基于“證據推理與模型認知”的化學教學策略探究

沈國強

摘? ?要：首先分析化學學習過程中遇到的概念繁多、頭緒雜亂、記憶困難、學習方法單一等問題，然后在此基礎上闡述“證據推理與模型認知”化學教學策略的科學內涵，最后從巧用化學實驗策略建構化學物質類別的認知模型、巧用物質類別的性質比較策略建構元素周期律的認知模型、巧用結構決定性質規律建構有機物學習的認知模型、巧用理論聯系實際規律構建動態平衡模型四個方面重點論述基于“證據推理和模型認知”的化學教學策略，如此能使學生科學、系統、全面地掌握化學物質的組成、結構與性質、實驗與探究，還能科學有效地培育學生”證據推理與模型認知”素養。

關鍵詞：化學教學;證據推理;模型認知;策略探究

中圖分類號：G633.8? ?文獻標識碼：A? ?文章編號：1009-010X（2021）20/23-0103-04

一、問題的提出

在日常的化學教學中，筆者發現高中生經常因為化學概念多、知識點散亂而產生厭學情緒，忽視化學知識之間的邏輯結構，只知道死記硬背各類化學方程式、化學概念、化學符號等。因為需要記、背的內容太多，所以即使花了很多時間記、背，也收效甚微，因此大部分學生都感到化學非常難學。特別是很多化學知識即使背得十分熟練了，但在化學考試中解決實際問題時，還是會屢屢碰壁，不知道如何根據試題情境提取關鍵信息，并對信息進行合理的加工和處理，然后應用其進行解答。

基于上述學生在化學學習中出現的問題，筆者認為在高中化學教學中，教師應著重指導學生自主建構化學知識的學習框架，并充分挖掘“證據推理與模型認知”化學教學策略在化學學習中的功能，只有這樣才能讓學生科學、系統、全面地掌握化學物質的組成、結構與性質等知識。

二、”證據推理與模型認知”的科學內涵

“證據推理與模型認知”是化學學科研究的思維與本質，主要包括以下五個方面的內涵：具有證據意識，能基于證據對物質的組成、結構及其變化提出可能的假設;通過分析推理加以證實或證偽;建立觀點、結論和證據之間的邏輯關系;知道可以通過分析、推理等方法認識研究對象的本質特征、構成要素及其相互關系，并建立模型;能運用模型解釋化學現象，揭示現象的本質和規律。

在化學教學中，“證據推理”包括實驗論證和理論論證。實驗論證是以實驗現象作為證據，對物質的性質進行論證;理論論證是利用化學概念和原理從理論的角度論證物質的性質或反應規律的合理性，此類論證強調從微觀角度建立物質的結構與性質之間的聯系。

化學教學中的“模型認知”是指基于認識模型，形成對特定化學問題系統分析的思維過程。 學生面對一系列化學知識的時候，不應機械地記憶，而應基于固定的認識模型，將這些化學知識轉化為某一認知模型，該模型包括重要的化學知識以及認識化學知識的角度和思路。

三、基于“證據推理和模型認知”的化學教學策略

在課堂教學中， 教師要不斷引導學生收集證據進行邏輯推理，構建化學知識的認知模型，由此可順利解決化學問題。

（一）巧用化學實驗策略建構化學物質類別的認知模型

通過前面的學習，學生已經能從金屬活動性順序、原子結構、物質的類別、化合價等角度預測和解釋鈉的化學性質，也能設計實驗對其進行驗證。 因此，教師可以從物質的類別、化合價的角度出發進行教學設計，以幫助學生構建認識金屬元素的性質與轉化認知模型。例如在“金屬鈉與硫酸銅的反應”教學中可采用如下策略：

1.基于證據提出假設。以金屬活動性順序表為依據，以初中學過的鐵與硫酸銅溶液反應的實驗現象為證據，提出假設：鈉和硫酸銅溶液反應會發生類似的置換反應。

2.實驗演示證實真偽。學生演示鈉和硫酸銅溶液反應的實驗，觀察到的實驗現象是鈉浮在水面上，并迅速熔化成一個小球，在水面上游動。同時有藍色絮狀沉淀生成，并有少量黑色物質出現。這一現象與假設完全不同，說明鈉沒有置換出銅，以上過程使學生形成了認知沖突，可激發學生的求知欲望。

