基于“證據(jù)推理”的教學(xué)設(shè)計(jì)

程渡安 汪豐云 馮明 葉佳

摘要： “證據(jù)推理”中的證據(jù)是多樣且具有層次的，作者據(jù)新課標(biāo)“證據(jù)推理”素養(yǎng)水平將其分為“宏觀”“微觀”“定量”及“多元”證據(jù)，構(gòu)建“證據(jù)—活動(dòng)”雙線教學(xué)模式。以“沉淀轉(zhuǎn)化”為載體設(shè)計(jì)教學(xué)活動(dòng)，豐富學(xué)生基于證據(jù)推理的活動(dòng)體驗(yàn)，鍛煉學(xué)生證據(jù)收集、整合、分析和解決問題能力，從而培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：證據(jù)推理；證據(jù)；沉淀轉(zhuǎn)化

文章編號(hào)：1008-0546（2023）07-0055-05 中圖分類號(hào)：G632.41 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2023.07.010

黨的十九大提出，要以落實(shí)立德樹人根本任務(wù)，發(fā)展素質(zhì)教育，促進(jìn)教育事業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展。新課標(biāo)也明確以“發(fā)展學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)”為主旨的基本理念。作為五大化學(xué)核心素養(yǎng)之一的“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”，強(qiáng)調(diào)以“科學(xué)探究”為載體，通過獲取證據(jù)，基于證據(jù)進(jìn)行推理，并建立認(rèn)知模型等化學(xué)活動(dòng)鍛煉學(xué)生的邏輯思維，從而達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生的化學(xué)核心素養(yǎng)的目標(biāo)。因此，獲取“證據(jù)”是整個(gè)素養(yǎng)的基礎(chǔ)，本文從“證據(jù)”出發(fā)，以學(xué)生認(rèn)知進(jìn)階的邏輯順序?yàn)榛A(chǔ)，將學(xué)生引入“證據(jù)”的化學(xué)世界，通過體驗(yàn)證據(jù)的收集、整合和分析過程，以揭開疑惑的“最佳真相”，并建立“證據(jù)—推理—結(jié)論”間的緊密聯(lián)系。

一、證據(jù)的層次性

通過對(duì)新課標(biāo)“證據(jù)推理”中四個(gè)水平[1] 的解讀，發(fā)現(xiàn)每一級(jí)水平要求的提升，其證據(jù)要素也相應(yīng)發(fā)生變化。結(jié)合新課標(biāo)“證據(jù)要素”的表述，對(duì)化學(xué)學(xué)習(xí)中不同的“證據(jù)”層次進(jìn)行劃分：

第一層次為“事實(shí)”也就是“宏觀”證據(jù)，指對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、物質(zhì)顏色、狀態(tài)等客觀事實(shí)的認(rèn)知而獲取的信息，是處于宏觀世界的直接證據(jù)，識(shí)別與提取較為容易。[2] 教師可借助此類“證據(jù)”活動(dòng)的預(yù)設(shè)，激發(fā)學(xué)生的證據(jù)意識(shí)。

第二層次為“微觀”證據(jù)，指建立在宏觀事實(shí)的基礎(chǔ)上，借助現(xiàn)代技術(shù)展現(xiàn)的微觀世界以及建立的相應(yīng)微觀模型，例如反應(yīng)機(jī)理、分子結(jié)構(gòu)模型等，屬于間接證據(jù)。相比宏觀證據(jù)，其研究視角趨于細(xì)微化、模型化。教師可預(yù)設(shè)“宏微”活動(dòng)，拓寬學(xué)生證據(jù)視角，培養(yǎng)證據(jù)整合能力。

第三層次為“定量”證據(jù)，是指建立在“定性”的基礎(chǔ)上，通過相關(guān)化學(xué)原理、規(guī)律的計(jì)算所得的“量”的信息，[3] 相比前兩層次的證據(jù)而言，更強(qiáng)調(diào)“證據(jù)”的縱深化與數(shù)據(jù)可視化，學(xué)生需要一定的證據(jù)分析能力，以達(dá)到問題本質(zhì)的解決。

