归因思维模型在高中化学反应原理教学中的应用

归因思维模型在高中化学反应原理教学中的应用

作者：周昌林 杨晓丽

来源：《化学教学》2022年第10期

摘要： 阐述归因思维模型的基本框架。结合典型教学案例，以思维进阶分析该模型在化学反应原理必修、选择性必修等模块的实践应用和教学价值，提出用好变量控制思想、思维活性表达、提供思维支架等若干教学建议。该模型在多样化信息呈现的真实情境中能有效解决化学反应原理的归因问题，锻炼及培养学生的综合思维和高阶思维能力。

关键词： 反应思维； 归因思维模型； 化学反应原理教学； 问题解决

文章编号： 10056629（2022）10008306

中图分类号： G633.8

文獻标识码： B

化学反应原理教学是高中化学教师教学实践中的一大难点。对化学反应原理的深度学习，以及运用反应原理到新情境下的问题解决，需要学生从能量、速率和限度等多个视角综合考虑。传统教学方式偏向于知识传授，学生的高阶思维难以充分发展。当前新课程教学实践亟需具体的化学思维模型的支撑，从而在化学反应原理课程中让宏微辨识、证据推理与模型认知等核心素养的培育落地生根。

实践表明，归因思维模型是在化学反应原理模块教学中锻炼学生思维能力的支架载体，也是在新课程标准指导下培育学生核心素养的有效路径。但目前教学研究中提出具体化学思维模型作支架的并不多见。吴俊明教授曾指出，现代化学思维日益复杂，不妨先从不同维度开展研究，可根据化学基本问题分别展开组成思维、结构思维和反应思维研究，然后再进行综合

［1］。构建化学反应原理的归因思维模型，是反应思维的一种具体实践研究，它聚焦于化学反应在内因和外因驱动下的现象丰富、动态过程和多样化结果之间的因果逻辑和循证思维。

建模能力是学习自然科学的核心能力，是发展学生核心素养的关键能力之一［2］。模型认知是化学学科核心素养的基本组成。模型认知包括实物模型和思想模型两类。思想模型是实物模型在思维中的引申，是一类具有一定形态结构特征的具象模型；另一类以抽象思维方法构建的抽象模型，本研究属于此类。然而，旧版教科书中关于模型建构、模型运用的比重相对较低，学习过程中学生难以发展以模型为主的认知习惯，仅仅是解释相关概念，缺乏真正建构模型和运用模型的技能［3］。目前，高中教师化学教学中对于发展学生模型认知和建模能力的意识相对薄弱［4］。

因此，归因思维模型的建构和应用具有显著的教学价值和意义。尤其在当前新课程标准指导下，新教材核心素养培育更加显性化，多种版本新教材等教学资源也给一线教师有了对比分析和充分利用的契机。因此，新课程、新教材和新高考“教、学、评”一致的课程环境，促使化学教师在化学反应原理教学中持续建构归因思维模型，在不同模块教学中促进学生的思维进阶，培养学生的关键能力和学科核心素养。

1 归因思维模型的基本框架

该框架的建构借鉴了信息加工学派加涅的学习心理理论。问题解决是智慧技能学习的最高等级，即运用学得的原则解决问题。通常这些原则是多个原则的联合使用，在使用中形成比较复杂的高级规则。高级规则是由学习者在解决问题的情境中产生［5］。

反应的归因思维框架是以近代物理化学学科思维为基础，指向“变化观念与平衡思想”和“证据推理与模型认知”等学科核心素养，通过建立认知模型，并运用模型解释化学现象，以揭示现象的本质和规律。具体的基本框架如图1所示。

