培育證據(jù)推理與模型認(rèn)知素養(yǎng)的初中化學(xué)計(jì)算教學(xué)

摘要： 簡析化學(xué)計(jì)算的本質(zhì)及說明了初中化學(xué)計(jì)算教學(xué)存在的問題，同時(shí)根據(jù)科學(xué)論證過程，提出了基于科學(xué)論證培育證據(jù)推理與模型認(rèn)知素養(yǎng)的初中化學(xué)計(jì)算教學(xué)模型，分析了培育證據(jù)推理與模型認(rèn)知素養(yǎng)的計(jì)算教學(xué)操作要求，概括了培育證據(jù)推理與模型認(rèn)知素養(yǎng)計(jì)算教學(xué)的特點(diǎn)及關(guān)鍵點(diǎn)，并以“物質(zhì)組成的簡單計(jì)算”為例加以闡述。

關(guān)鍵詞： 證據(jù)推理； 模型認(rèn)知； 計(jì)算教學(xué)模型； 教學(xué)設(shè)計(jì)； 初中化學(xué)計(jì)算

文章編號： 1005-6629（2018）7-0051-04 中圖分類號： G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

“化學(xué)計(jì)算的本質(zhì)是對化學(xué)問題的數(shù)學(xué)處理過程，即對物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和變化規(guī)律的量化過程”[1]。也就是說，化學(xué)計(jì)算的本源是通過證據(jù)推理對物質(zhì)及其變化中蘊(yùn)含的定量關(guān)系進(jìn)行模型揭示并加以運(yùn)用。

然而，從初中化學(xué)教學(xué)實(shí)踐來看，學(xué)生雖然熟記了有關(guān)計(jì)算的基本概念原理，但是定量推理能力嚴(yán)重不足，面對新情境束手無策。分析其原因，發(fā)現(xiàn)有些教師忽視了計(jì)算模型建立與運(yùn)用過程中思維模型的構(gòu)建過程，忽視了計(jì)算模型賦予的化學(xué)意義，造成學(xué)生對概念原理的本質(zhì)及其表征意義未能深刻理解，只會(huì)死記概念、硬套公式，使得解決有關(guān)計(jì)算的實(shí)際問題能力不足。為此，有必要探索培育證據(jù)推理與模型認(rèn)知素養(yǎng)的計(jì)算教學(xué)，以期幫助一線教師設(shè)計(jì)發(fā)掘具備計(jì)算模型內(nèi)隱的思維方式的計(jì)算教學(xué)，從而培育學(xué)生定量分析能力，最終幫助學(xué)生建立起認(rèn)知物質(zhì)世界的思路方法和思維方式。

1 培育證據(jù)推理與模型認(rèn)知素養(yǎng)的計(jì)算教學(xué)模型

1.1 計(jì)算教學(xué)模型的建立

“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”包括以下五個(gè)方面的內(nèi)涵[2]： （1）具有證據(jù)意識(shí)，能基于證據(jù)對物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)及其變化提出可能的假設(shè)；（2）通過分析推理加以證實(shí)或證偽；（3）建立觀點(diǎn)、結(jié)論和證據(jù)之間的邏輯關(guān)系；（4）知道可以通過分析、推理等方法認(rèn)識(shí)研究對象的本質(zhì)特征、構(gòu)成要素及其相互關(guān)系，建立模型；（5）能運(yùn)用模型解釋化學(xué)現(xiàn)象，揭示現(xiàn)象的本質(zhì)和規(guī)律。不難發(fā)現(xiàn)，培育證據(jù)推理與模型認(rèn)知素養(yǎng)的計(jì)算教學(xué)是基于對物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)和變化規(guī)律進(jìn)行科學(xué)論證的模型量化過程。從科學(xué)知識(shí)產(chǎn)生的過程來看，理解了科學(xué)知識(shí)產(chǎn)生的過程，就能夠深刻理解知識(shí)的內(nèi)涵，并在解決問題中加以遷移運(yùn)用，從而形成對科學(xué)知識(shí)的認(rèn)知方法和方式。根據(jù)這一理解，提出基于科學(xué)論證培育證據(jù)推理與模型認(rèn)知素養(yǎng)的初中化學(xué)計(jì)算教學(xué)模型（如圖1）。

