發展學生“證據推理與模型認知”素養的教學實踐

葉婉 李婉冰 姜建文

摘要： 分析了以往“燃燒與滅火”教學中發展學生“證據推理與模型認知”核心素養的現狀。介紹“燃燒與滅火”一節教學中圍繞取火有“術”、馭火有“方”、防火有“法”三大板塊展開的五大實驗探究活動。闡釋發展學生“證據推理與模型認知”化學學科核心素養的具體教學實施過程。

關鍵詞： 證據推理; 模型認知; 燃燒與滅火; 化學教學

文章編號： 1005-6629（2021）03-0057-06

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

1? 教學主題內容及教學現狀分析

1.1? 教學背景分析

本課題選自人教版九年級《化學》（上冊）第七單元“燃料及其應用”的課題1“燃燒與滅火”。在《義務教育化學課程標準（2011年版）》[1]中，將“燃燒與滅火”這一內容歸于“化學與社會發展”一級主題之下，要求學生認識燃燒的條件，了解防火滅火的措施，幫助學生正確認識化學與社會發展的關系，認識學習化學的重要性。因此，“燃燒與滅火”這一內容與社會、生活息息相關，如何將其與生活、社會情境相結合，完善學生對“燃燒與滅火”概念的認識模型，是每位教師必須要關注重視的問題。

此前學生已經學習了氧化反應的知識，認識到一些物質能夠在空氣和氧氣中燃燒，能從微觀的視角去看待反應的實質，能從物質的轉化、能量的角度認識燃燒，理解促進燃燒的方法的實質，為本節課的學習奠定了基礎。但還不能從化學反應的角度認識燃燒的規律、理解滅火的原理，還不能辯證、客觀、科學地認識燃燒的價值，用火、防火的意識也不夠強。

1.2? “證據推理與模型認知”素養在“燃燒與滅火”教學中的體現

對目前已有的關于“燃燒與滅火”的教學設計[2～9]進行分析，發現有以下特點： 第一，絕大部分設計都體現了證據意識。在構建燃燒的條件模型時，采取探究實驗的手段，通過對照實驗收集證據，通過推理得出結論。第二，絕大部分設計體現了對模型的建構及應用。例如，對燃燒的“三大條件”形成一個“火”字造型呈現在板書中，并將滅火的原理歸納為“滅”字。另外，模型的應用體現得也較為明顯。在學完燃燒與滅火之后，通過模擬生活中火災自救、森林防火的場景，讓學生在真實場景中解決現實問題。第三，對模型的修正體現有所不足。學生對燃燒的認知模型是存在認知偏差的，包括燃燒不一定需要點燃、燃燒需要一定濃度的氧氣、不是所有的燃燒都需要氧氣、二氧化碳的滅火原理是因為二氧化碳不能燃燒且不支持燃燒等。

因此，除了利用探究實驗提供證據，構建基本“燃燒與滅火”的認知模型外，還應該引導學生對已有模型提出質疑，進一步修正模型，最后進行模型的應用。

2? 教學理論基礎

2.1? “證據推理與模型認知”的理論基礎

《普通高中化學課程標準（2017年版）》[10]對培養學生的“證據推理與模型認知”素養提出了要求。“證據推理”與“模型認知”都是化學學習中重要的思維方式。證據推理為認知模型建構提供基礎，認知模型指導學生思考問題、解決問題。模型認知主要包括兩大塊內容： 建模和用模。在建模的過程中，楊玉琴[11]提出，深化實施科學探究學習方式是培養“證據推理與模型認知”的主要實踐策略。

2.2? “證據推理與模型認知”素養在實踐中的落實

根據對“證據推理與模型認知”的內涵解析，在“燃燒與滅火”這一節課中結合實驗探究活動，依據證據鏈，使學生形成“燃燒與滅火”的認知模型，并學會使用這一模型。其學習過程如圖1所示。

3? 教學目標

（1） 通過艾德荒野生火的情境分析以及燃燒的系列實驗探究，推理得出燃燒的三個條件及其關系，體會化學學習的思維方法，培養證據推理意識和科學探究能力。

（2） 通過數字化技術測量氧氣含量以及鎂條燃燒實驗進行拓展，制造認知沖突，糾正對燃燒條件的認知偏差，完善對燃燒的認知模型。

（3） 通過設置使蠟燭燃燒得更旺和迅速熄滅的實驗活動，建立燃燒的三要素與滅火之間的關系，理解燃燒的實質與規律，通過生火、馭火、防火三個階段層層遞進，培養模型認知的學科核心素養。

（4） 通過自主設計防火實驗以及例舉生活常見防火實例，形成科學防火、滅火、用火的意識，體會到可以利用事物的規律避開災害，造福人類，從而培養創新精神以及社會責任感。

