基于證據推理的初中化學教學實踐與思考
——以“碳酸鈣的探索之旅”為例

◎ 陳韶瑾

基于證據的推理是科學發生和發展的基礎，化學作為一門基于實驗的自然科學也不例外。通過實驗積累證據，基于證據進行推理得出結論，進而推動學科的理論發展，是近代化學演化的一貫軌跡。“證據推理”是高中化學學科核心素養之一，具體闡述為“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偽證；建立觀點、結論和證據之間的邏輯關系”。目前高中化學的教學過程中已經形成了一批優秀的研究案例，并得到了廣泛應用。但是，初中化學的教學對此卻極少涉及，鮮有論述。

筆者認為，作為化學教育的啟蒙階段，在初中化學教學中引入“基于證據的推理”，能幫助學生培養理性思維的習慣，形成化學學習所必備的實證意識和嚴謹的求知態度，是一種教學創新方面的一種嘗試。以此為出發點，在進行初中化學“碳酸鈣的探索之旅”新授課時，筆者根據《義務教育化學課程標準（2011年版）》的要求，以學生的實際生活為起點設置真實任務，引導學生借助化學傳統實驗與數字化實驗尋找各種“證據”，探索、推斷碳酸鈣的性質，以此學習物質性質探究的一般方法與流程，形成基于“證據推理”的初中化學課堂。

一、基于證據推理的課堂教學實踐

“碳酸鈣的探索之旅”一課的教學目標是：通過觀察及實驗，了解碳酸鈣的物理性質，能描述碳酸鈣高溫分解、與酸反應的實驗現象并能書寫相應的化學方程式，感受碳酸鈣在生活生產中的廣泛應用，體會化學使生活更美好。

針對教學目標重組教學內容，教學過程以碳酸鈣的性質探索為主線，以碳酸鈣的發現、探索、檢驗三部曲串聯起課前—課中—課后的學生活動。首先，根據碳酸鈣在實驗中的變化提出可能的假設，運用實物、圖片、視頻、數字化信息系統等多種手段收集證據，分析推理證實，得出關于碳酸鈣性質的結論，使學生體驗基于證據推理的化學學習過程，加深對碳酸鈣的認知，掌握基本的科學思維方法，形成嚴謹認真的科學研究態度。

（一）尋找碳酸鈣——證據推理思想的初步形成

在初中化學教學中，筆者一直很重視學生預習的效果。在碳酸鈣相關部分的教學準備中，教師可以將證據推理的思想滲透到對學生的預習要求中，要求學生在日常生活中尋找可能含有碳酸鈣的物質。

學生可以從各種角度出發，從物質的名稱、物質的形態，抑或物質的各種特性，假設是否含有碳酸鈣，接著用各種方式比如查閱資料或詢問家長、教師，來判斷、推斷自己的假設是否正確。在尋找、初識碳酸鈣的同時，教師引導學生在預習的時候就初步形成“作出假設—尋找證據—證明推斷”的思維邏輯，既激發了學生學習碳酸鈣的興趣，又為后續的課堂教學埋下伏筆，夯實基礎。

（二）探索碳酸鈣——證據推理思想的集中應用

在初中化學教學中，對于碳酸鈣的學習要求：一是物理性質，即了解碳酸鈣色、態、味、溶解性；二是化學性質，即碳酸鈣與稀鹽酸反應，碳酸鈣高溫分解。在課堂教學中，筆者將證據推理思想與方法應用其中，幫助學生更好地理解與掌握碳酸鈣的性質。

1.碳酸鈣物理性質的推理與驗證

在課前的預習過程中，學生已經對含有碳酸鈣的物品有了大致了解。通過對各種物品的觀察，可以了解碳酸鈣的色、態、味等方面的性質。在此基礎上，關于碳酸鈣溶解性的探索，教師可以引導學生作出如下假設：“碳酸鈣能溶于水”或“碳酸鈣難溶于水”。有了假設，接下來就開始設計和實施實驗，教師要求學生收集可靠的證據來推斷、證明假設。

