核心素養導向的可視化證據推理模型構建

韓建豐 高凌蕊

數字化實驗是實現新技術與化學教學融合的重要手段，是中學化學教師培養學生信息素養的重要途徑^[1]。《教育信息化2.0行動計劃》倡導應用信息技術解決教學、學習、生活中問題，并給出了實施路徑，即發揮技術優勢，變革傳統模式，推進新技術與教育教學的深度融合。受傳統實驗手段的制約，中學化學教師在教學過程中難以讓學生捕捉到反應現象的細微變化。“證明CO₂與NaOH溶液反應發生”是借助數字化手段建構實驗可視化思路模型的良好知識載體，教學中教師基于教材上的原型實驗建立模型后對實際問題進行多角度、多方法的實驗探究，可提升學生對化學反應是否發生的認知。數字技術的應用可使實驗現象可視化。在數據采集及處理技術加持下，學生可以獲取準確的數據。實驗證據“可視化”有利于他們深刻理解化學反應，發展證據推理素養。學生分析反應物消失或新物質生成檢驗的實驗設計思想，在實踐中逐步深化對化學本質的理解，在過程中實現化學思維進階，提升化學學科核心素養。

一、建構可視化證據推理模型

（一）證據推理與模型認知

《義務教育化學課程標準（2022年版）》（以下簡稱“課標”）“內容結構”部分，將常見的酸、堿、鹽納入“物質的性質與應用”學習主題由“物質多樣性”大概念統攝，指出課程的出發點和落腳點應圍繞于設計活動使學生主動應用物質的化學性質實現確定實驗方案→進行實驗→基于證據的分析、推理、討論→得出實驗結論→實驗能力與思維進階。學生已經學習了酸、堿、鹽的性質及轉化，了解定量（測定空氣中氧氣含量、測定溶液的pH等）和定性（檢驗CO₂與H₂O反應生成碳酸、燃燒條件等）兩種常用實驗分析方法。筆者以構建“可視化證據推理”思維模型為載體，幫助學生掌握應用“變化觀”解決實際問題的一般思路與方法，加深學生對化學學科本質、科學探究的理解。在信息技術的助力下，筆者開展“證明CO₂與NaOH溶液發生反應”的實驗教學，引導學生在反應后、反應過程中逐級建構、應用、迭代對化學反應的認知角度，提升思維能力。

（二）數字化手段

1.前置微課

教師引入前置微課可提高課堂教學效率，助力學生在課堂中快速進入深度思維層次。合理利用微課能有效提高教學效率，將復雜的教學內容以明晰的邏輯呈現^[2]。微課較短，筆者將正課前置內容分解為一個或幾個小課以增強學生學習主動性，使其提前進入學習狀態。筆者利用微課1（CO₂與H₂O反應——驗證生成物的產生）、微課2（NaOH溶液與鹽酸的反應——驗證反應物的消失）以教材上的實驗原型向學生展示“可視化證據推理”在學生化學學科素養發展中的重要地位，體現“可視化”證明反應發生的思路，引導學生從典型原型實驗中提取原始的思維模型，為課堂教學作鋪墊。

數字化實驗的應用讓學生“有備而學”，有利于學生提高學習效率，拓展實驗探究的時空，形成系統的“變化觀”。

2.手持技術

課標要求學生學習化學課程能初步學會運用觀察、實驗等手段獲取化學事實，運用比較、分類分析、綜合歸納等方法認識物質變化與化學反應。教師開展物質變化與化學反應實驗教學，有利于提升學生的科學思維并培養創新意識。為了讓學生在理解熟悉的、典型的化學物質的變化中提升化學核心素養，筆者借助手持技術實現無明顯現象實驗可視化（如圖1）。化學學科發展的基礎是實驗。初中化學課堂教學中實驗起著重要的支撐作用，實驗與技術的發展是相輔相成的。隨著計算機技術和傳感技術的發展，數字化手持技術已經成為化學教學開展課堂教學的得力助手^[3]。在CO₂與NaOH溶液發生反應的實驗中，筆者對于CO₂的消失引入手持技術（壓強傳感器）進行測定，引導學生從定量的角度思考問題、從圖像信息的角度分析推理得出實驗結論。

