基于“證據(jù)推理與模型認知”的初中化學教學實踐

周健　胥躍廣

摘要：本文圍繞著初中化學“證據(jù)推理與模型認知”化學學科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)，以初中化學教學“鐵與某物質(zhì)反應(yīng)生成的黑色固體含有哪些成分”為例，將“證據(jù)推理與模型認知”核心素養(yǎng)融到化學教學活動中，嘗試在化學核心素養(yǎng)的背景下培養(yǎng)學生“證據(jù)推理與模型認知”的化學學科核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：初中化學核心素養(yǎng) 教學實踐

高效滲透化學學科核心素養(yǎng)的課堂教學不是教師激情地講、學生被動地聽，而是師為導、生為主，圍繞學生精心設(shè)計科學實驗探究活動，讓學生在探究活動中提出問題，做出猜想與假設(shè)，觀察實驗產(chǎn)生的現(xiàn)象，收集證據(jù)，根據(jù)證據(jù)分析推理建立模型，應(yīng)用模型解決問題。這樣的課堂教學才能讓學生的化學學科核心素養(yǎng)得到培養(yǎng)。筆者在復習課題2“金屬化學性質(zhì)”時，以“鐵與某物質(zhì)反應(yīng)生成的黑色固體含有哪些成分”為例，緊緊圍繞黑色固體中是否有“單質(zhì)鐵和四氧化三鐵”開展一系列科學實驗探究活動，讓學生自己在實驗中收集證據(jù)，進行“證據(jù)推理和模型認知”的化學學科核心素養(yǎng)培養(yǎng)。

一、教學過程

教學環(huán)節(jié)1：“金屬的化學性質(zhì)”復習

目的：鞏固金屬三類化學反應(yīng)模型。

教師：同學已經(jīng)學習了金屬的哪些化學性質(zhì)？

學生活動：研討、交流。

1.金屬與氧氣的反應(yīng)

4Al+3O₂2A₂O₃

2.金屬與鹽酸、稀硫酸的反應(yīng)

Mg+2HClMgCl₂+H₂↑

Zn+H₂SO₄ZnSO₄+H₂↑

3.金屬與金屬的鹽溶液反應(yīng)

Fe+CuSO₄FeSO₄+Cu

教師：你們能從做過的實驗中總結(jié)出金屬的活動性有什么不同嗎？具體有哪些規(guī)律呢？

學生活動：研討、交流。

1.金屬與氧氣的反應(yīng)：不是所有的金屬都與氧氣反應(yīng)，“真金不怕火煉”說明金在高溫時也不與氧氣反應(yīng)。

2.金屬與酸（鹽酸、稀硫酸）：不是所有的金屬都與之反應(yīng)，必須是在金屬活動順序里位于氫前面的金屬才能置換出酸（鹽酸、稀硫酸）中的氫，而位于氫后面的金屬就不能置換出酸（鹽酸、稀硫酸）中的氫，例如金屬銅就不能置換出酸（鹽酸、稀硫酸）中的氫。

3.金屬與金屬的鹽溶液：不是所有的金屬都與之反應(yīng)，在金屬活動順序表里，位于前面的金屬能把位于后面的金屬從它們的化合物溶液里置換出來，但要除去特別活潑金屬（鉀、鈣、鈉）。

多媒體投影：金屬活動順序判斷依據(jù)。（略）

教師：金屬有哪三類化學反應(yīng)模型？

學生活動：研討、交流。

1.金屬與氧氣反應(yīng)模型：金屬+氧氣=====金屬氧化物。

2.金屬與酸（鹽酸、稀硫酸）反應(yīng)模型：金屬+酸=====金屬化合物+氫氣。

3.金屬與金屬化合物的溶液反應(yīng)模型：金屬+金屬化合物=====金屬化合物+金屬。

教師：這節(jié)課討論金屬活動順序判斷依據(jù)在科學探究實驗活動中的具體運用。

設(shè)計意圖：通過回顧金屬化學性質(zhì)，鞏固金屬活動性規(guī)律及金屬三類化學反應(yīng)模型，為復習判斷金屬能否發(fā)生反應(yīng)奠定基礎(chǔ)。金屬活動性及金屬三類化學反應(yīng)模型的復習教學既有必要，也很重要，它將為這節(jié)化學課堂教學打下堅實的基礎(chǔ)。

教學環(huán)節(jié)2：鐵絲燃燒生成的黑色固體含有哪些成分？

目的：培養(yǎng)證據(jù)推理，構(gòu)建認知模型。

問題2：老師做細鐵絲在氧氣中燃燒的實驗時，觀察到細鐵絲在氧氣中燃燒，生成黑色固體物質(zhì)，那么這種黑色固體含有哪些成分？

教師引領(lǐng)學生分析：由實驗觀察到，帶有燃著的火柴的細鐵絲伸入氧氣中，燃燒后有黑色固體生成。我們由教材結(jié)論可知道一定含有四氧化三鐵這種物質(zhì)。但集氣瓶中氧氣的量有限，隨著細鐵絲的燃燒而消耗，會不會有部分細鐵絲沒有與氧氣反應(yīng)，只是受熱熔融濺落，有可能黑色固體會含有單質(zhì)Fe？