學生實驗1：碳酸鈣粉末的水溶性觀察。

具體實驗步驟是：學生取少量的碳酸鈣粉末，加入足量水，振蕩后觀察，有大部分白色固體剩余。

【證據推理】由此可以得到第一個證據，碳酸鈣粉末在足量的水中會有大量白色固體剩余。這是否就能夠證明碳酸鈣難溶于水？

學生實驗2：碳酸鈣加水前后的質量測定。

具體步驟如下。

（1）取塊狀碳酸鈣，稱量1g，置于水中，半天后，撈出，烘干，再稱量。

（2）取粉末狀碳酸鈣于試管中，稱量1g，加水靜置，半天后，吸取上層清液，烘干，再稱量。

（3）對比兩組質量，分析數據。

【證據推理】通過對比可知，加水前后，碳酸鈣質量變化極小。由此可以得到第二個證據，進一步加大了“碳酸鈣難溶于水”這一假設成立的可能。

教師實驗：以電導率傳感器（見圖1）呈現碳酸鈣在水中的溶解情況。

具體實驗步驟如下。

（1）取50mL的蒸餾水倒入燒杯中，放入一粒磁子，記錄此時電導率。

（2）向燒杯中加入0.5g碳酸鈣粉末，并用磁力攪拌器攪拌，記錄此時電導率。

圖1 用電導率傳感器探究碳酸鈣在水中的溶解情況

（3）向燒杯中加入0.5g氯化鈉固體，記錄此時電導率。

（4）比較電導率數值和曲線變化。

【證據推理】觀察發現，先后加入碳酸鈣、氯化鈉后，混合體系中電導率差異顯著。這種差異具體表現在，相對氯化鈉加入后的電導率，碳酸鈣加入后的電導率變化微乎其微。由此得到第三個證據，同一條件下，相對于氯化鈉的溶解，碳酸鈣溶解得非常少。

通過以上三個證據，學生已經基本可以得出“碳酸鈣難溶于水”的結論。在此基礎上，教師指導學生翻閱教材，了解到20℃時碳酸鈣的溶解度為0.0013g/100g水。根據定義，溶解質小于0.01g/100g水的物質可判斷為基本上不溶于水。至此，對于碳酸鈣溶解性的假設得到了驗證。

關于碳酸鈣物理性質的學習，學生從最初的直接觀察，到學著運用多種手段開展化學探究，通過測定質量、借助新技術及查閱資料，從而分析、推理得出“碳酸鈣難溶于水”的假設成立。這使學生在掌握碳酸鈣物理性質的同時，對基于證據推理的化學探索有了直觀的感受。

2.碳酸鈣化學性質的推理與驗證

本節課對于碳酸鈣化學性質的研究，主要涉及碳酸鈣與稀鹽酸反應以及碳酸鈣高溫分解兩個部分。而將“證據推理”理論應用到這兩個部分的教學中，同樣可以起到很好的效果。

（1）“證據推理”理論應用于“碳酸鈣與稀鹽酸反應”的教學實踐

課堂中，教師首先在實驗盒中放置酚酞試液、石蕊試液、稀鹽酸、氫氧化鈉溶液，要求學生們猜想，碳酸鈣能與哪種溶液發生化學反應？學生們眾說紛紜。隨后，學生將碳酸鈣分別加入上述各種溶液中，發現碳酸鈣與酸堿指示劑、氫氧化鈉稀溶液混合后均無明顯現象，而碳酸鈣與稀鹽酸混合后生成了許多氣泡。基于此現象，學生可以判斷出 “碳酸鈣能與稀鹽酸發生化學反應”的假設成立。

在此基礎上，教師可以引導學生進一步思考：既然碳酸鈣與鹽酸發生了化學反應，那么作為反應物，碳酸鈣會有什么變化？它與鹽酸的化學反應產生了什么新的物質呢？學生提出“碳酸鈣的質量可能會減小”“碳酸鈣和鹽酸反應會生成二氧化碳”“碳酸鈣和鹽酸反應會生成水”等不同看法。