二、教學內容和目標及數字化準備

（一）教學內容

探究CO₂與NaOH溶液是否發生了化學反應是圍繞核心物質CO₂（氧化物）、NaOH（堿）、Na₂CO₃（鹽）的化學性質展開的探究性學習。以重要反應“CO₂+2NaOH=Na₂CO₃+H₂O”為知識載體發展學生對物質變化的認識角度，從外顯的反應現象深入到反應物和生成物角度來認識化學變化，建立反應物、生成物的物質種類、物質性質、物質組成等宏觀的化學反應發生與否的認識思路，利用化學變化前后物質的性質差異說明反應物消耗和生成物生成為判據，推斷無明顯現象的化學反應是否發生。在解決實際問題、復雜問題的應用中復習酸堿鹽的核心知識，在數字化實驗和傳統實驗結合的實驗設計和實施中強化核心物質的典型性質，綜合建構與應用“可視化證據推理”思維模型，逐步提升學生的科學思維、深化學生對酸堿鹽知識的理解能力、提升學生證據推理與實驗探究能力，從而在課堂教學中實現化學學科核心素養的落地。

（二）教學目標

①觀看前置微課，應用教材上的經典實驗“探究CO₂與H₂O是否發生了化學反應、證明NaOH溶液與鹽酸發生中和反應”，建構“可視化證據推理”的思維模型。②應用思維模型來探究CO₂與NaOH溶液是否發生了化學反應，遷移應用酸堿鹽的典型性質設計具有明顯現象的實驗來證明反應發生，提升對核心知識的理解與運用能力。③應用手持技術設計并完成實驗，能從反應物消失或生成物消耗的視角判斷反應發生，從定性和定量兩個角度運用思維模型，發展證據推理意識。

（三）教學準備

筆者利用前置微課和ClassIn軟件、手持技術等做好教學準備。課前錄制兩個微課：微課1的主題為“建構模型——驗證生成物存在”，微課2的主題為“建構模型——驗證反應物消失”。設置前置討論：①歸納可視化證據推理思維模型；②模型的化學本質在于利用物質的化學性質設計有明顯現象的實驗來驗證原本無現象的化學反應的發生，要求學生利用ClassIn虛擬實驗室，設計實驗驗證NaOH溶液與CO₂發生了反應，限定實驗角度為“驗證反應物消失”，要求其提交實驗裝置圖片（前測）。課堂教學初始階段，筆者帶領學生用壓強傳感器測定CO₂與NaOH溶液反應中的氣壓隨反應時間的變化（見表1）。

此外，提前制備NaOH溶液和Na₂O₂反應后溶液（NaOH過量）、酚酞溶液、CaCl₂溶液、鹽酸、Ca（OH）₂溶液、CuSO₄溶液等，以及試管、膠頭滴管、CO₂傳感器、平板電腦終端等器材。

三、教學過程及模型建構難點突破

（一）教學流程

筆者以證明CO₂與NaOH溶液發生反應的數字化實驗為載體，建構可視化證據推理模型，需厘清學生思維盲區，幫助學生突破難點。教學流程如下（如圖2）。

（二）教學實錄：突破重難點

1.微課為引，聚焦于學生自主建構思維模型

微課1：CO₂與H₂O發生反應的證明。

教師：將CO₂通入H₂O中發生反應了嗎？

學生：通入前CO₂無色氣體、H₂O無色液體，通入后有氣泡冒出，液體呈無色。由于沒有明顯現象，無法直觀判斷該反應是否發生。

教師：對于證明CO₂與H₂O反應實驗，如何闡明設計思路？

學生：應用物質的化學性質，驗證生成物存在從而證明反應發生。

微課2：NaOH溶液與鹽酸發生反應的證明。

教師：將NaOH溶液滴入鹽酸中，發生化學反應了嗎？

學生：由于沒有明顯現象，無法直觀判斷是否發生反應。

教師：對于檢驗NaOH溶液與鹽酸反應實驗，如何闡明設計思路？

學生：用物質的化學性質驗證反應物不存在。

學生學習前置微課1和微課2初步建立可視化證據推理思維模型——若反應發生則在化學變化中證明舊物質（反應物）消失或新物質（生成物）生成。學生在實驗探究情境中培養證據推理核心素養，還能提升化學思維能力^[4]，其思維建構路徑如圖3所示。筆者設置前測任務：設計實驗裝置證明NaOH溶液能與CO₂發生反應（利用ClassIn模擬實驗室）。

