歸因思維模型在高中化學(xué)反應(yīng)原理教學(xué)中的應(yīng)用

周昌林 楊曉麗

摘要： 闡述歸因思維模型的基本框架。結(jié)合典型教學(xué)案例，以思維進階分析該模型在化學(xué)反應(yīng)原理必修、選擇性必修等模塊的實踐應(yīng)用和教學(xué)價值，提出用好變量控制思想、思維活性表達(dá)、提供思維支架等若干教學(xué)建議。該模型在多樣化信息呈現(xiàn)的真實情境中能有效解決化學(xué)反應(yīng)原理的歸因問題，鍛煉及培養(yǎng)學(xué)生的綜合思維和高階思維能力。

關(guān)鍵詞： 反應(yīng)思維； 歸因思維模型； 化學(xué)反應(yīng)原理教學(xué)； 問題解決

文章編號： 10056629（2022）10008306

中圖分類號： G633.8

文獻標(biāo)識碼： B

化學(xué)反應(yīng)原理教學(xué)是高中化學(xué)教師教學(xué)實踐中的一大難點。對化學(xué)反應(yīng)原理的深度學(xué)習(xí)，以及運用反應(yīng)原理到新情境下的問題解決，需要學(xué)生從能量、速率和限度等多個視角綜合考慮。傳統(tǒng)教學(xué)方式偏向于知識傳授，學(xué)生的高階思維難以充分發(fā)展。當(dāng)前新課程教學(xué)實踐亟需具體的化學(xué)思維模型的支撐，從而在化學(xué)反應(yīng)原理課程中讓宏微辨識、證據(jù)推理與模型認(rèn)知等核心素養(yǎng)的培育落地生根。

實踐表明，歸因思維模型是在化學(xué)反應(yīng)原理模塊教學(xué)中鍛煉學(xué)生思維能力的支架載體，也是在新課程標(biāo)準(zhǔn)指導(dǎo)下培育學(xué)生核心素養(yǎng)的有效路徑。但目前教學(xué)研究中提出具體化學(xué)思維模型作支架的并不多見。吳俊明教授曾指出，現(xiàn)代化學(xué)思維日益復(fù)雜，不妨先從不同維度開展研究，可根據(jù)化學(xué)基本問題分別展開組成思維、結(jié)構(gòu)思維和反應(yīng)思維研究，然后再進行綜合［1］。構(gòu)建化學(xué)反應(yīng)原理的歸因思維模型，是反應(yīng)思維的一種具體實踐研究，它聚焦于化學(xué)反應(yīng)在內(nèi)因和外因驅(qū)動下的現(xiàn)象豐富、動態(tài)過程和多樣化結(jié)果之間的因果邏輯和循證思維。

建模能力是學(xué)習(xí)自然科學(xué)的核心能力，是發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)的關(guān)鍵能力之一［2］。模型認(rèn)知是化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的基本組成。模型認(rèn)知包括實物模型和思想模型兩類。思想模型是實物模型在思維中的引申，是一類具有一定形態(tài)結(jié)構(gòu)特征的具象模型；另一類以抽象思維方法構(gòu)建的抽象模型，本研究屬于此類。然而，舊版教科書中關(guān)于模型建構(gòu)、模型運用的比重相對較低，學(xué)習(xí)過程中學(xué)生難以發(fā)展以模型為主的認(rèn)知習(xí)慣，僅僅是解釋相關(guān)概念，缺乏真正建構(gòu)模型和運用模型的技能［3］。目前，高中教師化學(xué)教學(xué)中對于發(fā)展學(xué)生模型認(rèn)知和建模能力的意識相對薄弱［4］。

因此，歸因思維模型的建構(gòu)和應(yīng)用具有顯著的教學(xué)價值和意義。尤其在當(dāng)前新課程標(biāo)準(zhǔn)指導(dǎo)下，新教材核心素養(yǎng)培育更加顯性化，多種版本新教材等教學(xué)資源也給一線教師有了對比分析和充分利用的契機。因此，新課程、新教材和新高考“教、學(xué)、評”一致的課程環(huán)境，促使化學(xué)教師在化學(xué)反應(yīng)原理教學(xué)中持續(xù)建構(gòu)歸因思維模型，在不同模塊教學(xué)中促進學(xué)生的思維進階，培養(yǎng)學(xué)生的關(guān)鍵能力和學(xué)科核心素養(yǎng)。