猜想1：黑色固體只含F(xiàn)e₃O₄。

猜想2：黑色固體中化合物Fe₃O₄與單質(zhì)Fe兩種物質(zhì)共存。

分析推理：對于上述兩種猜想，只根據(jù)它們的物理性質(zhì)是無法證明的。由于兩者物理性質(zhì)相似——黑色固體，難溶于水，又都能被磁鐵吸引，所以驗證它們是否共同存在只能利用它們的化學反應(yīng)特征。

教師：請你們根據(jù)提供的試劑，通過實驗確定黑色固體含有的成分具體是什么。

提供試劑：稀硫酸、硫酸銅溶液。

學生1：根據(jù)金屬+酸=====金屬化合物+氫氣。

實驗1：取少許燃燒生成的黑色固體粉碎后裝入試管，加入足量的稀硫酸。

收集證據(jù)：觀察到試管內(nèi)有氣泡生成，黑色固體溶解消失，無色溶液變?yōu)辄S綠色。

學生2：根據(jù)金屬+金屬化合物=====金屬化合物+金屬。

實驗2：取少許燃燒生成的黑色固體粉碎后裝入試管，加入足量的硫酸銅溶液。

收集證據(jù)：黑色固體只有部分變?yōu)榧t色物質(zhì)，仍有黑色固體存在。溶液由藍色變?yōu)闇\綠色。

證據(jù)推理：由實驗1收集證據(jù)，若黑色固體只含有四氧化三鐵，只能看到黑色固體溶解消失，無色溶液逐漸變?yōu)辄S綠色。但在觀察時卻發(fā)現(xiàn)試管內(nèi)有氣泡生成，說明黑色固體含有單質(zhì)鐵，與稀硫酸反應(yīng)生成氫氣。由實驗2收集證據(jù)，若黑色固體只含有四氧化三鐵，只能看到黑色固體不溶解消失，藍色溶液無變化，仍為藍色。但在觀察實驗現(xiàn)象時卻發(fā)現(xiàn)黑色固體只有部分變?yōu)榧t色物質(zhì)，仍有部分黑色固體存在，溶液由藍色逐漸變?yōu)闇\綠色，說明黑色固體含有單質(zhì)鐵，與硫酸銅反應(yīng)，有紅色物質(zhì)金屬銅生成。上述兩個實驗收集到的證據(jù)足以證明猜想2是正確的。E1DED967-DD3A-4EB8-9231-50DDE54DC5DF

形成結(jié)論：黑色固體中化合物Fe₃O₄和單質(zhì)Fe兩種物質(zhì)共存。

設(shè)計意圖：教師引領(lǐng)學生對生成的黑色固體成分進行分析，提出兩種猜想，根據(jù)復習的金屬反應(yīng)模型設(shè)計兩種實驗方案，開展實驗探究活動。通過黑色固體與稀硫酸反應(yīng)、黑色固體與硫酸銅反應(yīng)兩個實驗，收集證據(jù)，分析推理，得出黑色固體中化合物Fe₃O₄與單質(zhì)Fe兩種物質(zhì)共存的結(jié)論。在引導學生結(jié)合證據(jù)進行分析推理的同時確立結(jié)論和證據(jù)之間的邏輯關(guān)系，構(gòu)建探究實驗的認知模型，促進學生證據(jù)推理能力和模型認知能力的提升。

教學環(huán)節(jié)3：中考演練

目的：利用實驗探究構(gòu)建認知模型解決實際問題，鞏固證據(jù)推理能力和利用模型解決問題的能力。

教師：實驗探究是培養(yǎng)學生“證據(jù)推理與模型認知”能力的重要手段。“鐵與某物質(zhì)反應(yīng)生成的黑色固體是否含有Fe與Fe₃O₄”，一直是中考實驗探究試題命題的熱點。題干中適當增加科學探究的若干步驟，考查學生觀察現(xiàn)象、尋找證據(jù)、進行推理、構(gòu)建探究實驗“認知模型”、利用模型解決問題的能力。

某地中考實驗探究題（節(jié)選）：某同學用如圖所示裝置探究鐵粉在高溫下與水蒸氣能否發(fā)生反應(yīng)及反應(yīng)的產(chǎn)物。在硬質(zhì)玻璃管中放入還原鐵粉，對燒瓶加熱生成水蒸氣通入盛有鐵粉的玻璃中，并對其加強熱。

