例谈“科学解释类”试题的解题策略

周存军

（常州市田家炳高级中学 江苏 常州 213004）

随着2017年版《普通高中化学课程标准》的颁布、全国分批次实施新的高考招生考试制度和新版高中化学教材的使用，高考化学试卷越来越重视对科学解释能力的考查。近年来，江苏省高考化学试卷的科学解释类试题一直保持着较高比例，科学解释类试题突出考查科学解释能力，考查在已有知识和给定的试题信息中寻找证据，通过归纳、演绎、类比、迁移等对问题进行科学解释的能力。研究如何提高科学解释能力，是中学化学教学的重要研究内容。

一、何谓科学解释

科学解释是指运用科学规律、定律等，说明科学现象产生的原因或发生过程，说明事物间联系的行为。［1］科学解释是一项重要的科学研究能力，科学解释主要包括主张、证据和推理。主张是基于对现象或者问题的分析，通过归纳、演绎等逻辑推理过程得出的结论。证据是用来支持结论的论据，论据来源可以是观察得到的现象、调查的数据、已有文献或科学规律、定律等。推理是运用归纳、演绎等逻辑推理过程，由证据推导出主张，将证据和主张联系起来，使用证据和科学原理解释主张的过程。

解释指在阅读或观察等活动的基础上，说明事物变化的原因、事物之间的联系、事物变化发展的规律等。解释的类型包括：演绎-规律解释，即用包含着普遍规律的前提演绎被解释事件；归纳-概率解释，前提并不逻辑必然地包含被解释的陈述，而是以一定统计规律的概率支持结论的成立；目的论解释或功能解释，用某种预期的目的或用系统的某种功能来解释某个事件或规律；发生学解释，用系统的过程，客观论证。

二、科学解释类试题出现的背景与意义

科学解释在科学研究中起着重要的作用，它既可以是科学研究的目标，也可以是科学理论的应用，还可以是形成科学知识的一个重要手段。在科学研究和科学教育中，科学解释都发挥了重要的作用。学生要利用科学解释，从而实现发展。

根据《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》中关于化学学科核心素养的水平划分，“变化观念与平衡思想”素养提出能对具体物质的性质和化学变化做出解释或预测；“证据推理与模型认知”素养提出运用理论模型解释或推测物质的组成、结构、性质和变化，能解释证据和结论之间的关系，能对复杂情境中关键的化学问题要素进行分析，建构相应的模型，能选择不同模型综合解释或解决化学问题。［2］

《中国高考评价体系》及其说明指出，学科素养包括学习掌握、实践探索、思维方法等三个指标，包含了理解掌握、知识整合、科学思维等多个子指标，这其中多项包含了科学解释的内容。《中国高考评价体系》及其说明指出，要通过设置真实的问题情境，考查学生灵活运用所学知识解决问题的能力，引导学生多角度回答问题，降低题海战术、死记硬背等低效教学活动的收益。科学解释类试题是考查学生必备知识的基础、关键能力和学科素养的重要载体。

科学解释类试题需要学生有足够的必备知识、关键能力和学科素养，按照不同的思维层次，选择主张或证据、提出主张或证据、进行科学解释。培育科学解释能力是化学教学的一个重要目标，如何提升和评估学生的科学解释能力，是化学教学的一个重要课题。

三、科学解释类试题的考查分类

真实具体的情境是学生核心素养形成发展的重要平台，也是考试评价的重要载体。高考化学的情境素材分为五类：日常生活情境、生产环保情境、学术探索情境、实验探索情境和化学史料情境。［3］科学解释是建立在创设真实具体的情境，提取有效信息的基础上，通过科学理论或科学方法来阐述可能发生的自然现象的原因或发生机理的过程。科学解释类试题包括预测可能发生的现象或变化（Ⅰ）、推测事件发生的原因（Ⅱ）、阐明特定路径的机理或现象本质（Ⅲ）等方面。表1是2019-2021年江苏省高考化学试卷中主观题部分科学解释类试题的分布情况：

表1 科学解释类试题分布情况

由表1可知，近三年江苏省高考试题中主观题部分有关科学解释类试题的分值大约占卷面分值的20%。试题的设问基于真实问题情境，有利于培养学生的科学态度和科学精神；基于新情境的实际问题，考查了学生灵活运用化学知识和方法的思维水平，避免了“题海战术”造成的刷题优势。

四、例谈科学解释类试题的解题思路

根据科学解释常见的类型，如预测可能发生现象或变化、推测事件发生原因、阐明特定路径的机理等，解题中采取系统的观点进行分析，包括认识主体、变化与现象、运用科学理论三个角度。科学解释类试题关注到认识对象的主体性，强调理解和解释发生的变化与现象，并表达对科学理论的认识。

