模型認知在科學探究中的教學實踐研究
——以“氫氧化鈉和二氧化碳的反應是否發生”為例

成斌斌

（蘇州文昌實驗中學校 江蘇 蘇州 215100）

一、問題的提出

科學探究是學習化學、提高學生學科素養的有效途徑。在進行科學探究專題復習時，可以某一個典型實驗為“小切口”，以學生當前亟待解決的問題為出發點，用化學學科思想方法來引領，設計合適且遞進的問題鏈，幫助學生快速梳理知識點和總結方法經驗，引導學生自主探究，發現問題、解決問題，最終建立知識方法體系與問題解決之間的聯系，提高學生的參與積極性。［1］

模型是人們為了達到對目標對象進行解釋、認識或研究等特定目的，對目標對象所作的一種簡化的、直觀的、定性或定量的、文字或圖形的描述，具有描述（利用模型對物質的結構、變化進行簡單化、可視化的表征）、解釋（利用模型解釋現象與本質的關系）、預測（利用模型對性質、變化進行預測）、系統化知識（利用模型將知識系統化、有序化、結構化）的功能。［2］通觀江蘇省近年中考化學卷中的科學探究題，對學生的考查已逐漸由“知識主體”轉向“能力主體”。因此，在科學探究專題復習過程中，關注模型建構，外顯思維過程與方法，有益于啟發學生掌握科學方法，實現在學習中從分析“一個變化”到研究“一類變化”的轉變。

二、內容分析和模型建構

1.整合前經驗，建立基本模型

化學變化通常伴隨有發光、放熱、產生氣泡、生成沉淀、顏色變化、氣味變化等現象。而氫氧化鈉與二氧化碳的反應并無明顯現象，如何證明反應是否真的發生了呢？以此問題為支點開展科學探究。在進行問題解決時，可先梳理已有知識，找到可借鑒的事例，總結其方法原理。通過類比、遷移、歸納等方法由點及面得出解決此類問題的一般思路，將相關化學知識結構化，并遷移到當前問題中來。經梳理后，從教材中找到可被借鑒的實驗如表1所示：

表1 教材中可借鑒實例

對以上事例進行分析匯總可知，證明一個無明顯現象的化學反應是否發生，通常有三種基本方法。據此，通過討論建立研究“無明顯現象的化學反應是否發生”的基本模型如圖1所示。

圖1 基本模型的建構

2.結合微專題，深化模型細節

將圖1 中的基本模型適配到本微專題的研究中。先從宏觀、微觀兩個角度分析氫氧化鈉與一定量二氧化碳反應過程中的物質和微粒變化情況，將分析結論與模型相結合，找到合適的研究路徑，將微專題科學探究細化成幾個子實驗探究過程：①（宏觀）證明二氧化碳的消失或水的生成；②（微觀）證明氫氧根離子的消失或碳酸根離子的生成。結合離子的檢驗方法，溫度、壓強、二氧化碳濃度等物理量變化，梳理每個子實驗目的的研究方法，形成本專題研究的細化模型如圖2所示。

圖2 細化后的模型

3.進行科學探究，建構學習模型

科學探究可促進對學科的理解，激發興趣與動機，培養創新意識、懷疑求證精神（證實或證偽）。成功的科學探究過程可幫助學生養成科學思維習慣，理解科學本質。以實例1（見表1）的分析過程為例，過程中學生的思維發展過程見圖3。

圖3 實例1中學生思維發展路線

成功實施科學探究教學還存在一些需關注的問題和要點。一是要多維度挖掘科學探究的教學功能價值，不能以完成驗證性實驗和夯實實驗基本操作為主要指導思想；二是教學過程中需“探”“究”結合，鼓勵學生“動手”“動腦”；三是科學探究的實驗設計要與時俱進，增強對數字化技術手段的應用，不斷提高實驗的科技含量。［3］

本課的科學探究過程是在對氫氧化鈉和二氧化碳的微專題復習過程中圍繞階段性的特定問題展開的。教師以問題解決為主要目標，以實驗為線索，以問題為驅動，組織了包括歸納討論、動手實驗（傳統實驗及數字化實驗）、設計實驗、表達交流、收集證據和查閱資料等多樣化的學習方式。學生在探究過程中解決了原有問題，并通過優化認知模型形成了解決此類實驗問題的思路模型，并通過實驗設計加以運用，提升了學生的化學學科素養。［4］在此過程中，學生通過思考、體驗和總結，對科學探究進行了模型建構（如圖4所示），并將該模型運用到每個子問題的解決中。

