基于“證據推理”視角下高中化學教學設計

孫遠菊 劉公園

摘要：基于新課改提出的培育學生學科核心素養的要求，對培養“證據推理”核心素養的高中化學教學設計進行了探索，提出了“厘清情境、提取證據一作出假設、建立觀點一分析推理、驗證假設一獲得結論、形成概念”的證據推理模式。在此基礎上以“鈉和水反應”知識點為例進行教學設計，融入三重表征以及定性分析、定量分析的思維方式，對證據的提取和結論的獲得進行了分析。

關鍵詞：證據推理;鈉和水反應;教學設計

文章編號：1008-0546（2020）03-0064-06

中圖分類號：G632.41

文獻標識碼：B

doi： 10.3969/j .issn.1008-0546.2020.03.018

一、關于“證據推理”概述

1.含義

“證據推理”（ Evidential Reasoning）是指通過觀察問題情境，提取物質及其變化的相關證據，運用分析推理、抽象概括等方式，形成科學結論的過程。其對學生的學習提出了相應的要求[1]，要求學生能通過進行分析推理形成結論，能解釋證據與結論之間的關系，確定形成科學結論所需要的證據和尋找證據的途徑。

2.特征

2017版課標對“證據推理”規定達到的目標是[2]：“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”。其中提及的“觀點、結論、證據”等詞，體現了“證據推理”的特征，即有證據意識，能運用“宏觀、微觀、符號”（三重表征）和定性、定量分析等思維進行分析推理。

用流程圖（見圖1）來表征“證據推理”的過程：（注：S1、S2指融人的化學思想，A1、A2、A3指各個環節所發揮的功能。）

前端分析包含厘清情景、提取證據和作出假設、建立觀點兩個步驟，即從素材中獲取信息，并作出猜想假設的過程;后端分析包含分析推理、驗證假設和獲得結論、形成概念兩個模塊，即用實驗驗證假設，并得到結論，從而構建知識的邏輯系統，形成概念。前端分析、后端分析及融入的思維方式共同構成“證據推理”的教學模式。

二、基于“證據推理”視角下教學設計——以必修模塊“鈉與水反應”為例

筆者以素養之一“證據推理”的形式進行了高一知識點“鈉與水反應”（人教版，必修1）的教學設計，探索新課標（2017版）背景下培育學生學科核心素養的高中化學教學設計。

1.教學目標

（1）通過“滴水點燈”的小魔術和“沈陽工廠發生爆炸”的新聞小視頻創設真實問題情境。

（2）通過演示實驗，驗證假設，獲得結論。從現象、元素種類、化合價以及氣體的性質等方面對產物進行分析，得到最終的結論。

（3）通過實驗方案的選擇以及學生實驗的方式，初步掌握選擇儀器及檢驗物質裝置等實驗技能，并從中體會學習化學的樂趣，增加學習興趣。

（4）學習實際生產中“鈉著火撲救”的方法，掌握生活常識，知道面對緊急事故時的處理方法，拓展知識視野，感受化學與生產生活的密切聯系。

2.設計思路

3.教學過程

本教學設計的過程主要是通過兩條線索展開，即明線索和暗線索。明線索是以“問題”形式進行，通過“交流討論、演示實驗、學生實驗以及角色扮演”等方式來掌握知識，并能學以致用，促進知識的遷移。暗線索是通過表演“滴水點燈”的小魔術和新聞素材的導人，初步獲得金屬鈉的某些性質，并營造一個個教學情境，層層遞進，啟發誘導，進一步獲得金屬鈉的性質。

（1）教學環節I：創設情境，推測性質

【情景導人】水通常用來滅火，那水是否能用來生火呢？表演“滴水點燈”的小魔術。用鑷子取事先準備好的一小塊金屬鈉，包裹于干燥的酒精燈燈芯處，再用滴管在燒杯中取水，滴一滴水于燈芯上。可觀察到酒精燈的燈芯燃了起來（見圖3）。（注：實驗儀器及藥品有酒精燈、金屬鈉、鑷子、蒸餾水、燒杯、滴管。）

