基于科學推理與論證的初中化學教學實踐

徐立堂 張賢金 鄭婷婷

摘要： 以人教版“酸和堿的中和反應”為例，從“依據已有事實，初步論證酸與堿的反應→利用建構模型，論證鹽酸與氫氧化鈉的反應→辨識微粒變化，推理酸與堿的反應”三個環節具體闡述如何引導學生從素材收集、實驗事實、宏觀微觀等視角對酸堿中和反應進行推理論證。圍繞酸和堿之間能否發生反應進行分析，發展學生的學科思維，通過氫氧化鈉與稀鹽酸反應的個例論證，推理酸和堿之間發生反應的普遍規律，幫助學生建構化學觀念，培育學生的核心素養。

關鍵詞： 初中化學； 科學論證； 證據推理； 模型建構； 教學案例

文章編號： 1005-6629（2024）02-0053-05

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

推理是以已有經驗或已知素材為前提，通過大腦對信息的提取、加工處理、轉化為對未知的判斷或決策的一種思維［1］。科學推理的前身是皮亞杰提出的形式推理，當兒童認知發展到一定程度時才具有的思維，是有依據、有規則、高層次的推理，屬于高階思維范疇，較多的研究中將科學推理簡稱為推理［2］。論證是像科學家們一樣基于已有知識、事實證據通過邏輯思考與不同觀點或證據進行辯論反駁最終得到結論的過程［3］。《義務教育化學課程標準（2022年版）》強調要培養學生的科學思維，培養學生的證據推理能力是培養學生科學思維的重要內容［4］。本文以人教版九年級《化學（下冊）》“酸和堿的中和反應”（第一課時）為例，具體闡述科學推理與論證在教學過程中的滲透與培育。

1 教學主題內容與教學現狀分析

本課例選自人教版九年級《化學（下冊）》第十單元課題2“酸和堿的中和反應”（第一課時）新授課內容，本課以探究酸和堿的反應為重點內容，要求學生能從物質類別角度完善酸類、堿類物質的性質，能從微觀角度解釋酸與堿反應的實質，能對生產生活中酸堿中和反應的應用進行解釋。難點在于學生對酸堿反應的實驗方案設計原理理解不清，缺乏證據收集與推理過程意識［5］。

通過查閱該課例相關文獻，發現目前設計較好的課例主要有：（1）從調整課堂結構視角設計，先呈現酸和堿的微觀粒子構成，再分析酸堿反應的微粒變化，通過問題鏈啟發學生認識酸堿發生中和反應［6］。（2）從科學探究視角設計，對比多種酸與堿之間的反應，利用固體草酸與固體氫氧化鈉反應生成水，或借助遇水變色硅膠驗證水的生成，證明酸與堿之間發生了中和反應［7］。（3）從手持技術視角設計利用傳感器測定酸與堿反應溶液中pH、溫度、電導率的變化，證明酸與堿之間發生了中和反應等［8］。目前還鮮有從科學推理與論證的視角對該主題內容進行教學設計的報道，筆者認為從該視角出發進行設計，有助于酸堿中和反應知識生活化、判斷化學反應方法化、證據推理過程精細化，有利于培養和發展學生的科學思維。

2 教學思路

借鑒已有的科學推理與論證相關課例，創設酸堿中和反應的科學推理與論證課堂，和以往的教學課堂相比更注重學生證據的收集與思辨推理過程。教學設計思路為：提出問題→提供事實證據→思辨推理→實驗論證→得出結論；整個教學過程包含三個主要環節：依據已有事實，初步論證酸與堿的反應；利用建構模型，論證HCl與NaOH的反應；辨識微粒變化，推理酸與堿的反應。教學過程中，基于原有知識、事實證據和實驗證據的基礎上進行推理與論證，通過思辨推理達到實驗方案或思路方法的優化，進一步利用實驗論證得到相關結論，促進學生的科學思維在科學推理與思辨論證過程中得到發展。

3 教學目標

（1） 根據已有知識體系和實驗事實進行推理論證，建構無明顯現象實驗的驗證模型，形成反應物消耗或生成物生成的視角判斷化學反應的思路與方法。

（2） 設計實驗方案驗證稀鹽酸與氫氧化鈉的反應，通過各組收集的信息展開討論、辯析與反駁，對設計方案進行可行性論證，選取最優方案來驗證反應的發生，在推理論證中形成思維碰撞，發展科學思維。

