基于“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”的實(shí)驗(yàn)探究教學(xué)

丁玲杰 王永臻 李德前

摘要：基于理論分析、猜想假設(shè)、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證等方式，探究真實(shí)情境下Fe與Fe₃O₄在情況;在此基礎(chǔ)上，引導(dǎo)學(xué)生演練有關(guān)探究Fe與Fe₃O₄存在的中考真題。這系列探究活動(dòng)，發(fā)展了學(xué)生的理性思維，增強(qiáng)了學(xué)生的建模水平，提高了學(xué)生學(xué)以致用的能力，著力培育了學(xué)生“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”的核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：核心素養(yǎng)，證據(jù)推理與模型認(rèn)知，實(shí)驗(yàn)探究，F(xiàn)e與Fe₃O₄的存在

文章編號(hào)：1008-0546（2020）05-0091-03 中圖分類號(hào)：G632.41 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2020.05.024

有關(guān)文獻(xiàn)和教學(xué)實(shí)踐證明，基于化學(xué)實(shí)驗(yàn)的探究活動(dòng)是發(fā)展學(xué)生“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”素養(yǎng)的最佳載體。

教學(xué)中，我們圍繞Fe與Fe₃O₄的存在情況開(kāi)展系列探究活動(dòng)，培養(yǎng)學(xué)生依托證據(jù)進(jìn)行推理的意識(shí)，提高學(xué)生的科學(xué)探究欲望與解決實(shí)際問(wèn)題的能力，提升學(xué)生基于化學(xué)視角認(rèn)識(shí)客觀事物的水平，構(gòu)建實(shí)驗(yàn)探究認(rèn)知模型，并不斷發(fā)展學(xué)生的“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”素養(yǎng)。

一、教學(xué)基本思路

這是一節(jié)綜合性的復(fù)習(xí)課，主要教學(xué)意圖是促進(jìn)學(xué)生掌握檢驗(yàn)Fe與Fe₃O₄存在的常用方法，構(gòu)建解決此類問(wèn)題的形式模型;通過(guò)系列探究活動(dòng)，增強(qiáng)學(xué)生的證據(jù)意識(shí)、推理意識(shí)和建模意識(shí)，提高學(xué)生的猜想與預(yù)測(cè)、論證與分析、建模與解題等水平，發(fā)展學(xué)生“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”的核心素養(yǎng)。

本節(jié)課由4個(gè)探究活動(dòng)串聯(lián)而成，依次是：正立在桌子上的一瓶氣體是什么氣體——此活動(dòng)旨在啟迪學(xué)生的證據(jù)推理意識(shí);鐵絲絨在氧氣中燃燒濺落下來(lái)的黑色固體是什么物質(zhì)——此活動(dòng)旨在培養(yǎng)學(xué)生證據(jù)推理能力，初步建構(gòu)實(shí)驗(yàn)探究認(rèn)知模型;CO還原Fe₂O₃得到的黑色固體是什么物質(zhì)——此活動(dòng)旨在強(qiáng)化學(xué)生證據(jù)推理意識(shí)、提升證據(jù)推理能力，建構(gòu)實(shí)驗(yàn)探究認(rèn)知模型;演練本地的中考實(shí)驗(yàn)探究題——此活動(dòng)旨在利用建構(gòu)的模型解決簡(jiǎn)單的實(shí)際問(wèn)題，鞏固證據(jù)推理能力。

上述每個(gè)活動(dòng)既保持獨(dú)立，又首尾呼應(yīng)，且不斷推進(jìn)。整節(jié)課，教師將學(xué)科知識(shí)與解題方法、操作技能與實(shí)驗(yàn)方法、學(xué)科觀念與科學(xué)素養(yǎng)等，巧妙融合于科學(xué)探究中、轉(zhuǎn)化于思維空間內(nèi)、變換于中考真題里，進(jìn)而將學(xué)生引入核心素養(yǎng)的孕育之中。

