辩证唯物主义视域下化学归因分析思维逻辑的构建

来源:用户上传      作者:杨国武

　　摘要：选取部分重要考试试题，将马克思主义哲学的唯物辩证法，辩证唯物主义的认识论和方法论的基本原理和化学情境问题的分析相结合，构建处理化学归因分析类问题的基本思维逻辑。
　　关键词：辩证唯物主义；归因分析；因果关系；思维逻辑
　　文章编号：1008-0546（2023）03-0067-05 中图分类号：G632.41 文献标识码：B
　　doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2023.03.015
　　一、问题的提出
　　“归因”一词，从字面的意义来理解，即为“归纳、表述（某结果的）原因”；现有文献更多从社会心理学的层面来解释，归因是指人们对他人或自己行为原因的推论过程。化学学科的归因分析即“为某个化学过程的结果寻找原因”。
　　《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》中化学学科核心素养3“证据推理与模型认知”中“建立观点、结论和证据之间的逻辑关系”的描述揭示了归因分析的本质。此外，新课标在核心素养具体水平划分中多处出现了涉及归因分析的内容。如“宏观辨识与微观探析”水平2中“能从物质的微观结构说明同类物质的共性和不同类物质性质差异及其原因”；“变化观念与平衡思想”水平3中“能运用化学反应原理分析影响化学变化的因素”；“证据推理与模型认知”水平4中“能依据各类物质及其反应的不同特征寻找充分的证据，能解释证据与结论之间的关系”等。[1]鉴于此，归因分析题成为命题者的热门之选。
　　与归因分析题的热度形成鲜明对比的是，学生对此类问题的作答却差强人意。具体表现有：信息提取偏差、知识调用混乱、思维逻辑模糊、语言表述不清等等。因此，探求此类问题的基本解题方案是目前化学教学中亟待解决的问题。思维逻辑是分析问题的脉络框架，纲举而目张，有必要引导学生在归因分析中构建清晰的逻辑，结合具体的情境和知识，从顶层思维出发，“顺流而下”，寻求事物间的因果联系。唯物辩证法又称为“马克思主义辩证法”，是研究自然科学和社会科学的重要的哲学方法，是人类认识世界和改造世界的有力武器。在归因分析中渗透唯物辩证法的思想，培养科学有序的思维逻辑，不仅分析化学问题有了科学的方法论，而且能够帮助学生树立辩证唯物主义和历史唯物主义的科学观念。
　　笔者在知网上以“唯物辩证法”与“归因分析”为关键词进行检索，没有找到有关文献。笔者发现大多数研究者关注的是“归因分析法”与关键能力与核心素养的关系。如江伟[2]以 Fe3+的水解情境为例，剖析了基于归因分析法不同层次的设问技巧以及问题解决方法；王程、白旭宁[3]论述了中学化学学科核心素养的五个方面与唯物辩证法的紧密联系。本文将唯物辩证法与情境问题解决的思维模型建立联系，以期榛学课堂教学提供一些有益的视角。
　　二、归因分析常见思维逻辑与唯物辩证法的关系
　　“以真实情境为载体，以实际问题为任务”是新课标提出的命题原则。从具体问题来看，情境是外表，实际问题所隐含的思维逻辑才是内核。而唯物辩证法所包括的对立统一、量变与质变等规律，能够为许多不同情境下的不同问题提供思维逻辑的顶层设计。具体如下：
　　1.控制一果一因
　　唯物辩证法的基本观点之一是：世界是普遍联系的，世界上的一切事物都处于相互影响、相互作用、相互制约之中。同样，反应体系的物质之间也是普遍联系的，这是化学过程复杂性的本源。在科学研究中，为了探求某一因素对反应结果的影响，普遍的做法便是做控制变量的对比实验。即控制其他影响因素均相同的前提下，某因素的独立存在对结果独特的影响。
　　例：（2016江苏高考20题节选）纳米铁粉可用于处理地下水中的污染物。相同条件下，纳米铁粉去除不同水样中 NO 3（-）的速率有较大差异（见图1），产生该差异的可能原因是。
　　答案：Cu或Cu2+催化纳米铁粉去除NO 的反应（或形3（-）成的Fe-Cu原电池增大纳米铁粉去除NO 的反应速率）3（-）
　　解决这类问题的关键就是明晰变量与结果的关系模型，一个实验结果存在多个影响因素，从数学模型的视角可以呈现出如图2的关系：
　　思考的方向为该条件（或物质）在反应体系中的特殊作用，如作催化剂，或者作为反应物产生额外的新物质对反应体系产生新的影响。