马克思主义哲学包括辩证唯物论、唯物辩证法、辩证唯物主义认识论、唯物史观等。辩证唯物论指出世界的本质是物质的，唯物辩证法的联系观要求我们用联系的观点看问题，从科学解释类试题来看，确立解题策略的第一个角度是物质。无论参与的物质是一种还是多种，都可以认为是研究的主体。唯物辩证法的矛盾观指出矛盾就是对立统一、矛盾具有斗争性等基本属性，从化学变化的本质来看，物质间能发生反应，是事物（物质）间存在矛盾的斗争性，而单一物质如碳酸钙常温下稳定，高温下分解，更是反映了矛盾具有斗争性和同一性的双重属性。从科学解释类试题来看，确立解题策略的第二个角度是物质发生的变化（相互作用）。唯物辩证法的发展观指出，事物是变化发展的，要求用发展的观点看问题，反对用静止的观点看问题。事物可能随着时间改变，也可能随着环境的改变而改变。从科学解释类试题来看，确立解题策略的第三个角度是环境影响（条件的改变）。综上所述，科学解释类试题的解答可以从物质（主体）-变化（相互作用）-环境影响（条件）三个角度分析。

根据海德提出的归因理论，将归因分为内部归因和外部归因。［4］物质（主体）、变化（相互作用）可以属于内部归因，而环境影响（条件的改变）属于外部归因。

1.物质（主体）角度

根据马克思主义哲学，主体和客体是反映被反映、改造被改造相互作用的关系。主体和客体的相互作用是通过主体对象化和客体主体化的双向运动而实现的。在化学试题中，存在单一物质或多种物质间的变化，这个与哲学上主体和客体的关系基本一致，可以认为是主体客体化或客体主体化的。这其中涉及到主体的性质与客体环境的一致性。从主体（物质）角度思考问题，需要关注的要素有：反应物与生成物的物理性质（状态、挥发性、吸附性、溶解度等）、化学性质、结构等。例如，2021年江苏高考化学试题第15题（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，在280～400℃范围内，固体质量增加的主要原因是_________。［5］根据题目信息，硫化后的固体为ZnS和FeS，在一定温度和氧气存在的条件下，硫化物发生怎样的变化？本题涉及主体物质硫化物的强还原性，混合气体中的氧气也是本题的本体物质，本题隐含了对可能的物质亚硫酸盐强还原性的考查。在280～400℃范围内，ZnS和FeS吸收氧气，ZnS和FeS部分被氧化为硫酸盐，固体质量增加。本题属于因果解释，由果释因，探讨反映了主体物质的何种性质。同样从主体（物质）角度思考问题的还有试题（年份-试题号，小题号）：2019-18（1）（2）、2019-20（1）（2）、2019-21A（3）、2020-18（2）、2020-20（3）、2021-15（4）等。

2.变化（相互作用）角度

根据马克思主义哲学，主体在认识和改造客体的过程中，在受到客体制约的同时，又能使主体自身得到发展，超越现实客体，从而使主客体同时得到改造、发展和完善。化学研究的对象是物质，研究物质间变化生成的新物质和引起的能量变化，物质变化和能量变化是化学研究的目标。物质间的反应需要关注的要素包括：反应类型（复分解反应、氧化还原反应、离子反应、可逆反应、电化学反应、水解反应等）、化学反应速率（浓度、温度、压强、催化剂、接触面积等）、化学平衡（可逆反应的平衡移动等）。例如，2020年江苏高考化学试题第18题（1）用于环境杀菌消毒的NaClO溶液须稀释并及时使用，若在空气中暴露时间过长且见光，将会导致消毒作用减弱，其原因是_______。［6］题目突出或强调了在空气中暴露，意味着与空气中的氮气、氧气、二氧化碳、水蒸气等可能存在作用。次氯酸钠溶液长期暴露在空气中，会与空气中的二氧化碳反应，产生HClO，因HClO具有不稳定性，在受热或光照条件下会分解产生HCl和O2，导致次氯酸钠失效。故答案为：NaClO溶液吸收空气中的CO2后产生HClO，HClO见光分解，导致消毒作用减弱。同样从物质间的变化角度思考问题的试题还有（年份-试题号，小题号）：2019-19（2）、2020-16（2）（3）、2020-18（1）、2021-15（3）、2021-16（4）等。

物质间可能存在多种变化，可视现象或变化推导出主要变化和次要变化。如关于0.1mol·L-1的Na2S溶液与0.1mol·L-1的FeCl3溶液的反应猜想，可能发生三种反应情况：复分解反应、双水解反应、氧化还原反应。可依据探究实验现象和理论分析，在不同的滴加顺序（环境不同）、不同用量、不同浓度条件下，发生的反应是什么，或者发生的主要反应和次要反应分别是什么。以上案例是基于理论分析可能的反应原理，通过实验探究可能的反应原理，是由现象反向推导出可能的反应原理。