1 歸因思維模型的基本框架

該框架的建構(gòu)借鑒了信息加工學(xué)派加涅的學(xué)習(xí)心理理論。問題解決是智慧技能學(xué)習(xí)的最高等級，即運用學(xué)得的原則解決問題。通常這些原則是多個原則的聯(lián)合使用，在使用中形成比較復(fù)雜的高級規(guī)則。高級規(guī)則是由學(xué)習(xí)者在解決問題的情境中產(chǎn)生［5］。

反應(yīng)的歸因思維框架是以近代物理化學(xué)學(xué)科思維為基礎(chǔ)，指向“變化觀念與平衡思想”和“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”等學(xué)科核心素養(yǎng)，通過建立認(rèn)知模型，并運用模型解釋化學(xué)現(xiàn)象，以揭示現(xiàn)象的本質(zhì)和規(guī)律。具體的基本框架如圖1所示。

該框架有四個環(huán)節(jié)。在問題和激發(fā)環(huán)節(jié)上，要求對問題解決有一定的應(yīng)激心態(tài)，為直接調(diào)用已有的熱力學(xué)和動力學(xué)等知識儲備做好思想準(zhǔn)備；在定向和思路環(huán)節(jié)，明晰要解決的問題中的化學(xué)反應(yīng)系統(tǒng)是屬于平衡態(tài)還是一定區(qū)間的非平衡態(tài)，從而準(zhǔn)確調(diào)用能量、速率和限度等因素，為進一步歸因分析奠定基礎(chǔ)；搜索和轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，問題解決者需尋找新情境下信息呈現(xiàn)的關(guān)鍵點，通過類比思維、遞進思維、組合思維等方式，進行判斷、推理和論證；最后階段是完善和表征環(huán)節(jié)，自我評價反思以上歸因思維是否能納入上位因果邏輯、證據(jù)鏈?zhǔn)欠裢暾?、有沒有多角度全面考慮問題等。

2 化學(xué)反應(yīng)原理歸因思維模型在教學(xué)實踐中的應(yīng)用

2.1 必修課程中歸因思維模型運用案例

反應(yīng)歸因思維模型和新教材明晰的反應(yīng)思維視角有一致性。人教版必修教材指出，能量、速率與限度是認(rèn)識和研究化學(xué)反應(yīng)的重要視角［6］。教材中對影響化學(xué)反應(yīng)速率的因素的探究，可運用歸因思維模型展開教學(xué)。將教材中介紹變量控制的“方法導(dǎo)引”欄目與“探究”欄目相結(jié)合，教師“退位”為非指導(dǎo)性教學(xué)的助學(xué)角色。首先由學(xué)生自主閱讀“方法導(dǎo)引”欄目，了解什么是控制變量、為什么要控制變量，充分認(rèn)識變量控制對因果推論的價值意義。這個教學(xué)環(huán)節(jié)的作用很明顯，是培育反應(yīng)思維的良好契機。接著再按照“探究”欄目提供的實驗條件（情境）設(shè)計實驗，通過有目的、有方法和有步驟地進行實驗，探究影響化學(xué)反應(yīng)速率的外界條件，增強學(xué)生的證據(jù)推理能力。