3.分析推理模型的建構。根據實驗現象，經推理可知將鈉投入硫酸銅溶液中，其會先與水反應生成氫氧化鈉和氫氣，然后氫氧化鈉再與硫酸銅反應生成氫氧化銅沉淀，氫氧化銅在加熱的條件下生成了氧化銅。由此可知鈉與硫酸銅溶液反應的認知模型是鈉先與水反應，再與硫酸銅溶液反應，并非簡單的置換反應。

4.認知模型的運用。鋁與氫氧化鈉溶液的反應（鋁先與水反應生成氫氧化鋁，氫氧化鋁再與氫氧化鈉反應生成偏鋁酸鈉）;銅與濃硫酸的反應（銅先與氧氣反應生成氧化銅，氧化銅再與硫酸反應生成硫酸銅）等。

（二）巧用物質類別的性質比較策略建構元素周期律的認知模型

人教版高中化學教材中的元素周期律這部分內容都是以知識呈現的形式展開的，這些知識的學習讓人感到枯燥乏味，缺乏生機。所以在教學時，教師應該從物質的類別出發，將金屬和非金屬進行分類研究，并通過“證據推理和模型認知”的方式開展探究性學習，如此可讓學生體驗探究知識的樂趣，促使其運用所學知識去探究新知，進而產生極大的興趣，并最終掌握元素之間的規律性。

例如在“第三周期元素性質的遞變規律”教學中可采用如下策略：

1.基于證據提出假設。根據物質的類別、金屬活動性順序表、原子核外電子的排布規律提出假設：鈉、鎂、鋁的金屬性依次減弱。

2.演示實驗證實真偽。根據金屬性強弱的判斷方法（金屬與酸或水反應置換出氫氣的難易程度），設計鈉與水反應、鎂與水反應的對比實驗來比較鈉和鎂的金屬性強弱，再設計鎂與鹽酸反應、鋁與鹽酸反應的對比實驗來比較鎂和鋁的金屬性強弱。然后通過實驗現象的比較得出鈉的金屬性強于鎂，鎂的金屬性強于鋁，與假設相符，由此最終得出金屬性從左到右逐漸減弱的規律。

3.分析推理，模型建構。引導學生對每一周期金屬元素的金屬性遞變情況進行分析，以此構建認知模型，即金屬性從左到右是逐漸減弱的。

（三）巧用結構決定性質規律建構有機物學習的認知模型

“結構決定性質”是學習有機物知識最重要的規律。其內涵是根據有機物的分子式和化學性質去推斷有機物的結構;反之，根據有機物的結構又可以預測有機物的化學性質。

結構是原因，性質是結果，經過相互推理論證，便可培養學生的模型認知能力。例如乙醇的結構教學可采用如下教學策略：

1.基于證據提出假設。根據碳、氫、氧原子的成鍵原理，結合乙醇的分子式C6H12O6，提出乙醇的結構可能有兩種（如圖1所示）：

2.根據規律進行推理。結構甲性質穩定，不能與鈉反應，不能被酸性高錳酸鉀氧化;結構乙具有羥基，能與鈉反應放出氫氣，能被酸性高錳酸鉀氧化。

3.實驗演示證實真偽。學生演示乙醇與鈉的反應和乙醇與高錳酸鉀的反應;觀察到的實驗現象分別是鈉沉于乙醇底部，緩慢反應，產生氣泡;高錳酸鉀溶液褪色。實驗證明乙醇中含有羥基，這說明結構乙是乙醇的結構式。

4.分析推理，模型建構。讓學生掌握從乙醇的分子式出發，提出乙醇可能的結構模型，然后根據官能團的性質推理各結構模型可能具有的化學性質，最后通過實驗現象來證明哪一種結構是正確的。讓學生建構結構決定性質，性質反映結構的有機物學習模型，由此可使學生的“證據推理和模型認知”能力得到極大的提升。

