跨學段推進學生證據(jù)推理和模型認知能力的教學方法探究

１ 研究前提

?義務教育化學課程標準（２０２２年版）?和?普通高中化學課程標準（２０１７年版２０２０年修訂）?指出，學科核心素養(yǎng)是學生必備的科學素養(yǎng)，是學生終身學習和發(fā)展的重要基礎．“證據(jù)推理與模型認知”，是化學學科核心素養(yǎng)的重要組成部分之一，即“具有證據(jù)意識，能基于證據(jù)對物質(zhì)組成、結構及其變化提出可能的假設，通過分析推理加以證實或證偽;建立觀點、結論和證據(jù)之間的邏輯關系;知道可以通過分析、推理等方法認識研究對象的本質(zhì)特征、構成要素及其相互關系，建立認知模型，并能運用模型解釋化學現(xiàn)象，揭示現(xiàn)象的本質(zhì)和規(guī)律”．

本項研究基于?普通高中化學課程標準（２０１７年版２０２０年修訂）?，以建構主義理論和人本主義學習理論為指導，用對比研究法，研究不同學段的教學內(nèi)容所涉及的現(xiàn)象和變化，研究如何運用模型對化學現(xiàn)象和變化進行分析、推理和解釋，幫助學生逐步建構物質(zhì)及其變化的信息模型，嘗試建立解決復雜化學問題的思維框架．通過推理與建模訓練進行學生整體性思維、跨度式思維與綜合型思維的培養(yǎng)，探索提高學生學科思維水平的方法，促進學生思維方式的轉(zhuǎn)變和思維能力的發(fā)展，以達到提升學生“證據(jù)推理與模型認知”能力的目的．

本項研究涵蓋初、高中全部學段，體現(xiàn)跨學段知識的階段性和連續(xù)性的統(tǒng)一，既指向各學段學科特有的內(nèi)容、觀念和方法，也指向各學段共通的學科概念、思想、方法和技能．研究采用了課堂觀察法、文獻資料法、經(jīng)驗總結法，通過對教學案例進行對比分析、歸納綜合，形成結論并使之系統(tǒng)化．通過典型課例的分析磨課，提煉出適合不同學段學生的教學方法．

２ 研究分析及課例論證

２.１ 九年級學段

１）學段特點：化學啟蒙和打基礎階段．提供給學生未來學習最基礎的化學知識和方法，調(diào)動學生的學習積極性，形成持續(xù)的學習興趣，培養(yǎng)運用化學知識和方法分析和解決簡單問題的能力，使學生從化學的角度逐步認識人與自然、環(huán)境的關系．

因此，推進九年級學生“證據(jù)推理與模型認知”能力發(fā)展，應盡量借助符號表征過程，引導學生“在解決化學問題中運用比較、分類、分析、綜合、歸納等科學方法，基于實驗事實進行證據(jù)推理、建構模型并推測物質(zhì)及其變化的思維能力”．同時，在教師指導下合作制訂實驗方案、完成證據(jù)分析并形成結論，積累知識經(jīng)驗，轉(zhuǎn)變思維方式，提升學習能力．

２）教學課例：以“霧霾”為素材，利用汽車尾氣凈化實驗，對學生進行“證據(jù)推理與模型認知”能力的培養(yǎng)．

先 通過汽車尾氣凈化實驗示意圖（如圖１），學生很容易得出一氧化碳和一氧化氮轉(zhuǎn)化為氮氣和二氧化碳這一結論．然而，該反應的微觀過程及所得氮氣和二氧化碳的體積比、質(zhì)量比對初中學生而言難度較大．如何利用“證據(jù)推理與模型認知”來解決所得氮氣和二氧化碳的體積比、質(zhì)量比呢？

根據(jù)圖１，教師帶領學生一起補充出圖２．在圖２所示的微觀示意圖中，可看到一氧化碳分子和一氧化氮分子分裂為碳原子、氮原子和氧原子，每兩個氮原子結合為１個氮分子，每１個碳原子與２個氧原子結合為１個二氧化碳分子．

