基于“問(wèn)題探究 證據(jù)推理”的教學(xué)設(shè)計(jì)

詹發(fā)云

摘 要：證據(jù)推理是解釋證據(jù)與結(jié)論之間的關(guān)系，確定科學(xué)結(jié)論所需要的證據(jù)和尋找證據(jù)的途徑。根據(jù)“提出假設(shè)—實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)—收集證據(jù)—論證推理—形成結(jié)論”的思路進(jìn)行教學(xué)的實(shí)驗(yàn)和實(shí)例設(shè)計(jì)，通過(guò)設(shè)計(jì)階梯式問(wèn)題、分組實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)以及實(shí)例運(yùn)用加強(qiáng)對(duì)證據(jù)的關(guān)注和推理，培養(yǎng)學(xué)生問(wèn)題探究和解決的學(xué)科關(guān)鍵能力。

關(guān)鍵詞：探究；證據(jù) ；推理 ；基本微粒

證據(jù)反映了一事物對(duì)另一事物的證明關(guān)系（即關(guān)聯(lián)性），是事實(shí)知識(shí)、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、原始數(shù)據(jù)等材料的總稱(chēng)。證據(jù)推理是解釋證據(jù)與結(jié)論之間的關(guān)系，確定科學(xué)結(jié)論所需要的證據(jù)和尋找證據(jù)的途徑?？茖W(xué)探究教學(xué)中的證據(jù)意識(shí)是指“學(xué)生在科學(xué)探究過(guò)程中有目的地關(guān)注證據(jù)的探查活動(dòng)和體驗(yàn)行為”，活動(dòng)的載體是教師設(shè)計(jì)的一系列可觀(guān)察、可測(cè)量、可評(píng)價(jià)的化學(xué)探究實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生達(dá)成對(duì)“證據(jù)支持主張”的心理認(rèn)同[1]。實(shí)驗(yàn)探究是科學(xué)探究的重要方式，它既是解決化學(xué)問(wèn)題的工具，更是提升化學(xué)思維，激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)的最好載體。

一、問(wèn)題背景

科學(xué)探究應(yīng)基于學(xué)生證據(jù)意識(shí)培養(yǎng)和實(shí)際行為改善來(lái)設(shè)計(jì)教學(xué)，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)證據(jù)的關(guān)注。目前化學(xué)實(shí)驗(yàn)探究仍然以驗(yàn)證原理和培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)基本操作為主，學(xué)生雖然“動(dòng)手”了，卻很少積極“動(dòng)腦”思考，只關(guān)注“探”而不重視“究”，雖然達(dá)到了操作目標(biāo)，但缺乏證據(jù)意識(shí)和科學(xué)素養(yǎng)的培養(yǎng)，這是實(shí)驗(yàn)探究教學(xué)中出現(xiàn)的較普遍現(xiàn)象[2]。本文以“構(gòu)成物質(zhì)的基本微?！苯虒W(xué)為例，探討基于“問(wèn)題探究，證據(jù)推理”的教學(xué)設(shè)計(jì)。

二、設(shè)計(jì)思路

“構(gòu)成物質(zhì)的基本微粒”是在學(xué)生學(xué)習(xí)了氧氣、二氧化碳、水等宏觀(guān)物質(zhì)的性質(zhì)后，剛開(kāi)始接觸物質(zhì)的微觀(guān)世界，對(duì)微粒的感知處于初級(jí)階段。本節(jié)學(xué)習(xí)要求是“構(gòu)成物質(zhì)的微粒很小，微粒不斷運(yùn)動(dòng)，微粒之間有間隙”， 知識(shí)要求屬于了解層次，但要使學(xué)生能夠運(yùn)用微粒的觀(guān)點(diǎn)來(lái)進(jìn)行想象和推理，必須讓學(xué)生體驗(yàn)基于證據(jù)推理的科學(xué)探究過(guò)程，感受出物質(zhì)的微粒性及微粒的有關(guān)性質(zhì)。

