指向證據推理學科核心素養的課堂教學設計

岳睿 莫尊理 楊梅

摘? 要? “證據推理與模型認知”屬于化學學科基本思想和重要方法，對學生化學學科學習具有深刻意義，且證據推理思想是實驗探究的思維核心。通過應用證據推理的線性模型和循環模型，對“乙烯”進行教學設計，達到培養學生“證據推理與模型認知”核心素養的目的，為今后實驗探究教學提供思路。

關鍵詞? 化學；證據推理；模型認知；乙烯；核心素養；線性模型；循環模型

中圖分類號：G633.8? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2022）07-0080-04

0? 引言

化學學科核心素養的培養是以化學學科本體為出發點，在發展學生學習化學學科知識的基礎上，發展學科觀念，利用化學技術解決生活實際問題，反映出化學學科對學生未來發展的重要價值。在教學中利用證據背后隱藏的事物發展規律構建模型，并在構建解釋的過程中用科學證據支撐所持觀點，在合作交流中得到答案，這既能使教學有據可依，又能不斷培養學生收集信息、整理信息、分析信息以及邏輯推理等能力[1]。目前，在實際課堂中，教師已經有意識地培養學生證據推理的核心素養，但教學過程對這一素養的體現不夠顯性，推理過程的邏輯性、嚴謹性比較欠缺，學生不能達到預期的素養目標，由此可以看出培養學生證據推理核心素養的教學需要根據一定的標準或規范進行。本文根據證據推理的線性模型以及循環模型，對“乙烯”進行教學設計，為今后教學提供一定思路。

1? 證據推理的內涵與證據推理過程模型

高中化學學科核心素養的五個維度中，“證據推理與模型認知”是實驗探究的思維本質與基礎，其內涵是“具有證據意識，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；知道通過分析、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；能運用模型解釋化學現象，揭示現象的本質和規律”[2]。

證據推理一詞起源于司法活動，其在處理決策問題的未知性及不確定性方面具有優勢，因此在可靠性分析、模式識別等領域被廣泛使用[3]。證據推理作為合成詞，可以分別理解。首先，證據指“一系列可用的事實或信息，表明某個信念或主張是真實的或無效的”；其次，邏輯學中的推理指根據一個或一些命題得出另一個新命題的思維形式，通常有歸納、演繹、類比等[4]。作為化學學科核心素養的證據推理主要有以下兩方面表現：

1）能夠基于證據提出假設，通過尋找證據并進行分析與推理對假設進行證實或證偽；

2）能夠建立起假設、證據、結論之間的邏輯關系[3]。

證據限定推理，而推理強調思維。基于以上分析，本文認為證據推理即學生基于已有認知結構對問題進行假設，并通過直接或間接方式收集證據，對假設進行證實或證偽，從而調整認知結構的深度思維過程[3]。證據的類型根據分類標準的不同，所得類型也不同，例如：以“宏觀—微觀—符號”進行分類，證據可分為宏觀證據、微觀證據以及符號證據；從定性、定量的角度進行分類，證據又可分為定性證據與定量證據[5]；還可以根據證據的獲得是否來自學習者本身經驗，分為直接證據與間接證據。在日常學習中，證據的分類并不是非此即彼的關系，而是有所重疊。如“乙烯使高錳酸鉀溶液褪色”這一實驗現象，既可以作為宏觀證據，亦可以作為定性證據；若此實驗由學生實驗探究所得，則可以作為直接證據；若由學生通過觀看視頻、閱讀材料所得，則可以作為間接證據。

實驗探究教學中證據推理一般有兩種模型，分別為直線型與循環型。直線型是指“提出問題、形成假設、收集證據、得出結論”這樣簡單、單向的推理過程。循環型是指在明確問題之后，依據已有的認知經驗等證據對問題進行初步分析解釋，目的在于對問題進行進一步表征，若無圖示激活則形成新的問題，繼續從記憶中調用舊知識，或通過一定手段尋求新知識，圖示激活則形成假設；進一步收集證據，若無法證實或證偽原假設，則需要拆解假設，即提出新的問題，進行分析解釋，形成新的假設，根據所收集的證據對新的假設進行證實或證偽，最后得出結論[5]。由此，得出實驗探究教學中證據推理過程的模型，如圖1所示。

在實際教學中由于問題設置的漸進性與復雜性，通常將兩種模型綜合使用。對證據推理的過程進行深度分析，不僅能夠幫助教師更加清晰地認識證據推理的過程，從而對教學設計進行更加科學化的完善，彌補證據推理教學中可靠性、嚴謹性不足的缺陷，而且可以為學生解決探究性問題提供一定的解題思路。