该框架有四个环节。在问题和激发环节上，要求对问题解决有一定的应激心态，为直接调用已有的热力学和动力学等知识储备做好思想准备；在定向和思路环节，明晰要解决的问题中的化学反应系统是属于平衡态还是一定区间的非平衡态，从而准确调用能量、速率和限度等因素，为进一步归因分析奠定基础；搜索和转换环节，问题解决者需寻找新情境下信息呈现的关键点，通过类比思维、递进思维、组合思维等方式，进行判断、推理和论证；最后阶段是完善和表征环节，自我评价反思以上归因思维是否能纳入上位因果逻辑、证据链是否完整、有没有多角度全面考虑问题等。

2 化学反应原理归因思维模型在教学实践中的应用

2.1 必修课程中归因思维模型运用案例

反应归因思维模型和新教材明晰的反应思维视角有一致性。人教版必修教材指出，能量、速率与限度是认识和研究化学反应的重要视角［6］。教材中对影响化学反应速率的因素的探究，可运用归因思维模型展开教学。将教材中介绍变量控制的“方法导引”栏目与“探究”栏目相结合，教师“退位”为非指导性教学的助学角色。首先由学生自主阅读“方法导引”栏目，了解什么是控制变量、为什么要控制变量，充分认识变量控制对因果推论的价值意义。这个教学环节的作用很明显，是培育反应思维的良好契机。接着再按照“探究”栏目提供的实验条件（情境）设计实验，通过有目的、有方法和有步骤地进行实验，探究影响化学反应速率的外界条件，增强学生的证据推理能力。

例如，教材预设用大理石碎块与不同浓度盐酸反应观察气泡产生快慢的实验方法，师生对此进行教学对话，强化归因思维在实验中的科学价值。在问题激发阶段，有学生提出取用两份数量和大小形状相同的大理石碎块与不同浓度盐酸溶液反应，以此方法推论浓度对反应速率的影响。但有学生质疑，实际操作很难取到完全相同的碎石。随着讨论深入，思路进一步定向。有学生提出，尽管教材探究实验用品中没有提供托盘天平等用品，可否在实验室用托盘天平称取相同质量的大理石碎块进行实验，但不排除质量相同的碎石表面积会有显著差异。也有学生“另辟蹊径”，提出利用相同质量碳酸钠粉末或还原铁粉与不同浓度盐酸反应观察气泡产生速率的实验方案。在此质疑和讨论的过程中，教学节奏缓了下来，但学生理解、推理和表达的能力得到了一定程度的锻炼。在搜索转换阶段，教师再引导学生阅读教材“实验活动7”，该实验原理是利用不同浓度硫代硫酸钠溶液与相同浓度硫酸溶液反应生成难溶于水的硫，使溶液变浑浊，比较浑浊现象出现所需时间的长短，来判断该反应的快慢。学生对此方案认同。如果课堂教学时间允许，可将该实验改为随堂实验。在完善表征阶段，教师追问学生用大理石或石灰石与盐酸反应制备二氧化碳，相比用碳酸钠粉末有何优点，并展开讨论，初步形成改变反应条件调控反应速率的认知。以上教学案例有利于学生建构归因思维雏形，培养因果思维逻辑和证据推理等关键能力，并在实际情境中得到应用，获得问题解决的成功体验。

2.2 选择性必修课程归因思维模型运用案例

人教版选择性必修1《化学反应原理》模块提出更加全面的化学反应思维视角：一是反应的快慢和历程，涉及反应速率和反应机理；二是反应的趋势和限度，涉及反应方向和化学平衡。这些反应规律是调控化学反应的理论依据，并运用于日常生活和工农业生产［7］。

从新旧版本的教材编排内容分析，对化学反应原理的思维视角都是从能量变化、速率、平衡和方向等角度展开的。从不同版本的新教材编排内容分析，新教材在课程标准指引下，更加显性地表达了素养导向的化学教学。研究课堂教学转型就需要研究如何将教材中那些隐性的、有助于进行学科思维建模的课程资源挖掘出来。

在工业合成氨教学中，一方面要摒弃以知识传授为单一目标的传统教学方式，如死记硬背反应条件、大量的练习等。学生仅限于知道结论，思维层面并没有达成一定的深度，尚缺乏科学探究的情感体验，如科学家的艰巨探索过程，更没有体会到从理论到实践应用的思维内在联