【問題】為什么酒精燈的燈芯藏有一小塊金屬鈉滴水后燃了起來呢？（要求：前后兩排為一個小組進行交流討論。）

【學生】金屬鈉可能和水發生了反應。

【教師】為了初步推測大家的猜想，我們來觀看一小段新聞視頻。

【視頻播放】播放“沈陽廠房發生爆炸”的新聞小視頻，同樣思考下面三個問題。（新聞內容：沈陽市沈北新區百龍生物有限公司廠房在中午12：50左右突然發生爆炸，當時是火光沖天，爆炸的聲音巨大，廠房的外墻和玻璃已經被燒毀。究其爆炸原因，廠房存有大約200公斤的金屬鈉，經調查，該工廠已經停產10個月。由于下雨，廠房的頂部漏水，金屬鈉遇水發生了爆炸，當時場景十分驚險。這種鈉產生的火災，并不能用傳統噴灑的方式進行滅火，現場的消防隊員是用于粉和水泥覆蓋，采用隔絕氧氣的方式來進行滅火，等天晴或者更合適的方式再來對金屬鈉進行處理。據了解，高純度的金屬鈉，通常保存在實驗室和工廠中，遇水產生的物質對人體有一定傷害。）

【問題】①通過觀看視頻，描述廠房著火的原因。②工廠著火后，消防員是怎樣滅火的？③消防員滅火之后，為什么不立即對工廠進一步處理？

【學生】①房廠內存放大約200公斤的金屬鈉，由于下雨，廠房頂部漏水，雨水遇上金屬鈉發生了反應，從而導致火災。②用干粉和水泥覆蓋，采用隔絕氧氣的方式來滅火。③保存在廠房中的高純度的金屬鈉遇水產生的物質，對人有一定傷害。

【角色扮演】能稱之為“偵探”的人都非常善于從所獲得的線索中尋找關鍵點，通過分析推理，偵破案件。若現在我們都是偵探，大家思考一下，可以從“滴水點燈”的魔術和這則新聞中提取有關金屬鈉性質的哪些關鍵信息呢？

【學生1】金屬鈉能和水發生反應，并放出大量的熱。

【學生2】金屬鈉著火不能用水滅火，要用干粉或者水泥覆蓋，隔絕氧氣，從而達到滅火的目的。

【學生3】金屬鈉和水反應，能產生對人有一定傷害的物質。

【板書】一、獲取信息

（1）鈉能和水反應，放出熱量。

（2）鈉著火不能用水撲滅。

（3）鈉和水反應，生成對人有一定傷害的物質。

【提問】從獲取的這三條信息中，同學們嘗試著推測一下金屬鈉具有什么性質呢？

【學生】金屬鈉的性質很活潑，能和水發生反應。

【追問】金屬鈉性質的活潑性，我們可以通過對什么的分析得出？

【學生】從初中所學的金屬活動順序表可以看出，金屬鈉排在第三位，所以它的性質非常活潑。

【啟發】除此之外，還可以通過什么來進行判斷呢？可以聯系一下我們一直所說的學習化學的一條重要線索：“結構決定性質、性質決定用途”。

【學生】還可以通過原子結構示意圖來進行分析，鈉的最外層只有一個電子，容易失去，所以它的性質非常活潑。

【板書】二、鈉的性質

②性質非常活潑

設計意圖：以魔術和新聞素材創設真實的問題情境，從感性認識入手，激發學生的好奇心和探究意識，通過一系列問題，引導學生從問題情境中提取信息，分組交流討論，找出關鍵點，得到金屬鈉性質非常活潑的結論。再從微觀的角度，用金屬鈉的原子結構示意圖闡述所獲得的結論，最終上升為理性認識。

（2）教學環節Ⅱ：實驗驗證，獲得結論

【疑問】金屬鈉與水反應生成的對人體有傷害的物質會是什么呢？下面老師為大家演示課本上的實驗3-3，大家將自己觀察到的現象寫在草稿紙上。

【提問】同學們觀察到了什么現象呢？

【學生1】從試劑瓶中取金屬鈉時，鈉是沉在煤油底部（見圖4）。

【學生2】將切好的鈉粒投入水中時，鈉浮在水面。然后熔化為球狀游來游去，并聽見擴音器中有“嘶嘶”的聲音，最后，鈉小球消失了。培養皿中的溶液隨著鈉球的游動而慢慢變紅（見圖5）。

