基于證據推理與模型建構培養科學思維教學實踐

葉坤靈 溫勇康

摘要：通過對人教版初中化學“二氧化碳的性質”內容中探究實驗的微改進，引導學生通過化學真實情境發現化學問題，提出合理假設，通過對實驗事實的加工、分析，進行推理、驗證等證據推理，實現認知模型的建構，并能通過模型應用解決化學問題，從而實現培養義務教育階段學生化學學科“科學思維”核心素養的目標。

關鍵詞：科學思維;證據推理;模型建構;核心素養

文章編號：1008-0546（2022）10-0059-05中圖分類號：G632.41文獻標識碼：B

一、問題的提出

《義務教育化學課程標準（2022年版）》對義務教育階段化學學科核心素養中的“科學思維”素養進行了如下界定：科學思維是在化學學習中基于事實與邏輯進行獨立思考和判斷，對不同信息、觀點和結論進行質疑和批判，提出創造性見解的能力;是從化學視角研究物質及其變化規律的思路與方法;是從宏觀、微觀、符號相結合的視角探究物質及其變化規律的認識方式。[1]

科學思維主要包括：在解決化學問題中所運用的比較、分類、分析、綜合、歸納等科學方法，基于實驗事實進行證據推理、建構模型并推測物質及其變化的思維能力，在解決與化學相關的真實問題中形成的質疑能力、批判能力和創新能力。[1]

化學作為一門以實驗為基礎的自然學科，基礎教育化學課程中所涉及的化學知識、概念和模型，大多可以通過教學過程的觀察、實驗等方法，通過對比分析、歸納分類和邏輯推理等方式進行證據推理，從而構建能很好地反映物質本質規律、構成要素及其相互關系等認知模型。化學學科核心素養中“證據推理”和“模型認知”的關系見圖1。此類模型不僅僅能再現物質及其變化的基本規律，而且能用于預測、解釋相關化學現象，揭示物質及其變化的基本規律。對于中學階段的學生而言，基于證據推理與模型建構的科學思維核心素養的培養是創造性解決問題能力、創造性思維能力的集中體現，也是學生建構從化學視角認識事物和解決問題的思想、方法、觀點的必備要求。[2]

模型對于化學科學而言非常重要，甚至可以說，化學科學的發展離不開模型。[3]

義務教育階段的化學作為化學科學的啟蒙課程，如果沒有培養基于證據推理和模型建構的意識和基本觀念的科學思維，沒有清楚準確地掌握認識物質性質的基本認知模型，對后續的化學學科學習會有很大障礙。本教學設計主要采用建模教學的教學模式，旨在解決傳統的“講授—示范”教學中普遍存在的問題，通過創設真實問題情境，引導學生“做中學”“用中學”“創中學”，促進學生對建模思想的深刻認識，掌握建模過程的思路和基本范式，運用模型解決問題，實現素養為本的有效教學。

二、教學理念與設計

1.教學理念

本論文在綜合考慮教學內容特點、學生能力特點和有效教學策略的基礎上，以“建模教學”為主要教學模式，輔之“情境創設教學法”“任務驅動式教學法”“半開放性實驗探究”“STSE理念教學法”“教學評一體化教學法”五種教學方法。具體教學思路為：首先通過真實情境的創設提出問題，通過任務驅動式引導學生進行模型的初構和強化，然后通過基于教學評一體化的學生主體式教學進行深度的模型辨析，培養學生對認知模型建構過程的認識，再通過模型應用拓展，最后進行歸納總結，形成模型結構的系統化。具體教學思路見圖2。

2.教評目標

見表1。

3.教學過程——“3×6”問題解決教學結構的實踐研究

見圖3。

三、教學問題解決實施

1.創設真實情境，引出化學問題

【教師】播放電視劇西游記主題曲，臉盆內放入開水，加入適量干冰。老師拿著冒著白霧的盆“騰云駕霧”走進教室。提供資料：干冰是固態的二氧化碳，常用來制作舞臺云霧繚繞的效果。生活中，人們還利用二氧化碳做滅火器、汽水等。

【提問】性質決定用途，用途反映性質。二氧化碳在生活中有這么多的用途，那它具有什么性質呢？

【學生】在真實情境中感受化學的魅力與中國傳統文化的結合，思考與交流：二氧化碳為什么可以做滅火器、汽水？二氧化碳有什么性質？

設計意圖：通過創設“騰云駕霧”的真實情境，激發學生的興趣和求知欲，同時通過設置問題，讓學生發揮想象力，自由提出問題，引出本節課要探究的問題，為后續的教學埋下伏筆。