圖1 計(jì)算教學(xué)模型

該模型表明，培育證據(jù)推理與模型認(rèn)知素養(yǎng)的教學(xué)過程實(shí)際上是科學(xué)論證的過程，包括事實(shí)（呈現(xiàn)問題）、事測（提出假設(shè)）、事由（分析推理）、事理（建立模型）和事為（運(yùn)用模型）。其經(jīng)歷了兩個(gè)過程： 一個(gè)是根據(jù)證據(jù)推理建構(gòu)模型的過程，是在深刻理解各量關(guān)系的基礎(chǔ)上建構(gòu)起來的；另一個(gè)是運(yùn)用計(jì)算模型解決實(shí)際問題的模型外顯過程，是對計(jì)算模型的本質(zhì)及其表征意義的解釋。其中，證據(jù)推理是學(xué)生深刻理解概念原理的本質(zhì)及其表征意義的過程，是建立模型和運(yùn)用模型的思維過程。

1.2 計(jì)算教學(xué)模型的運(yùn)用

化學(xué)是一門在原子、分子水平上研究物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及其變化規(guī)律的科學(xué)。而化學(xué)計(jì)算的本質(zhì)是對物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)和變化規(guī)律的量化過程。為此，計(jì)算教學(xué)模型的運(yùn)用離不開化學(xué)學(xué)科獨(dú)特的“宏微符”聯(lián)系轉(zhuǎn)化思維方式。同時(shí)，模型的運(yùn)用過程要幫助學(xué)生厘清關(guān)聯(lián)知識(shí)的進(jìn)階層級，如此才能更好地促進(jìn)學(xué)生的模型認(rèn)知發(fā)展，促進(jìn)學(xué)生建構(gòu)良好的定量認(rèn)知結(jié)構(gòu)，提高分析、解決實(shí)際問題的能力。

基于學(xué)生定量認(rèn)知發(fā)展線索，幫助學(xué)生建立起宏觀、微觀和符號之間定量聯(lián)系轉(zhuǎn)化關(guān)系，并用概念原理固化下來，這是對知識(shí)理性的、深刻的、本質(zhì)層面上的理解，能更好地培育學(xué)生的證據(jù)推理與模型認(rèn)知素養(yǎng)。

1.2.1 建立“宏微符”之間的定量轉(zhuǎn)化思維方式

研究表明，如果學(xué)生認(rèn)知結(jié)構(gòu)中的知識(shí)表征是多維而有序的，則所獲得的知識(shí)可靈活運(yùn)用于不同情境[3]。為此，幫助學(xué)生從“整體個(gè)體關(guān)系”（包括混合物與純凈物、物質(zhì)與元素、物質(zhì)與分子、元素與原子、分子與原子、化學(xué)反應(yīng)與反應(yīng)物和生成物之間的定量關(guān)系）視角，建構(gòu)起宏觀、微觀和符號之間的定量轉(zhuǎn)化思維方式，形成完善的認(rèn)知結(jié)構(gòu)，從而解構(gòu)計(jì)算模型的成因是深刻理解計(jì)算模型的本質(zhì)及其表征意義的關(guān)鍵。“宏微符”之間定量轉(zhuǎn)化關(guān)系如圖2所示，其內(nèi)隱著“科學(xué)計(jì)量”、“整體個(gè)體關(guān)系”思想。

圖2 “宏微符”定量轉(zhuǎn)化關(guān)系

1.2.2 厘清關(guān)聯(lián)知識(shí)的進(jìn)階層級

依據(jù)學(xué)科特征和學(xué)習(xí)進(jìn)階理論，根據(jù)教材中關(guān)聯(lián)知識(shí)的呈現(xiàn)線索，以及學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展水平，幫助學(xué)生厘清建立計(jì)算模型的關(guān)聯(lián)知識(shí)層級，打通關(guān)聯(lián)思維，為理解而學(xué)習(xí)，從而促進(jìn)學(xué)生根據(jù)證據(jù)進(jìn)行推理探索規(guī)律和建構(gòu)理論模型，建構(gòu)促進(jìn)計(jì)算模型建立的定量認(rèn)識(shí)發(fā)展知識(shí)層級[4]（如圖3）。

圖3 定量認(rèn)識(shí)發(fā)展層級

2 培育證據(jù)推理與模型認(rèn)知素養(yǎng)的計(jì)算教學(xué)實(shí)踐

培育證據(jù)推理與模型認(rèn)知素養(yǎng)的計(jì)算教學(xué)模型指導(dǎo)的教學(xué)設(shè)計(jì)，其操作步驟如圖4。其中，“呈現(xiàn)層級問題”是關(guān)鍵。在厘清定量認(rèn)識(shí)知識(shí)層級、厘清“宏微符”表征之間定量轉(zhuǎn)化關(guān)系基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)層級問題，幫助學(xué)生進(jìn)行證據(jù)推理，形成用“整體個(gè)體關(guān)系”思想和“宏微符”表征定量轉(zhuǎn)化思想去看待物質(zhì)世界的思路方法。

