辯證唯物主義視域下化學歸因分析思維邏輯的構建
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作者:楊國武
摘要：選取部分重要考試試題，將馬克思主義哲學的唯物辯證法，辯證唯物主義的認識論和方法論的基本原理和化學情境問題的分析相結合，構建處理化學歸因分析類問題的基本思維邏輯。
關鍵詞：辯證唯物主義；歸因分析；因果關系；思維邏輯
文章編號：1008-0546（2023）03-0067-05 中圖分類號：G632.41 文獻標識碼：B
doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2023.03.015
一、問題的提出
“歸因”一詞，從字面的意義來理解，即為“歸納、表述（某結果的）原因”；現有文獻更多從社會心理學的層面來解釋，歸因是指人們對他人或自己行為原因的推論過程?；瘜W學科的歸因分析即“為某個化學過程的結果尋找原因”。
《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》中化學學科核心素養3“證據推理與模型認知”中“建立觀點、結論和證據之間的邏輯關系”的描述揭示了歸因分析的本質。此外，新課標在核心素養具體水平劃分中多處出現了涉及歸因分析的內容。如“宏觀辨識與微觀探析”水平2中“能從物質的微觀結構說明同類物質的共性和不同類物質性質差異及其原因”；“變化觀念與平衡思想”水平3中“能運用化學反應原理分析影響化學變化的因素”；“證據推理與模型認知”水平4中“能依據各類物質及其反應的不同特征尋找充分的證據，能解釋證據與結論之間的關系”等。[1]鑒于此，歸因分析題成為命題者的熱門之選。
與歸因分析題的熱度形成鮮明對比的是，學生對此類問題的作答卻差強人意。具體表現有：信息提取偏差、知識調用混亂、思維邏輯模糊、語言表述不清等等。因此，探求此類問題的基本解題方案是目前化學教學中亟待解決的問題。思維邏輯是分析問題的脈絡框架，綱舉而目張，有必要引導學生在歸因分析中構建清晰的邏輯，結合具體的情境和知識，從頂層思維出發，“順流而下”，尋求事物間的因果聯系。唯物辯證法又稱為“馬克思主義辯證法”，是研究自然科學和社會科學的重要的哲學方法，是人類認識世界和改造世界的有力武器。在歸因分析中滲透唯物辯證法的思想，培養科學有序的思維邏輯，不僅分析化學問題有了科學的方法論，而且能夠幫助學生樹立辯證唯物主義和歷史唯物主義的科學觀念。
筆者在知網上以“唯物辯證法”與“歸因分析”為關鍵詞進行檢索，沒有找到有關文獻。筆者發現大多數研究者關注的是“歸因分析法”與關鍵能力與核心素養的關系。如江偉[2]以 Fe3+的水解情境為例，剖析了基于歸因分析法不同層次的設問技巧以及問題解決方法；王程、白旭寧[3]論述了中學化學學科核心素養的五個方面與唯物辯證法的緊密聯系。本文將唯物辯證法與情境問題解決的思維模型建立聯系，以期榛學課堂教學提供一些有益的視角。
二、歸因分析常見思維邏輯與唯物辯證法的關系
“以真實情境為載體，以實際問題為任務”是新課標提出的命題原則。從具體問題來看，情境是外表，實際問題所隱含的思維邏輯才是內核。而唯物辯證法所包括的對立統一、量變與質變等規律，能夠為許多不同情境下的不同問題提供思維邏輯的頂層設計。具體如下：
1.控制一果一因
唯物辯證法的基本觀點之一是：世界是普遍聯系的，世界上的一切事物都處于相互影響、相互作用、相互制約之中。同樣，反應體系的物質之間也是普遍聯系的，這是化學過程復雜性的本源。在科學研究中，為了探求某一因素對反應結果的影響，普遍的做法便是做控制變量的對比實驗。即控制其他影響因素均相同的前提下，某因素的獨立存在對結果獨特的影響。
例：（2016江蘇高考20題節選）納米鐵粉可用于處理地下水中的污染物。相同條件下，納米鐵粉去除不同水樣中 NO 3（-）的速率有較大差異（見圖1），產生該差異的可能原因是。
答案：Cu或Cu2+催化納米鐵粉去除NO 的反應（或形3（-）成的Fe-Cu原電池增大納米鐵粉去除NO 的反應速率）3（-）
解決這類問題的關鍵就是明晰變量與結果的關系模型，一個實驗結果存在多個影響因素，從數學模型的視角可以呈現出如圖2的關系：