2.模型初構強化，撥開模型疑云

（1）模型認知初構

【教師】真實情境：二氧化碳滅火器用于滅火的視頻。提問：根據二氧化碳用于滅火的事實，請你預測，二氧化碳具有什么性質？追問：如何驗證我們的猜想？

【學生】①提出假設：二氧化碳不燃燒也不支持燃燒;

②驗證假設：分組實驗：a.先將高低兩支蠟燭放入空燒杯中，觀察蠟燭燃燒情況;b.再將二氧化碳倒入燒杯中，再次放入蠟燭，觀察蠟燭是否熄滅，并記住順序（見圖4）。

③加工分析：

為什么空燒杯中的蠟燭不熄滅，倒入二氧化碳后再放入蠟燭卻熄滅？高低蠟燭自下而上熄滅，說明了什么？

【總結】通過對比實驗，知道蠟燭熄滅是因為二氧化碳不能燃燒也不支持燃燒，體會到二氧化碳能像“液體”一樣被倒入燒杯中，并結合蠟燭熄滅順序，說明二氧化碳密度比空氣大。

（2）模型認知強化

【教師】真實情境：證據展示——一瓶汽水和它的配料表圖片。打開瓶蓋，聽到“噗”的聲音。

講解并提問：增大壓強下，人們將二氧化碳充入汽水中，加上配料做成可口的飲料。請你預測，常壓下二氧化碳能否溶于水？追問：如何驗證我們的猜想？

【學生】①提出假設：常壓下二氧化碳能溶于水。

②驗證假設：根據教材和分組實驗用品，合作探究，完成實驗驗證，聯想“空氣中氧氣含量”測定實驗進行遷移拓展（見圖5）。

③加工分析：合作完成驗證二氧化碳溶于水的實驗，觀察到塑料瓶變癟的現象。并進行拓展實驗：將帶導管的單孔橡膠塞塞緊標有刻度的軟塑料瓶，彈簧夾夾住橡皮管，導管一端放入盛有水的燒杯中，待塑料瓶變癟后打開彈簧夾，觀察到水倒吸的現象，根據瓶內液面上升的高度了解二氧化碳的溶解情況。

【總結】通過探究實驗，知道二氧化碳常壓下可以溶于水的性質。

設計意圖：本環節是模型認知初步建構和強化階段，首先讓學生進行預測，目的是樹立學生證據意識;其次通過實驗驗證，為預測尋找證據，最后通過教師和學生互評得出結論，以任務驅動式探究活動為依托，目的是讓學生基于實驗證據進行推理、分析，引導學生學會研究物質性質的過程，培養學生證據收集、知識遷移、分析推理、建構模型的能力。

3.模型辨析應用，系統模型認知

【教師】提問：我們是如何學習物質性質的？

【學生】性質決定用途，用途反映性質。了解物質的用途就能預測物質的性質。

【教師】追問：那如何驗證預測是否正確呢？

【學生】可以通過設計實驗進行驗證。

【教師】講解：化學學習中，我們以生活經驗、科學資料等作為證據，推測出物質所具有的性質，再設計實驗進行驗證，運用觀察法、實驗法、分類法、比較法、歸納法等邏輯思維，去偽存真，得出結論，這樣可以揭示客觀事實的本質。證據推理流程見圖6。

設計意圖：幫助學生直觀回顧學習二氧化碳性質的過程，教師對模型進行解釋和表征，引導學生對零散的模型認知進行條理化、系統化總結。

4.創新實驗設計，服務模型建構

【教師】化學問題：我們已經知道二氧化碳能溶于水，那二氧化碳溶于水后究竟有無新物質生成呢？

【資料卡片】石蕊是從一種植物中提取的色素。石蕊溶于水配制成的紫色石蕊溶液，遇酸變紅色。

布置任務：（1）應用模型認知解決為什么溶液變紅的問題;（2）寫出相關的化學方程式。

【學生】（1）積極思考、閱讀資料、提取信息;（2）進行預測，根據老師提供的創新實驗用品，合作設計出實驗方案（見圖7），并完成探究;（3）分組討論，得出結論：二氧化碳與水反應生成酸性物質（碳酸），書寫化學方程式;（4）分組匯報學習成果。

