基于證據推理與模型認知的教學實踐探索

成迎春

摘要：以“原子的結構”教學為例，復原化學史實、創設驅動任務，培養學生形成基于證據推理與模型認知的核心素養，提升學生化學學科觀念和學科思維能力，對在理論教學中落實化學核心素養教學進行有效探索。

關鍵詞：證據推理;模型認知;核心素養;原子結構;教學設計

文章編號：1008-0546（2020）02-0045-03 中圖分類號：G632.41 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2020.02.014

《中國學生發展核心素養》認為核心素養是學生應具備的，能夠適應終身發展和社會發展需要的必備品格和關鍵能力。高中化學核心素養包括“宏觀辨識與微觀探析”“變化觀念與平衡思想”“證據推理與模型認知”“科學探究與創新意識”“科學態度與社會責任”5個維度，五類素養各有側重，相輔相成，全面展現了學生通過化學課程學習形成的關鍵能力和必備品格。本文就“證據推理與模型認知”談一談個人的認識，并結合“原子的結構”一課的教學說一說具體的做法。

一、借助于實證推理、模型認知研究化學物質是化學思維的典型特征

科學家經過一定的觀察、調查、實驗，收集大量數據，利用想象、比對和對比的方法，建立一個仿真的、簡潔的描述，這就是科學模型。在科學研究中，科學家總是使用各種科學模型來表示難以直接觀察的東西，模型認知是一種重要的思想方法，它可以幫助人們理解并解釋我們看到的宏觀表現，并能用來預測物質可能會表現出哪些性質。

科學的發展過程是一個不斷建立科學模型和用新的科學模型代替舊的、不完善的科學模型的過程。在建立模型和修正模型的過程中，對信息進行加工的思維方式就是證據推理。

二、證據推理與模型認知的科學素養的養成需要通過深度教學來推動

深度教學指教師借助于一定的活動情境帶領學生超越一般的表層知識符號學習，進而進入知識內在的邏輯形式和意識領域。根據知識內涵的豐富價值，完整地實現知識教學對學生的發展價值。深度教學并不是要求教授更難的知識，而是要求教師根據學情的實際情況，盡可能讓學生掌握更多的知識，追求教學的廣度，創造真實的情景，提升學生的學科思維、學科觀念。

三、證據推理與模型認知的科學方法的落實需要以學生為主體

學生只有通過自主、合作、探究等多樣化的親身經歷，才能很好的獲取知識，讓學生經歷“收集證據一建立模型一再收集證據一修正模型”這一過程，使學生不斷探索與實踐，有利于形成化學學科觀念和化學核心素養，培養科學的發現者。

下面以“原子的結構”一課教學為例談談在教學中如何讓學生經歷和體驗“證據推理與模型認知”。

四、教學設計

1.學情分析及設計思路

通過八年級物理的學習，學生已經初步了解了一些分子、原子的知識。知道微粒性，并能夠解釋一些常見的現象：蒸發、升華、熱脹冷縮等。在九年級化學第1章學習中，學生也接觸了一些關于物質構成的初步知識，并通過對金剛石與石墨微觀結構模型的觀察，認識到物質都有一定的組成和結構，結構決定性質。這些內容對本課的學習具有鋪墊作用。

值得關注的是，學生雖然已有微觀構成的一些印象，但九年級學生的想象能力偏弱，對本節內容學習不利。因此在教學中應輔以豐富的具體事實作為抓手，以豐富的活動作為載體，引導學生抓住證據，學會分析、推理、想象、抽象、比對的科學方法，通過親歷化學探索活動建立相關科學模型，了解原子的結構，形成一定的化學學科思維，體驗科學研究的艱辛與喜悅，形成一定的科學觀念。

2.教學過程

（1）巧設開場活動，激發學生探究興趣，培養科學推理的方法

宏觀的、具體的事物容易被學生接受，在化學中，我們所做的觀察都是從宏觀開始，然后再去探索微觀層面的結構。因此，課前給每一小組準備了一個包裝精美的禮盒，里面放了2盒不同顏色粘土、三種顏色的磁球（多個）、幾小袋曲奇餅干和半個洋蔥。要求學生在不打開禮盒的情況下，想盡辦法推測禮盒里物質形狀、大小、數量等信息。