思考的方向為該條件（或物質）在反應體系中的特殊作用，如作催化劑，或者作為反應物產生額外的新物質對反應體系產生新的影響。
2.一果多因
?。?）影響結果的因素間互為矛盾關系
唯物辯證法告訴我們：矛盾（即對立統一）是事物普遍聯系的根本內容。矛盾存在于一切事物的發展過程中。矛盾又分為主要矛盾和次要矛盾，其中，在事物發展過程中處于支配地位，對事物發展起決定作用的矛盾就是主要矛盾。其他屬于從屬地位，對事物發展不起決定作用的矛盾則是次要矛盾，主次矛盾相互依賴，相互影響，并在一定條件下相互轉化。因此，在分析一個化學問題時，條件的改變，可能會影響到決定結果的多方面因素，當因素間互為矛盾關系時，既要看到主要因素，又要看到次要因素，著重把握決定結果的主要因素。
例．（19年江蘇高考20題節選）CO2催化加氫合成二甲醚是一種 CO2轉化方法，其過程中主要發生下列
反應：
反應Ⅰ：CO2（g）+H2（g）===CO（g）+H2O（g）
ΔH=41.2 kJ?mol-1
反應Ⅱ：2CO2（g）+6H2（g）===CH3OCH3（g）+3H2O（g）
ΔH=-122.5 kJ?mol-1
在恒壓、CO2和H2的起始量一定的條件下，CO2平衡轉化率和平衡時 CH3OCH3的選擇性隨溫度的變化如圖3。
溫度高于300℃，CO2平衡轉化率隨溫度升高而上升的原因是。
答案：反應Ⅰ的ΔH >0，反應Ⅱ的ΔH <0，溫度升高使CO2轉化為CO 的平衡轉化率上升，使CO2轉化為 CH3OCH3的平衡轉化率下降，且上升幅度超過下降幅度。此類問題的思維邏輯為“矛盾的主次分析”，具體流程如圖4所示。
常見的問題如酸式鹽酸堿性判斷、多元弱酸體系弱離子濃度隨pH變化關系等，均屬于這一類問題。
?。?）影響結果的因素間互為同一關系
影響事物發展方向的多種因素間呈同一關系，彼此對結果的影響是一致的，共同促進了事物向某一方面發展。
例：（20年江蘇高考20題節選）CO2/HCOOH循環在氫能的貯存/釋放、燃料電池等方面具有重要應用。
CO2催化加氫。在密閉容器中，向含有催化劑的 KHCO3溶液（CO2與 KOH溶液反應制得）中通入 H2生成HCOO-，其他條件不變，HCO3（-）轉化為HCOO-的轉化率隨溫度的變化如圖5所示。反應溫度在40℃～80℃范圍內，HCO 催化加氫的轉化率迅速上升3（-），其主要原因是。
答案：溫度升高反應速率增大，溫度升高催化劑的活性增強。該類型題目的思考流程如圖6：
?。?）影響結果的因素間互為直接和間接的關系
例：一定溫度時，在1L 的容器中，1 mol PCl5分解： PCl5（g） PCl5（g）+Cl2（g）
反應平衡后，再加入1mol PCl5（g），平衡如何移動？
a.增大了反應物的濃度，平衡正向移動
b.增大了體系壓強，平衡逆向移動
壓強改變對平衡移動影響的本質是通過影響組分濃度而得以實現的。因此，濃度的變化是直接影響因素，壓強是因為濃度的改變而改變的，是間接影響因素。應當優先分析直接因素對體系的影響，因此，a 是正確的。
思維邏輯：主要矛盾的主要方面（直接因素）決定事物的性質和發展方向，次要方面（間接因素）屬于被支配地位，分析此類問題時，優先考慮直接影響因素。如果直接因素不能影響結果，則考慮由直接影響因素進一步造成的新的影響因素（即間接影響因素）。思維邏輯見圖7：
3.量變引起質變“過猶不及”模型
質量互變規律是唯物辯證法的基本規律之一。量變是質變的必要準備，質變是量變的必然結果。并不是量變就一定能引起質變，而是量變發展到一定程度時，事物內部的主要矛盾運動形式發生了改變，進而引發質變。從中可以看出，“度”是量變和質變的區分標志，是事物保持其質的量的界限。“適度原則”是實踐活動的正確準則。
例：（21年江蘇新高考適應性考試14題節選）皮革廠的廢水中含有一定量的氨氮（以NH3、NH 形式存4（+）在），通過沉淀和氧化兩步處理后可使水中氨氮達到國家規定的排放標準。
氧化：調節經沉淀處理后的廢水pH 約為6，加入 NaClO 將廢水中的氨氮轉化為N2，n（ClO-）/n（氨氮）對廢水中氨氮去除率和總氮去除率的影響如圖8所示。當n（ClO-）/n（氨氮）>1.54后，總氮去除率下降的原因是。
