基于“證據推理和模型認知”的元素化合物教學實踐

洪娟

摘要：鑒于學生困惑的元素化合物知識雜亂繁多的現狀，筆者提出基于“證據推理和模型認知”的元素化合物教學結構，指出從類別、價態角度，從元素周期律、價鍵結構角度，從化學平衡移動角度構建認識模型，從而形成多角度認識物質性質與轉化的認識系統，實現化學核心素養的培育和發展。

關鍵詞：證據推理;模型認知;元素化合物教學

中圖分類號：G633.8 ? 文獻標識碼：A ? 文章編號：1992-7711（2019）02-0003

一、問題提出

現實教學中不難發現，高中學生常常被元素化合物知識的雜亂繁多所困擾：學生在新課學習中糾結于物質性質的多樣性和轉化關系的復雜性。學生眼中的元素化合物知識需要記背的內容太多，即使花了很多時間記背方程式，到了考試還是用不上，因為考試題常常試題情境新穎，而他們從試題情境中提取有用信息，對信息進行加工、處理能力不夠，無法將試題與書本知識進行有效銜接。

要解決以上問題，筆者認為在元素化合物知識教學中，教師要著重指導學生自主建構元素化合物知識的學習框架，充分發揮“證據推理”在學習中的作用，形成物質性質與轉化的系統“認知模型”。

二、元素化合物教學中的“證據推理與模型認知”

作為化學學科研究的思維與本質的“證據推理與模型認知”包括以下五個方面的內涵[1]：具有證據意識，能基于證據對物質組成、結構及其變化提出可能的假設;通過分析推理加以證實或證偽;建立觀點、結論和證據之間的邏輯關系;知道可以通過分析、推理等方法認識研究對象的本質特征、構成要素及其相互關系，建立模型;能運用模型解釋化學現象，揭示現象的本質和規律。

在元素化合物教學中，“證據推理”素養的落實有“實驗論證”和“理論論證”。“實驗論證”是以實驗事實為證據，對物質性質的論證，可以分為定性證據和定量證據、直接證據和間接證據等;“理論論證”是利用概念原理知識從理論層面論證物質性質或反應規律的合理性，此類論證強調從微觀角度建立物質結構與性質之間的聯系。

元素化合物教學中的“模型認知”是指基于認識模型，形成對特定化學問題系統分析的思維過程。學生面對大量元素化合物事實性知識的時候，不應“散點”式地記憶，而應該基于特定認識模型，將大量事實性知識轉化為對某認識對象的認識系統，該系統包括重要的事實性知識、對該認識對象可能的認識角度和認識思路。

三、基于“證據推理和模型認知”的元素化合物教學實例

在課堂教學中，教師要不斷引導學生收集證據進行邏輯推理，形成并發展對元素化合物知識的認識模型，從而形成系統分析問題的方法。具體從以下幾方面入手。

1. 建構類別、價態角度的認識模型

蘇教版《鈉的性質和應用》，是高中學生化學學習中第一次系統學習活潑金屬元素。通過前面的學習，學生已經能從活潑性順序、原子結構、類別、價態等角度預測和解釋鈉的化學性質，也能設計實驗驗證。因此，教學可以從類別、價態角度，促進學生構建認識金屬元素性質與轉化的認識模型。