例如，教材預(yù)設(shè)用大理石碎塊與不同濃度鹽酸反應(yīng)觀察氣泡產(chǎn)生快慢的實驗方法，師生對此進行教學(xué)對話，強化歸因思維在實驗中的科學(xué)價值。在問題激發(fā)階段，有學(xué)生提出取用兩份數(shù)量和大小形狀相同的大理石碎塊與不同濃度鹽酸溶液反應(yīng)，以此方法推論濃度對反應(yīng)速率的影響。但有學(xué)生質(zhì)疑，實際操作很難取到完全相同的碎石。隨著討論深入，思路進一步定向。有學(xué)生提出，盡管教材探究實驗用品中沒有提供托盤天平等用品，可否在實驗室用托盤天平稱取相同質(zhì)量的大理石碎塊進行實驗，但不排除質(zhì)量相同的碎石表面積會有顯著差異。也有學(xué)生“另辟蹊徑”，提出利用相同質(zhì)量碳酸鈉粉末或還原鐵粉與不同濃度鹽酸反應(yīng)觀察氣泡產(chǎn)生速率的實驗方案。在此質(zhì)疑和討論的過程中，教學(xué)節(jié)奏緩了下來，但學(xué)生理解、推理和表達(dá)的能力得到了一定程度的鍛煉。在搜索轉(zhuǎn)換階段，教師再引導(dǎo)學(xué)生閱讀教材“實驗活動7”，該實驗原理是利用不同濃度硫代硫酸鈉溶液與相同濃度硫酸溶液反應(yīng)生成難溶于水的硫，使溶液變渾濁，比較渾濁現(xiàn)象出現(xiàn)所需時間的長短，來判斷該反應(yīng)的快慢。學(xué)生對此方案認(rèn)同。如果課堂教學(xué)時間允許，可將該實驗改為隨堂實驗。在完善表征階段，教師追問學(xué)生用大理石或石灰石與鹽酸反應(yīng)制備二氧化碳，相比用碳酸鈉粉末有何優(yōu)點，并展開討論，初步形成改變反應(yīng)條件調(diào)控反應(yīng)速率的認(rèn)知。以上教學(xué)案例有利于學(xué)生建構(gòu)歸因思維雛形，培養(yǎng)因果思維邏輯和證據(jù)推理等關(guān)鍵能力，并在實際情境中得到應(yīng)用，獲得問題解決的成功體驗。

2.2 選擇性必修課程歸因思維模型運用案例

人教版選擇性必修1《化學(xué)反應(yīng)原理》模塊提出更加全面的化學(xué)反應(yīng)思維視角：一是反應(yīng)的快慢和歷程，涉及反應(yīng)速率和反應(yīng)機理；二是反應(yīng)的趨勢和限度，涉及反應(yīng)方向和化學(xué)平衡。這些反應(yīng)規(guī)律是調(diào)控化學(xué)反應(yīng)的理論依據(jù)，并運用于日常生活和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)［7］。

從新舊版本的教材編排內(nèi)容分析，對化學(xué)反應(yīng)原理的思維視角都是從能量變化、速率、平衡和方向等角度展開的。從不同版本的新教材編排內(nèi)容分析，新教材在課程標(biāo)準(zhǔn)指引下，更加顯性地表達(dá)了素養(yǎng)導(dǎo)向的化學(xué)教學(xué)。研究課堂教學(xué)轉(zhuǎn)型就需要研究如何將教材中那些隱性的、有助于進行學(xué)科思維建模的課程資源挖掘出來。

在工業(yè)合成氨教學(xué)中，一方面要摒棄以知識傳授為單一目標(biāo)的傳統(tǒng)教學(xué)方式，如死記硬背反應(yīng)條件、大量的練習(xí)等。學(xué)生僅限于知道結(jié)論，思維層面并沒有達(dá)成一定的深度，尚缺乏科學(xué)探究的情感體驗，如科學(xué)家的艱巨探索過程，更沒有體會到從理論到實踐應(yīng)用的思維內(nèi)在聯(lián)系，如工業(yè)合成氨的裝置為何如此設(shè)計、具體的工業(yè)生產(chǎn)條件的歸因和理論探索有何聯(lián)系和區(qū)別等。

