“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”的化學(xué)學(xué)科教學(xué)設(shè)計
——以電解質(zhì)的電離為例

李 麗

(內(nèi)蒙古師范大學(xué)，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010022)

1 問題的提出

隨著《高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》的頒布，學(xué)科核心素養(yǎng)的正確提出與其貫徹落實(shí)也逐步在我國高中化學(xué)教學(xué)中發(fā)揮著越來越重要的主導(dǎo)作用,著力于不斷培養(yǎng)和提升發(fā)展高中學(xué)生的學(xué)科綜合應(yīng)用能力與素質(zhì)。“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”是化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)中五個維度之一，主要是為了充分培養(yǎng)學(xué)生的獨(dú)立證據(jù)推理意識。通過對證據(jù)分析進(jìn)行推理等方法，學(xué)生可以在實(shí)踐中初步建立一種推理觀點(diǎn)、結(jié)論及推理證據(jù)之間的邏輯關(guān)系,進(jìn)而可以構(gòu)造和提出一種認(rèn)知推理模型,來揭示知識本質(zhì)和科學(xué)規(guī)律。據(jù)已有研究表明，中學(xué)生的模型認(rèn)知能力較低，這既與我國化學(xué)學(xué)科傳統(tǒng)中從未明確“模型認(rèn)知”的地位和作用有關(guān)，也與相關(guān)教學(xué)研究缺失有關(guān)[1]。

化學(xué)中的模型有實(shí)物模型和理論模型等。其中，理論模型就包括瑞典化學(xué)家阿倫尼烏斯提出的電離模型。電離學(xué)說中所表述的“電解質(zhì)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(dāng)時首先是由法拉第提出的離子觀并命名陰陽離子、電解質(zhì)概念，說明電解質(zhì)的電離是在通電的情況下進(jìn)行電離的[2]，并且法拉第認(rèn)為陰陽離子之間的相互吸引作用非常強(qiáng)，但在溶液中可以解離，并按不同方向向兩極運(yùn)動，這就是受到通電的作用。但受到了阿倫尼烏斯的質(zhì)疑，經(jīng)過了一系列的溶液導(dǎo)電性實(shí)驗(yàn)，數(shù)據(jù)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(zhì)溶于水會自動的解離成離子這一結(jié)論。后又用微觀模擬示意圖揭示電離的本質(zhì)，學(xué)生通過這些微觀模型更容易理解化學(xué)學(xué)科的本質(zhì)且發(fā)展化學(xué)核心素養(yǎng)。

2 教學(xué)內(nèi)容的價值分析

2.1 證據(jù)推理與模型認(rèn)知的內(nèi)涵

證據(jù)推理是在問題情境中基于現(xiàn)有的事實(shí)做出一系列的假設(shè)，通過多方面的收集論證進(jìn)行分析推理，進(jìn)而得出結(jié)論，解決所存在的問題。在化學(xué)學(xué)習(xí)中，就是通過在已有的物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)及其變化提出的可能假設(shè)，在通過收集各種可以論證結(jié)論的論據(jù)，比如實(shí)驗(yàn)、化學(xué)史記等，建立觀點(diǎn)、結(jié)論和證據(jù)之間的邏輯關(guān)系。

模型是人們對原型認(rèn)識程度的一種反映[3]。模型認(rèn)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(jìn)行整合，從而達(dá)到更高級的知識表征，實(shí)現(xiàn)從現(xiàn)象到本質(zhì)的轉(zhuǎn)化。“模型認(rèn)知”要素的目標(biāo)指向是依據(jù)物質(zhì)變化的內(nèi)在規(guī)律做出模型假設(shè)與模型構(gòu)建的能力,幫助學(xué)生建立解決化學(xué)問題的基本框架[4]。利用模型能夠?qū)⒅R的學(xué)習(xí)過程結(jié)構(gòu)化，不僅會對學(xué)習(xí)效率有所提升，更有助于知識的遷移。

2.2 證據(jù)推理與模型認(rèn)知之間的關(guān)系

證據(jù)推理與模型認(rèn)知屬于化學(xué)核心素養(yǎng)維度之一，即在問題情境中，通過對問題的分析進(jìn)行假設(shè)驗(yàn)證，然后在基于證據(jù)整合串聯(lián)得到證據(jù)鏈再進(jìn)行推理和二次修正，從而得到事實(shí)性結(jié)論，了解其中的邏輯關(guān)系和本質(zhì)特征，建立認(rèn)知模型。但是在證據(jù)推理環(huán)節(jié)中不一定存在模型認(rèn)知，而認(rèn)知模型的建立過程是一定需要證據(jù)推理進(jìn)行支撐的。