2.解決問題，完善可視化實驗思維模型

筆者展示學生前測作業（如圖4），讓學生討論實驗設計依據，并基于證據推理闡述設計的優點和不足。

學生討論后總結得出裝置1具有如下優點：在裝置密封性良好的情況下，CO₂與NaOH溶液反應，造成氣體減少，裝置內壓強小于外界大氣壓，錐形瓶內氣球變大，此裝置基本滿足這一理論的驗證需求。該裝置的不足：CO₂能與水反應并溶于水，也會導致CO₂氣體減少造成干擾，但未設計對比實驗排除水對實驗的影響。學生討論后總結得出裝置2的優點：能夠排除裝置1中水的干擾，從對比實驗角度證明CO₂與NaOH溶液接觸時消耗更多，從而證明NaOH溶液可與CO₂反應。該裝置的不足：反應時間可能不足，溶解度約為CO₂∶H₂O=1∶1（體積比），若時間足夠兩支試管都會充滿溶液。學生歸納后得出結論：裝置2更能說明問題。

手持技術的應用可以直觀地呈現反應結果，使實驗“可視化”。筆者指導學生利用CO₂傳感器進行測定（向裝有等量CO₂的裝置中，加入等體積H₂O和NaOH溶液），得到相對壓強—采樣時間圖像（如圖5）。

學生結合操作情況，對曲線進行解釋。初始階段，加入同等體積的H₂O和NaOH溶液后，加入NaOH溶液的裝置壓強小于加入H₂O的裝置，說明NaOH與CO₂發生反應且反應速率較大，CO₂在短時間內減少很多。后一階段，曲線基本不變表示反應停止，NaOH裝置中壓強減小更多，在控制變量條件下能夠證明NaOH溶液與CO₂發生化學反應。

學生經過思考與實踐發現在微課前測中自己設計實驗的問題所在。學生在控制變量法的實際運用中借助手持技術對實驗進行定量研究，完善思維模型，為思維進階奠定了基礎。

3.自主設計，應用模型解決新情境下的實際問題

筆者拋出新情境新問題：若只提供“將CO₂通入NaOH后的溶液”（不能確定是否反應，若反應也不能確定NaOH是否剩余），又如何證明發生了反應？學生分組討論，填表提出自己的實驗設計方案（見表2）。

學生可基于思維模型解決新問題，從證明碳酸鈉存在或NaOH不存在兩個角度設計實驗。筆者為學生提供試劑引導他們做初步設計，選取一例進行演示（如圖6）。實驗小組在歸納總結基礎上繼續填寫實驗表格，進行小組間的交流點評。

設計的依據是什么？學生討論后明確實驗角度，利用試劑筐中的藥品做實驗，以“使反應現象可視化”為據，推理CO₂與NaOH溶液是否發生化學反應。

筆者匯總實驗方案并組織學生分析（如圖7）。

學生在分析中逐步認識到證明生成物碳酸鈉的存在需要考慮干擾因素。在CO₂與NaOH溶液反應后的溶液中可能存在未反應完的NaOH，其化學性質呈現堿的通性。由此進一步分析：酚酞溶液、NaOH溶液和Na₂CO₃溶液都可以使實驗中的液體變紅，因存在這些干擾因素，故不能證明發生了反應。對于鹽酸而言，加入足量鹽酸后NaOH的干擾被排除，但若只加入少量鹽酸則會造成無氣體推斷“沒有Na₂CO₃生成”的假象。對于氫氧化鈣溶液而言，NaOH不與其反應，不造成干擾，可以用來檢驗是否生成碳酸鈉。對于硫酸銅溶液而言，其與NaOH和Na₂CO₃都發生復分解反應產生沉淀，NaOH對Na₂CO₃的檢驗造成干擾，無法證明生成了Na₂CO₃。

學生綜合應用酸、堿、鹽知識解決問題，有利于其深度學習，深化對核心知識的理解。學生在交流點評設計實驗方案時，筆者利用課堂生成的資源，板演酸、堿、鹽知識網絡結構，建立系統化的知識體系。學生在應用使無明顯現象實驗可視化的思維模型實踐過程中，表現出對新問題的深度思考，理解了“干擾”對證據推理的影響，提高了對復雜問題的深入探究能力。

4.思維進階，換角度應用模型

“我們設計的上述實驗都是通過探究CO₂與NaOH溶液反應后的溶液進行認知，證明反應發生。能否設計實驗，在CO₂與NaOH溶液的反應過程中驗證反應發生？”在筆者的啟發下，學生利用ClassIn的虛擬實驗室從裝置角度設計實驗（如圖8）：證明反應過程中CO₂減少，判斷CO₂與NaOH溶液發生了化學反應。

