基于“證據推理與模型認知”在《乙醇》教學中的應用探究

林振浩

隨著素質教育的不斷推進實施，培養學生解決問題能力、創新意識乃至創造性思維受到越來越多的重視。培養學生分析、解決化學問題的能力，培養學生與化學相關的創造性思維能力，不僅強調學生要善于尋找證據，分析推理、歸納綜合，而且應能夠以理想化的形式重現物質及其變化中的各種復雜的結構、功能及聯系，建立起簡約化、通用性的化學模型。只有如此學生才能夠更好地利用事實證據、利用化學模型去創造性的解決實際問題和化學理論問題。這正是學生具備創造性解決問題能力、創造性思維能力的表現，也是學生建構起從化學的視角認識事物和解決問題的思想、方法、觀點的必備要求。因此，立足于學生能力發展和素質培養的要求，化學教學中需要培養與發展學生“證據推理與模型認知”相關素養。

化學是在原子、分子水平上研究物質的組成、結構、性質、變化及其應用的一門基礎學科，其特征是從微觀層次認識物質，以符號形式描述物質，在不同層面創造物質。化學不僅與經濟發展、社會文明的關系密切，也是材料科學、生命科學、環境科學、能源科學和信息科學等現代科學技術的重要基礎。

高中化學學科核心素養是學生發展核心素養的重要組成部分，是高中生綜合素質的具體體現，反映了社會主義核心價值觀下化學學科育人的基本要求，全面展現了通過化學課程學習對學生未來發展的重要價值。化學學科核心素養包括“宏觀辨識與微觀探析”“變化觀念與平衡思想”“證據推理與模型認知”“科學探究與創新意識”“科學態度與社會責任”五個方面。

隨著“新課改”的推進，化學學科已經成為高中的選修學科，因此在教學中，教師應注重化學教學的選擇性，以提升學生化學綜合能力，強化學生對化學的學習興趣。核心素養作為高中化學中的重要組成部分，是高中學生日后發展的延伸。在高中化學學習中，由于化學知識點較多，且知識點之間連接較少，無法探尋知識點之間的規律。因此，學生對于化學沒有學習興趣，覺得化學知識枯燥乏味，因此教師可以采用證據推理與模型認知的教學方法提高學生的學習興趣。化學學科核心素養的證據推理與模型認知，是通過在頭腦中通過證據推理、建立模型，將化學學科的抽象知識變得具體化。化學研究通常表現為不可見，常在分子水平上進行，導致教授高中化學知識時十分抽象。因此，教師可以利用證據推理與模型認知提高學生的化學綜合能力，使學生可以通過模型認知將所學知識具體化，進而促進學生通過證據推理與模型認知建立對化學學科的興趣，并以此來進行化學學科的有效探索。

《普通高中化學課程標準（2017年版）》對“理論推理與模型認知”素養提出如下的界定：具有論據意識，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證偽;建立觀點、結論和證據之間的邏輯關系;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，建立認知模型，并能運用模型解釋化學現象，揭示現象的本質和規律。

化學學科的本質力量來自于學科價值，即化學學科所具有的促進學生主體生存和發展的屬性力。具體分析，學生學習不同的科目培養的思維、意義不同，學生通過初高中以及大學階段化學知識的學習，逐漸形成一種從化學視角看待問題、 分析問題、處理問題的能力。化學視角強調一切要以實驗為基礎，講究真憑實據，這種屬性能力是對已學過的化學知識的再升華，這種屬性能力也正是化學核心素養所要培養的。作為化學核心素養中的一個維度，“證據推理與模型認知”目標是指通過化學實驗探究活動培養學生收集信息、整理信息、分析信息的能力，既要學生樹立獨立分析問題的意識，又要培養學生的團隊合作精神，尤其是引導學生基于證據的推理、判斷和探究建構模型，提高學生的科學探究能力具有重要作用。

化學作為建立在實驗基礎上的自然科學，十分重視實證研究。化學科學強調基于觀察與實驗開展研究，并在獲取事實證據基礎上，經過分析比較，歸納概括、演繹推理等認知加工活動，揭示化學規律、建構化學理論。同時運用所建立的化學規律與理論去分析，解決更多的化學問題，從而檢驗化學規律與理論的科學性;發展與完善化學科學體系，凸現化學科學的價值。

隨著素質教育的不斷推薦推進實施，培養學生解決問題的能力、創新意識乃至創造性思維已經引起各方面的重視。培養學生分析、解決化學問題的能力，培養學生與化學相關的創造性思維能力，不僅強調學生要善于尋找證據，分析推理、歸納綜合，而且應能夠以理想化的形式重現物質及其變化中的各種復雜的結構、功能及聯系，建立起簡約化、通用性的化學模型。只有如此，學生才能夠更好地利用事實證據、利用化學模型去創造性地解決實際問題和化學理論問題，這正是學生具備創造性解決問題能力、創造性思維能力的表現，也是學生建構起從化學的視角認識 事物和解決問題的思想、方法、觀點的必備要求。因此，立足于學生能力發展、素質培養的要求，化學教學中需要培養與發展學生“證據推理與模型認知”相關素養。

以《乙醇》的教學為例，論述在實際教學活動中，如何指導學生運用證據推理和模型認知的方法學習。

1. 史話點題，探究成分

【情境導入】古人常以詩會友，以酒會友，酒究竟有什么樣的魅力呢？

我們通過今天的學習一起來了解一下。 觀察下我手中的這瓶酒的顏色、狀態是什么樣的呢？

【學生歸納】乙醇是無色的液體

【講述用途】通過觀察實物我們知道乙醇的顏色、狀態，那么生活中的乙醇究竟有什么用途呢？含酒精的飲料中含有濃度不等的乙醇。 75% （體積分數）的乙醇溶液常用于醫療消毒。

