發(fā)展學(xué)生證據(jù)推理素養(yǎng)的項(xiàng)目式教學(xué)

江合佩 陳寒與 張賢金

摘要： 以“科學(xué)家首次通過視頻捕捉到原子的形成和化學(xué)鍵的斷裂”作為真實(shí)情境，解構(gòu)其中蘊(yùn)含的化學(xué)鍵等學(xué)科難點(diǎn)問題，設(shè)計(jì)成能力不斷進(jìn)階的四個(gè)挑戰(zhàn)性學(xué)習(xí)任務(wù)。通過建立數(shù)據(jù)、圖像與核心知識(shí)的有效關(guān)聯(lián)，進(jìn)行證據(jù)推理，形成對(duì)原子間相互作用的知識(shí)系統(tǒng)化、結(jié)構(gòu)化認(rèn)識(shí)，發(fā)展學(xué)生的證據(jù)推理意識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞： 情境解構(gòu); 模型建構(gòu); 證據(jù)推理; 創(chuàng)新意識(shí); 項(xiàng)目式教學(xué)

文章編號(hào)： 1005-6629（2022）05-0050-08

中圖分類號(hào)： G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

1 項(xiàng)目教學(xué)主題分析

我國(guó)基礎(chǔ)教育化學(xué)課程改革的基本走向之一是課程內(nèi)容重視反映化學(xué)知識(shí)的創(chuàng)新與發(fā)展，既縮小中學(xué)化學(xué)與現(xiàn)代化學(xué)的距離，又重視中學(xué)生的可接受性，讓學(xué)生更好地適應(yīng)現(xiàn)代生活化學(xué)化的現(xiàn)實(shí)[1]。《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》在“基本理念”中指出“以發(fā)展化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)為主旨，選擇體現(xiàn)基礎(chǔ)性和時(shí)代性的化學(xué)課程內(nèi)容”[2]。分子及其聚集態(tài)逐漸成為現(xiàn)代化學(xué)主要研究對(duì)象，構(gòu)成分子及其聚集態(tài)的微粒運(yùn)動(dòng)越來越受到人們的關(guān)注。科學(xué)家第一次通過視頻捕捉到了原子的形成和化學(xué)鍵的斷裂[3]，使得過去只能靠猜測(cè)和想象的微觀原子間化學(xué)鍵的演化、斷裂和形成過程變得清晰可見。這樣具有鮮明時(shí)代特征和高度挑戰(zhàn)的情境素材如果引入真實(shí)的課堂教學(xué)，設(shè)計(jì)成項(xiàng)目式學(xué)習(xí)，無(wú)疑對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)素養(yǎng)有著不可估量的價(jià)值與意義。

科學(xué)理論和規(guī)律是不同類型的科學(xué)知識(shí)，但兩者都有證據(jù)支持，可以根據(jù)新的證據(jù)或數(shù)據(jù)解釋進(jìn)行修正[4]。所謂證據(jù)是“一系列可用的事實(shí)或信息，表明某個(gè)信念或主張是真實(shí)或有效的”，其具有真實(shí)性、關(guān)聯(lián)性、唯一性和同一性[5]。本項(xiàng)目式學(xué)習(xí)可作為選擇性必修《物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)》第二章“微粒間相互作用與物質(zhì)性質(zhì)”單元復(fù)習(xí)課，通過設(shè)計(jì)探究活動(dòng)與小組合作學(xué)習(xí)，主動(dòng)發(fā)現(xiàn)有用的數(shù)據(jù)和圖像信息，并與已學(xué)核心知識(shí)建立有效關(guān)聯(lián)，形成證據(jù)推理，得出結(jié)論。其操作流程如圖1所示。

2 項(xiàng)目教學(xué)目標(biāo)

根據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容和學(xué)業(yè)要求，結(jié)合學(xué)生實(shí)際的認(rèn)知基礎(chǔ)，制定教學(xué)目標(biāo)如下：