2.3 以電解質(zhì)的電離為例進(jìn)行分析

由于受到應(yīng)試教育的影響，在講解電解質(zhì)的電離時，通常教師都會講解電解質(zhì)的概念、分類以及電離的過程，學(xué)生們則對于知識就采用了死記硬背的方法，區(qū)分哪些是強(qiáng)、弱電解質(zhì)、知道導(dǎo)電是因?yàn)榇嬖谧杂梢苿拥膸喾措姾傻碾x子。但是對于電離模型中所陳述的電解質(zhì)溶于水會自動的解離成離子這一知識點(diǎn)沒有在頭腦中形成，并且教師只會針對考點(diǎn)進(jìn)行講課，不會說明其中原因，進(jìn)行證據(jù)推理進(jìn)而證實(shí)電離學(xué)說這一認(rèn)知模型，且將本節(jié)課的重點(diǎn)放到了離子反應(yīng)上，這一定會影響學(xué)生以后對于離子反應(yīng)的本質(zhì)特征的理解。

3 教學(xué)設(shè)計

本節(jié)選擇以“電解質(zhì)的電離”為例進(jìn)行教學(xué)設(shè)計，選擇以情境線、知識邏輯線、任務(wù)線、素養(yǎng)線4線進(jìn)行從證據(jù)到模型的建立，教學(xué)過程圍繞“電解質(zhì)溶于水會自動解離成離子”為重點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計。見圖1。

圖1 “電解質(zhì)的電離”教學(xué)設(shè)計示意圖

3.1 教材分析

電解質(zhì)的電離是高中化學(xué)必修一第一章第二節(jié)的內(nèi)容，本節(jié)內(nèi)容在化學(xué)學(xué)習(xí)中具有承上啟下的作用，既是初中學(xué)習(xí)酸堿知識的深入，也是在物質(zhì)的分類之后，是對化合物的分類進(jìn)一步探索，同時也是為接下來學(xué)習(xí)離子反應(yīng)以及化學(xué)鍵做鋪墊。從電解質(zhì)的宏觀形態(tài)到微觀電離，確立化學(xué)平衡觀，也是學(xué)習(xí)沉淀溶解平衡等內(nèi)容的前提。電解質(zhì)在社會生產(chǎn)生活中具有廣泛應(yīng)用并與人類社會息息相關(guān)，所以認(rèn)識電解質(zhì)也具有重要意義。

3.2 學(xué)情分析

在初中化學(xué)學(xué)習(xí)過程時，學(xué)生就已經(jīng)學(xué)過常見酸堿的定義和性質(zhì)、導(dǎo)電性實(shí)驗(yàn)，在學(xué)習(xí)電解質(zhì)的電離時較容易接受，但是知識通常都是作為定論來學(xué)習(xí)的，盡管學(xué)生對于酸堿鹽分類有大致分類概念，但沒有明確學(xué)習(xí)本質(zhì)。因此，本節(jié)課的教學(xué)可以依據(jù)學(xué)生已有的生活常識，通過對電離學(xué)說的建立過程，認(rèn)識到證據(jù)對于結(jié)論的推理以及模型建立具有重要作用以發(fā)展化學(xué)核心素養(yǎng)。

3.3 教學(xué)目標(biāo)

1)能從宏觀到微觀再到符號表達(dá)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(yǎng)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(xué)史，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究的能力以及學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣。

3.4 教學(xué)過程

環(huán)節(jié)一：電離的特征

通過提問生活常識(不能用濕手去給設(shè)備通電)的原因，引起學(xué)生思考。手出汗會產(chǎn)生NaCl，濕手就會形成NaCl溶液，能導(dǎo)電。再通過提問NaCl溶液導(dǎo)電的原因，讓學(xué)生小組討論，教師引導(dǎo)學(xué)生猜想出三種可能性(NaCl固體導(dǎo)電；水導(dǎo)電；NaCl溶液產(chǎn)生新粒子導(dǎo)電)。接下來對猜想進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證(NaCl固體、NaCl溶液、蒸餾水)導(dǎo)電性，通過分析記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果(NaCl固體、蒸餾水不導(dǎo)電，NaCl溶液導(dǎo)電)驗(yàn)證第三種猜想是正確的。教師通過復(fù)習(xí)在初中時學(xué)過酸堿溶液導(dǎo)電是因?yàn)閹щ姷牧Ｗ印庩栯x子，而導(dǎo)體導(dǎo)電是有能自由移動的帶電粒子，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行對比分析，NaCl溶液能導(dǎo)電是因?yàn)楫a(chǎn)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(dǎo)電。

設(shè)計意圖：本環(huán)節(jié)講解電離的特征，層層遞進(jìn)，從生活常識入手，使學(xué)生意識到化學(xué)與生活實(shí)際息息相關(guān)，根據(jù)初中所學(xué)習(xí)的內(nèi)容與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證分析電離的特征，使學(xué)生能夠在一串聯(lián)的已有的知識中得到證據(jù)鏈，最后進(jìn)行推理驗(yàn)證得到結(jié)論。