系，如工业合成氨的装置为何如此设计、具体的工业生产条件的归因和理论探索有何联系和区别等。

另一方面可借鉴教学名家的优秀课例。如在白建娥老师的课例中，让学生进入“总工程师”的角色思维，从反应原理、反应条件、反应装置三个方面去评价实验方案的优劣。分析与评价是典型的高阶思维活动，需要学生自主调用原有认识，整合碎片化知识，外显思维过程，在討论、分享等学习活动中进行激烈的思想碰撞，催生灵感的迸发。学习过程中，学生通过自主化的认识方式像科学家一样思考合成氨适宜的反应条件。当学生参透了表1和图2的奥妙，明晰条件控制对氨气产率的因果关联，学生因顿悟而欣喜，问题的解决自然水到渠成［8］。

在此过程中，对化学反应进行调控，在理论分析基础上选择适宜的生产条件的思维建模得到了进一步明晰。在实际生产中还需要结合设备条件、安全操作、经济成本等情况，综合考虑影响化学反应速率和化学平衡的因素，寻找适宜的生产条件。此外，还要根据环境保护及社会效益等方面的规定和要求做出分析，权衡利弊，才能实施生产。

总之，归因思维模型在选择性必修课程教学中的运用，有利于学生建构对化学反应的系统认知，把化学反应原理的变化观念提升到系统、动态、定量和可调控的水平，培养了证据推理和逻辑思维等关键能力。

2.3 问题解决归因思维模型教学案例

高考评价体系中的学科核心素养融合了国家课程标准中的核心素养和高校人才选拔要求中的素养内涵［9］。有关化学反应原理归因类问题的解决，体现了以上素养导向，突出考查学生思维建模能力。目前江苏省高考中归因类简答题占比达10%左右，通常以选择或简答题型为主。表2呈现了近几年江苏高考化学反应原理归因类简答题题型的主要内容。

2.3.1 在真实情境中考查问题解决归因思维

以真实情境为载体的高考试题，考查学生的问题解决能力，真实情境来源于社会生活、工业生产和科技前沿等。以真实情境为命题载体，拓展学生视野，理论联系实际，突出应用性。

例如2018年江苏高考20题。首先问题激发阶段，结合文字和图像分析，NOx的去除率在50～150℃、 150～380℃和高于380℃三个阶段，呈现快速上升、缓慢上升和快速下降三个阶段；进一步思维定向，在快速上升期是由于温度升高反应速率加快以及催化剂加快反应的协同作用。在缓慢上升期是由于催化剂受高温影响导致活性下降，但反应速率仍因温度升高而缓慢增大。在快速下降阶段，反应归因将联系到氮及其化合物的核心转化关系，如自然雷电条件下或汽车发动机高温条件下N2和O2化合为NO，硝酸工业涉及的NH3催化氧化为NO等反应。在以上反应原理搜索转换过程中，结合题给信息，得出问题解决归因，最后完善表达：主要是因为以上副反应的发生，造成NOx的去除率迅速下降。

该问题的解决说明了许多工业生产涉及的化学反应是有条件的，有的已经充分转化到达平衡状态，有的并未达成平衡。因此需明确，要归因的是平衡转化率影响因素，还是一段时间内未达平衡的反应产率影响因素。通常工业生产中大多数反应在有限的生产时间内尚未达到平衡，许多工业生产伴有副反应，这都是真实情境带来的现实挑战。

2.3.2 在多样化信息呈现中考查问题解决归因思维

化学反应原理类的归因简答题主要是考查学生获取信息及其加工整合的能力。近几年江苏高考中该题型的文字量较大且综合，对学生文本阅读理解、信息提取能力要求较高。试题通常以文本、图形、表格等多种形式呈现，其中图像有双坐标、多曲线、图像数据结合等形式，这无疑加大了试题的难度，目的在于考查学生在信息呈现复杂的陌生情境中运用知识解决实际问题的能力。