　　2.一果多因
　　（1）影响结果的因素间互为矛盾关系
　　唯物辩证法告诉我们：矛盾（即对立统一）是事物普遍联系的根本内容。矛盾存在于一切事物的发展过程中。矛盾又分为主要矛盾和次要矛盾，其中，在事物发展过程中处于支配地位，对事物发展起决定作用的矛盾就是主要矛盾。其他属于从属地位，对事物发展不起决定作用的矛盾则是次要矛盾，主次矛盾相互依赖，相互影响，并在一定条件下相互转化。因此，在分析一个化学问题时，条件的改变，可能会影响到决定结果的多方面因素，当因素间互为矛盾关系时，既要看到主要因素，又要看到次要因素，着重把握决定结果的主要因素。
　　例．（19年江苏高考20题节选）CO2催化加氢合成二甲醚是一种 CO2转化方法，其过程中主要发生下列
　　反应：
　　反应Ⅰ：CO2（g）+H2（g）===CO（g）+H2O（g）
　　ΔH=41.2 kJ・mol-1
　　反应Ⅱ：2CO2（g）+6H2（g）===CH3OCH3（g）+3H2O（g）
　　ΔH=-122.5 kJ・mol-1
　　在恒压、CO2和H2的起始量一定的条件下，CO2平衡转化率和平衡时 CH3OCH3的选择性随温度的变化如图3。
　　温度高于300℃，CO2平衡转化率随温度升高而上升的原因是。
　　答案：反应Ⅰ的ΔH >0，反应Ⅱ的ΔH <0，温度升高使CO2转化为CO 的平衡转化率上升，使CO2转化为 CH3OCH3的平衡转化率下降，且上升幅度超过下降幅度。此类问题的思维逻辑为“矛盾的主次分析”，具体流程如图4所示。

　　常见的问题如酸式盐酸碱性判断、多元弱酸体系弱离子浓度随pH变化关系等，均属于这一类问题。
　　（2）影响结果的因素间互为同一关系
　　影响事物发展方向的多种因素间呈同一关系，彼此对结果的影响是一致的，共同促进了事物向某一方面发展。
　　例：（20年江苏高考20题节选）CO2/HCOOH循环在氢能的贮存/释放、燃料电池等方面具有重要应用。
　　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，HCO3（-）转化为HCOO-的转化率随温度的变化如图5所示。反应温度在40℃～80℃范围内，HCO 催化加氢的转化率迅速上升3（-），其主要原因是。
　　答案：温度升高反应速率增大，温度升高催化剂的活性增强。该类型题目的思考流程如图6：
　　（3）影响结果的因素间互为直接和间接的关系
　　例：一定温度时，在1L 的容器中，1 mol PCl5分解： PCl5（g） PCl5（g）+Cl2（g）
　　反应平衡后，再加入1mol PCl5（g），平衡如何移动？
　　a.增大了反应物的浓度，平衡正向移动
　　b.增大了体系压强，平衡逆向移动
　　压强改变对平衡移动影响的本质是通过影响组分浓度而得以实现的。因此，浓度的变化是直接影响因素，压强是因为浓度的改变而改变的，是间接影响因素。应当优先分析直接因素对体系的影响，因此，a 是正确的。
　　思维逻辑：主要矛盾的主要方面（直接因素）决定事物的性质和发展方向，次要方面（间接因素）属于被支配地位，分析此类问题时，优先考虑直接影响因素。如果直接因素不能影响结果，则考虑由直接影响因素进一步造成的新的影响因素（即间接影响因素）。思维逻辑见图7：
　　3.量变引起质变“过犹不及”模型
　　质量互变规律是唯物辩证法的基本规律之一。量变是质变的必要准备，质变是量变的必然结果。并不是量变就一定能引起质变，而是量变发展到一定程度时，事物内部的主要矛盾运动形式发生了改变，进而引发质变。从中可以看出，“度”是量变和质变的区分标志，是事物保持其质的量的界限。“适度原则”是实践活动的正确准则。
　　例：（21年江苏新高考适应性考试14题节选）皮革厂的废水中含有一定量的氨氮（以NH3、NH 形式存4（+）在），通过沉淀和氧化两步处理后可使水中氨氮达到国家规定的排放标准。
　　氧化：调节经沉淀处理后的废水pH 约为6，加入 NaClO 将废水中的氨氮转化为N2，n（ClO-）/n（氨氮）对废水中氨氮去除率和总氮去除率的影响如图8所示。当n（ClO-）/n（氨氮）>1.54后，总氮去除率下降的原因是。
　　答案：次氯酸钠投加量过大，导致污水中部分氨氮氧化为其它价态，例如硝酸根离子，则总氮去除率下降。该类问题的思维逻辑见图9。