4? 教學流程

本節課設計與實施的教學流程見表1。

5? 教學實錄

5.1? 環節一： 取火有“術”

5.1.1? 結合現代教育技術，進行學情前測

[課題引入]同學們，你了解火嗎？今天我們來學習與火有關的知識。

[基于Plickers技術的課前測評]上課前，請同學們

環節一： 取火有“術”

（1） 結合Plickers進行課前診斷

（2） 創設艾德荒野生火情境，引出燃燒的三大條件的探究實驗

（3） 給出測定容器內氧氣濃度的數字化實驗步驟，展示相同容器不同高度氧氣濃度數據

（1） 舉二維碼進行選擇

（2） 進行猜想、方案設計和實驗，記錄實驗數據，分析、尋找證據，總結燃燒的三大條件

（3） 自主嘗試測定容器內氧氣濃度，思考交流修正燃燒的條件

結合現代教育技術，迅速了解學情;通過燃燒的條件探究實驗以及氧氣濃度測定的數字化實驗尋找證據，構建并修正燃燒的認識模型，培養學生科學探究、證據推理與模型認知的學科核心素養

環節二： 馭火有“方”

（1） 演示讓蠟燭燃燒更旺的實驗

（2） 給出熄滅蠟燭的相關材料圖片

（3） 進行課堂后測

（1） 討論讓蠟燭燃燒更旺的方法

（2） 討論蠟燭熄滅的方法及原理

（3） 舉二維碼進行選擇

通過控制蠟燭的燃燒和熄滅，將燃燒與滅火聯系起來，對已有的燃燒模型加以應用，形成“燃燒與滅火”完整的認識模型

環節三： 防火有“法”

（1） 布置挑戰A4紙燒不壞的任務

（2） 提問生活防火實例

（1） 討論任務方案并進行實驗

（2） 交流討論生活方法實例

通過進行防火方案和生活防火實例討論，應用“燃燒與滅火”的認識模型，培養學生的生活防火意識

環節四： 拓展延伸

（1） 演示鎂條在CO2中燃燒的實驗

（2） 布置課后閱讀文獻《燃燒條件之再思考》

（1） 觀察現象進行思考

（2） 課后閱讀文獻

通過實驗的拓展，引發學生的進一步思考，以期進一步對模型進行完善

做一道選擇題，對生活中有關火的說法做出判斷。舉起你手中的卡片，將選擇的選項方向向上。

題目： 下列關于燃燒與滅火的說法正確的是（? ? ）

A. 房屋失火，消防員用水撲滅是因為降低了可燃物的著火點

B. 吹滅蠟燭是因為加速空氣流動，降低了溫度

C. 炒菜時油鍋著火立即用水澆滅

D. 房間發生火災時應打開所有窗戶，有利于人員迅速逃生

教師用手機掃描學生手中的二維碼，15位學生選擇正確答案B，其他27位學生錯選。

5.1.2? 模型的建立——結合艾德荒野生火，探究燃燒的三大條件

[情境導入]看來大家對火有了一定的認識，那接下來我們將和客人艾德一起來做進一步的探究。先來看一看艾德的故事。

[播放視頻]艾德荒野生火。

野外求生專家艾德被投放到一片荒原中，他將什么也不帶，被丟下獨處十天。他說：“點火是首要任務。”艾德找到了一塊干枯的木頭，并收集了一些枯草和枯枝。做好準備工作后，艾德用手搖鉆在枯木上打轉，產生的余燼將枯草引燃了，然后對著冒煙的干草輕輕吹氣，干草開始劇烈燃燒，再將燃著的枯草放進枯枝堆里，艾德終于成功生起了一個火堆……艾德的十天即將結束，興奮之余他也非常擔憂： 我現在最大的憂慮就是這里非常干燥，我可不能引起火災。

[引導思考]取火是完成單挑荒野中關鍵的一步。那么如果你是艾德，為了成功取火需要什么？

[學生分析]需要可燃物和一定的溫度。

[解釋]我們把可燃物點燃時需要的最低溫度稱為著火點。著火點是物質的一種固有屬性，通常情況下不會改變。所以艾德鉆木取火是提高了可燃物的溫度，不能改變它的著火點。

[展示]老師這里也找到了一種可燃物——白磷。白磷的著火點為40℃。

[演示實驗]取白磷于80℃的熱水中。

[學生觀察]白磷并未燃燒。

[提問]為什么艾德成功取火而老師沒有呢？說明這個條件要補充嗎，應該補充什么？

[學生回答]氧氣。

[繼續實驗]使用鼓氣球往里面鼓入空氣，學生觀察到白磷發生了燃燒。

[追問]如果老師想要成功取火的話，燃燒的這三個條件是必須同時滿足，還是只需其中的一個？

[學生猜想]全部。

[布置任務]實驗是檢驗真理的唯一標準。現在老師給大家提供了一些實驗的藥品和儀器。除了白磷，還為大家提供了著火點為260℃的可燃物紅磷，溫度大約為80℃的熱水等。請同學們分組討論實驗方案。