另一方面可借鑒教學(xué)名家的優(yōu)秀課例。如在白建娥老師的課例中，讓學(xué)生進入“總工程師”的角色思維，從反應(yīng)原理、反應(yīng)條件、反應(yīng)裝置三個方面去評價實驗方案的優(yōu)劣。分析與評價是典型的高階思維活動，需要學(xué)生自主調(diào)用原有認(rèn)識，整合碎片化知識，外顯思維過程，在討論、分享等學(xué)習(xí)活動中進行激烈的思想碰撞，催生靈感的迸發(fā)。學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生通過自主化的認(rèn)識方式像科學(xué)家一樣思考合成氨適宜的反應(yīng)條件。當(dāng)學(xué)生參透了表1和圖2的奧妙，明晰條件控制對氨氣產(chǎn)率的因果關(guān)聯(lián)，學(xué)生因頓悟而欣喜，問題的解決自然水到渠成［8］。

在此過程中，對化學(xué)反應(yīng)進行調(diào)控，在理論分析基礎(chǔ)上選擇適宜的生產(chǎn)條件的思維建模得到了進一步明晰。在實際生產(chǎn)中還需要結(jié)合設(shè)備條件、安全操作、經(jīng)濟成本等情況，綜合考慮影響化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡的因素，尋找適宜的生產(chǎn)條件。此外，還要根據(jù)環(huán)境保護及社會效益等方面的規(guī)定和要求做出分析，權(quán)衡利弊，才能實施生產(chǎn)。

總之，歸因思維模型在選擇性必修課程教學(xué)中的運用，有利于學(xué)生建構(gòu)對化學(xué)反應(yīng)的系統(tǒng)認(rèn)知，把化學(xué)反應(yīng)原理的變化觀念提升到系統(tǒng)、動態(tài)、定量和可調(diào)控的水平，培養(yǎng)了證據(jù)推理和邏輯思維等關(guān)鍵能力。

2.3 問題解決歸因思維模型教學(xué)案例

高考評價體系中的學(xué)科核心素養(yǎng)融合了國家課程標(biāo)準(zhǔn)中的核心素養(yǎng)和高校人才選拔要求中的素養(yǎng)內(nèi)涵［9］。有關(guān)化學(xué)反應(yīng)原理歸因類問題的解決，體現(xiàn)了以上素養(yǎng)導(dǎo)向，突出考查學(xué)生思維建模能力。目前江蘇省高考中歸因類簡答題占比達(dá)10%左右，通常以選擇或簡答題型為主。表2呈現(xiàn)了近幾年江蘇高考化學(xué)反應(yīng)原理歸因類簡答題題型的主要內(nèi)容。

2.3.1 在真實情境中考查問題解決歸因思維

以真實情境為載體的高考試題，考查學(xué)生的問題解決能力，真實情境來源于社會生活、工業(yè)生產(chǎn)和科技前沿等。以真實情境為命題載體，拓展學(xué)生視野，理論聯(lián)系實際，突出應(yīng)用性。

例如2018年江蘇高考20題。首先問題激發(fā)階段，結(jié)合文字和圖像分析，NOx的去除率在50～150℃、 150～380℃和高于380℃三個階段，呈現(xiàn)快速上升、緩慢上升和快速下降三個階段；進一步思維定向，在快速上升期是由于溫度升高反應(yīng)速率加快以及催化劑加快反應(yīng)的協(xié)同作用。在緩慢上升期是由于催化劑受高溫影響導(dǎo)致活性下降，但反應(yīng)速率仍因溫度升高而緩慢增大。在快速下降階段，反應(yīng)歸因?qū)⒙?lián)系到氮及其化合物的核心轉(zhuǎn)化關(guān)系，如自然雷電條件下或汽車發(fā)動機高溫條件下N2和O2化合為NO，硝酸工業(yè)涉及的NH3催化氧化為NO等反應(yīng)。在以上反應(yīng)原理搜索轉(zhuǎn)換過程中，結(jié)合題給信息，得出問題解決歸因，最后完善表達(dá)：主要是因為以上副反應(yīng)的發(fā)生，造成NOx的去除率迅速下降。