該活動旨在幫助學生建立結論和證據之間的關系，知道通過收集證據、分析、推理等方法研究物質是一種常用的科學方法。

（2）立足化學史實，引導學生推理，初步建立科學模型

科學理論是要經過反復驗證的，長期以來，人們根據各種實驗數據提出了各種原子理論，相應的建立了對應的科學模型。隨著收集的證據越來越豐富，原子理論和模型也在不斷完善。課前整理并選擇一些原子發現的化學史實，制作成微課或圖形并茂的PPT，帶領學生一起站在巨人之肩，重溫原子發現之旅，像科學家那樣去思考，像科學家那樣去探索（表1，圖1-6）。

（3）精設練習和問題，培養學生收集證據的意識和分析推理的素養，修正模型認知

設計一系列的問題或練習，引導學生產生矛盾、困惑、頓悟，豐富證據，不斷修正完善模型認知。

問題1：讓學生用硬幣為模板在紙上畫一個圓，以此代表居于原子中間的原子核，量出直徑，要求學生估算原子的直徑邊緣大約在哪里，通過計算用數據證實觀點。

問題2：已知氫、氦、碳原子的電子數分別為1、2、6，要求學生用玩具磁球在黑板上擺出盧瑟福的原子模型。

問題3：原子核帶正電，幾乎集中了原子所有的質量，核外電子帶負電荷且質量非常小，為什么電子不會被原子核吸在一起呢？

問題4：一個原子有幾個原子核？原子核還能不能再分？

通過一系列的問題鏈，可以讓學生加強已有的原子模型認識，又可以為豐富學生的證據，進一步完善模型認知作好鋪墊。學生搭建多電子的原子模型時就會心存疑問：一個原子有幾個原子核？原子帶不帶電？多個電子怎樣排列？教師則可抓住學生的思維的矛盾，引領學生分析、推理得出正確的認知，并適時拋出新的證據。

通過微課或PPT展示近代原子的發展：1913年，湯姆生和盧瑟福的學生波爾提出：電子具有一定數量的能量，這些能量使得它們能夠在特定的軌道上運動。就像行星在穩定的軌道上繞太陽旋轉，或者像洋蔥的各個皮層。1919年盧瑟福和他的助手用α粒子“轟擊”氮原子核等，發現原子核里面有帶正電荷的質子，每個質子所帶的電與電子所帶的電荷量相同，電性相反。1932年查德威克用α粒子“轟擊”鈹原子核等實驗，從原子核中得到了一個不顯電性的粒子，命名為中子。中子的質量與原子的質量幾乎相等。

問題5：觀察部分原子結構表（表2），要求學生分析得出信息，并用磁球搭建具體中子和質子的原子模型。

學生通過對表格中數據的收集，比對，可以推理出很多結論：不是所有的原子核中都要中子;中子數目不一定等于質子數;質子數=核外電子數;不同原子中子數可能相同……

問題6：在磁性黑板上用硬幣畫一個圓代表原子核，每隔一定距離畫幾個同心圓或用安全的飛鏢玩具，讓學生用磁球扔原子核。

1920年化學家海森堡提出測不準原理：實驗發現無法精確測量某個電子在某個時刻的位置與動量。通過圖片展示現代原子的電子云模型。

五、教學反思

綜上，在教學生不僅關注學生學科知識的掌握，更在于關注學生通過以上的探索和學生親歷，形成分析問題、收集證據解決問題的思路。培養學生的證據意識，推理、想象和建立模型的能力，提高科學素養。問題探究和實驗探索是培養化學核心素養中“證據推理與模型認知”的主要手段。通過真實的化學情景，精心設計問題和學生活動，重復展開討論，培養學生收集并豐富證據，依據證據進行推理和修正科學模型，養成良好的科學思維，真正做到像科學家那樣思考，像科學家那樣探索，知識能力方法并重，動手動腦趣味無窮，讓科學成為習慣。