第四層次為“多元”證據(jù)，[4] 多元證據(jù)指不同維度的證據(jù)信息或者通過不同推理手段獲取的證據(jù)。相比前三層次證據(jù)，多元證據(jù)強(qiáng)調(diào)在“獲取形式”或“屬性”上的多樣性、充分性以及相關(guān)性。[5] 通過收集與梳理多元證據(jù)，結(jié)合多種推理手段，建立起“證據(jù)-結(jié)論”的邏輯聯(lián)系，[6] 獲取最優(yōu)結(jié)論。

綜上所述，隨著證據(jù)層次的遞進(jìn)，證據(jù)收集能力的要求逐漸變高，證據(jù)的處理方式趨于復(fù)雜，推理手段走向多樣化，證據(jù)與結(jié)論的關(guān)系逐漸嚴(yán)謹(jǐn)化（見圖1）。

二、 “證據(jù)—活動(dòng)”雙線教學(xué)模式構(gòu)建

由證據(jù)的“事實(shí)化→微觀化→縱深化→充分化”證據(jù)線為思路，設(shè)計(jì)“實(shí)驗(yàn)探究→微觀動(dòng)畫→定量計(jì)算→討論交流”活動(dòng)線。遞進(jìn)的活動(dòng)充分體現(xiàn)了科學(xué)研究視角的轉(zhuǎn)變、研究手段的變更、推理思維的發(fā)散。具體模式如圖2所示。

整個(gè)教學(xué)模式凸顯“證據(jù)”主導(dǎo)，關(guān)注學(xué)生的思維過程與推理體驗(yàn)。實(shí)施策略上，應(yīng)注意教師的引導(dǎo)及參與角色，注重學(xué)生主體的證據(jù)收集、分析、整合過程，以滿足學(xué)生獲得最優(yōu)結(jié)論的成就感。

三、 “沉淀轉(zhuǎn)化”設(shè)計(jì)流程

課題以實(shí)驗(yàn)探究中“AgCl轉(zhuǎn)化為AgI”和“ZnS不能轉(zhuǎn)化為MnS”兩個(gè)事實(shí)證據(jù)，創(chuàng)造認(rèn)知疑惑，引發(fā)學(xué)生對(duì)沉淀轉(zhuǎn)化微觀行為的求知欲。再以微觀動(dòng)畫活動(dòng)為載體，引導(dǎo)學(xué)生整合微觀證據(jù)，做出“Ag + 與I - 結(jié)合傾向性大”的判斷，即整合“宏” “微”證據(jù)推理出的第一條結(jié)論；為認(rèn)清“傾向性”的本質(zhì)，引入計(jì)算活動(dòng)，借助資料數(shù)據(jù)，學(xué)生通過計(jì)算以“量”的“證據(jù)”揭露“沉淀轉(zhuǎn)化”本質(zhì)，得出“沉淀由K sp 大的向K sp 小的轉(zhuǎn)化”的第二條結(jié)論。對(duì)于該結(jié)論的科學(xué)性，教師拋出論點(diǎn)問題，引發(fā)討論思考，通過梳理“多元證據(jù)”以及“邏輯反推法”，對(duì)結(jié)論進(jìn)行修正，邏輯關(guān)聯(lián)“證據(jù)”與“結(jié)論”（見圖3）。

四、教學(xué)實(shí)錄

1. 生活化引入——打開沉淀轉(zhuǎn)化的“大門”

【圖片】蛀牙；含氟牙膏

【問】為什么長(zhǎng)蛀牙？蛀牙與含氟牙膏又有什么關(guān)系？

【欄目資料】見圖4。

【師】防蛀牙的本質(zhì)是促使“Ca 5 （PO 4 ） 3 OH”轉(zhuǎn)化為溶解度更小、更耐腐蝕的“Ca 5 （PO 4 ） 3 F”。那么沉淀轉(zhuǎn)化的原理是怎樣的？

【過渡】工業(yè)實(shí)踐中需將一種沉淀轉(zhuǎn)化為其他沉淀，下面從實(shí)驗(yàn)中探究沉淀轉(zhuǎn)化奧秘。

2. 實(shí)驗(yàn)探究——認(rèn)識(shí)沉淀轉(zhuǎn)化事實(shí)

【學(xué)生實(shí)驗(yàn)1】沉淀轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)探究（見表1）