加熱一段時間后，觀察到B裝置玻璃管內(nèi)灰色鐵粉逐漸變成黑色，D裝置玻璃管內(nèi)黑色氧化銅逐漸變成紅色，右端導管有水滴流下。

請回答下列問題：

（1）D裝置中的黑色氧化銅變成紅色是________物質(zhì)與氧化銅反應(yīng)，反應(yīng)的化學方程式是________________________。B裝置玻璃管內(nèi)黑色固體含有哪些成分？

（2）同學們討論后認為：根據(jù)質(zhì)量守恒定律可知，鐵與水蒸氣反應(yīng)生成氣體能使氧化銅由黑色變成紅色，B裝置玻璃管內(nèi)黑色固體一定有“鐵的一種氧化物”，還可能含有沒有反應(yīng)的“單質(zhì)鐵”。

資料：鐵有三種氧化物（FeO、Fe₂O₃、Fe₃O₄），其中黑色FeO接觸到空氣會變?yōu)榧t棕色;鐵的三種氧化物都不與硫酸銅溶液反應(yīng);鐵粉、Fe₃O₄均能被磁鐵吸引。

探究結(jié)論：鐵與水蒸氣發(fā)生________（反應(yīng)類型），化學方程式是________________。

試題分析：雖然此題起點較高，有些學生感到茫然，但仔細觀察該試題可以發(fā)現(xiàn)，讓學生探究的主線沒有變化，仍是檢驗鐵與水蒸氣反應(yīng)后黑色固體是否含有單質(zhì)Fe和Fe₃O₄。學生若能想到該題用到的與前面學習的是同一種解題模型，就能很快解答此題。因此要求學生獨立思考，同學之間可以互相交流如何解答試題，再全班展示。

設(shè)計意圖：學生在課堂學習中構(gòu)建實驗探究認知模型，在解決生產(chǎn)生活中遇到的各種問題時從多角度考慮，讓思維在分析推理的過程中碰撞，形成證據(jù)意識，在答題思考中多維度鞏固認知模型，在實驗探究活動中結(jié)出化學學科核心素養(yǎng)的碩果的。

二、教學反思

本節(jié)課教學，以“鐵與某物質(zhì)反應(yīng)生成的黑色固體含有哪些成分”作為科學探究活動的明線，以培養(yǎng)學生模型認知和證據(jù)推理能力作為暗線，進行科學探究課堂教學，層次清晰，首尾呼應(yīng)，相互促進。三個例題，既各自獨立，又層層遞進，將“證據(jù)推理與模型認知”的化學學科核心素養(yǎng)培養(yǎng)不斷向前推進，使化學學科核心素養(yǎng)背景下的教學融于學生實驗探究活動中、轉(zhuǎn)化于思維之間、變換于中考試題里，讓學生在解決實際問題的過程中增強證據(jù)推理意識、提升模型認知能力。

“證據(jù)推理與模型認知”是化學學科核心素養(yǎng)的思維核心，是初中化學探究實驗教學的“靈魂”。在核心素養(yǎng)指引下，教師要有智慧地引領(lǐng)學生自主設(shè)計實驗收集證據(jù)，以互動生成的先進理念促使人人參與問題討論，對在探究實驗過程中觀察到的各種現(xiàn)象進行有條不紊的分析推理，從多方面進行探討論證，揭示現(xiàn)象的本質(zhì)或規(guī)律，對生產(chǎn)生活中遇到的各種問題做出有理有據(jù)的合理解釋。學生通過證據(jù)推理和模型構(gòu)建，使頭腦中的模糊認知逐漸清晰，享受豁然開朗帶來的快感，不斷激發(fā)學習興趣。

總之，在落實“證據(jù)推理與模型認知”的化學學科核心素養(yǎng)培養(yǎng)的教學過程中，學生能在教師的引導下學會基于“證據(jù)”進行推理、判斷、認識、理解，建構(gòu)模型并利用模型處理問題。學生化學學科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)不能一蹴而就，要在學生已有認知起點上，創(chuàng)設(shè)情境，以問題為導向，以科學探究活動為載體，真正落實在課堂教學中，實現(xiàn)科學育人的目的。教學要植根于課堂，從知識教學轉(zhuǎn)向?qū)W生素養(yǎng)培養(yǎng)，要著眼于學生能力的發(fā)展，讓每節(jié)課都為化學學科核心素養(yǎng)培養(yǎng)目標的達成添磚加瓦。

參考文獻：

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[3]孟新新，張小燕.淺談基于證據(jù)推理和模型認知的中學化學教學設(shè)計案例研究[J].中學課程輔導，2018（32）.

責任編輯：黃大燦E1DED967-DD3A-4EB8-9231-50DDE54DC5DF