本節(jié)課按照“提出假設(shè)—實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)—收集證據(jù)—論證推理—形成結(jié)論”的思路來(lái)設(shè)計(jì)探究實(shí)驗(yàn)，在用好教材的演示實(shí)驗(yàn)的同時(shí)，做好學(xué)生的分組探究實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，從現(xiàn)象的觀(guān)察出發(fā)，引導(dǎo)學(xué)生思維，通過(guò)證據(jù)意識(shí)培養(yǎng)學(xué)生解決問(wèn)題的能力和化學(xué)學(xué)科素養(yǎng)。

三、教學(xué)案例

（一）感知證據(jù)推理的階梯式問(wèn)題設(shè)計(jì)

問(wèn)題是思維的起點(diǎn)，是證據(jù)意識(shí)培養(yǎng)的階梯和載體。在教學(xué)過(guò)程中圍繞學(xué)科核心概念、重要規(guī)律或者科學(xué)探究主題，基于學(xué)生已有認(rèn)知水平，創(chuàng)設(shè)具有學(xué)科特色的情境，設(shè)計(jì)出連貫的、逐級(jí)遞進(jìn)的問(wèn)題教學(xué)序列，讓學(xué)生對(duì)某一主題的思考和認(rèn)知不斷豐富、精致和深入，學(xué)生不斷尋找證據(jù)[3]，提升知識(shí)理解的深度和思維的縝密性。

教學(xué)設(shè)計(jì)1：探究物質(zhì)的微粒性

設(shè)計(jì)意圖：從宏觀(guān)認(rèn)識(shí)到微觀(guān)探析，是學(xué)生認(rèn)識(shí)不斷深化的過(guò)程。如表1所示，KMnO4固體溶于水，宏觀(guān)上紫黑色的KMnO4固體到紫紅色的KMnO4溶液，再到很淺的溶液甚至無(wú)色溶液，你還能感知KMnO4存在嗎？不斷加水的KMnO4溶液顏色不斷變淺，如何解釋?zhuān)恳龑?dǎo)學(xué)生理解宏觀(guān)物質(zhì)和微觀(guān)粒子之間的關(guān)系。

（二）注重事實(shí)證據(jù)的分組實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

要理解核心知識(shí)，需要依據(jù)學(xué)習(xí)目標(biāo)設(shè)計(jì)探究活動(dòng)，學(xué)會(huì)通過(guò)觀(guān)察、實(shí)驗(yàn)、調(diào)查研究等手段收集證據(jù)，基于事實(shí)收集證據(jù)，對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行推理和分析，從而論證或說(shuō)明化學(xué)現(xiàn)象的本質(zhì)或規(guī)律，并對(duì)有關(guān)物質(zhì)性質(zhì)和變化的生活實(shí)際問(wèn)題作出有理有據(jù)的解釋。

教學(xué)設(shè)計(jì)2：微粒不斷地運(yùn)動(dòng)

設(shè)計(jì)意圖：通過(guò)教材中原有的濃氨水使酚酞變色的演示實(shí)驗(yàn)（圖1，表2）和自行設(shè)計(jì)的分組實(shí)驗(yàn)（圖2，表3）的現(xiàn)象觀(guān)察與分析，推理得到微粒是在不斷地運(yùn)動(dòng)的結(jié)論。學(xué)會(huì)從藥品的用量、現(xiàn)象的清晰度、環(huán)境的綠色化等角度優(yōu)化選擇實(shí)驗(yàn)裝置，體會(huì)實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)約性原則。

（三）基于問(wèn)題探究的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

對(duì)于學(xué)生可能提出的有價(jià)值的問(wèn)題，教師可以進(jìn)行課前預(yù)設(shè)，設(shè)計(jì)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)來(lái)提高學(xué)生對(duì)知識(shí)的深層次理解，拓展學(xué)生知識(shí)視野，培養(yǎng)學(xué)生的觀(guān)察思維能力和問(wèn)題解決的能力的同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生的證據(jù)感。

教學(xué)設(shè)計(jì)3：微粒運(yùn)動(dòng)的影響因素

教師：對(duì)于微粒不停地運(yùn)動(dòng)，你還想進(jìn)一步研究或了解什么？

學(xué)生：微粒為什么不斷地運(yùn)動(dòng)？微粒運(yùn)動(dòng)的快慢與什么有關(guān)？微粒的運(yùn)動(dòng)規(guī)律是什么？

