“證據推理與模型認知”的化學學科教學設計
——以電解質的電離為例

李 麗

(內蒙古師范大學，內蒙古 呼和浩特 010022)

1 問題的提出

隨著《高中化學課程標準(2017年版)》的頒布，學科核心素養的正確提出與其貫徹落實也逐步在我國高中化學教學中發揮著越來越重要的主導作用,著力于不斷培養和提升發展高中學生的學科綜合應用能力與素質。“證據推理與模型認知”是化學學科核心素養中五個維度之一，主要是為了充分培養學生的獨立證據推理意識。通過對證據分析進行推理等方法，學生可以在實踐中初步建立一種推理觀點、結論及推理證據之間的邏輯關系,進而可以構造和提出一種認知推理模型,來揭示知識本質和科學規律。據已有研究表明，中學生的模型認知能力較低，這既與我國化學學科傳統中從未明確“模型認知”的地位和作用有關，也與相關教學研究缺失有關[1]。

化學中的模型有實物模型和理論模型等。其中，理論模型就包括瑞典化學家阿倫尼烏斯提出的電離模型。電離學說中所表述的“電解質溶于水會自動地解離成離子”，得到這一模型的建立過程也是極為艱難的。當時首先是由法拉第提出的離子觀并命名陰陽離子、電解質概念，說明電解質的電離是在通電的情況下進行電離的[2]，并且法拉第認為陰陽離子之間的相互吸引作用非常強，但在溶液中可以解離，并按不同方向向兩極運動，這就是受到通電的作用。但受到了阿倫尼烏斯的質疑，經過了一系列的溶液導電性實驗，數據收集，分析以及邏輯推理等，最終在同盟者的幫助下得到電解質溶于水會自動的解離成離子這一結論。后又用微觀模擬示意圖揭示電離的本質，學生通過這些微觀模型更容易理解化學學科的本質且發展化學核心素養。

2 教學內容的價值分析

2.1 證據推理與模型認知的內涵

證據推理是在問題情境中基于現有的事實做出一系列的假設，通過多方面的收集論證進行分析推理，進而得出結論，解決所存在的問題。在化學學習中，就是通過在已有的物質組成、結構及其變化提出的可能假設，在通過收集各種可以論證結論的論據，比如實驗、化學史記等，建立觀點、結論和證據之間的邏輯關系。

模型是人們對原型認識程度的一種反映[3]。模型認知是利用已有的對知識的理解，通過分析、綜合、概括等對知識進行整合，從而達到更高級的知識表征，實現從現象到本質的轉化。“模型認知”要素的目標指向是依據物質變化的內在規律做出模型假設與模型構建的能力,幫助學生建立解決化學問題的基本框架[4]。利用模型能夠將知識的學習過程結構化，不僅會對學習效率有所提升，更有助于知識的遷移。

2.2 證據推理與模型認知之間的關系

證據推理與模型認知屬于化學核心素養維度之一，即在問題情境中，通過對問題的分析進行假設驗證，然后在基于證據整合串聯得到證據鏈再進行推理和二次修正，從而得到事實性結論，了解其中的邏輯關系和本質特征，建立認知模型。但是在證據推理環節中不一定存在模型認知，而認知模型的建立過程是一定需要證據推理進行支撐的。

2.3 以電解質的電離為例進行分析

由于受到應試教育的影響，在講解電解質的電離時，通常教師都會講解電解質的概念、分類以及電離的過程，學生們則對于知識就采用了死記硬背的方法，區分哪些是強、弱電解質、知道導電是因為存在自由移動的帶相反電荷的離子。但是對于電離模型中所陳述的電解質溶于水會自動的解離成離子這一知識點沒有在頭腦中形成，并且教師只會針對考點進行講課，不會說明其中原因，進行證據推理進而證實電離學說這一認知模型，且將本節課的重點放到了離子反應上，這一定會影響學生以后對于離子反應的本質特征的理解。

3 教學設計

本節選擇以“電解質的電離”為例進行教學設計，選擇以情境線、知識邏輯線、任務線、素養線4線進行從證據到模型的建立，教學過程圍繞“電解質溶于水會自動解離成離子”為重點進行設計。見圖1。