【學(xué)生實(shí)驗(yàn)2】ZnS 轉(zhuǎn)化MnS實(shí)驗(yàn)探究（見表2）

3. 動(dòng)畫模擬——走進(jìn)沉淀轉(zhuǎn)化微觀世界

【矛盾的提出】

（1）為什么實(shí)驗(yàn)1中的沉淀可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)化，而實(shí)驗(yàn)2中卻不能？

（2）一種沉淀是為何溶解又逐漸生成新沉淀的呢？其微粒行為是怎樣的？

【過渡】嘗試畫出 AgCl 沉淀平衡狀態(tài)、 “AgCl→AgI”沉淀轉(zhuǎn)化的微觀歷程。

【動(dòng)畫】“AgCl→AgI”沉淀轉(zhuǎn)化的微觀歷程（見圖5）。

【師】AgCl在水中存在著可逆過程，AgCl表面會(huì)溶解，產(chǎn)生Ag + 和Cl - 進(jìn)入水中；另一方面，同時(shí)存在AgCl形成的過程，剛?cè)芙獬龅腁g + 、Cl - 附著于表面，和進(jìn)入水中的Ag + 、Cl - 產(chǎn)生吸引力，水中的Ag + 、Cl - 又在表面重新結(jié)合形成AgCl。

【生】通過AgCl 轉(zhuǎn)化為AgI的動(dòng)畫發(fā)現(xiàn)，起初的AgCl處于沉淀溶解平衡狀態(tài)，隨著I - 的加入，解離出的Ag + 和I - 結(jié)合形成了AgI，最終大部分轉(zhuǎn)化為AgI沉淀。

【提問】基于已有證據(jù)談?wù)凙gCl轉(zhuǎn)化為AgI的微觀行為。

【生甲】AgCl原有沉淀溶解平衡隨著I - 的加入而被破壞，Ag + 會(huì)結(jié)合I - 生成新沉淀。

【生乙】我覺得沉淀轉(zhuǎn)化本質(zhì)是因?yàn)椋篈g + 更傾向于與 I - 結(jié)合而不是 Cl - ，從而刺激原平衡右移，導(dǎo)致AgCl溶解，最終形成AgI沉淀。

【思維梳理】見圖6。

4. 定量計(jì)算——證據(jù)縱深發(fā)展，定量探求本質(zhì)

【疑惑的提出】請(qǐng)同學(xué)們思考2個(gè)問題。

（1）隨著I - 的進(jìn)入，原AgCl沉淀溶解平衡為什么會(huì)被打破？

（2）為什么Ag + 更傾向于與I - 結(jié)合生成AgI？

【生】可能與沉淀性質(zhì)有關(guān)；可嘗試從K sp 思考。

【資料】見表3。

【師】問題（1）：達(dá)到平衡狀態(tài)的Ag + 濃度約為多少？

問題（2）：需要結(jié)合多少濃度的I - ，可以將Ag + 搶走？

【計(jì)算】AgCl存在沉淀溶解平衡：AgCl （s） Ag +（aq）+ Cl - （aq） ， 查表得K sp （AgCl）=c （Ag + ）·c （Cl - ）=1.8×10 -10 ，即c（Ag + ）≈10 -5 。所以平衡狀態(tài)Ag + 濃度約為10 -5 mol/L。

已知K sp （AgI）=9.3×10 -17 ，求得至少所需c （I - ）≈10 -12 。

因此，當(dāng)加入的碘離子濃度只需超過10 -12 mol/L時(shí)（很易實(shí)現(xiàn)），Ag + 會(huì)與I - 結(jié)合生成AgI沉淀。

【教師】可用K來表示轉(zhuǎn)化程度，K值越大，該轉(zhuǎn)化反應(yīng)進(jìn)行程度越大。

用方程式表達(dá)轉(zhuǎn)化過程：AgCl（s）+ I - （aq）AgI（s）+ Cl - （aq）

【計(jì)算】計(jì)算 K=c（Cl - ）/c（I - ），即 c（Ag + ）·c（Cl - ）/c（Ag + ）·c（I - ）=1.8×10 -10 /9.3×10 -17 ，得K為1.96×10 6 ，故該沉淀轉(zhuǎn)化易實(shí)現(xiàn)。

