基于“證據推理與模型認知”素養的深度學習活動設計

盧文靜 周海歐

摘要：以“探究溫度、壓強對化學平衡移動的影響”為例，通過設置問題情境，設置實驗探究、結合手持技術實驗和理論證據，從定性和定量以及實驗和理論角度，培養收集證據、分析證據、證據推理、建立模型、完善模型、運用模型的能力，發展“證據推理與模型認知”的化學核心素養。

關鍵詞：證據推理與模型認知；深度學習；平衡移動

文章編號：1008-0546（2023）12-0033-005 中圖分類號：G632.41 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2023.12.007

一、教學背景分析

《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》提出要發展化學核心素養，即“宏觀辨識與微觀探析”“變化觀念與平衡思想”“證據推理與模型認知”“科學探究與創新意識”“科學精神與社會責任”5個維度”。［1］“證據推理與模型認知的內涵”是指能夠收集化學事實、信息等證據并提出假設，通過正確的化學思維過程進行推理和分析，得出結論，并構建證據與結論之間完整的邏輯關系，從而形成一般的認知思維與方法，建立認知模型，并且能夠運用模型的一般思維方法去解決化學問題。［2］“證據推理與模型認知”這一核心素養需要建立在科學探究的基礎上，是一種區別于“死記硬背”的表層學習的深度學習方法，有助于學生認識知識是如何構建的，對知識形成深刻的理解，并且對知識進行遷移與應用，以及形成強烈的知識學習內驅力與學習情感，發展高階的化學思維與綜合應用能力。

1976年，Ference Marton 和 Roger Saljo首次提出深度學習和淺層學習的概念，深度學習是相對于簡單記憶的淺層學習而提出來的，是內在特征的理解和聯系。［3］近幾十年研究，大體上深度學習被認為是一種學習的方式、過程和結果。［4］在高中化學學習中，深度學習是以提高學生認知目標為前提，培養學生批判性思維能力，注重學習過程中的積極情感投入及學習結果的核心素養和終身發展能力建構，是一個知識遷移的過程，是在理解基礎上聯結原有知識并通過遷移解決問題的學習行為。

目前我國普通高中化學教學中對于“證據推理和模型認知”素養的培養正在探索階段，尤其是對于“模型認知”的理解與培養不夠重視，許多教師對證據推理以及模型認知之間的內在聯系理解不透，學生對化學知識的學習停留在淺層的記憶理解層面，所以需要構建基于深度學習指向化學核心素養的課堂教學活動設計。本文選擇2019年人教版普通高中化學選擇性必修一的“溫度、壓強對化學平衡移動的影響”為主題，進行基于“證據推理與模型認知”素養的深度學習活動設計。

二、教學內容分析

溫度與壓強對化學平衡移動的影響為2019年人教版普通高中化學選擇性必修1第二章第二節的教學內容。新課標要求“了解濃度商和化學平衡常數的相對大小與反應方向間的聯系。通過實驗探究，了解濃度、壓強、溫度對化學平衡狀態的影響。認識化學反應速率和化學平衡的綜合調控在生產、生活和科學研究中的重要作用”。在進行本節課學習之前，學生已經學習了影響化學速率的因素以及濃度商和化學平衡常數的相對大小與反應方向間的聯系，學生對平衡移動有了初步認識，具備了一定的平衡思想，結合新課標的內容要求和學業水平要求，制定了以下

教學目標：

（1）通過手持技術實驗探究從定性角度歸納壓強和溫度對化學平衡的影響規律，從中體驗科學探究的艱辛和喜悅；培養變化觀念與平衡思想、證據推理與科學探究的化學核心素養。

（2）學會用濃度商和平衡常數大小比較判據，定量判斷壓強和溫度影響平衡移動的方向。

（3）了解控制反應條件在生產、生活和科學研究中的意義，落實科學精神與社會責任的化學核心素養。

三、教學設計思路

證據推理與模型認知需要建立在情境問題以及科學探究收集證據的基礎上，證據推理需要從情境中發現問題，根據已有的知識、數據進行假設，再收集證據，根據已經有的數據、現象等進行證據的組合、證據表達、證據推理從而證實或者證偽假設，獲得結論，模型認知需要在證據推理的基礎上形成一般的認知方法、規律模型，并且以證據不斷修繕模型，應用模型去解決實際化學問題。［5］本文的設計思路（如圖1所示）是在科學探究中貫穿證據推理，在證據推理的基礎上構建和應用模型。

本文設置了兩個教學情境，以“當打開汽水瓶蓋會涌出大量氣泡”為情境，提出問題：“為什么會涌出大量氣泡？”，收集證據“市場上銷售的汽水，大約是1體積水中溶有1～4.5體積二氧化碳，制備時在4℃和2-4個大氣壓下將 CO2注入原漿中。”形成假設：壓強對化學平衡移動有影響，提出問題：“壓強怎樣影響化學平衡移動？”，通過手持技術實驗探究得出壓強對 NO2與 N2O4平衡體系的時間壓強圖像，從定性角度對圖像證據進行合理推理，從定量角度濃度商與平衡常數相對大小推理分析，得出結論，聯系宏觀與微觀構建壓強對化學平衡移動原理的模型。