針對這些假設，我們分別設計實驗進行論證。

學生實驗1：碳酸鈣與稀鹽酸反應前后的質量測定。

具體步驟如下。

①將一定量的大理石、稀鹽酸分別置于兩支試管中稱量，記錄天平示數。

②將大理石與稀鹽酸混合，再次記錄天平示數。

③對比兩組質量，分析數據。

【證據推理】通過對比可知，與稀鹽酸混合后碳酸鈣質量變小，即假設成立。該現象也說明了在化學變化中，反應物會有消耗。

學生實驗2：碳酸鈣與稀鹽酸反應后的產物檢驗。

具體步驟如下。

①取一塊大理石于大試管中，倒入25mL稀鹽酸。

②迅速塞上單孔橡皮塞，將產生的氣體通入裝有澄清石灰水的試管中。

【證據推理】經實驗，學生發現澄清石灰水變渾濁。根據此前學習到的知識點，該現象說明了碳酸鈣與稀鹽酸發生化學反應后，生成了二氧化碳，因此又一個假設得到了驗證。

基于上述實驗證據以及已被證實的假設，教師可以引導學生繼續思考，了解兩種化合物之間的反應中存在的規律，推導碳酸鈣與稀鹽酸反應的化學方程式，充分掌握這一實驗的反應過程和生成物組成，更有效地完成學習任務。

關于“碳酸鈣與稀鹽酸反應”的種種推理與驗證，是對“證據推理”思想與方法的進一步實踐。教師注重在學生判斷與分析化學現象時作出指導，幫助學生理解化學變化的實質，認識到物質在發生化學變化時，除了會伴隨一些特征現象，還會生成新物質，反應物也會有所消耗。這為學生自主提出相關的假設提供了支撐，同時也拓寬了循證的思路，養成理性思維的習慣。

（2）“證據推理”理論應用于“碳酸鈣高溫分解”的教學實踐

在前期的學習中，學生已經具備一定的化學基礎，知道不同的物質發生分解所需要的條件不同，有些在常溫下會分解，如過氧化氫；有些在受熱后會分解，如氯酸鉀。那么，碳酸鈣會分解嗎？碳酸鈣分解的條件是什么呢？

教師指導學生分組進行了以下實驗。

①將一塊大理石置于常溫下。

②將一塊大理石捂在手心里。

③用坩堝鉗夾持一塊大理石置于酒精燈火焰內灼燒。

④用坩堝鉗夾持一塊大理石置于酒精噴燈火焰上方灼燒。

5分鐘后，比較觀察4組實驗后的大理石。學生發現：①②③中大理石的外觀并沒有明顯變化，④中大理石表面有發白現象。

顯然，碳酸鈣能分解，但只能在高溫條件下才會分解，產生化學變化。那么，碳酸鈣高溫分解的產物是什么呢？

學生采用在“碳酸鈣與稀鹽酸反應”學習到的推理與驗證的思路，從反應物的消耗與新物質的生成這兩個方面提出了接下來需要論證的假設：①碳酸鈣作為反應物，質量會減少；②碳酸鈣會分解生成氧化鈣或其他含鈣化合物。

具體論證過程如下。

①先稱量大理石的質量，然后置于酒精噴燈火焰上方灼燒5分鐘，觀察到大理石表面有發白現象。

②再次稱量大理石的質量，與灼燒前記錄的數據對比后發現大理石質量減小。

【證據推理】灼燒后大理石表面發白、質量減少，說明大理石發生了變化，反應物有消耗。

③將夾持灼燒后的大理石放入裝有蒸餾水的燒杯中，取上層清液于兩支試管中。向一支試管中滴加1—2滴無色酚酞，酚酞呈紅色；向另一支試管中吹氣，清液變渾濁。

【證據推理】第一個試管中的溶液使酚酞呈紅色，說明液體呈堿性；而第二個試管中的現象可以讓學生很自然地聯想到該液體是澄清石灰水。由此可以說明，最終的生成物應該是氫氧化鈣。然而，碳酸鈣中并不含有氫元素，碳酸鈣直接分解不可能生成氫氧化鈣。為什么會這樣呢？教師可以引導學生，根據此前學過的通過氧化鈣加水的方式制取氫氧化鈣的知識推理出，是因為碳酸鈣高溫分解后生成了氧化鈣，與水進一步反應變成了氫氧化鈣溶液。