圖1 “電解質的電離”教學設計示意圖

3.1 教材分析

電解質的電離是高中化學必修一第一章第二節的內容，本節內容在化學學習中具有承上啟下的作用，既是初中學習酸堿知識的深入，也是在物質的分類之后，是對化合物的分類進一步探索，同時也是為接下來學習離子反應以及化學鍵做鋪墊。從電解質的宏觀形態到微觀電離，確立化學平衡觀，也是學習沉淀溶解平衡等內容的前提。電解質在社會生產生活中具有廣泛應用并與人類社會息息相關，所以認識電解質也具有重要意義。

3.2 學情分析

在初中化學學習過程時，學生就已經學過常見酸堿的定義和性質、導電性實驗，在學習電解質的電離時較容易接受，但是知識通常都是作為定論來學習的，盡管學生對于酸堿鹽分類有大致分類概念，但沒有明確學習本質。因此，本節課的教學可以依據學生已有的生活常識，通過對電離學說的建立過程，認識到證據對于結論的推理以及模型建立具有重要作用以發展化學核心素養。

3.3 教學目標

1)能從宏觀到微觀再到符號表達的三個方面理解酸、堿、鹽的電離，能正確書寫電離方程式。

2)培養邏輯推理等能力，形成探究思維以及模型探究思維。

3)通過化學史，培養學生的科學探究的能力以及學習化學的興趣。

3.4 教學過程

環節一：電離的特征

通過提問生活常識(不能用濕手去給設備通電)的原因，引起學生思考。手出汗會產生NaCl，濕手就會形成NaCl溶液，能導電。再通過提問NaCl溶液導電的原因，讓學生小組討論，教師引導學生猜想出三種可能性(NaCl固體導電；水導電；NaCl溶液產生新粒子導電)。接下來對猜想進行實驗驗證(NaCl固體、NaCl溶液、蒸餾水)導電性，通過分析記錄實驗結果(NaCl固體、蒸餾水不導電，NaCl溶液導電)驗證第三種猜想是正確的。教師通過復習在初中時學過酸堿溶液導電是因為帶電的粒子—陰陽離子，而導體導電是有能自由移動的帶電粒子，引導學生進行對比分析，NaCl溶液能導電是因為產生了自由移動的，帶電的陰陽離子。NaCl固體中帶相反電荷的離子之間具有相互作用而緊密排列，這些離子不能自由移動，所以不能導電。

設計意圖：本環節講解電離的特征，層層遞進，從生活常識入手，使學生意識到化學與生活實際息息相關，根據初中所學習的內容與實驗驗證分析電離的特征，使學生能夠在一串聯的已有的知識中得到證據鏈，最后進行推理驗證得到結論。

環節二：電離的條件

首先通過講解法拉第的離子觀，認為電解質就是在通電情況下解離成陰陽離子，進而提問電解質的電離一定要靠通電嗎？來引起學生對于電解質電離條件的思考。再通過阿倫尼烏斯對實驗現象的再發現(發現氨的性質，呈氣體時不導電，溶于水時導電，并且越稀越導電，后又發現電解質溶于水會自動的擴大倍數)。教師引導學生進行思考，阿倫尼烏斯認為法拉第定義電解質不妥之處都有哪些(結合氨水的導電性說明電解質的電離與水有關)。通過發現問題讓學生自己動手設計實驗探究電離是否與通電有關，并分析討論，進行實驗驗證(在電壓相同的情況下，0.1 mol/L HAC與0.5 mol/L HAC導電能力的強弱)通過實驗分析實驗結果，驗證電解質的電離與通電無關(實驗結果：0.1 mol/L HAC導電能力強于0.5 mol/L HAC)。如果與通電有關，0.5 mol/L HAC的導電能力一定強于0.1 mol/L，但事實相反。最后得出實驗結論(電離與水有關，與通電無關)。并動畫模擬NaCl溶于水(溶液)解離的過程。

設計意圖：通過講解法拉第與阿倫尼烏斯之間對于電解質解離條件的不同認知以及已有實驗結果的觀察，在學生已有的知識結構中，進行分析判斷電解質的電離與哪些條件有關，最后進行實驗驗證(水—促進電解質解離出離子；通電—讓自由移動的離子定向移動)，培養學生的邏輯思維和探究能力。微觀模擬電離動畫，在本質上能理解NaCl溶液導電的原因，使學生梳理電解質溶液導電的過程，能理解知識從宏觀過度到微觀狀態。以培養學生的核心素養。