通過設置情境“飲用冰鎮汽水會打嗝”，收集證據“人的體溫較室溫高”，從而提出假設“溫度對化學平衡移動有影響”。通過搭建腳手架設計溫度對NO2與 N2O4平衡體系的影響，收集定性的顏色變化證據以及理論證據——范特霍夫方程，得出結論，聯系宏觀與微觀構建溫度對化學平衡移動原理的模型。

最后，結合溫度以及濃度對化學平衡移動的模型構建勒夏特列原理模型，并運用該模型分析解決工業制備硫酸的反應條件調控問題。相關的教學分析思路如圖2所示。

四、教學過程

1.壓強對化學平衡移動的影響

【情境引入】教師現場展示打開一瓶可樂，觀察瓶內現象。

【問題引導】瓶中怎么會有大量氣泡？

【展示】資料卡片：①市場上銷售的汽水，大約是1體積水中溶有1～4.5體積二氧化碳，制備時在4℃和2-4個大氣壓下將注CO2入原漿中。②瓶內二氧化碳存在平衡：CO2（aq）?CO2（g）

【學生討論】根據打開汽水瓶蓋產生氣泡現象以及資料卡片證據，推理打開瓶蓋，壓強變小，推測平衡：CO2（aq）?CO2（g）往正向移動，即體積增大方向移動。

【提出假設】壓強對化學平衡移動有影響，壓強減小朝著體積增大的方向移動。

設計意圖：創設生活化情境CO2的溶解平衡，提出問題，引導學生根據資料證據，提出假設，激發學生興趣，體會化學與生活的緊密聯系。

【實驗探究】講解用壓強傳感器探究改變壓強對 NO2與 N2O4平衡體系的影響實驗（如圖3所示），請預測并畫出壓縮和拉伸注射器過程中注射器內壓強隨時間變化曲線，并給予解釋。

【學生】預測并畫出壓縮和拉伸注射器過程中注射器內壓強隨時間變化曲線。

【實驗演示】教師現場演示手持技術實驗，使用壓強傳感器探究改變壓強對 NO2與 N2O4平衡體系的影響。

【問題引導】①注射器中體系顏色深淺跟什么有關？②注射器中顏色變化是怎樣？能否觀察清楚？

【收集證據】證據1：壓強與時間的關系如圖4所示。

證據2：壓縮體積，體系顏色先變深后稍有變淺；增大體積后，體系顏色先變淺后稍有變深。

【問題引導】① A → B壓強迅速增大，C → D壓強迅速減小的原因是什么？②為什么B點后壓強略有減小？平衡向哪個方向移動？請說出你的判斷依據。③D點后壓強又略有增大，說明了什么？NO2平衡向哪個方向移動？

【證據推理】① A → B壓強迅速增大原因是壓縮注射器使得體積變小，C → D 壓強迅速減小是體積增大。②B點后壓強略有減小是因為平衡向體積變小的方向發生移動，也就是生成 N2O4的方向移動。③D 點壓強略有減少是因為平衡向體積變大的方向發生移動，生成更多的NO2。

【理論分析】顏色變化或者壓強變化都是從定性的角度判斷化學平衡移動的方向，從濃度商與平衡常數的角度定量分析，壓縮體積，Q 和K 之間的關系是怎樣？

【學生】小組討論推導壓縮體積后的濃度商 Q 與平衡常數K 的相對大小，進而判斷平衡移動方向。

【得出結論】其他條件不變時，增大壓強（減小容器的容積）會使化學平衡向氣體體積縮小的方向移動；減小壓強（增大容器的容積），會使平衡向氣體體積增大的方向移動。

設計意圖：基于假設，為學生搭建腳手架，設置實驗探究，收集證據，由于教材實驗顏色變化不明顯，借助手持技術實驗將壓強變化數據化、直觀化，培養學生搜集證據的能力，并且通過曲線表征以及計算 Q 與 K 的相對大小，讓學生分析曲線中壓強變化背后的蘊含的平衡移動知識，培養證據表達、證據推理的能力，讓學生從定性與定量的角度推理出當增大壓強時，平衡朝著體積變小的方向移動，直觀形象地體會勒夏特列原理中“減弱”的含義，促進深度學習，為后面建立勒夏特列原理模型做基礎，培養科學探究與證據推理能力。