該問題的解決說明了許多工業(yè)生產(chǎn)涉及的化學(xué)反應(yīng)是有條件的，有的已經(jīng)充分轉(zhuǎn)化到達(dá)平衡狀態(tài)，有的并未達(dá)成平衡。因此需明確，要歸因的是平衡轉(zhuǎn)化率影響因素，還是一段時間內(nèi)未達(dá)平衡的反應(yīng)產(chǎn)率影響因素。通常工業(yè)生產(chǎn)中大多數(shù)反應(yīng)在有限的生產(chǎn)時間內(nèi)尚未達(dá)到平衡，許多工業(yè)生產(chǎn)伴有副反應(yīng)，這都是真實情境帶來的現(xiàn)實挑戰(zhàn)。

2.3.2 在多樣化信息呈現(xiàn)中考查問題解決歸因思維

化學(xué)反應(yīng)原理類的歸因簡答題主要是考查學(xué)生獲取信息及其加工整合的能力。近幾年江蘇高考中該題型的文字量較大且綜合，對學(xué)生文本閱讀理解、信息提取能力要求較高。試題通常以文本、圖形、表格等多種形式呈現(xiàn)，其中圖像有雙坐標(biāo)、多曲線、圖像數(shù)據(jù)結(jié)合等形式，這無疑加大了試題的難度，目的在于考查學(xué)生在信息呈現(xiàn)復(fù)雜的陌生情境中運用知識解決實際問題的能力。

2019第20題的情境反應(yīng)體系中有兩個不同的熱效應(yīng)的反應(yīng)。該歸因分析聚焦于溫度因素。溫度升高，反應(yīng)Ⅰ的ΔH>0，平衡轉(zhuǎn)化率上升，但反應(yīng)Ⅱ的ΔH<0，平衡轉(zhuǎn)化率降低。隨溫度升高，CH3OCH3的選擇性降低，即反應(yīng)Ⅰ（副反應(yīng)，降低生產(chǎn)效益的反應(yīng)）對反應(yīng)Ⅱ（主反應(yīng)，產(chǎn)生生產(chǎn)效益的反應(yīng)）形成更大的影響。

2.3.3 在高階思維層面考查問題解決歸因思維

化學(xué)反應(yīng)原理類歸因簡答題的考查，需要學(xué)生具備一定的系統(tǒng)思維，在情境中分析影響反應(yīng)的多重因素。再結(jié)合已有知識儲備和信息呈現(xiàn)，在多種歸因?qū)е虏煌Y(jié)果取向的情況下，或分析同一反應(yīng)進程的不同階段，或歸因分析多重反應(yīng)體系中的不同反應(yīng)特征，根據(jù)變化趨勢，抓住矛盾的主要方面進行辯證思維。

2021年江蘇高考18題歸因分析的關(guān)鍵點是認(rèn)識多重反應(yīng)體系中三個反應(yīng)的熱效應(yīng)（焓變）。由于反應(yīng)Ⅰ和反應(yīng)Ⅱ的ΔH＞0，高溫下反應(yīng)的平衡常數(shù)大（反應(yīng)正向進行程度大），CO2的消耗量大；反應(yīng)Ⅲ的ΔH＜0，高溫下反應(yīng)的平衡常數(shù)?。ǚ磻?yīng)正向進行程度?。?，CO2的生成量也小。據(jù)此則合理推論：800℃下CO2的平衡轉(zhuǎn)化率遠(yuǎn)大于600℃下CO2的平衡轉(zhuǎn)化率。

以上高考反應(yīng)歸因類問題的解決，啟示了師生將歸因思維模型轉(zhuǎn)化為操作性較強的思維流程，如圖3所示。

3 教學(xué)建議

3.1 回歸課程本質(zhì)，遵循思維進階規(guī)律

思維進階是通過結(jié)合實際教學(xué)案例，幫助學(xué)生區(qū)別事實與判斷、邏輯演繹與歸納、反思評價與拓展延伸，滲透批判性思維者所具備的知識、技巧、態(tài)度和習(xí)性，讓學(xué)生逐步形成公正客觀、兼具寬度和深度并聯(lián)系實際生活進行思維的進階訓(xùn)練［10］。化學(xué)學(xué)科思維進階，是對化學(xué)學(xué)科知識及其思維方式和方法的本源性和結(jié)構(gòu)化的認(rèn)知?；瘜W(xué)學(xué)科思維進階和化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的發(fā)展是一致的。