【提出問題】在化學中結構決定性質，性質又決定用途。既然乙醇有如此多的用途，我們今天就來研究下乙醇的結構。在初中階段，我們學過幾種簡單的有機物知道乙醇的分子式是 C2H6O，那么乙醇究竟具有怎么樣的結構呢？

2. 結構猜想、證明推理

【學生猜想】對乙醇的結構進行推斷，得出結構式

CH3CH2OH或CH3OCH3。此時教師可以使用球棍模型拼出兩種同分異構體，隨后讓學生在頭腦中具有兩種同分異構體模型。

【師生評價】所寫的結構符合乙醇的分子式中原子守恒規律，且符合 C 原子的四價成鍵原則。

【問題討論】現在猜想中乙醇有兩種結構，要得出乙醇真正的結構，就要用實驗來證實，你能想到哪些實驗方案？

【方案確定】最簡單的方法，就是用乙醇和鈉反應，驗證乙醇能否被置換出H2，進而判斷兩種結構中原子的斷鍵方式。

【實驗探究】觀察鈉的保存方法，并向1-2毫升無水乙醇中投入一小粒金屬鈉，觀察實驗現象。

【實驗證據】氫氣的來源可能是 O-H 鍵斷裂也可能是 C-H 鍵斷裂，但是由于鈉保存在煤油中，煤油是多種烷烴的混合物，實驗表明這些烷烴分子中與碳原子相連的氫不能被金屬鈉置換。因此鈉不能使 C-H 鍵斷裂，放出氫氣。但是在必修一《鈉及其化合物》的研究中，鈉是可以與水反應放出氫氣的，因此氫氣的來源只能是 O-H 鍵斷裂。

【學生匯報 1】對于該實驗產生的無色氣體，我們進行實驗驗證，從其外觀上看，沒有顏色，用手輕輕煽動聞其氣味，并沒有刺鼻性感覺，因而只能采用其他檢驗方法比如燃燒法進行驗證，發現該氣體在空氣中燃燒發出同前面學習過的甲烷燃燒相類似的淡藍色火焰，那么，該種氣體能否是甲烷呢？再對燃燒后的生成物進行驗證，發現該生成物并不能使澄清石灰水變渾濁，說明該無色氣體并非甲烷。

【學生匯報 2】通過前面的學習，我們知道鈉是一種非常活潑的金屬，與水或酸甚至是鹽溶液都能發生化學反應。以鈉與水反應為例，鈉與水反應放出氫氣，水中的 H-O 鍵斷裂，也就是說鈉與一種溶液反應產生氫氣的原因是 H-O 鍵斷裂，那么乙醇也可以與鈉反應生成氫氣，根據知識類比法可知也應該是 O-H 鍵斷裂。在上述兩種結構中，第一種結構中含有 6 個 C-H 鍵，第二種結構中除了 C-H 鍵外還含有 O-H 鍵，因此得出乙醇的結構式是第二種。

【得出結論】乙醇的分子式中具有羥基（—OH），屬于醇類物質。

金屬鈉與乙醇的反應可以用化學方程式表示為

2CH3CH2OH+2Na→ 2CH3CH2ONa+H2↑

3. 結構分析，性質猜想

【證據推理】從分子式組成上看乙醇與乙烷分子就差一個氧原子，但是乙烷分子中卻沒有官能團，乙醇分子比乙烷分子多出的的氧原子與氫原子形成羥基，因此乙醇具有羥基的性質。

【性質研究】乙醇屬于醇類物質，可以用作燃料，在空氣中點燃能放出大量的熱。

【問題思考】由于乙醇能燃燒，說明乙醇具有還原性，能否通過實驗來證明這一點呢？

【實驗探究】“乙醇的催化氧化”實驗。

【問題思考】（1）能否將兩步化學反應用一個化學方程式表示？

（2） Cu 在整個反應中起什么作用？

（3） 反應中乙醇斷裂了哪些鍵？

【實驗結論】在該實驗中，乙醇與氧氣發生氧化反應，生成的物質再與氧氣發生

氧化反應，因此連續發生兩步氧化反應，反應方程式如下：

2CH3CH2OH+O2→ 2CH3CHO+2H2O，

觀察實驗可知，銅在反應前后并沒有發生變化，因此銅是做催化劑的。

在當前的高中化學教學中，為了使學能可以更好地發揮運用天賦，應合理使用證據推理與模型認知培養學生化學核心素養。在高中的化學學習過程中，多數情況都可以利用創新性理念構建證據推理與模型認知理念，使學生最終樹立模型構建意識，具備建立模型的能力，因此合理引導學生利用證據推理與模型認知思維構建解決化學問題十分重要。

證據推理與模型認知是緊密相關的兩個方面。證據推理要求根據觀察和實驗的學習活動獲取有關物質及其運動變化的事實依據，并通過嚴密的推理跟邏輯論證，從而得出科學結論。模型認知是對所研究的問題，基于已有的認識與經驗，提出假設，在此基礎上獲取物質以及運動變化的事實及其結果。通過抽象和模型思維，提出反映物質及其變化的本質與規律的簡約化模型，并經過進一步驗證與完善以形成科學化學模型。因此模型的建構離不開證據推理，證據推理是建構模型的前提，兩者往往統一于化學問題的研究之中。