2019第20题的情境反应体系中有两个不同的热效应的反应。该归因分析聚焦于温度因素。温度升高，反应Ⅰ的ΔH>0，平衡转化率上升，但反应Ⅱ的ΔH<0，平衡转化率降低。随温度升高，CH3OCH3的选择性降低，即反应Ⅰ（副反应，降低生产效益的反应）对反应Ⅱ（主反应，产生生产效益的反应）形成更大的影响。

2.3.3 在高阶思维层面考查问题解决归因思维

化学反应原理类归因简答题的考查，需要学生具备一定的系统思维，在情境中分析影响反应的多重因素。再结合已有知识储备和信息呈现，在多种归因导致不同结果取向的情况下，或分析同一反应进程的不同阶段，或归因分析多重反应体系中的不同反应特征，根据变化趋势，抓住矛盾的主要方面进行辩证思维。

2021年江苏高考18题归因分析的关键点是认识多重反应体系中三个反应的热效应（焓变）。由于反应Ⅰ和反应Ⅱ的ΔH＞0，高温下反应的平衡常数大（反应正向进行程度大），CO2的消耗量大；反应Ⅲ的ΔH＜0，高温下反应的平衡常数小（反应正向进行程度小），CO2的生成量也小。据此则合理推论：800℃下CO2的平衡转化率远大于600℃下CO2的平衡转化率。

2.2 选择性必修课程归因思维模型运用案例

人教版选择性必修1《化学反应原理》模块提出更加全面的化学反应思维视角：一是反应的快慢和历程，涉及反应速率和反应机理；二是反应的趋势和限度，涉及反应方向和化学平衡。这些反应规律是调控化学反应的理论依据，并运用于日常生活和工农业生产［7］。

从新旧版本的教材编排内容分析，对化学反应原理的思维视角都是从能量变化、速率、平衡和方向等角度展开的。从不同版本的新教材编排内容分析，新教材在课程标准指引下，更加

显性地表达了素养导向的化学教学。研究课堂教学转型就需要研究如何将教材中那些隐性的、有助于进行学科思维建模的课程资源挖掘出来。

在工业合成氨教学中，一方面要摒弃以知识传授为单一目标的传统教学方式，如死记硬背反应条件、大量的练习等。学生仅限于知道结论，思维层面并没有达成一定的深度，尚缺乏科学探究的情感体验，如科学家的艰巨探索过程，更没有体会到从理论到实践应用的思维内在联系，如工业合成氨的装置为何如此设计、具体的工业生产条件的归因和理论探索有何联系和区别等。

另一方面可借鉴教学名家的优秀课例。如在白建娥老师的课例中，让学生进入“总工程师”的角色思维，从反应原理、反应条件、反应装置三个方面去评价实验方案的优劣。分析与评价是典型的高阶思维活动，需要学生自主调用原有认识，整合碎片化知识，外显思维过程，在讨论、分享等学习活动中进行激烈的思想碰撞，催生灵感的迸发。学习过程中，学生通过自主化的认识方式像科学家一样思考合成氨适宜的反应条件。当学生参透了表1和图2的奥妙，明晰条件控制对氨气产率的因果关联，学生因顿悟而欣喜，问题的解决自然水到渠成［8］。

在此过程中，对化学反应进行调控，在理论分析基础上选择适宜的生产条件的思维建模得到了进一步明晰。在实际生产中还需要结合设备条件、安全操作、经济成本等情况，综合考虑影响化学反应速率和化学平衡的因素，寻找适宜的生产条件。此外，还要根据环境保护及社会效益等方面的规定和要求做出分析，权衡利弊，才能实施生产。

总之，归因思维模型在选择性必修课程教学中的运用，有利于学生建构对化学反应的系统认知，把化学反应原理的变化观念提升到系统、动态、定量和可调控的水平，培养了证据推理和逻辑思维等关键能力。