二、教學(xué)主要過(guò)程

1.探究活動(dòng)I：正立在桌子上的一瓶氣體是什么氣體

[問(wèn)題情境]這瓶剛收集的正立在桌子上的氣體（見(jiàn)圖1），是我們學(xué)習(xí)過(guò)的哪種常見(jiàn)氣體呢？

[分析推理]學(xué)生通過(guò)看氣體顏色及放置方式，聞氣體氣味等物理手段，對(duì)氣體成分進(jìn)行初步判斷，并在此基礎(chǔ)上對(duì)氣體成分作出猜想。

[提出猜想]這瓶氣體可能是氧氣，也可能是二氧化碳?xì)怏w。

[設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)]如果猜想是氧氣，可以依據(jù)氧氣能支持燃燒的特性設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn);如果猜想是二氧化碳?xì)怏w，可以依據(jù)二氧化碳能使石灰水變渾濁的特征反應(yīng)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。

[證據(jù)推理1]各小組利用提供的試劑（澄清石灰水）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)石灰水沒(méi)有變渾濁，說(shuō)明這瓶氣體不是二氧化碳?xì)怏w。

[證據(jù)推理2]選用鐵絲絨進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，其操作過(guò)程（見(jiàn)圖2）。將點(diǎn)燃后的超細(xì)鐵絲絨緩慢伸入集氣瓶?jī)?nèi)，立即觀察到鐵絲絨燃燒異常劇烈，濃密的火星四處飛濺，放出大量的熱。

[形成結(jié)論]集氣瓶?jī)?nèi)的氣體是氧氣。

（活動(dòng)意圖及教學(xué)分析：該活動(dòng)引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)猜想、證據(jù)和結(jié)論之間的關(guān)系。觀察氣體顏色和氣體放置方式，是獲取氣體性質(zhì)的重要途徑;由于是瓶口向上放置的常見(jiàn)無(wú)色氣體，因而初步推知是氧氣或二氧化碳。再利用石灰水、易燃物，不難驗(yàn)證集氣瓶?jī)?nèi)盛放的是氧氣）

2.探究活動(dòng)Ⅱ：鐵絲絨在氧氣中燃燒濺落下來(lái)的黑色固體是什么物質(zhì)

[問(wèn)題情境]剛才的集氣瓶?jī)?nèi)，殘留的黑色固體是什么物質(zhì)呢？

[分析推理]鐵在氧氣中燃燒的產(chǎn)物是Fe₃O₄，因此殘留的黑色固體中一定含有Fe₃O₄。另外，如果氧氣有限，一部分來(lái)不及燃燒的熔融鐵會(huì)伴隨著燃燒產(chǎn)物而濺落下來(lái)，所以黑色固體中還可能含有Fe。

[提出猜想]由上述分析，學(xué)生不難提出如下兩個(gè)猜想：

①黑色固體全部是Fe₃O₄;

②黑色固體是Fe與Fe₃O₄的混合物。

[分析推理]要證明上述猜想，可以根據(jù)Fe、Fe₃O₄的物理特性或特征反應(yīng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。由于Fe和Fe₃O₄都是黑色固體、都能被磁鐵吸引，因此檢驗(yàn)兩者的存在通常依據(jù)它們各自的特征反應(yīng)來(lái)選擇試劑。

[過(guò)渡]下面給同學(xué)們提供三種試劑（稀鹽酸、稀硫酸、CuSO₄溶液），請(qǐng)你們通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定，這三種試劑是否可以用來(lái)探究F。與Fe3O₄的存在。

[分組實(shí)驗(yàn)]共有6個(gè)小實(shí)驗(yàn)，每組選擇1個(gè)進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告，并分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、形成實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

[證據(jù)推理]在僅含有Fe、僅含有Fe₃O₄、既含有Fe又含有Fe₃O₄的試管里，分別加入稀鹽酸或稀硫酸或CuSO₄溶液時(shí)，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象各不相同。因此，檢驗(yàn)Fe和Fe₃O₄的存在可以使用足量的稀鹽酸、稀硫酸或CuSO₄溶液。

[證據(jù)收集]學(xué)生取少許鐵絲絨燃燒濺落下來(lái)的黑色固體，研碎并裝入試管，滴加足量的CuSO₄溶液（或稀硫酸或稀鹽酸），發(fā)現(xiàn)黑色固體部分變?yōu)榧t色固體，溶液逐漸變?yōu)闇\綠色。