（3） 通過傳感器技術測定氫氧化鈉與稀鹽酸的反應過程，進一步推理論證反應的實質，得出酸與堿發生中和反應，形成從單一物質到一類物質的研究思路。

（4） 認識生活中某些酸性物質和堿性物質的用途，體會中和反應在生活中的廣泛應用，形成合理利用資源的意識。

4 教學流程

教學流程見表1。

5 教學實錄

5.1 依據已有事實，初步論證酸與堿的反應

本環節主要引導學生根據事先收集到的生活實例對酸與堿能否反應進行論證。

［教師］請同學們結合所學知識和生活經驗論證酸和堿之間能否發生反應。

［學生提供事實1］我認為酸類物質和堿類物質能反應，胃酸過多時我們會吃些含有堿性物質的藥物，如胃舒平，其主要成分為Al（OH）3，可以緩解我們胃酸過多，所以酸與堿之間能夠發生反應。

［學生提供事實2］我們山上的土大部分都是黃色的酸性土壤，每次我家在播種植物之前，都會購買一些熟石灰粉撒在酸性的土壤里，減小土壤酸度，使植物生長得更好，所以酸與堿之間能夠發生反應。

［學生提供事實3］我認為應該是部分的酸和堿之間能發生反應，有一些就不能反應，如氫氧化鈉和稀鹽酸加在一起無反應現象，說明有的酸和堿之間是不會反應的。

［學生反駁思辨］沒有明顯現象并不代表不會反應，我們之前所學的二氧化碳和水的反應就是沒有明顯的現象。可以在實驗室里將酸和堿加在一起看看是否能夠發生反應來進行驗證。

［分組實驗］將稀鹽酸或稀硫酸分別加入裝有氫氧化銅（固體）、氫氧化鋇溶液、氫氧化鈉溶液的試管中，觀察現象。

［實驗證據］把稀鹽酸或稀硫酸滴入氫氧化銅中觀察到固體溶解了，兩者能發生反應；把稀硫酸滴入氫氧化鋇溶液中觀察到白色沉淀，說明二者能發生反應；稀鹽酸分別加入氫氧化鈉溶液和氫氧化鋇溶液均觀察不到明顯現象，不知道二者是否能發生反應。

［教師］以氫氧化鈉溶液和稀鹽酸混合為例，如何判斷二者之間是否發生反應？結合之前學過的知識如何建構判斷化學反應的思維模型？

［學生模型建構］判斷是否發生化學反應：若反應有沉淀生成、氣體產生或顏色變化等明顯現象可以通過直接觀察來進行判斷，若無明顯現象可以從驗證反應物的消耗或生成物的生成角度來進行判斷。之前在證明二氧化碳能否與水反應是借用紫色石蕊來判斷是否有新物質生成，因此可以借助一些物質使反應出現明顯現象，來判斷反應物是否消耗或生成物是否生成。建構判斷化學反應的思維模型如圖1所示。

［模型遷移］結合模型要驗證氫氧化鈉和稀鹽酸是否發生反應，可以驗證反應物稀鹽酸和氫氧化鈉有沒有被消耗或者有沒有新的物質生成。

5.2 利用建構模型，論證HCl與NaOH的反應

［模型應用一］從反應物消耗角度設計實驗方案，驗證稀鹽酸和氫氧化鈉能否發生反應。

［學生方案1］可以借助紫色石蕊溶液來判斷稀鹽酸和氫氧化鈉之間是否能夠發生反應，先往試管中加入稀鹽酸，滴加幾滴紫色石蕊溶液，再加入氫氧化鈉溶液，如果能反應則可以觀察到溶液先變紅色后變紫色。

［學生反駁思辨］方案1中紅、紫、藍三者間的顏色變化不是很好判斷，并且根據色彩疊加原理，紅色和藍色疊加所呈現出的顏色為紫色，那溶液變為紫色是疊加的結果還是二者確實發生反應了呢？

［學生方案2］可以借助酚酞溶液，先往試管中加入稀鹽酸，滴加幾滴酚酞，再加入氫氧化鈉溶液，如果溶液由無色變為紅色就能說明二者之間發生反應了。

［學生反駁思辨］酚酞遇堿變紅，無色疊加紅色所呈現的顏色也是紅色的，溶液由無色變紅色可能是顏色疊加結果。可以先往試管中加入氫氧化鈉溶液，滴加幾滴酚酞，再加入稀鹽酸溶液，如果溶液由紅色變為無色則說明二者發生了反應。

［學生分組實驗驗證］先往試管中加入氫氧化鈉溶液，滴加幾滴酚酞，再逐滴加入稀鹽酸溶液，觀察實驗現象與預設相同，證明氫氧化鈉溶液與稀鹽酸發生了化學反應。

［模型應用二］剛才從反應物消耗的角度，驗證了稀鹽酸與氫氧化鈉溶液發生了反應，那能否從生成物生成的角度來驗證二者之間發生了反應呢？提供相關資料卡，如圖2所示，請同學們設計實驗方案進行論證。