分析教學(xué)目標(biāo)→厘清定量認(rèn)識(shí)層級厘清定量三重表征→呈現(xiàn)層級問題進(jìn)行分析推理→

提煉邏輯關(guān)系建立計(jì)算模型→創(chuàng)設(shè)問題情境運(yùn)用計(jì)算模型

圖4 計(jì)算教學(xué)設(shè)計(jì)操作步驟

下面以“物質(zhì)組成的簡單計(jì)算”為例進(jìn)行分析。

2.1 教學(xué)目標(biāo)分析

課程標(biāo)準(zhǔn)提出“利用相對原子質(zhì)量、相對分子質(zhì)量進(jìn)行物質(zhì)組成的簡單計(jì)算”的學(xué)習(xí)要求。教學(xué)設(shè)計(jì)處理時(shí)，重點(diǎn)要幫助學(xué)生用“整體個(gè)體關(guān)系”思想和“宏微符”定量轉(zhuǎn)化思想來厘清物質(zhì)組成的內(nèi)隱關(guān)系（其中純凈物組成的內(nèi)隱關(guān)系如圖5），從而培育學(xué)生多維而有序的認(rèn)知結(jié)構(gòu)，提高學(xué)生的證據(jù)推理與模型認(rèn)知素養(yǎng)。

圖5 純凈物組成的內(nèi)隱關(guān)系

基于課程標(biāo)準(zhǔn)要求、證據(jù)推理與模型認(rèn)知的內(nèi)涵和物質(zhì)組成的內(nèi)隱關(guān)系，本內(nèi)容需要達(dá)成如下教學(xué)目標(biāo)： （1）基于對純凈物具有固定的組成和結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)，提出純凈物與元素之間質(zhì)量關(guān)系的假設(shè)；（2）幫助學(xué)生用“整體個(gè)體關(guān)系”思想和“宏微符”定量轉(zhuǎn)化思想進(jìn)行分析推理，厘清混合物、純凈物、元素之間的邏輯關(guān)系，厘清化學(xué)式、純凈物、元素、分子、原子之間的邏輯關(guān)系，建構(gòu)它們之間的總和關(guān)系、比例關(guān)系、變化關(guān)系、轉(zhuǎn)化關(guān)系的思維框架，建立純凈物與元素之間的質(zhì)量關(guān)系模型；（3）用“整體個(gè)體關(guān)系”思想和“宏微符”定量轉(zhuǎn)化思想理解模型，建立運(yùn)用模型解決實(shí)際問題的思路方法。

2.2 教學(xué)過程設(shè)計(jì)

根據(jù)本內(nèi)容的教學(xué)目標(biāo)，結(jié)合計(jì)算教學(xué)模型，為促進(jìn)學(xué)生深刻理解計(jì)算模型的本質(zhì)和意義，建立起具備學(xué)科特征并符合學(xué)習(xí)進(jìn)階的解決問題的思路方法，本課教學(xué)過程設(shè)計(jì)如下：

2.2.1 呈現(xiàn)問題，提出假設(shè)

尿素是一種肥效高、土壤適應(yīng)性好的常用氮肥。圖6是某尿素標(biāo)簽的部分信息，該尿素樣品是純凈物還是混合物？

圖6 某尿素標(biāo)簽的部分信息

設(shè)計(jì)意圖： 呈現(xiàn)生活實(shí)際問題，體現(xiàn)化學(xué)學(xué)科價(jià)值，引導(dǎo)學(xué)生從微觀構(gòu)成上進(jìn)行猜想，激發(fā)學(xué)生為了驗(yàn)證假設(shè)積極參與建構(gòu)純凈物中元素含量的關(guān)系模型。

2.2.2 分析推理，建立模型

問題1： 純凈物有固定的組成，以尿素[CO（NH2）2]為例（下同），你能說出哪些信息？

設(shè)計(jì)意圖： 引導(dǎo)學(xué)生從整體與個(gè)體、宏觀與微觀視角分析符號的意義，培育“宏微符”轉(zhuǎn)化思維、“整體個(gè)體關(guān)系”思維認(rèn)識(shí)物質(zhì)世界的思想方法，幫助學(xué)生建立起物質(zhì)組成的內(nèi)隱關(guān)系（參照圖5）。

