测试任务， 以化学知识为解决问题的工具”的命题原则；[4]践行《教育部关于做好2021年普通高校招生工作的通知》中“高考命题要优化情境设计，增强试题开放性、灵活性，充分发挥高考命题的育人功能和积极导向作用”的命题要求[5]。归因解释是考查学生“证据推理与模型认知”核心素养发展水平的有效设问，研究归因解释有助于理解高考试题如何构建“一核四层四翼”评价体系等核心问题。[6]

参考文献

[1]中华人民共和国教育部，普通高中化学课程标准（2017化学教与学2022年第11期年版2020年修订）[s]．北京：人民教育出版社，2020．

[2]王磊，于少华，对高中化学课程标准若干问题的理论阐释及实践解读[J]．中学化学教学参考，2018（7）：3-6．

[3]吴星．对高中化学核心素养的认识[J]．化学教学，2017（5）：3-7．

[4]赵铭，赵华，“证据推理与模型认知”的内涵与教学研讨[J]．化学教学，2020（2）：29-33．

[5]中华人民共和国教育部．教育部关于做好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]中华人民共和国教育部考试中心．中国高考评价体系[M]．北京：人民教育出版社，2020：9，9-12.

*本文系江苏省教学研究“十三五”重点课题“基于高中化学学业质量标准的教学与评价研究”（2019JK13-ZB04）和江苏省教育科学“十三五”重点自筹课题“基于学业质量标准的高中化学核心素养评价指标体系研究”（B-b/2020/02/63）的研究成果之一。