（1） 通過用于微觀結(jié)構(gòu)測(cè)定和分析儀器介紹，嘗試結(jié)合圖像證據(jù)和數(shù)據(jù)證據(jù)，了解微粒間相互作用的情況，建立科學(xué)探究的一般程序，構(gòu)建化學(xué)科學(xué)研究過程的方法模型。

（2） 利用科學(xué)探究方法模型，引導(dǎo)學(xué)生大膽猜想，尋找證據(jù)，推理論證，進(jìn)一步認(rèn)識(shí)共價(jià)鍵的特點(diǎn)。

（3） 通過對(duì)Re2分子在電鏡下后續(xù)的異常行為進(jìn)行深入分析，進(jìn)而推測(cè)化學(xué)鍵轉(zhuǎn)變的可能性，培養(yǎng)學(xué)生敢于質(zhì)疑和批判，拓展分析和解決問題的角度與思路，激發(fā)學(xué)生探索未知世界的熱情。

3 項(xiàng)目任務(wù)及教學(xué)流程

根據(jù)教學(xué)目標(biāo)，遴選“科學(xué)家首次捕捉到原子化學(xué)鍵的形成和斷裂視頻”真實(shí)情境，抽提出原子間相互作用的相關(guān)學(xué)科核心知識(shí)，將其轉(zhuǎn)化為驅(qū)動(dòng)性問題，設(shè)計(jì)四個(gè)不斷進(jìn)階的學(xué)習(xí)活動(dòng)任務(wù)，教學(xué)思路如圖2所示。

4 項(xiàng)目實(shí)施及學(xué)生學(xué)習(xí)結(jié)果

4.1 情境引入： 科學(xué)家首次捕捉到原子化學(xué)鍵形成和斷裂視頻

[情境導(dǎo)入]請(qǐng)欣賞宏觀的冰晶體與微觀的水分子結(jié)構(gòu)之間的差異（圖略），分析宏觀特征與微觀結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系？

[生]宏觀特征反映微觀結(jié)構(gòu)，微觀結(jié)構(gòu)決定宏觀特征。

[追問]水分子內(nèi)H—O鍵的鍵長(zhǎng)只有0.1～0.3nm，是頭發(fā)絲60萬(wàn)分之一，能否用肉眼直接觀測(cè)得到？

[提供信息]研究物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的工具： 透射電子顯微鏡（TEM），可觀察物質(zhì)表面結(jié)構(gòu)、解析原子的位置、時(shí)空連續(xù)性采樣成像。

[播放視頻]播放2個(gè)錸原子形成化學(xué)鍵并斷裂的視頻。

[設(shè)疑]原子以化學(xué)鍵的形成和斷裂而聞名，這一過程對(duì)宇宙萬(wàn)物來說至關(guān)重要。但因?yàn)樗l(fā)生在非常小的范圍內(nèi)，所以很難對(duì)其展開研究和記錄。前不久，來自諾丁漢大學(xué)的安德烈·霍爾比斯托夫教授和烏爾姆大學(xué)的曹克誠(chéng)博士首次通過視頻捕捉到了原子的形成和化學(xué)鍵的斷裂。如何辨識(shí)其微粒間的相互作用力呢？

設(shè)計(jì)意圖： 以宏觀世界冰晶體與微觀世界水分子內(nèi)作用力的關(guān)系引發(fā)學(xué)生對(duì)微觀世界探秘的興趣;播放錸原子化學(xué)鍵的形成和斷裂視頻，設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)性任務(wù)，激發(fā)學(xué)生主動(dòng)探究的愿望。

4.2 任務(wù)1： 辨識(shí)微粒間作用力

[活動(dòng)與探究]觀察2個(gè)錸原子與錸金屬簇運(yùn)動(dòng)以及核間距的差異性（如圖3），提出合理的猜想。你是根據(jù)哪些證據(jù)得到相關(guān)結(jié)論的？