讓學生用化學符號依次表示出反應后兩個框中的分子或原子，很容易寫出N２ 和２CO２，接著延伸講解：同溫同壓下氣體的體積與分子個數(shù)成正比，從而解決了V（N２）∶V （CO２）＝１∶２ 的問題．再讓學生求出這兩個框中氮氣和二氧化碳的質(zhì)量關系：２８∶２×４４，從而解決了m （N２）∶m （CO２）＝７∶２２的問題．

在教學中，教師充分利用微觀示意圖，讓學生分別用化學符號表示出圖２各框中的分子或原子，學生可寫出：（２CO、２NO），２C，２N，４O，N２，２CO２，更加深刻地體會“證據(jù)推理與模型認知”在解決初中化學問題中的重要作用，同時感受微觀探析的過程．

３）教學分析：九年級是學生化學學習的起始學段，學生對“宏觀辨識與微觀探析”的掌握仍存在一定難度．所以，對學生核心素養(yǎng)的培養(yǎng)應立足“宏觀辨識與微觀探析”來推進“證據(jù)推理與模型認知”．同時，在學生認知能力允許的情況下，順勢拓展延伸，為高中學習打好基礎．

２.２ 高一學段

１）學段特點：高一學段包含了幾乎所有化學理論知識的基礎部分，要求學生接觸大量元素化合物知識及有機物基本知識體系，研究素材極其豐富．高一學段的學生思維活躍，求知欲強，邏輯思維能力較強，抽象思維能力較弱，喜歡直觀感性知識的學習，對抽象內(nèi)容的學習則需要教師加以引導，學科素養(yǎng)、思維能力、學習能力和感性經(jīng)驗都較初中有了明顯的提高．

鑒于教材內(nèi)容和學生認知能力的發(fā)展狀況，筆者建議在高一年級嘗試拋錨式教學法，圍繞素材特點創(chuàng)設問題情境，啟發(fā)學生分析討論、設計論證、推理探究，最終通過歸納總結建立較為完整的知識模型，并收集匯總證據(jù)與結論之間的聯(lián)系，培養(yǎng)證據(jù)推理能力．

２）教學課例：以乙醇與氫溴酸發(fā)生取代反應為例．

教學分為以下４個環(huán)節(jié)：a）觀察乙烷和乙醇的結構式，分析異同;b）結構決定性質(zhì)，預測乙烷和乙醇在化學性質(zhì)上的異同，理論分析與數(shù)據(jù)支持有機結合，進行論證;c）實驗演示乙醇和氫溴酸的反應（所用試劑為乙醇、濃硫酸和溴化鈉）;d）通過觀察發(fā)現(xiàn)有油狀物（溴乙烷）生成，證明推理的合理性．

教師首先引導學生比較乙烷和乙醇在結構上的異同點，據(jù)此猜測乙烷和乙醇在化學性質(zhì)上的異同．類比烷烴取代反應，可推測乙醇的取代應斷裂C—H鍵或者C—O 鍵．繼而引出新問題：C—H 鍵與C—O鍵相比，哪個鍵更易斷裂？ 從而引出羥基的取代問題，完成研究的第一環(huán)節(jié)：收集證據(jù)，對物質(zhì)的性質(zhì)及其變化提出假設．基于學生的已有認知：共價鍵的鍵能越大，該共價鍵越不容易斷裂．提供給學生C—H 鍵與C—O 鍵的鍵能，順利解決第一個疑問：乙醇取代時斷裂的是C—O 鍵．基于科學數(shù)據(jù)，從預測階段過渡到下一階段，引出進一步研究．

進一步挖掘羥基取代對象的特點．在此前學習中，學生已經(jīng)掌握元素周期表中的相關規(guī)律．由于O 的非金屬性比C 強，故C—O 鍵中共用電子對更偏向于O，從而使O 顯負電性，C顯正電性．那么在斷裂C—O 鍵之后取代—OH 的原子或者原子團也應該顯負電性．進一步解決了第二個問題：取代—OH 的是負電性的原子或原子團，即溴原子．從而完成了第二個環(huán)節(jié)：基于證據(jù)進行分析推理，解釋證據(jù)與結論的關系．