2? 教學分析

2.1? 基于課程標準分析

本節內容屬于《普通高中化學課程標準（2017年版）》主題4：簡單的有機化合物及其應用。首先，內容涉及乙烯分子的空間結構，通過對乙烯空間結構的認識，并且與甲烷當中碳原子成鍵特點進行比較，掌握乙烯中碳原子的成鍵特點；其次，以乙烯為典型代表，認識烯烴類物質官能團特點；最后，從乙烯的結構認識、乙烯化學性質的掌握到乙烯生活生產重要用途的了解，初步形成“結構決定性質，性質決定用途”的思想。對課程標準中教學提示分析可知，一方面，關于官能團的學習應當以典型化合物為代表，實現從具體到抽象的認識過程，因此，烯烴類物質有關性質的學習應當以乙烯的學習為起點，逐步進行遷移與深化；另一方面，由于分子空間結構屬于微觀層次，學生空間想象能力不足，因此，教師在教學中應當化微觀為具體宏觀，通過分子結構實物模型或者通過3D模型對乙烯分子空間結構進行展示，幫助學生更直觀地理解乙烯分子空間結構。

2.2? 基于教材分析

“乙烯的化學性質”是人教版化學必修2第七章第二節“乙烯與有機高分子材料”的內容，位于烷烴之后，乙醇、乙醛、乙酸之前，是學生對不飽和烴的首次學習，對醇類、醛類、酸類物質的學習起到鋪墊作用。通過梳理乙烯與相關知識點之間的關系，如圖2所示，可以看到乙烯對于學生鞏固烷烴以及學好烴的衍生物具有關鍵作用。

2.3? 基于學情分析

學生在之前的學習過程中了解了經典價鍵理論，并且知道化學反應的實質是化學鍵的斷裂與生成，化學鍵的斷裂需要吸收能量等。通過學習甲烷及烷烴，學生已經初步了解有機物中碳原子的成鍵特點，能初步從組成和結構的角度認識烷烴的性質，具有“結構決定性質”這一思想儲備。這些知識有利于促進學生對乙烯的結構特點和主要性質及其相互關系的理解[6]。由于乙烯是學生學習的第一種不飽和烴，缺少對共價鍵類型及其本質的認識，以及容易受烷烴結構的影響，易犯經驗主義錯誤，在不飽和烴結構及性質的學習中陷入誤區。

基于以上分析，首先，采用3D動態模型，幫助學生直觀地認識乙烯空間結構，這也有助于對后續有機物空間結構的學習；其次，通過解決生活中的真實問題，使學生深化“結構決定性質，性質決定用途”這一思想；最后，通過乙烯與溴的四氯化碳溶液反應實驗現象與鍵能參數作為乙烯與溴的四氯化碳溶液反應類型判斷的實驗證據以及微觀證據，改定性為定性定量相結合方式學習乙烯的化學性質，不僅能夠幫助學生深入學習乙烯的化學性質，而且為學生學習有機物化學性質提供以鍵能判斷化學鍵的斷裂的分析角度，同時有效培養證據推理核心素養。

3? 教學目標與素養目標

3.1? 知識與技能

通過對乙烯結構的認識，能夠辨認烯烴類物質的官能團，并且能概括碳原子的成鍵類型，能描述乙烯的分子結構特征；通過對乙烯化學性質的探究，能描述乙烯的主要化學性質及相應性質實驗的現象，能書寫相關的反應式。

3.2? 過程與方法

通過對乙烯分子空間結構的認識以及乙烯化學性質的學習，建立“結構—性質—用途”的認知模型；通過乙烯分別與酸性高錳酸鉀溶液、溴的四氯化碳溶液反應，掌握對比的學習方法；通過對乙烯與溴的四氯化碳溶液反應類型的探究，熟悉證據推理在實驗探究過程中的作用。

3.3? 情感態度與價值觀

通過了解乙烯在食品運輸、石油工業中的用途，增強對有機化學的認識，感受有機化學對社會所作貢獻以及體會有機化學的獨特價值。

3.4? 素養目標

教學中要培養的學科核心素養如圖3所示。

4? 教學過程

判斷乙烯與高錳酸鉀溶液反應類型的教學環節應用證據推理過程模型中的線性模型。學生在學習本節課之前，已經掌握高錳酸鉀溶液具有強氧化性這一知識點，因此，對問題分析解釋之后形成假設：如果乙烯能與高錳酸鉀溶液發生反應，則乙烯被高錳酸鉀氧化，發生氧化還原反應。學生通過實驗進行驗證，觀察實驗現象得出乙烯能夠與高錳酸鉀溶液發生反應，獲得實驗證據；通過分析該化學反應方程式，可以發現錳元素與碳元素反應前后化合價發生降低與升高，獲得符號證據；并且掌握高錳酸鉀溶液具有強氧化性以及氧化還原反應的定義，以上兩方面知識點為已有認知結構；經過證據收集以及對“乙烯與高錳酸鉀溶液反應類型是什么”這一問題進行推理，推理之后對其假設進行證實，最終得出結論。從表1可以看出，該教學環節遵循證據推理過程模型的直線模型：問題—分析解釋—形成假設—證據推理—得出結論。