基于上述的假設與推理，教師指導學生翻閱書本，學習碳酸鈣是重要的建筑材料和工業原料，在工業上正是運用高溫煅燒碳酸鈣的原理來制取氧化鈣。同時，碳酸鈣高溫煅燒后的另一產物，是大家非常熟悉的物質——二氧化碳。在了解了反應物和生成物后，根據質量守恒定律，學生基本可以書寫出“碳酸鈣高溫煅燒”的化學方程式。

關于“碳酸鈣高溫分解”的推理與驗證，是對“證據推理”思想與方法的綜合應用。面對比較復雜的綜合性問題，教師運用基于證據推理的教學模型，指導學生將問題層層拆解與分析，比如“碳酸鈣是否能分解？”“碳酸鈣分解需要什么條件？”“碳酸鈣分解生成了什么物質？”。學會拆解問題，就能針對每個問題提出相對應的多個假設，并圍繞假設設計實驗，進而解決問題，培養系統思考問題的能力。這就是教學過程中，解決復雜問題的一般循證路徑。

（三）檢驗碳酸鈣——證據推理思想的鞏固拓展

“碳酸鈣的探索之旅”一課帶領學生用“證據推理”的思想與方法學習了碳酸鈣的部分物理性質與化學性質，培養了學生的證據思想和研究能力。課后，這些知識、方法及能力能幫助學生用化學的眼光看待生活中含有碳酸鈣的物品，充分運用碳酸鈣的性質，理性地作出判斷，得出較嚴謹的科學結論。

同時，“證據推理”模型的運用，為學生建立觀點、結論和證據之間的邏輯關系奠定了扎實基礎。教師應該鼓勵學生將這種思考方式應用到今后的化學學習和日常生活中。

二、基于證據推理的課堂教學反思

在化學學科領域中，證據已經成為一種專業用語，用證據論證觀點是學生探究性學習的核心。基于證據推理的“碳酸鈣的探索之旅”一課，以碳酸鈣的性質探索為主線，以碳酸鈣的發現、探索、檢驗三部曲串聯起課前—課中—課后的學生活動，希望學生在化學課堂上享受到思辨的快樂，獲得學習的成就感。

（一）喚醒了收集證據的意識

在尋找碳酸鈣過程中，學生發現生活中習以為常的物質背后竟然“隱藏”著眾多化學物質，而這些化學物質中是否存在碳酸鈣？為了證明自己的想法，學生嘗試運用各種方法，思考與分析各種證據，作出相應判斷。其實，這就在指引學生初步形成“作出假設—尋找證據—證明推斷”的思維邏輯，為后續的課堂學習做好準備，也極大程度激發了學生對于碳酸鈣學習的興趣。

（二）學習了證據推理的方法

“證據推理”需要基于證據對物質組成、結構及其變化提出可能的假設，通過分析進行推理。然而，獲得物質組成及其變化的研究方法很多，只有掌握證據推理的一般思路與方法，學生才能找到收集可靠證據的抓手，確立循證的方向。

碳酸鈣的性質教學遵循了學生的學習認知規律，循證內容由易到難，循證方法由單一到復雜。面對瞬息萬變的物質變化，學生逐步梳理出根據“特征現象—反應物消耗—生成物檢驗”的思維路徑提出假設，依據直接觀察，添加水、酸堿指示劑、稀酸溶液、稀堿溶液等常見試劑，加熱等化學方法來收集證據。

“證據推理”理論應用于碳酸鈣性質的學習過程，拓寬了循證思路，明確了循證路徑，學習了循證方法，為今后的化學學習奠定基礎。

（三）體驗了證據推理的樂趣

本節課通過實驗觀察現象、收集數據，對課堂所學加以運用，使學生真實體驗化學物質的研究過程，加深對碳酸鈣的認知，進一步形成發散思維和系統思維，感受化學學習的樂趣和價值，養成嚴謹、求實的科學態度。