［學生方案1］將氯化氫氣體通入到氫氧化鈉固體中，如果產生小水珠則說明，二者反應生成了水。

［學生思辨推理1］氯化氫氣體有毒，暴露在空氣中的氫氧化鈉易潮解，且易與空氣中二氧化碳發生反應，操作不易。我認為證明生成NaCl的更方便操作，可以直接在反應后的溶液中加入硝酸銀溶液，若能產生白色沉淀，說明生成物中含有氯化鈉。

［學生思辨推理2］我認為上述方法不妥，如果HCl與NaOH不發生反應，或反應后溶液中稀鹽酸過量，溶液中均存在Cl-，加入硝酸銀溶液也能生成白色沉淀。

［學生思辨推理3］NaCl溶液蒸發可以得到氯化鈉晶體，我設想的是將HCl與NaOH反應后的溶液倒入蒸發皿中進行蒸發，如果得到氯化鈉晶體，那么就證明HCl與NaOH發生反應，生成新物質氯化鈉。

［學生思辨推理4］上述做法雖有一定道理，但是直接蒸發得到的晶體就一定是氯化鈉晶體嗎？也有可能是反應物過量的晶體。濃鹽酸具有揮發性，若是稀鹽酸過量則不影響，但如果是氫氧化鈉過量，在蒸發過程就會出現氫氧化鈉晶體，進而影響實驗結果。我認為應該先測定氫氧化鈉是否過量的問題。

［學生思辨推理5］不需要將反應后的全部液體進行蒸發，可以取少量液體蒸發，能否少到幾滴的量，這樣蒸發快且節約資源。

［最終方案］先取適量HCl與NaOH反應后的溶液，利用酚酞溶液檢測溶液中沒有氫氧化鈉存在的情況下，再用玻璃棒蘸取HCl與NaOH反應后的溶液，放在酒精燈火焰上加熱，若出現白色晶體則說明HCl與NaOH發生反應生成了氯化鈉［9］。

學生分組實驗觀察到玻璃棒上確實出現了白色晶體，確認HCl與NaOH發生了反應。

5.3 辨識微粒變化，推理酸與堿的反應

［教師］我們剛才已經從宏觀角度證明了HCl與NaOH之間能夠發生反應，能否從微觀角度來分析HCl與NaOH在反應前后溶液中微觀粒子有什么變化呢？

［學生提供事實］從微觀上分析，鹽酸在溶液中會電離出H+與Cl-，NaOH在溶液中會電離出Na+和OH-，反應后溶液中生成NaCl和H2O，NaCl在溶液中會電離出Na+和Cl-，水主要以水分子的形式存在。

［學生思辨推理1］反應前后Na+和Cl-沒有發生變化，變化的微觀粒子有H+和OH-，所以我推測反應過程應該是H+和OH-發生反應生成H2O。

［學生思辨推理2］溶液中本來就存在水，如何能夠證明體系中的H+和OH-生成了水？

［學生思辨推理3］有沒有儀器能夠測定溶液中氫離子濃度和氫氧根離子濃度發生變化，如果能測定出這兩種離子濃度發生了變化，則說明H+和OH-發生了反應。

［教師］介紹測定溶液氫離子濃度的儀器pH傳感器，介紹pH表示的意義，提供傳感器測定溶液中離子的變化過程。

［學生實驗］學生操作利用pH傳感器測定氫氧化鈉與稀鹽酸反應前后溶液中pH變化過程如圖3所示。得出結論：往氫氧化鈉溶液中加入稀鹽酸溶液pH不斷減小，OH-濃度不斷減小；往稀鹽酸溶液中加入氫氧化鈉溶液pH不斷增大，H+濃度不斷減小。說明H+和OH-發生了反應。

［教師］從實驗中同學們是否能夠得知酸和堿之間能發生反應呢？

［學生論證推理］酸類物質都含有H+，堿類物質都含有OH-，當H+遇到OH-時二者可以發生反應生成水，說明酸和堿之間能夠發生反應。

［教師］前面分組實驗中，幾個無明顯現象的實驗：稀硫酸與氫氧化鈉、稀鹽酸與氫氧化鋇，它們之間能否發生反應？若能請寫出相應的化學方程式。

［學生］酸和堿之間能發生反應，其化學方程式為H2SO4+2NaOHNa2SO4+2H2O， 2HCl+Ba（OH）2BaCl2+2H2O。

［教師］觀察這幾個化學方程式有什么共同點？

［學生］都是酸和堿發生反應生成水和另一種物質，反應實質均是氫離子和氫氧根離子作用生成水。

［教師］另一種物質是由什么類別的離子構成的？

［學生］金屬離子和酸根離子。

［歸納］金屬離子和酸根離子構成的物質，我們把它稱為鹽類物質。像這種酸和堿作用生成鹽和水的反應，我們把它稱為中和反應。中和反應在生活中有廣泛的應用，下面各組將今天所學的知識對課前收集到的生活例子進行分析解釋。