【提問】觀察到的這些現象，體現了金屬鈉具有哪些性質呢？

【學生】①金屬鈉沉在煤油底部和浮在水面上，說明金屬鈉的密度比煤油的大，比水的小。②切好的鈉粒在水中能熔化成小球，說明它的熔點低。③滴有酚酞的水溶液變紅，說明反應生成了堿性物質。

【查閱資料】金屬鈉的密度為0.97g-cm^-3，水的密度為1g·cm^-3，煤油的密度為0.8g.cm^-3。

【討論】金屬鈉和水反應生成的產物是什么呢？我們可以從哪些方面來分析呢？（學生分組討論，然后總結。）

【學生】可以從現象、元素種類、化合價以及氣體的性質等方面進行分析。（經過學生之間的交流討論，以及教師的提醒，學生總結得出結論。）

【產物分析】

現象分析：滴加酚酞的溶液變紅——有堿性物質產生

四處游動——有氣體產生

元素種類分析：金屬鈉與水反應，里面所涉及到的元素有Na、O、H。所以生成的堿性物質只能是NaOH。在此可以看出生成的氣體可能是02，也有可能是H2，到底是什么我們可以從氣體的性質和化合價兩個角度進行分析。

氣體的性質：①化學性質：H2具有可燃性，O2具有助燃性。（可通過燃燒的方式檢驗）

②物理性質：H2的密度小于0：的密度。（用吹肥皂泡的方式檢驗，H2吹的肥皂泡飄向天空，O2吹的肥皂泡向下空飄）

化合價分析：鈉和水反應生產NaOH，化合價升高，在同一個反應體系中化合價有升，必有降。（通過分析H+是+1價，可以得電子，形成H2;0是-2價，不能再得電子。所以產生的氣體只能是H2。）

（從定性分析以及定量分析的角度對產物進行分析，從而獲得結論。）

【板書】三、結論

（1）實驗現象：浮、熔、游、響、紅。

（2）化學反應方程式：

2Na+2H2O—2NaOH+H2 ↑

（3）離子反應方程式：

2Na+2H20=2Na++20H+H2 ↑

【闡述】“浮”說明了鈉的密度比水的小，“熔”說明了鈉的熔點低，而“游”和“響”則是因為在反應的過程中生成了氣體，推動鈉小球的游動，反應放出大量的熱，所以才聽到響聲。

【討論】大家思考一下，老師做的演示實驗的裝置存在著哪些問題？

【學生】這個實驗裝置無法判斷產生的氣體是什么？

【追問】那怎樣對裝置進行改進，收集到氣體，并能驗證此氣體就是H2呢？大家相互間思考交流。

【學生】……

【教師】老師準備了幾個實驗裝置改進的方案，大家一起來判斷是否可行。

【PPT展示】

（通過教師和學生們對這三個實驗裝置進行觀察、分析，總結出這三個實驗裝置在操作方面所存在的問題，并針對不足的地方，再進一步對實驗裝置進行改進。）

【討論】大家思考一下，怎樣進行改進，以便知道H2的量是多少？

【學生】若要測定H2的量，要用帶有刻度的儀器來收集。

【追問】那可以用什么儀器呢？

【學生】…….（思考交流之后，不能想出合適的儀器。）

【教師】其實，收集氣體的儀器可以用醫院里最常見的注射器，將其拔掉針頭，就可以收集。注射器由于它便宜易得等優點，成為很多作實驗改進研究人員首選的改進儀器。

【討論】大家思考一下，若用圖6所示的裝置圖，是否可行？（同樣，分組討論）

【學生】不可行，試管中的水應該裝滿。若水沒有裝滿，注射器收集到的氣體里混有空氣，因空氣里含有氧氣，用點燃的方式進行檢驗時，易發生爆炸，存在安全隱患。

【追問】是不是只要把試管中的水裝滿就行了呢？

【學生】不行，若把試管中的水裝滿，觀察不到鈉浮在水面上等實驗現象，且實驗操作起來也比較困難。

（通過教師和學生們的討論，得出最終的實驗方案來定量收集H2（見圖7），并以此改進實驗作為學生實驗。）

【視頻播放】為了更加清楚地觀看鈉和水反應的劇烈程度，老師特意剪切了“美麗化學”中“放熱反應”有關鈉和水反應的視頻。（視頻內容：將鈉放入水中，加快2倍、3倍和1.5倍，可以清晰地看到鈉的游動速度和消失的速度。）