圖4 科學探究模型建構

三、科學探究實施過程

1.基于問題，構建模型

【情境1】氫氧化鈉溶液中通入二氧化碳，觀察現象，并基于元素化合物的相關知識推斷反應的發生及反應前后物質、微粒種類的變化。

【問題1】如何證明氫氧化鈉與二氧化碳確實發生了反應？

【學生活動】尋找教材中類似無明顯現象的反應的觀察方法（見表1），并總結思路，構建解決此類問題的基本模型（見圖1）。

【問題2】從宏觀和微觀兩個角度分析氫氧化鈉與二氧化碳反應的本質。

【學生活動】從宏觀和微觀兩個角度分析反應本身，對本課科學探究幾條可能路徑進行思考，細化基本模型（見圖2）。

【問題3】實例1 中紫色石蕊試液變紅一定能說明二氧化碳能與水發生反應嗎？如何基于問題進行科學探究？

【學生活動】分析二氧化碳溶液中的物質種類，對實驗進行分析和改進，并總結進行科學探究時需注意的問題（見圖3），構建科學探究的一般模型（見圖4）。

設計意圖：通過本環節的學習，幫助學生分析已學知識，建構研究問題的方法模型，培養模型建構能力；強化宏微結合看反應的意識，引導對反應實質的理解；強化實驗設計的科學性、嚴謹性，幫助構建科學探究的研究模型，為本課學習打下基礎。［5］

2.遷移運用，深入探究

【情境2】從宏觀角度看，反應的發生可依反應物的消失或新物質的生成進行判斷。本反應中具體落實在“反應前二氧化碳的消失”和“反應后水的生成”。

【問題4】如何設計實驗證明反應后二氧化碳是否消失，從而推斷出反應的發生？

【學生活動】結合學習經驗和物理學相關知識，提出可通過氣體檢驗、壓強變化、數據測定來表征。基于科學探究模型（見圖4）對本問題進行研究，其過程見表2。

表2 通過證明二氧化碳消失推斷反應發生的研究過程

【問題5】欲證明有水生成，需排除原反應物里的水。結合相關知識，你能提出相應的驗證方案嗎？

【學生活動】見圖5。

圖5 通過檢驗水的生成表征反應發生的研究過程

3.宏微結合，發展認知

【情境3】從微觀角度看，反應發生時應該伴隨有反應前某微粒的消失和反應后新的微粒的生成。本反應中具體落實在“氫氧化鈉中OH-的消失”和“碳酸鈉中CO2-3的生成”。

【問題6】從微粒的角度看，隨著反應的發生，氫氧化鈉溶液中哪種微粒在不斷減少？結合該微粒的檢驗方法，你能提出相應的驗證方案嗎？

【學生活動】見表3。

表3 通過證明OH-的減少推斷反應發生的探究過程

【問題7】從微粒的角度看，隨著反應的發生，溶液中除了水分子，還有什么新的微粒生成了？結合該微粒的檢驗方法，你能提出相應的驗證方案嗎？

【學生活動】交流討論，提出多種可行方案如表4所示。

表4 通過證明的生成推斷反應發生的實驗設計

【演示實驗】向氫氧化鈉溶液中加入不同濃度的氯化鈣溶液，觀察現象如圖6所示。

圖6 向氫氧化鈉溶液中加入不同濃度的氯化鈣溶液

【學生活動】查閱資料：氫氧化鈉與氯化鈣反應需要看反應物的濃度，氫氧化鈣是微溶物，兩個溶液中鈣離子和氫氧根離子達到一定濃度，就會生成氫氧化鈣沉淀。因此方案二有局限性。