【引導(dǎo)】按照該邏輯，請(qǐng)用數(shù)據(jù)證明ZnS無法轉(zhuǎn)化為MnS。

【學(xué)生計(jì)算】假設(shè)ZnS轉(zhuǎn)化為MnS可以實(shí)現(xiàn)，則理想轉(zhuǎn)化方程為：

即c（Zn 2+ ）·c（S 2- ）/c（Mn 2+ ）·c（S 2- ）=1.6×10 -24 /1.4×10 -15 ，得K為1.14×10 -9 . 所以，K值極小，

轉(zhuǎn)化難以完成。

【證據(jù)分析】見圖7。

【生】可利用這條規(guī)律快速判斷沉淀轉(zhuǎn)化的可能性。

5. 討論與證明——修正“沉淀轉(zhuǎn)化”規(guī)律

【師】拋出論點(diǎn)問題：

（1）同學(xué)們總結(jié)出的規(guī)律，對(duì)所有沉淀間轉(zhuǎn)化可能性的判斷都一定適用嗎？

（2）如果不適用，請(qǐng)同學(xué)們利用多元的證據(jù)或不同的推理方式去修正我們的結(jié)論，保證規(guī)律的科學(xué)性。

【討論與證明】

生甲：通過對(duì)計(jì)算原理的概括以及翻閱資料，通過比較K sp 大小來判斷“沉淀轉(zhuǎn)化”可能性，需要基于“同型沉淀”的要求；例如AgCl與AgI，它們同屬于AB型，符合判斷規(guī)律。

生乙：Ag 2 S與AgI不為同型沉淀，之所以能轉(zhuǎn)化，是因?yàn)镵 sp （Ag 2 S）極小。

生丙：結(jié)合活動(dòng)所涉及的多元證據(jù)，可證明該結(jié)論的存在。

從事實(shí)證據(jù)：AgCl→AgI客觀事實(shí)；微觀證據(jù)：I - 的加入破壞了原平衡體系，與Ag + 結(jié)合生成新沉淀；定量證據(jù)：K值（1.96×10 6 ）較大；多元化的證據(jù)都充分證明了這一點(diǎn)。

教師：根據(jù)甲乙丙同學(xué)的論點(diǎn)，結(jié)論修正為：對(duì)于同型沉淀而言，沉淀可由K sp 大的向K sp 小的轉(zhuǎn)化。

生丁：證據(jù)與結(jié)論的關(guān)系是要經(jīng)得起推敲的。但是該結(jié)論的證明的手段單一，我對(duì)該規(guī)律的適用性提出質(zhì)疑。

生戊：用反推法來獲取證據(jù)，判斷該規(guī)律的適用性。

【小組交流研究后，給出方案】見圖8。

師：通過同學(xué)們集思廣益，我們從多元化證據(jù)肯定了沉淀轉(zhuǎn)化一般規(guī)律的存在，并通過不同的推理方式優(yōu)化了沉淀轉(zhuǎn)化結(jié)論，為今后學(xué)習(xí)與判斷沉淀轉(zhuǎn)化帶來了便利。

五、教學(xué)反思

1. 充分利用教學(xué)中“證據(jù)”設(shè)計(jì)活動(dòng)

“證據(jù)”為問題解決的首要信息，它是多樣化的，或直觀，或隱晦，證據(jù)的收集及推理更是需要一定的科學(xué)思維。認(rèn)識(shí)到教學(xué)中證據(jù)的多樣性與層次性，結(jié)合具體課例設(shè)計(jì)活動(dòng)，有利于提高課堂中學(xué)生參與的質(zhì)量，幫助學(xué)生建立起“證據(jù)”主導(dǎo)的研究思路。

2. 善用“問題”引導(dǎo)，帶動(dòng)活動(dòng)進(jìn)程

“證據(jù)-活動(dòng)”雙線教學(xué)模式需要教師的問題引導(dǎo)，教師預(yù)設(shè)的“問題串”是學(xué)生思維的“助力器”，引導(dǎo)學(xué)生證據(jù)推理活動(dòng)的遞進(jìn)，讓學(xué)生能夠有方向、有創(chuàng)造力地逐步達(dá)成課程目標(biāo)。

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