設計意圖：多方面進行分析，得出相應的產物，運用定性、定量及三重表征的思維，去粗取精，去偽存真，由表及里地認知金屬鈉的性質，學生不僅明白反應原理和掌握分析實驗原理的思維方法，也學會從多角度去分析問題，播放“美麗化學”視頻，展現化學世界的美好與和諧。

（3）教學環節Ⅲ：動手實驗，建構知識

【要求】5個人為一個小組。

【學生實驗】藥品及儀器：鈉粒、煤油、酚酞水溶液、肥皂水、試管、帶孔的橡皮塞、橡皮管、導管、長頸漏斗、拔掉針頭的注射器。（裝置圖如圖7所示）

步驟：（注：事先將鈉保存在裝有煤油的試管中）

①將導管和長頸漏斗插入帶孔的橡皮塞中（如圖7所示）。

②塞緊橡膠塞，將長頸漏斗的頂端插入煤油里面，接近試管底部。在導管處連接上注射器。

③往長頸漏斗里面加入酚酞水溶液。

實驗現象：①鈉會沉在酚酞水溶液和煤油的分界線，隨著反應的進行鈉球往上升，然后又掉下來，再上升，如此反復直到消失。溶液也隨著鈉球的上下游動而逐漸變為紅色。②注射器的活塞向上移動。將注射器的頂端沾肥皂水，并移動活塞吹泡，可觀察到肥皂泡飄向上空。

設計意圖：學生動手實驗，真正地參與教學活動中，培養合作精神和與人溝通、分享的能力，并從中體會學習化學的樂趣，展示學生的主體地位和教師的主導作用。

（4）教學環節IV：“角色”總結，遷移運用

【角色扮演1】若我們是沈陽百龍生物有限公司的老板，工廠停工，我們該采取怎樣的措施才能確保金屬鈉不會產生危險事故呢？

【學生1】可以將其裝在一個大桶里面，把桶里的空氣抽干，以真空的形式保存。

【學生2】可以把它保存在一個裝有煤油的大桶里。

【學生3】可以用一層東西覆蓋在金屬鈉的表面。

【學生4】要確保廠房不漏水….

【角色扮演2】鈉和水反應非常劇烈，且反應的過程中有堿性物質生成，因此新聞中消防員沒有立即對廠房進行處理。若我們是附近的居民，我們不能做什么？應該怎樣做才能更好的保護自己呢？（前后兩排為一個小組，交流討論。）

【學生1】面對這樣危險的時候，要鎮定，趕緊撥打報警電話119，然后遠離廠房。

【學生2】不能魯莽，在不清楚火災發生原因的前提下，切不可用水去滅火……

具體的事故應對策略見圖9。

【提問】結合今天所學的知識點，根據金屬鈉的性質，大家推測一下金屬鈉在實際的生產生活中有哪些用途？

【學生】因為能和水發生劇烈的反應，所以可以用作“強除水劑”。

【討論】在初中的時候我們就知道滅火的方式有許多，如用水滅火、用沙子或者泡沫滅火器等方式來滅火，大家思考一下，如果是金屬鈉著火，能用泡沫滅火器滅火嗎？

【學生】不能，因為泡沫滅火器里面有C02和水分，它能與金屬鈉發生反應，從而使火勢加大。因此，不能用泡沫滅火器進行滅火。

設計意圖：用“角色扮演”的方式進行教學，促進學生發散性思維的發展和培養換位思考的能力。在獲得知識的同時，也讓學生明白遇見緊急事故時的處理方法。

三、結語

鈉和水反應是培養學生觀察能力、分析推理以及抽象概括能力很典型的知識點，這與“證據推理模式”相契合。因此在教學的過程中，有意識的進行教學內容的“證據推理”化，幫助學生形成多方面的能力，并將核心素養的思想滲透到各個環節中，促進學生學科素養的發展。但也要注意[3]“學生化學學科核心素養的發展是一個自我建構、不斷提升的過程，教師要緊緊圍繞化學學科核心素養發展的關鍵環節，引導學生積極開展建構學習、探究學習和問題解決學習，促進學生化學學習方式的轉變”。

參考文獻

[1] 吳星.對高中化學核心素養的認識[J].化學教學，2017（5）：3-7

[2][3]中華人民共和國教育部.普通高中化學課程標準（ 2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2018：4