環節三：電解質的分類

通過上述的實驗驗證，提問法拉第定義的電解質概念有什么不妥之處，在通過金屬單質導電(是因為自由移動的電子，而不是離子)引導學生進行思考電解質是在水中自動解離的化合物。通過提問所有的化合物都能解離成離子嗎？在進行實驗導電能力的測定(蒸餾水、酒精、HCl溶液、NaOH溶液、NaCl溶液)，教師引導學生通過實驗結果(蒸餾水、酒精不導電，其余導電)進行分析，不是所有的化合物都能解離成離子能導電(酸堿鹽溶液可以，有機物、純液態物質不導電)。

設計意圖：通過提問法拉第定義的電解質有何不妥之處，讓學生根據環節二對電解質重新定義，培養學生的邏輯思維能力，也在思考的過程中，通過已知條件進行推理，實驗進行驗證，得出電解質的分類。

環節四：電解質的其他電離方式

通過上述環節已經驗證酸堿鹽溶于水(混合物)形成溶液能夠發生電離，教師通過復習前節課的物質的分類并提問有其他方式是否促進電解質的電離，引出電解質在熔融狀態(化合物)下電離。并進行實驗驗證(NaCl溶液、熔融的NaCl)，教師引導學生進行實驗結果分析(實驗結果：都導電)驗證在熔融狀態下發生電離導電。最后播放熔融的NaCl導電的微觀模擬示意圖。

設計意圖：本環節在引出熔融狀態之前復習物質的簡單分類，引導學生電解質在熔融狀態也能導電，使學生頭腦中形成知識的結構化，對電解質的定義進一步深化。

環節五：電解質的定義

教師引導學生將實驗驗證過電解質電離的條件與法拉第定義的電解質進行對比，重新定義電解質的概念(電解質是在水溶液和熔融狀態下能導電的化合物)。

設計意圖：環節三、四、五沒有直接給出電解質的定義，而是基于法拉第給出的電解質的定義，設置實驗進行推理驗證，環環相扣，讓學生在實驗之后進行分析，最終得出電解質的定義。

環節六：從電離角度概括酸堿的本質

讓學生舉例書寫酸堿鹽的電離方程式，寫出陰陽離子，引導學生從電離的角度總結出酸堿的本質。

設計意圖：通過酸堿鹽的電離方式分析出陰陽離子，進行總結歸納酸堿的本質，也讓學生在學習酸堿的性質上進一步加深酸堿本質知識的學習。

4 教學反思

4.1 將證據推理貫穿在探究的過程中

在整個探究的過程中要注重將證據形成證據鏈，貫穿始終，基于一定的問題情境，對問題的可能性提出假設再進行推理，但這種假設不是單純的猜測，而是以一定的知識為基礎的。在科技日益進步的過程中，科學家也同樣利用已知的知識結論為證據進行對知識的再假設檢驗，在得到更深層次的研究，呈現螺旋式上升波浪式前進的趨勢，將這種科學證據推理方式進行教學，也讓學生從中體驗結論得出的過程，一步步分析，更能從深層次對于知識本質的學習。

比如在講解電解質的電離條件時，利用法拉第與阿倫尼烏斯的兩個化學史實為素材，不僅能夠讓學生解釋說明阿倫尼烏斯推翻法拉第認為“電解質電離是通過通電進行的”的證據，還讓學生能自己進行歸納推理電離的條件的假設，最后讓學生自己進行實驗驗證得出結論。在這一過程中，從證據到假設最后到推理驗證得出結論，符合證據推理的思維方式。

4.2 遵從學生的身心發展規律

建構主義觀點強調，學生不是空著腦袋進教室的，教師要以學生已有的知識經驗為起點，再進行知識的建構。在教學過程中，要尊重學生的身心發展規律和已有經驗進行教學，注重知識的條理性，進行結構化教學，學生才會有意義學習，否則就只是機械記憶，針對所學習的內容沒有從本質上理解，只是單純的記住了知識點而應對考試，但卻在相應的考試情境中，不會加以運用和區分。

在學習電解質的電離時，在一定程度上，學生對于電解質電離的本質模糊不清，那么在后續學習水解、沉淀溶解平衡等知識就更難以運用，產生了知識的負遷移。在上述的教學設計中，就是先利用了生活常識說明溶液能夠導電的原因，將知識應用于實踐，吸引了學生的學習興趣；進而用兩個化學家建立電離學說的過程，一步步引導學生分析推理出電離的條件，說明電解質溶于水會自動的解離成離子，最后進行電解質定義的歸納，驗證了電離模型。