答案：次氯酸鈉投加量過大，導致污水中部分氨氮氧化為其它價態，例如硝酸根離子，則總氮去除率下降。該類問題的思維邏輯見圖9。
該思維模型還可以處理如下類似問題：
?。?）氣體通入溶液反應：流速過緩，反應速率慢；流速過快，氣液接觸時間短，轉化率低。
?。?）氣體與催化劑接觸反應：流速過緩，反應量低；流速過快，氣體與催化劑接觸時間短，轉化率低。
?。?）適當的空氣能使燃料充分燃燒，過量的空氣帶走熱量，熱效率降低。
（4）催化劑（含酶、微生物等）在合m的溫度催化活性最高。
?。?）適當的沉淀劑使某離子充分沉淀，過量則可能重新溶解：
4.競爭型
唯物辯證法認為，事物內部的矛盾性是競爭的根本原因，競爭的本質是新事物的產生和舊事物的滅亡。人與自然、不同的物種、不同的社會制度等都存在競爭，新舊事物的更替是普遍的。從物質變化的角度來看，在同一反應體系中，物質之間會發生多種反應，這些反應間存在競爭關系，不同的條件會使反應間的主次關系發生變化。
例：（2020年江蘇高考19題節選）實驗室由煉鋼污泥（簡稱鐵泥，主要成分為鐵的氧化物）制備軟磁性材料α-Fe2O3，其主要實驗流程如下：
向“還原”后的濾液中加入NH4F 溶液，使Ca2+轉化為 CaF2沉淀除去。若溶液的pH 偏低、將會導致 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，導致溶液中 F-濃度減小， CaF2沉淀不完全
上述例子考查了沉淀溶解平衡與弱電解質電離平衡之間的競爭關系，反應間的競爭是普遍的，單就沉淀溶解平衡而言，沉淀溶解平衡與配位平衡（銀氨溶液、銅氨溶液的形成）、氧化還原（硫化亞鐵溶于硝酸），不同沉淀溶解平衡（沉淀的轉化）均可能存在競爭關系。此外，在催化反應中，不同微粒對催化劑表面反應活性位點的吸附爭奪也是一種競爭。競爭是打破，合作是平衡。
5.內因和外因
唯物辯證法認為，內因決定事物的本質，是事物發展的決定性因素。在事物發展變化過程中，內因是事物變化的根據，外因是事物變化的條件，外因通過內因起作用。從化學變化的角度看，物質的性質是化學變化的主要決定因素。
例：（2015年江蘇高考20題節選）煙氣（主要污染物SO2、NOx ）經 O3預處理后用 CaSO3水懸浮液吸收，可減少煙氣中 SO2、NOx 的含量。O3氧化煙氣中 SO2、NOx 的主要反應的熱化學方程式為：
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
室溫下，固定進入反應器的NO、SO2的物質的量，改變加入 O3的物質的量，反應一段時間后體系中 n （NO）、n（NO2）和 n（SO2）隨反應前 n（O3）：n（NO）的變化見圖10。
增加n（O3），O3氧化SO2的反應幾乎不受影響，其可能原因是。
答案：SO2與O3的反應速率慢
三、總結與反思
正如法國生物學家莫諾所說，“在具有無限差別的一個個現象中，科學的任務去尋找其中不變的東西”。這“不變的東西”就是規律，而探求規律，需要有科學方法的指導。唯物辯證法的基本哲學思想并不能直接成為歸因分析的答案，而是在我們在面對具體問題情境時，給予正確的思維方向和思考方式，明晰問題的深層邏輯。具體的分析和表達仍需結合化學學科的知識體系和表征方式。將唯物辯證法的基本原理與化學情境問題相結合，在培養學生化學核心素養的同時，有助于學生思維能力的培養和思維品質的提升，同時也有助于學生形成正確的世界觀、人生觀和價值觀，實現化學學科的教育價值和育人功能。
參考文獻
[1]中華人民共和國教育部.普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）[J].北京：人民教育出版社，2020.
[2]江偉.基于關鍵能力的“歸因分析法”命題設計[J].中學化學教學參考，2020（2）：49-51.
[3]王程，白旭寧.化學學科核心素養和唯物辯證法的緊密聯系[J].中學化學教學參考，2019（1）：4-6.
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