[形成結(jié)論]鐵絲絨燃燒濺落下來(lái)的黑色固體中，既含有Fe也含有Fe₃O₄。

（活動(dòng)意圖及教學(xué)分析：該活動(dòng)引導(dǎo)學(xué)生對(duì)證據(jù)進(jìn)行分析和推理，確立結(jié)論和證據(jù)之間的邏輯關(guān)系，初步建立實(shí)驗(yàn)探究的認(rèn)知模型，從而培養(yǎng)學(xué)生推理和分析的能力。根據(jù)鐵和氧氣反應(yīng)的產(chǎn)物以及反應(yīng)物的量，對(duì)黑色固體的成分提出兩種猜想;根據(jù)Fe和Fe₃O₄的性質(zhì)和特征反應(yīng)，設(shè)計(jì)不同的探究方案;根據(jù)黑色固體與酸溶液或硫酸銅溶液反應(yīng)的現(xiàn)象，推知黑色固體中含有Fe和Fe₃O₄）

3.探究活動(dòng)Ⅲ：CO還原Fe₃O₃得到的黑色固體是什么物質(zhì)

[觀看微課]CO還原Fe₂O₃實(shí)驗(yàn)。

該微課的主要內(nèi)容是：①再現(xiàn)該實(shí)驗(yàn)的主要操作、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象;②介紹CO與Fe₂O₃反應(yīng)的機(jī)理，即Fe₂O₃中的氧元素是逐步失去的（Fe₂O₃→Fe₃O₄→FeO→Fe）;③介紹鐵的氧化物的一些特征，即只有Fe₂O₃是紅棕色，其余皆是黑色;只有FeO不穩(wěn)定（在空氣中很快被氧化為紅棕色的Fe₂O₃），只有Fe₃O₄有磁性。

[證據(jù)收集]取少許CO還原Fe₂O₃實(shí)驗(yàn)所得黑色粉末，倒在白紙上，發(fā)現(xiàn)黑色粉末沒(méi)變色。用磁鐵靠近黑色粉末，發(fā)現(xiàn)能被全部吸引。據(jù)此，學(xué)生猜想黑色粉末的組成。

[提出猜想]

①黑色粉末中僅含有Fe;

②黑色粉末中僅含有Fe₃O₄;

③黑色粉末中含有Fe和Fe₃O₄。

[證據(jù)推理]取樣，滴加足量的稀鹽酸或CuSO₄溶液;根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，即可判斷Fe與Fe₃O₄的存在情況。

[形成結(jié)論]CO還原Fe₂O₃實(shí)驗(yàn)得到的黑色粉末中，既含有Fe也含有Fe₃O₄。

（活動(dòng)意圖及教學(xué)分析：通過(guò)對(duì)CO還原Fe₂O₃得到的黑色固體探究，提升學(xué)生尋找證據(jù)的能力;引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)事實(shí)收集相關(guān)證據(jù)，對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行分析和推理，做出有理有據(jù)的解釋并得到合理的結(jié)論，構(gòu)建實(shí)驗(yàn)探究的認(rèn)知模型。）

4.探究活動(dòng)Ⅳ：演練中考真題（中考實(shí)驗(yàn)探究題）

[過(guò)渡]探究Fe與Fe₃O₄的存在情況是中考實(shí)驗(yàn)命題的熱點(diǎn)，適當(dāng)融合問(wèn)題情境、猜想假設(shè)、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證、得出結(jié)論、拓展延伸等環(huán)節(jié)，就是一道實(shí)驗(yàn)探究試題。著重考查學(xué)生運(yùn)用掌握的方法和建構(gòu)的模型，解決新問(wèn)題的能力。

[投影題目]徐州市中考實(shí)驗(yàn)探究題（此處題目省略）。

[試題分析]此題以“鐵與水蒸氣反應(yīng)”的實(shí)驗(yàn)為背景，通過(guò)紙筆測(cè)試考查同學(xué)們的實(shí)驗(yàn)探究能力和科學(xué)素養(yǎng)。雖然本題涉及高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)，但探究的主線仍然是“檢驗(yàn)Fe和Fe₃O₄的存在。因此，解決有關(guān)問(wèn)題的思路與前面的探究實(shí)驗(yàn)非常類似。學(xué)生在白板或練習(xí)本上，先獨(dú)立解答試題，再展示交流。通過(guò)紙筆練習(xí)，鞏固有關(guān)的知識(shí)與技能，提升學(xué)生素養(yǎng)。教師巡視、指導(dǎo)、釋疑。