筆者展示模擬實驗的過程和結果（如圖9）。

教師：A中液面高于B，A中石蕊溶液變藍等實驗現象，都能用于證明CO₂與NaOH溶液發生化學反應了嗎？

學生：A中液面高于B說明，因通過控制變量法設置了對比實驗，排除了水對實驗的干擾。但A中石蕊溶液變藍不能說明，因碳酸鈉溶液顯堿性、剩余的NaOH溶液也顯堿性，出現NaOH剩余對實驗造成干擾。

5.歸納整理，建立結構化知識體系

筆者基于學生課堂生成情況進行歸納整理，引導學生將知識結構化、系統化，建立完善的“可視化證據推理”思維模型（如圖10）。

筆者讓學生認識到運用思維模型時可從定性、定量兩個角度設計實驗，有意識地借助數字技術使無明顯現象實驗可視化。學生在課后需要完成拓展任務：解讀“測定空氣中氧氣含量實驗的設計思路”搭設腳手架（后測）。

四、總結與反思

（一）應用數字技術引導學生“做中學”擴展化學反應認知視角

學生在以往學習中暴露的問題是：運用知識解決問題的能力和獲取證據的能力較弱，特別是對反應現象不明顯的化學反應是否發生存在困惑。筆者導入前置微課，應用虛擬實驗室和手持技術等數字技術，改進傳統實驗，提高了實驗教學的功效。圍繞“應用物質的化學性質設計實驗，實現無明顯現象實驗的可視化”讓學生在“做中學”提升相應的能力。在建立“可視化”實驗證據推理模型的同時，筆者設計了干擾因素（有干擾物質共存）擴大了思維容量。教師應重點引導學生在模型建構與應用中逐步進階思維，使其能從反應體系中確定目標物質的獨有現象來實現實驗目的，進而擴展學生對化學反應的認知視角。

（二）大概念統攝下利用可視化證據推理模型提高學生能力與素養

“證明CO₂與NaOH溶液發生反應”是物質的性質與轉化主題大概念統攝下發展學生的“變化觀”的重要教學素材。筆者引導學生進行可視化證據推理模型的建構與應用，提高了學生的多方面的能力與素養。一是提升學生創新思維：利用密閉空間設計壓強差進行直觀表征。二是形成系統思維：學生認識到在反應體系內確定某物質存在與否，應選取獨有現象進行證明排除干擾。三是提升信息加工思維：分析傳感器采集的數據，對于曲線變化情況進行解釋和對比分析。四是學會辯證思維：若有干擾無法尋找到目標物質獨有的現象，應開展對比實驗排除干擾或除去干擾物質再進行檢驗。

實踐證明，教師合理應用數字技術，有利于學生基于證據意識對物質性質和變化提出合理假設，根據“可視化”實驗證據進行分析推理，梳理觀點、結論和證據三者間的邏輯關系。教師引導學生構建并運用可視化證據推理模型，有利于學生綜合運用所學知識中的觀念、思路和技能，系統化、結構化地自主分析實際情境，發現問題并解決問題，自主建構新知識體系^[5]。

注：本文系北京市教育學會“十四五”教育科研2022年度課題“基于‘雙減的化學大單元教學雙優研究”（編號：DC2022-029）、北京市海淀區教育科學“十四五”規劃群體課題“課前和課后學習評價設計與應用案例研究”（編號：HDQT202207-50）的研究成果。

參考文獻

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[2] 徐祝林.基于化學學科理解的“溶液”復習課：認識碳酸鈉的溶解性[J].化學教育（中英文），2023（5）：25-31.

[3] 王彥迪，黎秀梅，李志敏.利用數字化實驗，發展高中生證據推理素養：以乙醇傳感器探究乙酸乙酯水解為例[J].化學教與學，2022（24）：88-91.

[4] 周業虹，楊青.基于素養水平的化學證據推理素養培育[J].基礎教育課程，2022（22）：59-66.

[5] 韓建豐，高凌蕊.義務教育化學新課標解讀與探討[J].中學化學，2023（3）：1-3.

（作者韓建豐系北京市廣渠門中學教師；高凌蕊系首都師范大學第二附屬中學教師）

責任編輯：祝元志