如果研究对象不是学习过的物质，或者是不熟悉的物质，那么可以借助迁移类比解释，相当于现学现用。2021年江苏高考化学试题第16题（4）E→F中有一种分子式为C15H14O4的副产物生成，该副产物的结构简式为_____。［5］根据题目信息，主产物中涉及苯环与甲基之间的醚键变为酚羟基，相当于-OCH3变为-OH，主产物的分子式为C14H12O4，副产物比主产物少了一个CH2，根据迁移原则，-OCH3变为-OH，正好少了一个CH2，因此物质E转变为物质F，应是物质E中的2个苯环与甲基之间的醚键都变为酚羟基。

3.环境影响（条件的改变）角度

根据马克思主义哲学，要求用发展的观点看问题，反对用静止的观点看问题，主体与环境之间相互区别，又相互联系、相互作用。环境条件的改变关注的要素包括：酸碱度对存在形式、氧化性和还原性、水解、电离、沉淀、反应类型的影响，浓度对氧化性和还原性、放电次序、速率的影响，温度对氧化性还原性、稳定性、速率的影响，酸碱度、温度等对催化剂的影响等。如HClO的性质包括不稳定性、弱酸性、强氧化性等性质，其中不稳定性与光照、温度、酸碱性环境等有关，强氧化性也与环境有关，如酸性环境下、碱性环境下氧化性的差异。例如，2020年江苏高考化学试题第20题（2）CO2催化加氢。在密闭容器中，向含有催化剂的KHCO3溶液（CO2与KOH溶液反应制得）中通入H2生成HCOO-，其他条件不变，反应温度在40℃～80℃范围内，HC转化为HCOO-催化加氢的转化率迅速上升，其主要原因是__________。［6］本题考查了温度对反应速率的影响以及温度对催化剂的影响。本题反应的离子方程式为由于该反应ΔS＜0，而反应可以自发，因此ΔH＜0。也可从80℃以上升温，HC催化加氢的转化率曲线变化可知该反应放热。反应温度在40～80℃范围内时，随着体系的温度升高，单位体积内活化分子数目增多，化学反应速率加快，同时随着温度的升高，催化剂的催化活性也得到增强，因此HC的催化加氢速率迅速上升。该题存在的问题是容易混淆考查的是热力学问题还是动力学问题，最好是增加“单位时间内”或“一定时间内”。同样从环境（条件）的改变角度思考问题的试题还有（年份-试题号，小题号）：2019-16（3）、2019-19（3）、2019-20（3）、2020-16（1）（3）、2020-19（1）（3）、2020-20（1）、2021-18（2）（3）等。

五、科学解释类试题的答题步骤及注意事项

科学解释包括多元性科学解释、迁移类比解释、因果解释、科学解释的语用学。［1］答题步骤可分为：阅读和理解题目，获取有效信息，初步确定答题的方向性→根据证据或结论，建立核心概念与现象间的逻辑关系，确信推理的逻辑性→准确进行文本等形式的表达，确保答案的完整性。科学解释类试题的答题注意事项包括：

1.重视阅读的目的性

信息获取能力是科学研究必备的一项基本技能，阅读文本图表等是获取有效信息的首要步骤。答题时，应该阅读并理解题干，获取有效信息，初步确定解题的方向。但有时试题的解题方向并未直接呈现，需要对题干进一步剖析与理解，转化为有效的信息，为科学解释提供明确的证据。

2.强调概念的理解与运用

概念是思维基本的表达形式，也是构成知识体系的最核心成分。通过科学概念的学习，促进对科学知识的理解，完善知识体系的形成，发展学生的科学思维。在进行科学解释的时候，需要建立化学现象与核心概念、规律之间的联系。要了解科学解释的基本结构，回答完整，能从恰当的角度切入试题，明白试题考查的理论和知识点。

3.熟悉答题的框架

完整的科学解释需要包含论据、推理、论点三个基本结构。论据是指由科学文献信息、数据组成的、用来支持论点的依据。推理是利用归纳、演绎、迁移等科学方法连接论据与论点的桥梁。论点是根据论据，经过推理所得出的初步结论。

4.掌握多样化表达

科学解释类试题需要用学科语言表达和交流，用文字、图表等形式表述过程或结果。多样化的文本表达包括文字类表达、图表类表达等。培养书面表达与交流能力，有效的方式是通过练习多样化的文本表达，对比不同的文本表达，找出其中的优缺点，丰富表达方式，提升表达的逻辑性和严谨性。