[組1]2個(gè)錸原子為獨(dú)立的原子，猜想是弱作用力即范德華力。

[組2]2個(gè)錸原子雖然為獨(dú)立的原子，查閱錸原子半徑為0.188nm，測(cè)得其核間距為0.22nm<0.376nm（原子半徑之和），因此猜想是強(qiáng)作用力即化學(xué)鍵。

[師]非常好，組1是從定性的視角、組2是從定量的視角，到底是哪一組的分析是正確的呢？證據(jù)是否充分呢？

[提供信息]錸原子在碳納米管基底上從72～87s的運(yùn)動(dòng)情況如圖4所示。

[生]根據(jù)圖4可獲得“在電子束激發(fā)下，兩原子以整體形式移動(dòng)”的證據(jù)，由此可推理得出2個(gè)錸原子間存在強(qiáng)作用力即化學(xué)鍵。

[方法導(dǎo)引]科學(xué)研究的一般過程如圖5所示。

[提供信息]錸（Re），原子序數(shù)為75，過渡金屬元素，電負(fù)性為1.9，原子半徑為0.188nm。

[追問]2個(gè)錸原子間的化學(xué)鍵屬于哪種類型，提出猜想，提供證據(jù)，分析得出合理結(jié)論。

[組1]無(wú)得失電子情況，不屬于離子鍵。

[組2]不存在“自由電子”和金屬陽(yáng)離子之間的強(qiáng)相互作用，不屬于金屬鍵。

[組3]觀察到兩個(gè)錸原子沿著碳納米管移動(dòng)，原子振動(dòng)過程中從圓形變?yōu)闄E圓形，說明有電子云重疊，因此可從電子云形狀判斷為共價(jià)鍵。

[組4]分析數(shù)據(jù)： （1）電負(fù)性1.9，接近2.0;（2）核間距<半徑之和，因此傾向于共用電子;又原子軌道重疊，所以化學(xué)鍵為共價(jià)鍵。

設(shè)計(jì)意圖： 通過呈現(xiàn)2個(gè)錸原子在碳納米管上的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，有效關(guān)聯(lián)化學(xué)鍵、范德華力;離子鍵、共價(jià)鍵、金屬鍵等核心知識(shí)，通過證據(jù)推理，得出合理結(jié)論，打破學(xué)生認(rèn)為金屬原子之間作用力為金屬鍵的錯(cuò)誤認(rèn)知，發(fā)展學(xué)生證據(jù)推理意識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維。

4.3 任務(wù)2： 共價(jià)鍵模型的再認(rèn)識(shí)

[提供信息]Re2分子鍵長(zhǎng)與成鍵數(shù)目的關(guān)系見表1。

[設(shè)疑]結(jié)合圖4和表1數(shù)據(jù)，分析81s時(shí)碳納米管上吸附的Re2分子中錸原子間的共價(jià)鍵數(shù)目及類型。

[組1]透射電鏡中呈現(xiàn)出的Re2分子中Re—Re鍵平均鍵長(zhǎng)為0.22nm，因此Re2主要形成四重鍵。

[組2]兩原子間形成共價(jià)鍵，原子軌道僅能形成一個(gè)“頭碰頭”重疊，其余為“肩并肩”重疊，因此Re2分子內(nèi)含有1個(gè)σ鍵、3個(gè)π鍵。原子軌道重疊程度大，鍵能大。

[拓展分析]分子軌道理論認(rèn)為，有d軌道參與成鍵，形成的是1個(gè)σ鍵、2個(gè)π鍵、1個(gè)δ鍵，如圖6所示。

[提供信息]錸原子在碳納米管基底上從89～132s的運(yùn)動(dòng)情況（如圖7所示）。

[提問]根據(jù)圖7電鏡圖像，找出異常現(xiàn)象，并推測(cè)Re原子間作用力變化情況。

[組1]分析89～94s透射電鏡圖可知，89s時(shí)，原子變橢圓，核間距略大于單鍵鍵長(zhǎng);94s時(shí)，原子變圓，核間距大于2倍半徑，基于以上證據(jù)可得共價(jià)鍵逐漸斷裂。