環(huán)節(jié)二：電離的條件

首先通過講解法拉第的離子觀，認(rèn)為電解質(zhì)就是在通電情況下解離成陰陽離子，進(jìn)而提問電解質(zhì)的電離一定要靠通電嗎？來引起學(xué)生對于電解質(zhì)電離條件的思考。再通過阿倫尼烏斯對實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的再發(fā)現(xiàn)(發(fā)現(xiàn)氨的性質(zhì)，呈氣體時不導(dǎo)電，溶于水時導(dǎo)電，并且越稀越導(dǎo)電，后又發(fā)現(xiàn)電解質(zhì)溶于水會自動的擴(kuò)大倍數(shù))。教師引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行思考，阿倫尼烏斯認(rèn)為法拉第定義電解質(zhì)不妥之處都有哪些(結(jié)合氨水的導(dǎo)電性說明電解質(zhì)的電離與水有關(guān))。通過發(fā)現(xiàn)問題讓學(xué)生自己動手設(shè)計實(shí)驗(yàn)探究電離是否與通電有關(guān)，并分析討論，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證(在電壓相同的情況下，0.1 mol/L HAC與0.5 mol/L HAC導(dǎo)電能力的強(qiáng)弱)通過實(shí)驗(yàn)分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證電解質(zhì)的電離與通電無關(guān)(實(shí)驗(yàn)結(jié)果：0.1 mol/L HAC導(dǎo)電能力強(qiáng)于0.5 mol/L HAC)。如果與通電有關(guān)，0.5 mol/L HAC的導(dǎo)電能力一定強(qiáng)于0.1 mol/L，但事實(shí)相反。最后得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論(電離與水有關(guān)，與通電無關(guān))。并動畫模擬NaCl溶于水(溶液)解離的過程。

設(shè)計意圖：通過講解法拉第與阿倫尼烏斯之間對于電解質(zhì)解離條件的不同認(rèn)知以及已有實(shí)驗(yàn)結(jié)果的觀察，在學(xué)生已有的知識結(jié)構(gòu)中，進(jìn)行分析判斷電解質(zhì)的電離與哪些條件有關(guān)，最后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證(水—促進(jìn)電解質(zhì)解離出離子；通電—讓自由移動的離子定向移動)，培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維和探究能力。微觀模擬電離動畫，在本質(zhì)上能理解NaCl溶液導(dǎo)電的原因，使學(xué)生梳理電解質(zhì)溶液導(dǎo)電的過程，能理解知識從宏觀過度到微觀狀態(tài)。以培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)。

環(huán)節(jié)三：電解質(zhì)的分類

通過上述的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，提問法拉第定義的電解質(zhì)概念有什么不妥之處，在通過金屬單質(zhì)導(dǎo)電(是因?yàn)樽杂梢苿拥碾娮樱皇请x子)引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行思考電解質(zhì)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(jìn)行實(shí)驗(yàn)導(dǎo)電能力的測定(蒸餾水、酒精、HCl溶液、NaOH溶液、NaCl溶液)，教師引導(dǎo)學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果(蒸餾水、酒精不導(dǎo)電，其余導(dǎo)電)進(jìn)行分析，不是所有的化合物都能解離成離子能導(dǎo)電(酸堿鹽溶液可以，有機(jī)物、純液態(tài)物質(zhì)不導(dǎo)電)。

設(shè)計意圖：通過提問法拉第定義的電解質(zhì)有何不妥之處，讓學(xué)生根據(jù)環(huán)節(jié)二對電解質(zhì)重新定義，培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維能力，也在思考的過程中，通過已知條件進(jìn)行推理，實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，得出電解質(zhì)的分類。

環(huán)節(jié)四：電解質(zhì)的其他電離方式

通過上述環(huán)節(jié)已經(jīng)驗(yàn)證酸堿鹽溶于水(混合物)形成溶液能夠發(fā)生電離，教師通過復(fù)習(xí)前節(jié)課的物質(zhì)的分類并提問有其他方式是否促進(jìn)電解質(zhì)的電離，引出電解質(zhì)在熔融狀態(tài)(化合物)下電離。并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證(NaCl溶液、熔融的NaCl)，教師引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析(實(shí)驗(yàn)結(jié)果：都導(dǎo)電)驗(yàn)證在熔融狀態(tài)下發(fā)生電離導(dǎo)電。最后播放熔融的NaCl導(dǎo)電的微觀模擬示意圖。