教師：這些問(wèn)題都很有研究?jī)r(jià)值，介于我們的知識(shí)水平，先來(lái)探討這樣一個(gè)問(wèn)題：微粒運(yùn)動(dòng)的快慢與什么有關(guān)？濕衣服晾在陰暗處和晾在太陽(yáng)下，哪個(gè)更容易干？

學(xué)生：晾在太陽(yáng)下更容易干。

教師：那這說(shuō)明微粒運(yùn)動(dòng)與什么有關(guān)？你還能舉出生活中的事例嗎？

學(xué)生：微粒的運(yùn)動(dòng)速率與溫度有關(guān)。溫度越高，運(yùn)動(dòng)速率越快。

教師：微粒的運(yùn)動(dòng)速率還與什么有關(guān)呢？我們來(lái)探究一個(gè)實(shí)驗(yàn)（表4）。

（四）強(qiáng)化證據(jù)意識(shí)的實(shí)例應(yīng)用

教學(xué)設(shè)計(jì)4：固體、液體、氣體的微粒間空隙大小比較

設(shè)計(jì)意圖：通過(guò)分組實(shí)驗(yàn)中學(xué)生的親身感知，通過(guò)體積的改變得知微粒間確實(shí)存在空隙，而且同體積的液體和氣體體積改變的程度不同，這是基于實(shí)證的探究活動(dòng)。通過(guò)實(shí)例的選擇建立圖像表征的意識(shí)，理解規(guī)律中的共性與個(gè)性的關(guān)系。

分組實(shí)驗(yàn)6：用針筒分抽取20mL水和空氣，進(jìn)行壓縮實(shí)驗(yàn)（提醒：手指頂住針筒末端的小孔，慢慢推入栓塞）。

收集證據(jù)：空氣容易被壓縮，而水較難被壓縮。

證據(jù)推理：構(gòu)成水的微粒間隙很小，構(gòu)成空氣的微粒很大。氣體微粒間的空隙較大，固體、液體微粒間的空隙較小。

形成結(jié)論：構(gòu)成物質(zhì)的微粒間都有一定的空隙，不同微粒間的大小不同（一般氣體微粒間空隙 > 液體微粒間空隙 > 固體微粒間空隙）。不同體積的液體體積不能夠相加減，這為后續(xù)溶液配制的學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。

生活應(yīng)用：物質(zhì)的“三態(tài)”變化實(shí)際上就是微粒之間的空隙發(fā)生改變的過(guò)程，例如氣體的熱脹冷縮、25m3的石油氣在加壓的情況下，可裝入容積為0.024 m3的鋼瓶中。

實(shí)例1 寒冷的冬天，裸露在外面的自來(lái)水管會(huì)什么會(huì)破裂，你如何解釋?zhuān)?/p>

設(shè)計(jì)意圖：理解規(guī)律中的共性與個(gè)性、一般與特殊的辯證關(guān)系。水結(jié)成冰浮在水面上這一事實(shí)說(shuō)明冰的密度比水小，因而同質(zhì)量的冰的體積比水大，冰的微粒間空隙變大。

實(shí)例2 請(qǐng)用筆畫(huà)出來(lái)?xiàng)l件改變時(shí)，圖5中的物質(zhì)微粒將發(fā)生怎樣的變化？

設(shè)計(jì)意圖：通過(guò)學(xué)生畫(huà)出圖5溫度改變時(shí)微粒的變化，實(shí)現(xiàn)從宏觀(guān)表征到微觀(guān)表征，從符號(hào)表征到圖像表征的跨越，圖7是在圖6基礎(chǔ)上的變形提高練習(xí)。溫度和壓強(qiáng)的變化不會(huì)引起微粒本身的變化，只是微粒間的空隙改變。

實(shí)例3 銅和鋁是常用的金屬，銅為紫紅色，鋁為銀白色，將一塊銅和一塊鋁緊密地壓在一起，幾年后發(fā)現(xiàn)銅塊的表面有銀白色的光澤，而鋁塊的表面有淺紫色，請(qǐng)使用微粒的觀(guān)點(diǎn)解釋原因。