以下是“鈉的性質”教學片段。

導入：以“曾青得鐵，則化為銅”，從鐵與硫酸銅溶液這個學生熟悉的反應導入。預測Na和CuSO4溶液反應的實驗現象。

素養發展：利用金屬在溶液中的相互置換，類比推理，合理預測。

實驗探究一：（演示實驗）Na和CuSO4溶液。觀察、討論實驗現象，判斷產物和發生的反應。

素養發展：利用實驗現象與學生認知形成強烈沖突，通過現象分析推理可能反應，發展證據意識;根據實驗證據對物質變化提出可能假設，通過分析推理加以證實。

實驗探究二：（學生分組實驗）Na+H2O。學生親自切取鈉塊，觀察、討論、歸納鈉的物理性質和化學性質。

素養發展：預測Na和H2O反應產物——說出理論依據——設計實驗方案驗證，樹立電子守恒觀念。

實驗探究三：若要用Na置換出CuSO4中的銅單質，需要如何控制實驗條件？看實驗視頻。

歸納小結：鈉參與以上反應的反應類型？顯示出鈉的什么性質？怎樣解釋？能從微觀角度解釋物質性質，形成“結構決定性質”的觀念。能從宏微結合的視角分析與解決實際問題。

本節課從氧化還原反應角度（價態）、類別角度構建鈉的性質和轉化，從原子結構微觀角度解釋鈉的性質。通過歸納，學生得出鈉的還原性強。只有樹立了鈉具有強還原性的牢固認識，學生在遇到以下問題時，才不會受干擾信息影響：“單質（Na）在高溫隔絕空氣的條件下與不溶物紅棕色粉末（Fe2O3）反應生成化合物丙和另一種單質。化合物丙與空氣接觸可轉化為可溶性鹽。”解答此題的關鍵有兩點：一是辨識該反應是金屬的相互置換反應（書本認識模型是鋁熱反應），二是判斷反應產物是Na2O和Fe，并非Na2O2和Fe。若產物判斷為Na2O2和Fe，不符合氧化還原反應基本原理。

2. 建構周期律、價鍵結構角度的認識模型

《化學1》關注從類別、價態角度認識物質，但是缺乏對物質性質規律性研究，同類物質遵循怎樣的遞變規律，如何由已學物質預測未知物質的性質？導致物質性質產生遞變規律的原因是什么？要求我們在教學中，充分發揮元素周期律、價鍵理論、物質結構對元素化合物學習的解釋、指導作用。

以下是“探究第三周期元素性質遞變規律”的教學片段。

學生活動一：結合之前所學金屬性強弱的判斷方法，盡可能多地設計實驗方案探究同周期元素鈉、鎂、鋁金屬性強弱順序。

學生小組討論后找到了證據①金屬單質之間的置換反應來確定活潑性（比如Fe置換Cu）;證據②金屬單質在空氣中燃燒的劇烈程度來確定強弱;證據③金屬單質與水或等濃度稀鹽酸反應的劇烈程度來確定（如Na、Mg、Al分別和水反應）;證據④組裝成原電池裝置。根據“信息提示”，學生還找到證據⑤堿性強弱：氫氧化鈉>氫氧化鎂>氫氧化鋁。

師生總結：比較金屬性強弱的方法。

學生活動二：復習回顧氯溴碘元素非金屬性強弱的判斷方法，根據教材P6表格所提供的實驗事實，總結同周期元素硅、磷、硫、氯的非金屬性強弱順序。

學生小組討論后找到了實驗證據：與氫氣化合的難易程度、氣態氫化物的穩定性、最高價含氧酸的酸性、非金屬單質之間的相互置換、單質與變價金屬化合時的產物不同。

師生總結：第三周期元素金屬性、非金屬性強弱規律。試從原子結構的角度加以解釋。

本環節把學生從過去被動接受轉化為主動探索的過程，并通過資料分析、概括總結，實驗驗證、觀察辨析來推理、判斷，建立嚴密的理性思維模式。

當我們有了以上反應機理模型，我們就能更有序地破解多機理的反應關系。抽象的機理具體化，解決問題更有針對性。

四、反思與結論

在元素化合物教學中，要充分展現“證據推理”的思維過程，指導學生從類別、價態角度，從元素周期律、價鍵結構角度，從化學平衡移動角度建構“認識模型”，從而形成多角度認識物質性質與轉化的認識系統，這是一個認識螺旋上升的過程。

培育化學學科核心素養的教學更注重反映學生的學習過程，特別是在其認識活動中發展起來的認識角度和認識方式，強調了學生脫離書本后面對陌生情境運用化學知識和化學思維解決問題的能力。這就要求我們一線教師用智慧從“證據推理”出發，構建“模型認知”的教學結構，注重從證據推理到模型認知的引導，完整體現化學學科的價值魅力。

參考文獻：

[1] 教育部.《化學課程標準》（實驗稿）[S].北京：人民教育出版社，2017.

[2] 江宏偉.NaClO溶液、Ca（ClO）2溶液與CO2反應的生成物探究[J].化學教與學，2014（2）.

[3] 陳進前.分階段促進學生化學學科認識方式發展[J].化學教學，2018（3）.

[4] 王磊.基于學生核心素養的化學學科能力研究[M].北京：北京師范大學出版社，2017.

（作者單位：浙江省杭州市余杭高級中學 ? 311100）