　　该思维模型还可以处理如下类似问题：
　　（1）气体通入溶液反应：流速过缓，反应速率慢；流速过快，气液接触时间短，转化率低。
　　（2）气体与催化剂接触反应：流速过缓，反应量低；流速过快，气体与催化剂接触时间短，转化率低。
　　（3）适当的空气能使燃料充分燃烧，过量的空气带走热量，热效率降低。
　　（4）催化剂（含酶、微生物等）在合m的温度催化活性最高。
　　（5）适当的沉淀剂使某离子充分沉淀，过量则可能重新溶解：
　　4.竞争型
　　唯物辩证法认为，事物内部的矛盾性是竞争的根本原因，竞争的本质是新事物的产生和旧事物的灭亡。人与自然、不同的物种、不同的社会制度等都存在竞争，新旧事物的更替是普遍的。从物质变化的角度来看，在同一反应体系中，物质之间会发生多种反应，这些反应间存在竞争关系，不同的条件会使反应间的主次关系发生变化。
　　例：（2020年江苏高考19题节选）实验室由炼钢污泥（简称铁泥，主要成分为铁的氧化物）制备软磁性材料α-Fe2O3，其主要实验流程如下：
　　向“还原”后的滤液中加入NH4F 溶液，使Ca2+转化为 CaF2沉淀除去。若溶液的pH 偏低、将会导致 CaF2 沉淀不完全，其原因是。[Ksp （CaF2）=5.3×10-9， Ka （HF ）=6.3×10-4]
　　答案：pH偏低形成 HF，导致溶液中 F-浓度减小， CaF2沉淀不完全
　　上述例子考查了沉淀溶解平衡与弱电解质电离平衡之间的竞争关系，反应间的竞争是普遍的，单就沉淀溶解平衡而言，沉淀溶解平衡与配位平衡（银氨溶液、铜氨溶液的形成）、氧化还原（硫化亚铁溶于硝酸），不同沉淀溶解平衡（沉淀的转化）均可能存在竞争关系。此外，在催化反应中，不同微粒对催化剂表面反应活性位点的吸附争夺也是一种竞争。竞争是打破，合作是平衡。
　　5.内因和外因
　　唯物辩证法认为，内因决定事物的本质，是事物发展的决定性因素。在事物发展变化过程中，内因是事物变化的根据，外因是事物变化的条件，外因通过内因起作用。从化学变化的角度看，物质的性质是化学变化的主要决定因素。
　　例：（2015年江苏高考20题节选）烟气（主要污染物SO2、NOx ）经 O3预处理后用 CaSO3水悬浮液吸收，可减少烟气中 SO2、NOx 的含量。O3氧化烟气中 SO2、NOx 的主要反应的热化学方程式为：
　　NO（g）+O3（g）=NO2（g）+O2（g）
　　ΔH=-200.9 kJ・mol-1
　　NO（g）＋1/2O2（g）=NO2（g）
　　ΔH=-58.2 kJ・mol-1
　　SO2（g）+O3（g）=SO3（g）+O2（g）
　　ΔH=-241.6 kJ・mol-1
　　室温下，固定进入反应器的NO、SO2的物质的量，改变加入 O3的物质的量，反应一段时间后体系中 n （NO）、n（NO2）和 n（SO2）随反应前 n（O3）：n（NO）的变化见图10。
　　增加n（O3），O3氧化SO2的反应几乎不受影响，其可能原因是。
　　答案：SO2与O3的反应速率慢
　　三、总结与反思
　　正如法国生物学家莫诺所说，“在具有无限差别的一个个现象中，科学的任务去寻找其中不变的东西”。这“不变的东西”就是规律，而探求规律，需要有科学方法的指导。唯物辩证法的基本哲学思想并不能直接成为归因分析的答案，而是在我们在面对具体问题情境时，给予正确的思维方向和思考方式，明晰问题的深层逻辑。具体的分析和表达仍需结合化学学科的知识体系和表征方式。将唯物辩证法的基本原理与化学情境问题相结合，在培养学生化学核心素养的同时，有助于学生思维能力的培养和思维品质的提升，同时也有助于学生形成正确的世界观、人生观和价值观，实现化学学科的教育价值和育人功能。
　　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年版2020年修订）[J].北京：人民教育出版社，2020.
　　[2]江伟.基于关键能力的“归因分析法”命题设计[J].中学化学教学参考，2020（2）：49-51.
　　[3]王程，白旭宁.化学学科核心素养和唯物辩证法的紧密联系[J].中学化学教学参考，2019（1）：4-6.


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