[組2]分析94～132s運(yùn)動(dòng)情況可知，94s時(shí)，原子為圓形，核間距略大于2倍半徑;132s時(shí)，原子變橢圓，核間距接近單鍵與四重鍵鍵長(zhǎng)，基于以上證據(jù)可得共價(jià)鍵逐漸形成。

[師]非常好，89～132s過程中，核間距增大→軌道重疊減小（89s）→原子伸縮振動(dòng)→共價(jià)鍵斷裂（94s）→形成共價(jià)單鍵（97s）→碰撞、軌道重疊→軌道進(jìn)一步重疊、核間距減小，形成共價(jià)四鍵（132s），通過圖像證據(jù)觀察到了共價(jià)鍵斷裂與形成的真實(shí)過程。

[提問]Re2分子中

四重鍵鍵能很大，為何會(huì)自行斷裂？大膽猜想，收集證據(jù)進(jìn)行合理推理。

[生]通過化學(xué)鍵成鍵與斷裂的過程可知，Re2分子中四重鍵斷裂可能是因?yàn)槭艿酵饬ψ饔没蛭疹~外能量。

[活動(dòng)與探究]Re2分子受到哪些外力作用，找出相應(yīng)的證據(jù)，進(jìn)行合理的推斷;Re2分子可能會(huì)采取哪種方式吸收能量，找出相應(yīng)的證據(jù)，進(jìn)行合理的推斷。

[小組合作]提出猜想，尋找證據(jù)，進(jìn)行分析推理。

[師]哪個(gè)小組愿意分享成果？請(qǐng)用表格進(jìn)行展示。

[組1]見表2。

[組2]見表3。

[追問]根據(jù)表4提供的數(shù)據(jù)分析，碳納米管中碳原子雜化類型是什么？隨著碳納米管管徑的增大，碳原子雜化類型的變化趨勢(shì)是什么？據(jù)此分析碳納米管具有導(dǎo)電性的原因。

[生]碳納米管的碳碳鍵長(zhǎng)介于金剛石（sp3雜化）和石墨（sp2雜化）之間，且更接近于石墨的碳碳鍵鍵長(zhǎng)，因此以sp2雜化為主，類似于單層石墨烯，具有離域大π鍵，具有很好的電學(xué)性能。

設(shè)計(jì)意圖： 通過“Re2分子內(nèi)共價(jià)鍵類型”“共價(jià)鍵斷裂與形成的真實(shí)過程”“穩(wěn)定的四重鍵為何會(huì)斷裂”三個(gè)學(xué)習(xí)活動(dòng)的設(shè)計(jì)，層層深入，利用數(shù)據(jù)與核心知識(shí)層層推進(jìn)，尋找證據(jù)，有序推理，深度解構(gòu)該學(xué)術(shù)前沿問題探索情境的內(nèi)核與價(jià)值。

4.4 任務(wù)3： 化學(xué)鍵的轉(zhuǎn)變

[提問]根據(jù)圖8觀測(cè)可知，錸原子在電鏡上的黑點(diǎn)距離變小（無(wú)法測(cè)量N/A），錸原子軌道能否進(jìn)一步重疊，由四重鍵轉(zhuǎn)變?yōu)槲逯劓I？提出你的猜想并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?zāi)M。

[活動(dòng)與探究]錸原子在電鏡上的黑點(diǎn)距離變小的原因是什么？嘗試從電鏡視角進(jìn)行如下模擬實(shí)驗(yàn)（如表5）： （1）推測(cè)Re2分子可能的運(yùn)動(dòng)形態(tài);（2）繪制運(yùn)動(dòng)形態(tài)的俯/側(cè)視圖。