設(shè)計(jì)意圖：學(xué)生很容易感知液體和氣體間的微?？障叮茈y理解固體微粒的運(yùn)動(dòng)和空隙，通過(guò)生活實(shí)例感知固體微粒不斷運(yùn)動(dòng)且微粒間也存在空隙。

四、問(wèn)題反思

1.實(shí)驗(yàn)是化學(xué)學(xué)習(xí)的“根”，證據(jù)推理是問(wèn)題研究的“魂”。課堂教學(xué)中要善于設(shè)計(jì)探究實(shí)驗(yàn)和學(xué)生活動(dòng)，充分展開(kāi)問(wèn)題討論，可以從正反多方面展開(kāi)論證，不斷反思實(shí)踐，讓“尋找證據(jù)并解讀證據(jù)”成為一種學(xué)習(xí)方法，形成一種學(xué)科能力，培養(yǎng)一種科學(xué)精神。

2.基于問(wèn)題開(kāi)展猜想假設(shè)，利用實(shí)驗(yàn)進(jìn)行論證，收集證據(jù)并依據(jù)證據(jù)推理修正原有猜想，從而形成客觀(guān)的結(jié)論是培養(yǎng)學(xué)生學(xué)科關(guān)鍵能力的重要途徑[4]，有助于培養(yǎng)的求證精神，養(yǎng)成科學(xué)思維習(xí)慣，更好地理解科學(xué)本質(zhì)。證據(jù)推理關(guān)鍵在于問(wèn)題串的設(shè)計(jì)，比如KMnO4溶液不斷加水時(shí)顏色由深到淺直至無(wú)色，KMnO4微粒消失沒(méi)有？為何會(huì)有顏色的變化？引導(dǎo)學(xué)生思考相同體積的溶液中KMnO4微粒的多少不同且構(gòu)成物質(zhì)的微粒太少、太小。

3.問(wèn)題論證的階段性和有限性。學(xué)生討論提出的問(wèn)題，由于知識(shí)的階段性和局限性，我們的課堂不一定能夠完全解答，需要從中選擇有價(jià)值、符合“最近發(fā)展區(qū)”的問(wèn)題進(jìn)行探討。在“對(duì)于微粒不停地運(yùn)動(dòng)，你還想進(jìn)一步研究或了解什么？”時(shí)，學(xué)生提出“微粒運(yùn)動(dòng)為何運(yùn)動(dòng)且運(yùn)動(dòng)的規(guī)律是什么？”的問(wèn)題需要今后更多的知識(shí)鋪墊，而影響微粒運(yùn)動(dòng)快慢的因素讓學(xué)生理解與溫度和微粒本身有關(guān)即可，“微粒運(yùn)動(dòng)與其相對(duì)分子質(zhì)量的關(guān)系”可以作為課后拓展提高的探究。

參考文獻(xiàn)：

[1]張世成.基于證據(jù)意識(shí)培養(yǎng)的學(xué)與教的設(shè)計(jì)——以“物質(zhì)的密度”教學(xué)為例[J].教學(xué)月刊·中學(xué)版（教學(xué)參考），2013（7）：41.

[2]楊硯寧.基于證據(jù)推理的科學(xué)探究：實(shí)驗(yàn)、評(píng)價(jià)及反思——以“鐵釘銹蝕實(shí)驗(yàn)”為例[J].化學(xué)教與學(xué)，2017（2）：13.

[3]査漢華，楊海清.基于證據(jù)意識(shí)培養(yǎng)的進(jìn)階式問(wèn)題驅(qū)動(dòng)教學(xué)——以“自由落體運(yùn)動(dòng)”為例[J].中學(xué)物理教學(xué)參考，2017（6）：16.

[4]卓金鎮(zhèn)，張禮聰，楊亭亭.“問(wèn)題猜想，證據(jù)推理”彰顯化學(xué)魅力——苯的教學(xué)設(shè)計(jì)[J].化學(xué)教與學(xué)，2017（9）：54.