2.溫度對化學平衡移動的影響

【過渡】飲用冰鎮汽水會打嗝，這是為什么？

【搜集證據】證據1：汽水存在平衡 CO2（aq）?CO2（g），ΔH>0。

證據2：查閱資料，體溫較室溫高。

【證據推理】汽水在體內溫度較高，平衡朝著 CO2逸出方向移動，CO2逸出方向為吸熱方向。

【問題引導】升高溫度，化學平衡向吸熱方向移動。

【學生實驗】實驗探究1：將N2O4-NO2平衡球一端置于冰水中、另一端置于熱水中，一段時間后觀察顏色變化。

實驗探究2：將三支試管裝有CoCl2的飽和NaCl溶液分別置于冰水、常溫、熱水條件下中，觀察顏色變化。

【收集證據】

①2NO2（g）? N2O4（g）ΔH<0。

②N2O4-NO2平衡球一段置于冰水中顏色變淺、置于熱水中顏色變深。

③Co2+（aq）+4Cl-（aq）? CoCl4（2）-（aq）ΔH＞0。［6］

④CoCl2的飽和 NaCl 溶液在熱水變藍，冷水中粉紅色變淺。

【學生】根據以上實驗證據，討論分析溫度與平衡移動方向的關系。

【理論分析】通過分析范特霍夫方程lnK=-· +C，推出吸熱反應和放熱反應的K 隨著溫度的變化，并比較Q 與K值的大小判斷反應方向。

【得出結論】其他條件不變，升高溫度，平衡向吸熱方向移動；降低溫度，平衡向放熱方向移動。

【教師】是否可以解釋我們提出的問題喝汽水打嗝的原因？

【學生】已知 CO2（g）?2CO2（aq）ΔH<0，溫度升高，平衡向左移動，CO2逸出，帶走熱量。

設計意圖：通過小組實驗探究，培養學生動手能力，收集證據能力、證據推理能力。通過范特霍夫方程，從理論角度分析溫度與平衡常數的法關系，從而推出溫度對化學平衡移動影響規律，增加知識構建過程，有利于學生深度理解知識，促進深度學習，為后面建立勒夏特列原理模型打下基礎。

3.建立勒夏特列原理模型

【教師引導】根據溫度和壓強對化學平衡影響的規律，為什么升高溫度平衡會往吸熱方向移動？俗話說“天之道，損有余而補不足”“月滿則虧”，其實這里蘊含著豐富的哲學思想與科學規律。在研究平衡體系中，體系溫度升高則視為“滿”，就需要往“虧”方向走，讓體系溫度稍有下降；體系溫度降低，則需要往放熱方向移動，放出更多熱量，使得體系溫度稍有上升。那為什么增大壓強，平衡要往體積縮小方向移動？

【學生推理】體系壓強增大視為“滿”，則需要往體積縮小的方向移動，讓體系壓強稍有下降；體系壓強減小時，則需要往體積增大的方向移動，以增大體系壓強。

【建立模型】改變溫度和壓強，平衡就會朝著減弱這種變化的方向移動，這就是勒夏特列原理：如果改變影響平衡的一個條件如濃度、壓強或溫度等，平衡向能夠減弱這種改變的方向移動。

學生小組合作進行實驗，培養學生科學探究、證據推理的能力。

設計意圖：基于溫度和壓強對化學平衡移動的結論，構建勒夏特列原理模型，培養學生邏輯推理、總結歸納能力，以及證據推理與模型構建核心素養。

4.解決真實問題，完善認知模型

【教師】化學來源于生活，并且可指導工業生產，例如硫酸工業重要一步：2SO2（g）+O2（g）?2SO3（g）ΔH=-196 kJ ·mol-1，理論上應該怎么控制溫度和壓強？而實際上采用溫度為400-500℃、常壓，這是為什么呢？

【文獻數據】表1展示的是工業制硫酸的溫度與壓強數據。

【學生】該反應是放熱反應，低溫有利于平衡正向移動；該反應是氣體體積減小的反應，高壓有利于平衡正向移動，所以應為低溫、高壓。

【教師】影響工業生產的影響因素很多，不僅要考慮平衡移動，還要考慮其他因素如速率、能耗、成本、環保、效益等。

設計意圖：通過設計調控硫酸工業制法中的反應條件調控真實情境問題，進一步完善化學平衡的認知模型，體會化學平衡調控在生產、生活和科學研究中的意義，運用勒夏特列原理模型解決工業生產問題，落實科學精神與社會責任的化學核心素養，加深了對化學學科價值的認識。

五、教學反思

1.從定性和定量的角度收集證據有利于開展深度學習

教材中關于壓強對 NO2-N2O4化學平衡移動影響的實驗現象觀察不明顯，因而改用手持技術收集數據和曲線表征證據，可以將抽象的原理數據化、具體化，減輕學生的認知負荷，加深對化學概念的理解，而且可以認識化學平衡移動的知識構建過程，激發學生的求知欲，實驗更加科學嚴謹，有助于學生開展深度學習。同時，本設計在收集定性證據的基礎上，引入理論分析證據，分別從 Q 與K 的大小比較、范特霍夫方程分析K 與 T 的關系，加深學生對勒夏特列原理的理解，鍛煉了學生的思維，拓展學生的知識面。

2.基于真實情境的教學設計

新課標中提出14處“情境素材建議”，還有48處是關于使用情境的描述，可見新課標更加注重情境的設計與實施。［8］新教材的內容選取呈現、試題命制、教學設計實施都非常注重情境，這也是未來研究的熱點。教學時要重視情境素材中蘊含的教育功能，利用情境素材落實化學核心素養，如本設計以汽水中二氧化碳的溶解平衡為例，結合工業生產中的三氧化硫反應的條件調控，可以體現化學學科的學科價值與社會價值，發揮化學的育人功能。

參考文獻

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