問題歸因思維模型的建構(gòu)，一定意義上是對于“變量控制”方法運用的思維進階，在教學(xué)實踐中表現(xiàn)為以下幾個階段：必修課程階段，“變量控制”方法是一種理想實驗方法，某一條件的改變是在其他條件不變的基礎(chǔ)之上的，原因和結(jié)果的關(guān)系是唯一的、一一對應(yīng)的；選擇性必修階段，涉及實際工業(yè)生產(chǎn)過程，反應(yīng)效率（單位時間轉(zhuǎn)化率）、平衡轉(zhuǎn)化率等，受到諸多因素的影響。這些因素有的是協(xié)同作用，有的是對立作用，特殊情況下能恰好抵消。對于對立作用，還要分析哪種因素的改變是矛盾的主要方面。將多因素問題歸因轉(zhuǎn)化為單因素問題歸因，最終仍然運用了“變量控制”方法；最后在高考問題解決階段，以上方法的運用是在陌生情境下的更高層次的思維進階。

3.2 提供思維支架，科學(xué)培養(yǎng)歸因思維

教師在教學(xué)中為充分培育學(xué)生歸因思維進階水平，可提供一些技術(shù)支持，以幫助學(xué)生通過恰當(dāng)?shù)恼Z言符號或圖示，靈活地表達(dá)思維過程和思維結(jié)果。教學(xué)實踐表明，作為思維支架的思維導(dǎo)圖（Mind Map）、概念圖（Concept Map）、模型圖（Model Diagram）和流程圖（Flow Diagram）等，在化學(xué)反應(yīng)原理教學(xué)中具有一定的教學(xué)價值。

這些易于接受的思維活性表達(dá)形式，暴露學(xué)生的思維過程，提升學(xué)生的思維品質(zhì)，改善化學(xué)反應(yīng)原理教學(xué)的抽象、枯燥和難以理解的現(xiàn)狀，能幫助學(xué)生深入理解化學(xué)反應(yīng)原理，形成完整的化學(xué)知識結(jié)構(gòu)體系，啟迪、發(fā)展學(xué)生的思維能力和多元智能，提升學(xué)科核心素養(yǎng)。

3.3 遷移運用模型，發(fā)展開放創(chuàng)新思維

歸因思維模型應(yīng)用于問題解決，采用嚴(yán)謹(jǐn)求真的、實證性的邏輯思維應(yīng)對問題。既要重視通過大量實例采用歸納法得到一般性結(jié)論，又要重視采用演繹法進行推理判斷，從而深化對過程本質(zhì)的認(rèn)識［11］。這就啟示我們，在化學(xué)反應(yīng)原理教學(xué)設(shè)計中創(chuàng)設(shè)探究性問題情境，也可以嘗試指導(dǎo)學(xué)生設(shè)計微課題，在研究中遷移運用反應(yīng)歸因思維模型。通過問題情境下的設(shè)計研究，有效發(fā)展學(xué)生收集、加工和傳播信息的能力，使學(xué)生進一步認(rèn)識科學(xué)探究的一般步驟。這對學(xué)生的創(chuàng)造性思維能力的培養(yǎng)十分有益。

以上反應(yīng)歸因思維模型是在教學(xué)實踐中尊重學(xué)生學(xué)情的現(xiàn)實性和差異性的階段性建構(gòu)。它主要是基于近代熱力學(xué)和動力學(xué)，歸因以定性為主，較少結(jié)合定量分析。在更高思維層面，還需貫通分子思維、結(jié)構(gòu)思維等各類化學(xué)學(xué)科思維。在教學(xué)實施中培育思維能力的同時，要調(diào)動學(xué)生情感價值觀等非智力因素。這些問題，值得化學(xué)教師在教學(xué)中進一步研究探索。

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