［小組1］我們平時被蚊子叮咬起包是由于蚊子會分泌出蟻酸，六神花露水是堿性的，可以進行涂抹緩解痛癢，早年人們是用濃氨水等一些弱堿性的藥品涂抹。

［小組2］胃酸過多時我們會吃一些含有堿性物質的藥物，如胃舒平，其主要成分為Al（OH）3，是因為Al（OH）3+3HClAlCl3+3H2O，可以中和過多胃酸。

［小組3］用熟石灰中和硫酸廠排出的污水，是因為Ca（OH）2+H2SO4CaSO4+2H2O。

［小組4］家里衛生間使用的潔廁液其主要成分是酸，能除去堿性的廁所污垢，這里也用到了中和反應原理。

［教師］通過今天的學習同學們有哪些收獲呢？

［學生歸納］我們不僅了解了酸和堿能夠發生中和反應，而且還學會了如何驗證無明顯反應現象的實驗，以及從個別物質性質推導出一類物質性質的方法。中和反應在生活中的應用讓我們體會到化學既來源于生活又能服務于生活。

6 教學體會和反思

本節課以學生課前收集證據資料為論證基礎，以設計稀鹽酸和氫氧化鈉反應為載體，對各組方案進行論證并不斷優化方案，再通過實驗收集相關信息進一步論證得出酸和堿之間發生反應的事實和結論。基于學生課前準備情況、課堂反饋信息和課后調查訪問，獲得如下教學體會和反思。

6.1 多方位多角度收集證據進行思辨

為使學生在課堂上能對問題充分發表意見，預先安排學生收集生活中常見的一些酸性物質和堿性物質的產品知識，并大致了解它們的用途。課中，大部分學生通過所查閱的資料已知道酸和堿之間是能發生反應的，為了推動學生思維的發展，在課前同時也要求學生注意收集酸與堿不能反應的“證據”。如本課中，有學生將“氫氧化鈉和稀鹽酸反應沒有現象”作為酸和堿不能反應的“證據”，于是將此作為推動學生論證的基點在課堂進行深入探討。當然，教師需要課前對學生收集的例子、本課疑難點進行梳理，課上適時進行發問引導、推動論證進度，防止學生在論證的過程中出現泛、大、淺，回歸不到課堂主題的狀況。

6.2 建構模型使思辨推理過程顯性化

通過驗證反應物氫氧化鈉的消耗、生成物氯化鈉的生成，證明氫氧化鈉與稀鹽酸發生了反應，幫助學生初步構建判斷化學反應的思維模型，并將學生的思辨推理過程以思維模型形式直觀呈現。結合手持技術測定酸堿反應的pH變化過程，引導學生收集證據，從微觀角度推理證明酸與堿能發生反應這一規律，利用微觀粒子變化模型使推理過程顯性化。整個教學過程注重學生證據收集、證據推理的思辨行為，關注學生思維變化過程，實現證據推理過程顯性化。

6.3 關注不同層次學生的推理與論證

在課堂的實施過程中最突出的一個問題是發表觀點和反駁論證的往往集中于較活躍的學生，部分學生無法參與到課堂的討論中。為此，筆者采用先小組討論，后派代表發言的方法，實行小組積分制。在討論過程中請小組內發言最少的學生先發表觀點，組內其他成員再進行補充。適當使用反問技巧、特例技巧或實驗驗證技巧，鼓勵每個學生都敢于發表自己的觀點，或對別人的觀點敢于質疑。

總之，從推理論證的角度設計酸和堿的中和反應教學，一定程度上激發了學生的科學思維，論證的過程使學生思維不斷顯性化，培養他們在交流的過程中，勇于發表自己觀點，敢于反駁別人觀點和善于接受別人正確觀點的學習態度和思維品質。

參考文獻：

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［4］中華人民共和國教育部制定. 義務教育化學課程標準（2022年版）［S］. 北京： 北京師范大學出版社， 2022： 5～8.

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［8］李豪杰. 以深度的科學探究促進初中生高階思維能力發展——以“酸和堿的中和反應”為例［J］. 化學教育（中英文）， 2022， （11）： 60～67.