又如苯的教學可以采用如下的教學策略：

1.基于證據提出假設。根據碳、氫、氧原子的成鍵原理，結合苯的分子式C6H6，提出苯的結構可能具有4種（如圖2所示）。

2.根據事實進行推理。根據苯不與溴水和酸性高錳酸鉀溶液反應，苯分子具有高度的對稱性，可知結構乙和丁中含有碳碳雙鍵或三鍵而被排除。又根據一溴苯只有一種;鄰二氯苯只有一種的事實可以把丙排除。

3.層層推進，模型建構：剩下的甲能夠解釋很多苯的化學性質，但是無法解釋鄰二氯苯只有一種的事實，所以最終將甲（凱庫勒式）改進為? ? ?，并指出此結構中6個碳原子之間的化學鍵完全相同，是一種介于單鍵與雙鍵之間特殊的鍵。

4.模型認知，問題解決：如苯與溴能發生取代反應：C6H6+Br2? ? ? ?C6H5Br+HBr，苯與氫氣能發生加成反應C6H6+3H2? ? ? C6H12，這是因為苯分子的模型中具有介于單鍵與雙鍵之間特殊的化學鍵導致的，其既有單鍵的性質（取代反應）又有雙鍵的性質（加成反應）。

（四）巧用理論聯系實際規律構建動態平衡模型

化學源自生活，所以化學中的很多理論如果直接采用教師講授的方法就會顯得空洞乏味，缺乏新意。但是如果將所學內容與學生生活中的點點滴滴聯系起來，化抽象為形象，化被動為主動，就會使化學課堂變得生動活潑，豐富多彩，進而可提升化學教學的效率。

“氨氣與水的反應”教學可以采用如下的教學策略：

1.情境引入，提出問題。教師在課前可提出問題：“從衛生間經過總是會聞到陣陣異味，那么同學們有沒有想過這些異味的化學成分是什么呢？”

2.推理論證，追根溯源。聞一瓶氨氣的氣味，與廁所中氣體的氣味進行比較，可知廁所中的氣體就是氨氣。

3.逐層推進，模型構建。氨氣是不是在水中的溶解度特別大？觀看噴泉實驗（如圖3所示）——出現鮮艷的紅色噴泉，如此學生的求知欲和探究欲望被迅速激發出來，通過探究推理，學生一致認可氨氣極易溶于水。接著探究氨氣易溶于水以及噴泉實驗中酚酞溶液變紅的原因：構建模型：NH3+H2O?NH3·H2O?NH4++OH-，此模型說明氨氣溶于水是一個動態平衡的過程：NH3先與H2O反應生成NH3·H2O，然后NH3·H2O部分電離出NH4+和OH-。

4.模型認知，問題解決。廁所中的氣味為什么久久不易散去，就是因為氨氣極易溶于水，并與水反應生成了氨水。保潔員使用潔廁靈（含有HCl）來消除廁所中的異味，就是因為氨水具有弱堿性，能與酸性物質反應。

綜上所述，在化學教學中，“證據推理與模型認知”教學策略的運用不僅鍛煉了學生的邏輯思維能力，培養了學生良好的思維習慣，對于學生的終身學習也有極大的幫助，而且還拓展了學生學習化學的方法——從原來的機械記憶變成了意義記憶，把相互孤立的知識通過嚴密的邏輯推理緊緊聯系起來，如此可使課堂氛圍變得活躍，學生學習的積極性得到有效激發，也有力地提升了學生的核心素養。

參考文獻：

[1]中華人民共和國教育部.高中化學課程標準（2017 版）[S]. 北京：人民教育出版社出，2018.

[2]杜? ?博.基于“證據推理和模型認知”的元素化學教學——以氨和銨鹽為例[J].化學教與學，2020，（10）：77～80.

[3]牛彩霞.基于“證據推理與模型認知”的有機化學教學——以“醇的化學性質”為例[J].化學教與學，2020，（8）：43～45.

[4]黃愛民.關于證據推理與模型認知的一些思考[J].教學月刊·中學版（教學參考），2019，（4）：3～8.

[5]許佳寧.高中生化學概念原理學習中證據推理能力研究[D].沈陽師范大學，2019.