設計意圖：學生完成模型認知建構后，如果不再加以應用，就會淺嘗輒止，不利于今后化學的學習。本環節通過模型的應用活動，使學習到的模型認知更加系統化。二氧化碳與水反應是本節課的難點，教材中設計了對比實驗，探究使石蕊紙花變紅的物質，但是該實驗更加適合教師進行演示，讓學生自主探究是具有挑戰性的。因此，本環節教師引導學生設計半開放性創新實驗方案，讓學生應用模型認知，解決真實情境的問題。學生能夠體驗到成功，增加學習化學的信心，從而使證據推理和模型認知的核心素養得到提升。

四、教學反思與建議

1.創設真實問題情境，激發學生學習熱情

創設真實情境是教學中不可缺少的環節，它是學生進行學習的“觸發器”。如果教學中缺乏了情境，那么課堂就變得枯燥無味，學生的學習是被動的、機械式的。教學情境是知識的載體，要盡可能地貼近學生的生活，讓學生感受到化學源自生活，化學知識就在身邊。本教學實踐通過創設“騰云駕霧”、二氧化碳滅火器的原理、汽水的配料等真實情境引入教學，引導學生從新的角度重新審視熟悉的事物，學生的學習積極性自然被調動起來，進而進入“做中學”“用中學”“創中學”的狀態，接受知識的效率也會大大提高，會更加主動地參與課堂活動。

2.教學評一體化，突出學生主體性

王云生認為：教師的教學活動、學生的學習活動、教學評價三者的地位是平等的，互相影響，互相促進。教學評價為教學融通搭建橋梁，教學評價主要目的是關注學生的學習表現，觀察學生是如何學習的，學習的達成度，同時也能監測出教學的情況是否良好，教師教得怎么樣等問題。教學評價能持續地激勵學生，產生學習的驅動力，同時也能優化教學。[4]在實驗探究階段，教師應通過這樣一系列系統的思維活動，在實驗前、中、后都利用元認知反思，不斷鼓勵學生建立宏觀現象與微觀機制間的聯系，加深對模型推理和證據推理思維方法融合的體驗。[3]將教學評價貫穿于教學活動中，能真實捕捉到學生的學習狀態，及時發現學生學習的障礙，提醒老師及時調整和優化教學策略，同時能促進師生互動，凸顯學生學習主體地位。

3.注重培養學生的核心素養

本教學實踐注重培養義務教育階段的學生基于證據推理與模型建構的科學思維核心素養。指向“證據推理與模型認知”的化學教學，使科學探究成為融知識理解、思維發展及科學本質觀深化的學習過程。[5]在此課程目標基礎上，本教學實踐主要是探索證據推理與模型建構在教學中的實踐，在實踐中發現的與二氧化碳相關的真實生活情境、物質用途、實驗現象，教師都應加以引導學生收集證據，指導學生聚焦證據，對物質性質進行預測，再運用實驗驗證、比較分析、類比遷移、總結歸納等推理方式，對預測加以證實或證偽，揭示化學知識的本質。初中階段，學生雖已對物質的性質和用途有了認知模型的基礎，但是學生的思維方式比較膚淺，學習方式更多的是停留在機械重復的記憶、鞏固化學知識和提高化學成績上。教師應重視證據推理與模型建構發展學生科學思維核心素養，將證據推理和模型建構融入到課堂探究活動，引導學生參與化學探究過程、學會研究物質的規律，進而促進科學思維核心素養的提升，提高學生解決實際問題的能力，為今后學習化學形成新方法和新思路。

參考文獻

[1]中華人民共和國教育部.義務教育化學課程標準（2022年版）[S].北京：北京師范大學出版社，2022.

[2]楊梓生，吳菊華.化學學科核心素養研究及實踐培育[M].上海：上海教育出版社，2020.

[3]胡欣陽，畢華林.化學科學思維的內涵及其發展路徑——讓學生像化學家一樣思考[J].化學教育（中英文），2022，43（05）：1-7.

[4]王云生.“教、學、評”一體化的內涵與實施的探索[J].化學教學，2019（5）：8-11.

[5]楊玉琴，倪娟.證據推理與模型認知：內涵解析及實踐策略[J].化學教育（中英文），2019，40（23）：23-29.