問題2： 純凈物中元素之間的質(zhì)量比例關(guān)系的表征方法有幾種？

設(shè)計(jì)意圖： 組織學(xué)生討論，幫助學(xué)生根據(jù)物質(zhì)組成的內(nèi)隱關(guān)系（參照圖5），引導(dǎo)學(xué)生利用“整體個(gè)體關(guān)系”思想，認(rèn)識(shí)純凈物中元素之間的質(zhì)量關(guān)系的兩種表征方法： 一種是元素質(zhì)量比，另一種是元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)。幫助學(xué)生建構(gòu)定量總和水平、定量變化水平和定量比例水平的思維框架模型，并加以理解和表征。

問題3： 根據(jù)物質(zhì)組成的內(nèi)隱關(guān)系（參照圖5），從微觀視角分析，構(gòu)成物質(zhì)的分子中各原子的質(zhì)量比如何用公式來表征？分子中各原子的質(zhì)量分?jǐn)?shù)如何用公式來表征？從宏微轉(zhuǎn)化視角分析，純凈物中各元素的質(zhì)量比可以如何表征？元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)可以如何表征？

設(shè)計(jì)意圖： 利用“宏微符”表征定量轉(zhuǎn)化和“整體個(gè)體關(guān)系”思維，將這種聯(lián)系從微觀層面推移到宏觀層面，通過證據(jù)推理，學(xué)生自然地建構(gòu)起計(jì)算模型，從而培育學(xué)生宏微定量轉(zhuǎn)化思維水平，促進(jìn)學(xué)生深刻理解計(jì)算模型的本質(zhì)和意義。

2.2.3 運(yùn)用模型，解決問題

問題4： 結(jié)合物質(zhì)組成的內(nèi)隱關(guān)系（參照圖5），說說尿素[CO（NH2）2]有哪些定量信息？

設(shè)計(jì)意圖： 評價(jià)學(xué)生“宏微符”表征定量轉(zhuǎn)化和“整體個(gè)體關(guān)系”的思維水平，促進(jìn)學(xué)生思維結(jié)構(gòu)化地理解計(jì)算模型的意義。

問題5： 通過數(shù)據(jù)說說該尿素樣品是純凈物還是混合物？該尿素樣品中尿素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)是多少？

設(shè)計(jì)意圖： 評價(jià)學(xué)生理解、運(yùn)用計(jì)算模型的遷移能力。

問題6： 多少克硝酸銨（NH4NO3）與100克尿素[CO（NH2）2]中氮元素質(zhì)量相等？

設(shè)計(jì)意圖： 評價(jià)學(xué)生對計(jì)算模型的理解、運(yùn)用水平，促進(jìn)學(xué)生“宏微符”表征定量轉(zhuǎn)化能力。

3 總結(jié)與反思

這一教學(xué)設(shè)計(jì)是培育學(xué)生證據(jù)推理與模型認(rèn)知素養(yǎng)的科學(xué)論證過程。該教學(xué)設(shè)計(jì)基于“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”素養(yǎng)內(nèi)涵，遵循學(xué)習(xí)進(jìn)階理論，體現(xiàn)“宏微符”三重表征這一化學(xué)學(xué)科獨(dú)特的思維方式，從而培育學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)，促進(jìn)學(xué)生深刻理解計(jì)算模型的本質(zhì)和意義。

實(shí)踐這一教學(xué)設(shè)計(jì)，關(guān)鍵是要幫助學(xué)生用“整體個(gè)體關(guān)系”思想和“宏微符”定量轉(zhuǎn)化思想展開分析推理，厘清各量之間的定性關(guān)系、定量總和關(guān)系、定量比例關(guān)系、定量變化關(guān)系和宏微定量轉(zhuǎn)化關(guān)系（或條件定量關(guān)系）。幫助學(xué)生厘清各量之間的關(guān)系，建立起“整體個(gè)體關(guān)系”思想和“宏微符”定量轉(zhuǎn)化思想，才能設(shè)計(jì)出簡約高質(zhì)的思維層級問題，才能有效培育學(xué)生的證據(jù)推理與模型認(rèn)知素養(yǎng)，促進(jìn)學(xué)生多維而有序地理解計(jì)算模型并運(yùn)用模型解決不同情境的化學(xué)問題。

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