[提供信息]模擬Re2與碳納米管相互作用的運(yùn)動(dòng)形態(tài)如圖9所示。

[生]從原子軌道重疊角度，如果錸原子核間距進(jìn)一步減小，極有可能是錸原子軌道進(jìn)一步重疊，轉(zhuǎn)變?yōu)槲逯劓I，但是受限于原子核以及電子之間的排斥，錸原子軌道無(wú)法進(jìn)一步重疊，四重鍵無(wú)法轉(zhuǎn)變?yōu)槲逯劓I。

[提問]根據(jù)圖10所示，Re2最終并入了錸原子簇，錸原子間作用力發(fā)生了什么變化？

[提供信息]單層錸原子簇排列情況的電鏡圖像如圖11。

[生]Re2分子并入錸原子簇時(shí)，共價(jià)鍵轉(zhuǎn)化為金屬鍵，證據(jù)是單層的錸原子簇呈現(xiàn)單層晶體錸的密置層緊密排列。

設(shè)計(jì)意圖： 通過“化學(xué)鍵的轉(zhuǎn)變”兩個(gè)活動(dòng)與探究，進(jìn)一步學(xué)會(huì)尋找有效數(shù)據(jù)與核心知識(shí)建立有效關(guān)聯(lián)，形成證據(jù)，進(jìn)行合理的推理，得出化學(xué)鍵在一定條件下可以相互轉(zhuǎn)化的結(jié)論，向縱深處發(fā)展學(xué)生證據(jù)推理的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

4.5 任務(wù)4： 構(gòu)建探尋微觀化學(xué)鍵的奧秘分析模型

[師生歸納]從探尋微觀化學(xué)鍵的奧秘，帶領(lǐng)學(xué)生體驗(yàn)科研過程，運(yùn)用最新技術(shù)探尋化學(xué)模型的證據(jù)中抽提出基于證據(jù)推理構(gòu)建化學(xué)鍵模型的一般思路，從原子間作用力辨識(shí)、共價(jià)鍵的斷裂與形成、化學(xué)鍵的相互轉(zhuǎn)化三個(gè)視角構(gòu)建分析模型，如圖12所示。

設(shè)計(jì)意圖： 從學(xué)術(shù)探索情境抽提出核心知識(shí)并尋找證據(jù)，建立知識(shí)與證據(jù)之間的邏輯關(guān)系，進(jìn)行演繹推理，建構(gòu)思維模型，從解決具體問題遠(yuǎn)遷移至解決更加開放、復(fù)雜的問題。

5 項(xiàng)目式教學(xué)效果及反思

本項(xiàng)目通過設(shè)計(jì)四個(gè)進(jìn)階的學(xué)習(xí)任務(wù)，從學(xué)生已有的認(rèn)知出發(fā)，以解決學(xué)術(shù)探索情境問題——“人類第一次觀察到化學(xué)鍵的斷裂與形成”為主線，精心設(shè)計(jì)探究活動(dòng)，在問題解決過程中，形成基于證據(jù)推理構(gòu)建化學(xué)鍵的思維模型。學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中獲得以下三個(gè)方面的成長(zhǎng)。

一是激發(fā)了主動(dòng)探究的欲望。以前對(duì)于學(xué)生來說，科學(xué)家正在做的事情高不可攀，總覺得科研工作神秘感特強(qiáng)。本項(xiàng)目帶領(lǐng)學(xué)生利用核心知識(shí)尋找證據(jù)，有序推理，層層抽絲剝繭，最終實(shí)現(xiàn)了問題解決。實(shí)踐表明，精心設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)性的學(xué)習(xí)任務(wù)，不僅不會(huì)嚇跑學(xué)生，相反會(huì)激發(fā)學(xué)生內(nèi)在的學(xué)習(xí)動(dòng)力，引導(dǎo)學(xué)生像科學(xué)家一樣思考問題，從基于知識(shí)的教學(xué)走向基于發(fā)展學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的教學(xué)。