設(shè)計意圖：本環(huán)節(jié)在引出熔融狀態(tài)之前復(fù)習(xí)物質(zhì)的簡單分類，引導(dǎo)學(xué)生電解質(zhì)在熔融狀態(tài)也能導(dǎo)電，使學(xué)生頭腦中形成知識的結(jié)構(gòu)化，對電解質(zhì)的定義進(jìn)一步深化。

環(huán)節(jié)五：電解質(zhì)的定義

教師引導(dǎo)學(xué)生將實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證過電解質(zhì)電離的條件與法拉第定義的電解質(zhì)進(jìn)行對比，重新定義電解質(zhì)的概念(電解質(zhì)是在水溶液和熔融狀態(tài)下能導(dǎo)電的化合物)。

設(shè)計意圖：環(huán)節(jié)三、四、五沒有直接給出電解質(zhì)的定義，而是基于法拉第給出的電解質(zhì)的定義，設(shè)置實(shí)驗(yàn)進(jìn)行推理驗(yàn)證，環(huán)環(huán)相扣，讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)之后進(jìn)行分析，最終得出電解質(zhì)的定義。

環(huán)節(jié)六：從電離角度概括酸堿的本質(zhì)

讓學(xué)生舉例書寫酸堿鹽的電離方程式，寫出陰陽離子，引導(dǎo)學(xué)生從電離的角度總結(jié)出酸堿的本質(zhì)。

設(shè)計意圖：通過酸堿鹽的電離方式分析出陰陽離子，進(jìn)行總結(jié)歸納酸堿的本質(zhì)，也讓學(xué)生在學(xué)習(xí)酸堿的性質(zhì)上進(jìn)一步加深酸堿本質(zhì)知識的學(xué)習(xí)。

4 教學(xué)反思

4.1 將證據(jù)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(jù)形成證據(jù)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(shè)再進(jìn)行推理，但這種假設(shè)不是單純的猜測，而是以一定的知識為基礎(chǔ)的。在科技日益進(jìn)步的過程中，科學(xué)家也同樣利用已知的知識結(jié)論為證據(jù)進(jìn)行對知識的再假設(shè)檢驗(yàn)，在得到更深層次的研究，呈現(xiàn)螺旋式上升波浪式前進(jìn)的趨勢，將這種科學(xué)證據(jù)推理方式進(jìn)行教學(xué)，也讓學(xué)生從中體驗(yàn)結(jié)論得出的過程，一步步分析，更能從深層次對于知識本質(zhì)的學(xué)習(xí)。

比如在講解電解質(zhì)的電離條件時，利用法拉第與阿倫尼烏斯的兩個化學(xué)史實(shí)為素材，不僅能夠讓學(xué)生解釋說明阿倫尼烏斯推翻法拉第認(rèn)為“電解質(zhì)電離是通過通電進(jìn)行的”的證據(jù)，還讓學(xué)生能自己進(jìn)行歸納推理電離的條件的假設(shè)，最后讓學(xué)生自己進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證得出結(jié)論。在這一過程中，從證據(jù)到假設(shè)最后到推理驗(yàn)證得出結(jié)論，符合證據(jù)推理的思維方式。

4.2 遵從學(xué)生的身心發(fā)展規(guī)律

建構(gòu)主義觀點(diǎn)強(qiáng)調(diào)，學(xué)生不是空著腦袋進(jìn)教室的，教師要以學(xué)生已有的知識經(jīng)驗(yàn)為起點(diǎn)，再進(jìn)行知識的建構(gòu)。在教學(xué)過程中，要尊重學(xué)生的身心發(fā)展規(guī)律和已有經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行教學(xué)，注重知識的條理性，進(jìn)行結(jié)構(gòu)化教學(xué)，學(xué)生才會有意義學(xué)習(xí)，否則就只是機(jī)械記憶，針對所學(xué)習(xí)的內(nèi)容沒有從本質(zhì)上理解，只是單純的記住了知識點(diǎn)而應(yīng)對考試，但卻在相應(yīng)的考試情境中，不會加以運(yùn)用和區(qū)分。

在學(xué)習(xí)電解質(zhì)的電離時，在一定程度上，學(xué)生對于電解質(zhì)電離的本質(zhì)模糊不清，那么在后續(xù)學(xué)習(xí)水解、沉淀溶解平衡等知識就更難以運(yùn)用，產(chǎn)生了知識的負(fù)遷移。在上述的教學(xué)設(shè)計中，就是先利用了生活常識說明溶液能夠?qū)щ姷脑颍瑢⒅R應(yīng)用于實(shí)踐，吸引了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣；進(jìn)而用兩個化學(xué)家建立電離學(xué)說的過程，一步步引導(dǎo)學(xué)生分析推理出電離的條件，說明電解質(zhì)溶于水會自動的解離成離子，最后進(jìn)行電解質(zhì)定義的歸納，驗(yàn)證了電離模型。