[學生討論并匯報實驗方案]

小組1： 我們組參考了課本上的裝置圖（見圖2），向盛有熱水的燒杯中放入白磷，在燒杯上方蓋一個銅片，并在上面分別放上白磷和紅磷。

小組2： 我們組是取兩支試管，分別放入白磷和紅磷，然后將兩支試管放到盛有熱水的燒杯中，在熱水中也放入白磷。

[方案評價]你們的方案都是可行的，但還有繼續完善的空間。同學們想想，五氧化二磷是白煙，會污染空氣。請同學們繼續討論，看能否進一步改善。

[學生討論并匯報改進方案]可以在方案2的試管上加兩個氣球，將產生的五氧化二磷收集起來（見圖3）。

[學生進行實驗并描述現象]我看到放有白磷的試管中白磷燃燒了，紅磷那支無明顯現象，而放在水中的白磷也沒有發生燃燒。

[補充]氣球處也是一個現象，裝有白磷的這個氣球應該是先變大后變小的。

學生填寫的實驗記錄如表2所示。

[提問]看到這個表格，同學們能否尋找證據，對比分析，說明燃燒的三個條件是否需要同時具備呢？

[學生討論并回答]試管中的白磷跟水中的白磷形成對照，說明燃燒需要氧氣。試管中的紅磷跟試管中的白磷也形成了對照，說明提供的溫度要達到可燃物的著火點。結論是： 燃燒想要發生，必須同時具備燃燒的三個條件。

[提問]能不能結合這個現象以及結論描述一下什么叫燃燒？

[學生總結回答]一般情況下，可燃物與氧氣發生的一種發光放熱的劇烈的氧化反應叫做燃燒。

5.1.3? 模型的完善——結合數字化實驗完善燃燒的條件

[提出疑問]我們還看到這個試管中的白磷，它燒了一會就停止了，為什么？

[部分學生猜想]可能氧氣消耗完了。

[部分學生質疑]不一定，可能只是氧氣比較少。

[布置任務]老師為同學們提供了能夠測定氧氣濃度的數字化裝置（見圖4），你們可以自主嘗試測定氧氣濃度的變化。

[實驗步驟]（1）點燃酒精燈;（2）引燃小木條;（3）用小木條迅速伸入引燃瓶內的蠟燭，及時熄滅酒精燈;（4）待火焰穩定后，直接蓋緊膠塞，觀察數據，并記錄氧氣濃度最低值。