二是打破了知識(shí)之間的壁壘，實(shí)現(xiàn)了知識(shí)的結(jié)構(gòu)化。化學(xué)鍵由于概念抽象難以理解，因此在日常教學(xué)中教師們習(xí)慣將離子鍵、共價(jià)鍵、金屬鍵等基本概念用表格的形式進(jìn)行嚴(yán)格的區(qū)分，并讓學(xué)生強(qiáng)行記憶，這樣的結(jié)果是學(xué)生面對(duì)真實(shí)復(fù)雜情境的時(shí)候往往一籌莫展，解決問題的思路和方法過于僵化。學(xué)生在學(xué)習(xí)本項(xiàng)目之前，解答2017年海南卷第21題“結(jié)合SiX4的沸點(diǎn)和PbX2的熔點(diǎn)的變化規(guī)律（如圖13），可推斷： 依F、 Cl、 Br、 I次序，PbX2中的化學(xué)鍵變化趨勢(shì)”這一設(shè)問的時(shí)候，大部分學(xué)生找不到解決問題的角度，有少部分學(xué)生雖然找到解決問題的思路和方法，但又因?yàn)槿粘＝虒W(xué)中教師對(duì)離子鍵、共價(jià)鍵的界限區(qū)分太嚴(yán)格，沒有勇氣從“化學(xué)鍵的離子性減弱、共價(jià)性增強(qiáng)”進(jìn)行闡述，嚴(yán)重阻礙學(xué)生創(chuàng)新思維的發(fā)展。創(chuàng)新的前提是知識(shí)的結(jié)構(gòu)化，即知識(shí)的有效融通，從知識(shí)的結(jié)構(gòu)化走向知識(shí)的功能化。怎么打通知識(shí)之間的壁壘，選擇一個(gè)適切的情境就顯得很有必要。本項(xiàng)目很好地從“化學(xué)鍵→化學(xué)鍵種類→共價(jià)鍵的斷裂→金屬鍵的形成”思路出發(fā)，將真實(shí)情境問題解決與知識(shí)結(jié)構(gòu)化雙線并行，打通了學(xué)生的認(rèn)知壁壘，破除了前概念的束縛，實(shí)現(xiàn)了知識(shí)

的多點(diǎn)結(jié)構(gòu)向拓展抽象結(jié)構(gòu)進(jìn)階。

三是實(shí)現(xiàn)了知識(shí)的功能化向素養(yǎng)化的進(jìn)階。本項(xiàng)目實(shí)施后，通過“科學(xué)家合成聯(lián)苯烯（如圖14）”[6]之間的相互作用力分析，探查學(xué)生分析“物質(zhì)b之間可采取‘HF拉鏈’相互識(shí)別活化位點(diǎn)的原因”等問題的理解，實(shí)驗(yàn)班95%以上都能找到“電負(fù)性”與“靜電作用”并進(jìn)行有效關(guān)聯(lián)，65%以上的學(xué)生從“共用電子，電子對(duì)偏向”的角度進(jìn)行準(zhǔn)確的闡述，而對(duì)照班的學(xué)生因?yàn)樵撉榫尺^于前沿，設(shè)問過于新穎，基本沒有角度或者思路，整個(gè)問題的難度陡然上升。通過對(duì)照實(shí)驗(yàn)說明在教學(xué)中引入前沿學(xué)術(shù)情境，實(shí)行“情境解構(gòu)，模型建構(gòu)”雙線并行的教學(xué)策略在幫助學(xué)生形成認(rèn)知角度和認(rèn)識(shí)思路方面效果顯著。這也告訴我們，進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)的時(shí)候，不應(yīng)僅僅聚焦某個(gè)具體問題的解決，而要在具體問題解決的基礎(chǔ)上，抽提出解決一般問題的思路和方法，遠(yuǎn)遷移到更加真實(shí)、復(fù)雜、陌生的情境，實(shí)現(xiàn)知識(shí)的功能化向素養(yǎng)化發(fā)展。

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