設計意圖：在2、3 兩個環節的研究過程中，將科學探究的模型代入具體問題的研究過程進行運用，在問題驅動下讓學生有條理地設計實驗，進行反思，改進實驗，將傳統實驗、數字化實驗、生活實驗有效結合在一起多角度解決同一問題。在使用模型的過程中不斷完善模型，從而使模型更完整。［6］在實驗設計方面，從定性和定量相結合的角度讓學生直觀體會氫氧化鈉與二氧化碳反應過程中壓強、二氧化碳濃度、溫度、pH 等物理量的變化。學生積極參與了思考、討論、分析、預測、批判、創新等活動，通過“高投入”的學習與同組成員及教師進行了“高互動”的交流，有效達成了知識、思維、能力多重發展的目標，充分體現了在學習過程中進行模型建構的必要性。

4.類比遷移，拓展思維

【情境4】水是最常用的溶劑。但在有些過程中，為提高溶質的溶解能力，得到更明顯的反應現象，可以將溶劑更換成酒精、汽油等有機溶劑。如：水不能清洗油污，但汽油可以；碘微溶于水，卻易溶于酒精；提取大豆中油脂時，用己烷為溶劑等。根據上述實驗經驗，驗證氫氧化鈉與二氧化碳是否發生反應時，水是重要的干擾因素。對此，若用純酒精作為溶劑進行反應，是否會有現象出現？

【查閱資料】

表5 20 ℃時，各物質在無水乙醇中的溶解度

【演示實驗】將1.5 g 氫氧化鈉與10 mL 酒精配制成無色透明的溶液，向其中通入二氧化碳，觀察到出現渾濁現象如圖7所示。

圖7 向氫氧化鈉的酒精溶液中持續通入二氧化碳

設計意圖：通過更換溶劑種類，使原本無明顯變化的反應無需通過外力即表現出明顯現象，拓寬了學生的思維角度，并可以引發學生對于“如果仍用水為溶劑，能否根據各物質在水中的溶解度不同而使反應產生現象”，將對反應的認知從定性認識發展為定量認識，體會化學的變化性。

四、教學反思

本課是基于“證據推理和模型認知”的微專題科學探究課。以“氫氧化鈉與二氧化碳是否發生了化學反應”為專題，開展了一系列的科學探究活動。在此過程中，著力培養學生以下幾個維度的能力：

1.模型建構能力

搜集類似實驗，對其研究方法進行總結提煉，建構出判斷無明顯變化的化學反應發生的幾條基本路徑，以此為基石，對本課研究問題進行拆解和細化，先明確研究的角度，再設計研究的方案，在實驗過程中再根據實際結論進行修改和完善。在應用中不斷完善模型，通過反復修正、填充使模型更完整。

2.證據推理能力

在本課的科學探究過程中，多次遇到了困難。如向滴有酚酞的氫氧化鈉溶液中通入二氧化碳，紅色為何不褪去。通過查閱資料，學生明白了碳酸鈉溶液為何顯堿性的原因，以反應現象和資料信息為證據，推理出要檢驗原溶液中的OH-是否有剩余，需先將溶液中的CO2-3除去，從而設計出有效的實驗方案。再如最后進行思維拓展時，以前經驗中酒精、汽油、己烷在溶液配制、清洗油污、油脂提純中的應用為切入點，以氫氧化鈉、碳酸鈉、碳酸氫鈉在無水乙醇中的溶解度數據為證據，推理出通過更換溶劑可以使無明顯現象的化學反應表現出現象，從而設計出有效的實驗方案。傳感器的引入使實驗的科學性和數據的有效性大大增強。在證據推理過程中，學生的思辨能力得到了加強，意識到事實證據、現象證據、數據證據的有效性，體會證據推理的嚴密性和邏輯性。

3.科學探究能力

科學探究能力是指從事科學探究所必需的能力。一般包括發現科學問題、設計解決方案、進行科學實驗、合理進行科學解釋、搜集科學信息和必要的科學反思能力。本課以“氫氧化鈉與二氧化碳是否發生了反應”為科學探究目的，學生通過前經驗對方法進行提煉，對解決問題的路徑提出幾點猜想。再通過設計實驗，進行實驗驗證證明該方法的可行性，并建構出解決此類問題的基本模型。在此過程中，學生獨立思考，自主探索，人人有觀點，事事皆可能，充分調動了學生的實驗熱情和探究欲望。在實驗中思辨，不斷提升其科學探究能力。