（活動(dòng)意圖及教學(xué)分析：利用構(gòu)建的實(shí)驗(yàn)探究認(rèn)知模型，解決生產(chǎn)生活中的實(shí)際問(wèn)題，從裝置、原理等維度和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象分析來(lái)鞏固認(rèn)知模型。將學(xué)生的思維過(guò)程外顯，在思維碰撞中培養(yǎng)證據(jù)意識(shí)，在實(shí)驗(yàn)探究中通過(guò)現(xiàn)象證明分析推理是正確的）

[課堂結(jié)語(yǔ)]教師飽含深情地說(shuō)道：“同學(xué)們，人生就是一場(chǎng)持久的探究，需要我們不斷思考、不斷計(jì)劃、不斷嘗試……只有勤于探索，才有精彩的人生！”

（設(shè)計(jì)意圖及教學(xué)分析：教師的結(jié)束語(yǔ)注重教書(shū)育人，能夠?qū)⒈竟?jié)課的知識(shí)與技能提升和素養(yǎng)培育升華為化學(xué)教育的終極目標(biāo)——立德樹(shù)人）

三、教學(xué)反思

本節(jié)復(fù)習(xí)課，以物質(zhì)的性質(zhì)和科學(xué)探究活動(dòng)作為明線，以培養(yǎng)模型建構(gòu)和證據(jù)推理能力作為暗線貫穿于整個(gè)學(xué)習(xí)過(guò)程;兩條線脈絡(luò)清晰，同時(shí)又相互交織，相互促進(jìn)，建構(gòu)起實(shí)驗(yàn)探究的認(rèn)知模型。

整個(gè)探究活動(dòng)，通過(guò)思考與交流、討論與實(shí)驗(yàn)、反饋與體驗(yàn)等多元方式強(qiáng)化了學(xué)生的證據(jù)意識(shí)，提升了學(xué)生的分析推理能力;在活動(dòng)過(guò)程中加深了學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)探究認(rèn)知模型的理解與應(yīng)用，更重要的是為學(xué)生提供了一種學(xué)習(xí)化學(xué)的方法——模型建構(gòu)法，利用模型再去解決同類問(wèn)題，這也符合化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)中對(duì)證據(jù)推理和模型認(rèn)知的要求，也是學(xué)生高階思維能力培養(yǎng)的有效載體。

實(shí)驗(yàn)是化學(xué)的根，所以貫穿于本節(jié)課的始終;證據(jù)意識(shí)是探究活動(dòng)的根，基于證據(jù)推理的科學(xué)探究才是有價(jià)值的探究活動(dòng);課堂上抓住關(guān)鍵問(wèn)題，設(shè)計(jì)不同活動(dòng)，活動(dòng)中尋找證據(jù)、促成反思，并逐漸把這種意識(shí)內(nèi)化為學(xué)科觀念與科學(xué)精神。

當(dāng)然，教學(xué)是一門遺憾的藝術(shù)。由于初中階段的知識(shí)局限以及學(xué)情限制，本節(jié)課所選擇的問(wèn)題過(guò)多地考慮“學(xué)生的最近發(fā)展區(qū)”，在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)等方面，教師點(diǎn)撥的多、學(xué)生主動(dòng)發(fā)現(xiàn)的少。

總之，“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”素養(yǎng)是科學(xué)探究與創(chuàng)新的思維核心。在化學(xué)教學(xué)中，我們一線教師要植根于課堂，勤于挖掘教學(xué)素材;要著眼于學(xué)生，精心開(kāi)發(fā)學(xué)習(xí)資源;要以素養(yǎng)為本，善于設(shè)計(jì)案例。這樣，培養(yǎng)學(xué)生的化學(xué)核心素養(yǎng)就一定能落到實(shí)處，立德樹(shù)人的根本宗旨就一定能潛移默化地影響學(xué)生一生。