2.3 问题解决归因思维模型教学案例

高考评价体系中的学科核心素养融合了国家课程标准中的核心素养和高校人才选拔要求中的素养内涵［9］。有关化学反应原理归因类问题的解决，体现了以上素养导向，突出考查学生思维建模能力。目前江苏省高考中归因类简答题占比达10%左右，通常以选择或简答题型为主。表2呈现了近几年江苏高考化学反应原理归因类简答题题型的主要内容。

2.3.1 在真实情境中考查问题解决归因思维

以真实情境为载体的高考试题，考查学生的問题解决能力，真实情境来源于社会生活、工业生产和科技前沿等。以真实情境为命题载体，拓展学生视野，理论联系实际，突出应用性。

例如2018年江苏高考20题。首先问题激发阶段，结合文字和图像分析，NOx的去除率在50～150℃、 150～380℃和高于380℃三个阶段，呈现快速上升、缓慢上升和快速下降三个阶

段；进一步思维定向，在快速上升期是由于温度升高反应速率加快以及催化剂加快反应的协同作用。在缓慢上升期是由于催化剂受高温影响导致活性下降，但反应速率仍因温度升高而缓慢增大。在快速下降阶段，反应归因将联系到氮及其化合物的核心转化关系，如自然雷电条件下或汽车发动机高温条件下N2和O2化合为NO，硝酸工业涉及的NH3催化氧化为NO等反应。在以上反应原理搜索转换过程中，结合题给信息，得出问题解决归因，最后完善表达：主要是因为以上副反应的发生，造成NOx的去除率迅速下降。

该问题的解决说明了许多工业生产涉及的化学反应是有条件的，有的已经充分转化到达平衡状态，有的并未达成平衡。因此需明确，要归因的是平衡转化率影响因素，还是一段时间内未达平衡的反应产率影响因素。通常工业生产中大多数反应在有限的生产时间内尚未达到平衡，许多工业生产伴有副反应，这都是真实情境带来的现实挑战。

2.3.2 在多样化信息呈现中考查问题解决归因思维

化学反应原理类的归因简答题主要是考查学生获取信息及其加工整合的能力。近几年江苏高考中该题型的文字量较大且综合，对学生文本阅读理解、信息提取能力要求较高。试题通常以文本、图形、表格等多种形式呈现，其中图像有双坐标、多曲线、图像数据结合等形式，这无疑加大了试题的难度，目的在于考查学生在信息呈现复杂的陌生情境中运用知识解决实际问题的能力。

2019第20题的情境反应体系中有两个不同的热效应的反应。该归因分析聚焦于温度因素。温度升高，反应Ⅰ的ΔH>0，平衡转化率上升，但反应Ⅱ的ΔH<0，平衡转化率降低。随温度升高，CH3OCH3的选择性降低，即反应Ⅰ（副反应，降低生产效益的反应）对反应Ⅱ（主反应，产生生产效益的反应）形成更大的影响。

2.3.3 在高阶思维层面考查问题解决归因思维

化学反应原理类归因简答题的考查，需要学生具备一定的系统思维，在情境中分析影响反应的多重因素。再结合已有知识储备和信息呈现，在多种归因导致不同结果取向的情况下，或分析同一反应进程的不同阶段，或归因分析多重反应体系中的不同反应特征，根据变化趋势，抓住矛盾的主要方面进行辩证思维。

2021年江苏高考18题归因分析的关键点是认识多重反应体系中三个反应的热效应（焓变）。由于反应Ⅰ和反应Ⅱ的ΔH＞0，高温下反应的平衡常数大（反应正向进行程度大），CO2的消耗量大；反应Ⅲ的ΔH＜0，高温下反应的平衡常数小（反应正向进行程度小），CO2的生成量也小。据此则合理推论：800℃下CO2的平衡转化率远大于600℃下CO2的平衡转化率。