學生開始實驗。教師使用手機拍照記錄各組學生的數據。

[學生描述現象]蠟燭點燃以后，集氣瓶中的氧氣濃度降低了，蠟燭先燃燒后熄滅了，氧氣濃度沒有降到零。

[學生得出新認識]燃燒需要足夠的氧氣，或者說一定濃度的氧氣。

[完善板書]如圖5所示。

[提問]投影展示不同組同學測得的實驗數據圖片。為什么測的數據不一樣呢？

[學生回答]可能是裝置漏氣。

[解釋]其實集氣瓶中導管的長度是不同的。不同組測的是容器內不同高度的氧氣濃度。大家想一想，如果你在火災現場，這個實驗數據對你有什么啟示？

[學生回答]逃生時要往低處跑。

5.2? 環節二： 馭火有“方”——艾德控制燃燒

[提問]艾德利用燃燒的三個條件，成功地取得了小火星，那他是怎樣讓火燒得更旺的呢？

[學生回答]增加了可燃物，進行吹氣。

[提問]那你能否解釋為什么吹氣可以燃燒得更旺？

[學生回答]空氣足夠。

[提問]老師這里有一支蠟燭，我點燃它，你們有沒有辦法讓他燃燒得更旺呢？

[學生回答]給它足夠的氧氣。

[演示實驗]利用改進的裝置（見圖6）進行實驗。點燃蠟燭，加入過氧化氫。

[學生觀察并回答]蠟燭火焰變得更明亮一點了。

[繼續實驗]繼續加入過氧化氫，觀察到火焰更明亮但隨后蠟燭熄滅了。

[提問]剛開始改變了氧氣濃度，火焰更明亮了，那為什么后面蠟燭熄滅了呢？

[學生解釋]過氧化氫分解產生了水蒸氣，相應降低了氧氣的濃度。

[設置任務]這里還有一支蠟燭，你有沒有辦法熄滅？原理是什么？結合圖片想一想。

學生將相應的方法及原理填寫在表格中（見表3）。

[提問]所以我們想要滅火，只需要怎么樣？

[學生回答]破壞燃燒的條件。

[總結]對，我們通過改變其中的一個條件，可讓火燃燒得更旺，也可通過改變其中的一個條件，讓火熄滅，從而實現成功地馭火，對燃燒加以控制。

[課堂后測]請學生再次對前測的題目做出選擇。（再次掃碼）有2位學生錯選。

5.3? 環節三： 防火有“法”——艾德避免森林火災的發生

[情境導入]生活中的火，善用為福，不善用為禍，一不小心就是火災了。很多時候，我們需要將可燃物防范于未然之中，讓它不發生燃燒。

[布置任務]請同學們完成一個實驗： 如何讓可燃物A4紙在酒精燈火焰上直接灼燒十秒以上燒不壞呢？先小組討論設計實驗，然后開始實驗，完成后及時熄滅酒精燈。

[學生實驗]成功的方案如下：

方案一： 將紙放入水中浸濕，揉成一團，放在酒精燈上灼燒。

方案二： 將紙折成小船，浸濕并裝好水，放在酒精燈上灼燒。

[討論與交流]成功組的同學分享經驗，失敗組的同學尋找原因。

[總結]想要成功防火，只需要預先破壞一個條件，就可以成功防火。

[提問]我們看到艾德就要離開這里了。可他視頻中火還在燒，他怎樣做可以預防森林火災？

[學生回答]澆水滅掉。

[提問]在森林里面不要留下火源。在生活中還有哪些可以預防火災的例子呢？

[學生列舉]樓道里面有滅火器、煙霧感應器，小區裝有消防水管等。

[講述]校園防火也有辦法： 教室里的安全貼士、防火吊頂以及安全通道門。更多防火的知識，請你們回去參見中國消防網。

5.4? 環節四： 實驗拓展，引發思考

[總結]感謝大家對我和艾德的陪伴，我們一起研究了燃燒的三個條件，并且學

會了控制燃燒，將其防范于未然之中。在課程的最后老師給大家帶來了一個趣味實驗。

[演示實驗]鎂條在二氧化碳中燃燒（見圖7）。

學生發現鎂條在二氧化碳中能持續燃燒，發出耀眼的白光，感到新奇并疑惑。

[布置課后任務]請你們思考為什么鎂條在二氧化碳中能正常燃燒呢？回去完成課后作業并閱讀文獻“燃燒條件再思考”一文，這里能找到你們想要的答案。

6? 教學特色及反思

本次實踐以艾德單挑荒野取火，控制燃燒更“旺”或者熄滅，艾德離開荒島防止森林火災作為引線，形成“取火有術”“馭火有方”“防火有法”三大板塊，圍繞展開五大實驗探究活動，從建立模型、優化模型、應用模型層層遞進，培養學生的證據意識，發展學生證據推理與模型認知的化學學科核心素養。同時，結合Plickers手機軟件及時進行課堂診斷，使教學評一體化，加強課堂即時反饋互動。另外，在這節課中，通過引導學生對燃燒與滅火相關實驗的探索，糾正了學生對燃燒概念的部分認知偏差。首先，通過采用熱水提供溫度使白磷燃燒讓學生明白點燃只是使可燃物的溫度達到著火點的一種方式，并不是必備條件。第二，通過數字化實驗定量測定蠟燭熄滅后容器中剩余氧氣濃度，讓學生從數據上直觀了解到，燃燒的發生對氧氣的濃度是有要求的。第三，通過鎂條在二氧化碳中燃燒的小實驗讓學生發現問題，即不是所有的燃燒都需要氧氣。最后，給學生提供關于“燃燒條件再思考”的文獻，讓學生課后繼續思考與探索。

實踐的過程中也發現了一些問題： 首先，學生對實驗現象的觀察及描述能力較弱，例如在白磷燃燒時忽略了氣球體積的變化，在用傳感器測量氧氣濃度時沒有注意測量導管的長度等;其次，學生對模型應用的能力偏弱，在尋找熄滅蠟燭的方法時例舉不夠全面，在進行10秒鐘A4紙燒不壞實驗時部分組是失敗的;其三，在此次實踐中，對于模型修正的相關問題主要由教師提供，部分實驗由教師操作，弱化了學生本身的思考以及動手操作。總而言之，學生的“證據推理與模型認知”素養的培養并不是簡單的一堂課就能達到目的的，而是需要教師平時一點一滴地滲透和積累，讓學生不斷地去思考問題和質疑問題，才能不斷地發展和完善起來。

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