判斷乙烯與溴的四氯化碳溶液反應類型的教學環節應用證據推理過程模型中的循環模型。在學習本節課之前，學生已經掌握常見物質的檢驗方法，并且能夠設計簡單的實驗方案，以及學習過烷烴的相關內容，以上內容均可作為已有認知。學生在已有知識基礎上，進行分析解釋并形成假設：乙烯與溴的四氯化碳溶液發生取代反應。并且設計出實驗方案：用石蕊指示劑對取代產物溴化氫進行檢驗，若溶液顏色變為紅色，則證明有溴化氫的生成，二者發生取代反應。課堂中利用仿真模擬實驗室進行該實驗方案的操作，通過對實驗的操作以及觀察可以看到：在乙烯與溴的四氯化碳溶液產物中滴加石蕊指示劑，溶液顏色并無明顯變化。這一過程作為證據推理的實驗證據。經過證據的收集以及對問題“乙烯與溴的四氯化碳溶液反應類型是什么”進行推理，推理之后對假設進行證偽，得出結論：乙烯與溴的四氯化碳溶液反應產物中并無溴化氫的生成，因此，該反應的類型不是取代反應。到此為第一輪循環，如表2所示。

由于問題沒有得到解答，學生從“結構決定性質”認知模型出發，重新對問題進行分析解釋：有機物結構決定性質，可以通過乙烯的結構等微觀視角進行判斷，并以此形成假設：該反應類型與碳碳雙鍵結構有關。通過對鍵能數據的收集與運算，獲得π鍵鍵能的數值，并與其他鍵的鍵能數據進行比較，發現π鍵鍵能最低。這一過程作為證據推理的微觀證據。學生此時已掌握有機化學反應的本質為化學鍵的斷裂與重新組合，并且了解鍵能越低越容易斷裂，從而發生反應。這一知識點作為證據推理的邏輯證據，經過對問題“乙烯與溴的四氯化碳溶液反應類型是什么”的二次證據推理，對假設進行證實，得出結論：乙烯與溴的四氯化碳溶液反應中π鍵發生斷裂。最后由教師給出定義：有機物中雙鍵或三鍵兩端的碳原子與原子或（原子團）直接連接發生的反應類型為加成反應。學生將所得結論與定義相結合，得出乙烯與溴的四氯化碳溶液反應類型為加成反應。到此為對該問題證據推理的第二輪循環，如表3所示。

5? 啟示與反思

將證據推理過程模型應用于實際教學過程當中，既檢驗證據推理過程模型的有效性，又提高基于證據推理核心素養角度教學的嚴謹性與科學性。同時，該模型的提出也為學生進行實驗探究提供一定的思路與方法。學科核心素養的落實離不開知識，知識是發展學生學科核心素養的重要載體。有機化合物主題重點發展的學生的化學學科核心素養是“宏觀辨識與微觀探析”“證據推理與模型認知”，同時承擔“變化觀念與平衡思想”“實驗探究與創新意識”“科學態度與社會責任”的素養發展功能[7]。在實際教學中，教師要認真研究教材，挖掘知識背后隱含的育人功能，并且把握學科核心素養的內涵、目標以及學科核心素養培養的途徑、方法，實施突出核心素養導向的教學，使學科核心素養真正“落地”。

參考文獻

[1] 龍冬梅，梁永鋒.基于“證據推理與模型認知”核心素養下的“乙烯”教學設計[J].中學教學參考，2019（35）：73-75.

[2] 中華人民共和國教育部.普通高中化學課程標準（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018：4.

[3] 陸軍.化學教學中的證據推理與證據價值的提升[J].中小學教師培訓，2021（5）：74-78.

[4] 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.

[5] 楊梅，莫尊理，張英，等.從證據推理視角對“離子反應”教學案例的分析及其啟示[J].化學教育（中英文），2020，41（17）：60-65.

[6] 李志剛，高艷.基于學科思想建構的有機化學教學：以高中化學必修2“乙烯”為例[J].教學儀器與實驗，2015，31（12）：3-7.

[7] 王磊.基于學生核心素養的化學學科能力研究[M].北京：北京師范大學出版社，2018：1.

*項目來源：甘肅省優秀研究生“創新之星”項目“中學化學教科書（人教版）中部分實驗的創新性設計研究”（項目編號：2021CXZX-234）。

作者：岳睿，西北師范大學教育學院在讀碩士，研究方向為化學教學；莫尊理，西北師范大學化學化工學院，教授，研究方向為材料化學、化學教學、科學哲學；楊梅，西北師范大學教育學院在讀博士，研究方向為課程與教學論（730070）。