整個過程涉及觀察法、實驗法、分類法、比較法，教學中教師作為學生研究的設計者和引領者，充分引導學生在研究乙醇取代反應過程中建立思維模型，幫助學生在知識的形成、聯(lián)系、應用過程中理解學科特征和本質(zhì)．

３）教學分析：與初中生相比，高一學生邏輯思維和抽象思維能力、符號表征能力、微觀探析能力均明顯增強，也掌握了一些基本的原理、規(guī)律，足以在教師引導下完成簡單推理．教師應合理利用素材進行訓練，強化其利用證據(jù)進行推理的能力，指導學生在證據(jù)推理過程中辨別真?zhèn)巍⒗迩逅悸贰⒔嬛R模型或問題分析模型．

２.３ 高二學段

１）學段特點：高二學段化學課程進入選修部分，更加注重前后知識的邏輯關聯(lián)，對學生的知識運用能力、分析歸納能力、探究推理能力、實驗設計與驗證能力、收集證據(jù)進行推理的能力均有更高要求．建議以習題為線索引導學生整合知識模型，通過習題或典例分析，深化概念內(nèi)涵和外延，厘清反應原理的研究對象、基本假設、理想模型、實際修正，逐步理順證據(jù)與結論之間的邏輯關系;通過課前復習組織學生合作整理思維導圖，對學生的歸納總結和模型建構能力進行訓練，提高其證據(jù)推理和知識的綜合運用能力．

２）教學課例：以“化學反應與能量”復習課為例．

任務１：章節(jié)知識思維導圖建構．在課堂上，教師展示了學生制作的精美的思維導圖，掀起一個小高潮，在賞析中厘清本章知識分布與相互關聯(lián)，在相互交流學習中增強學生信心，營造和諧的課堂氛圍．

任務２：章節(jié)建模．教師在學案中和學生推薦的習題中精選，從反應熱的概念和符號表征開始，到反應熱的計算方法，再到反應熱的表達方式（熱化學方程式的書寫），歸納反應熱的測定方法以及反應熱的應用形式（能源），沿著習題構成的知識主線進行分析、板書，在黑板上逐漸建構出本章的章節(jié)小結模型，與學生建構的思維導圖相比，教師板書模型更加突出知識之間的關聯(lián)和應用．

任務３：模型運用．利用練習，引導學生運用模型強化概念間的關聯(lián)和知識間的因果關系，提升學生運用知識和模型進行分析和推理的能力．

３）教學分析：相比初中和高一學生，高二學段學生知識和經(jīng)驗較為豐富，掌握了大量的基本概念和規(guī)律，并有一定的證據(jù)推理和模型認知能力，擁有建模經(jīng)驗以及利用模型解決問題的意識．教師要引導學生細化概念關系，逐步完成主要知識板塊的模型建構．

２.４ 高三學段

１）學段特點：高三總復習的任務之一是使中學化學知識系統(tǒng)化、結構化、網(wǎng)絡化．而能力的培養(yǎng)是化學總復習的另一個重要任務，包括觀察能力、思維能力、實驗能力和計算能力，其中思維能力是核心．要讓學生的思維能力得到提高，最重要的是讓學生的思維能真正展開，充分活動．鑒于高三學生的實際情況，建議以例題為核心引導學生進行“滾雪球式”模型建構，在整合知識的同時對證據(jù)推理過程進行細化，要注重知識的靈活運用能力和分析能力，在學生已有知識模型的基礎上進行拔高，使模型建構更加精細化、系統(tǒng)化，更加注重實用性和靈活運用能力．

２）教學課例：以微專題“混合物成分定量分析模型”教學為例．

第一階段：問題解決模型的整體框架建構．給出問題：測定碳酸鈉和碳酸氫鈉混合物中碳酸鈉的質(zhì)量分數(shù)．指明：一定會有的條件１為混合物質(zhì)量，將學生順利導向條件２的探究．經(jīng)過簡單的合作交流，學生順利指出較為熟悉的４種實驗思路：沉淀法、氣體體積法、氣體質(zhì)量法和熱重分析法．

第二階段：問題解決模型的操作性建構．引導學生對４種實驗思路進行精細化研究，在每種思路的具體落實過程中進行考點剖析、易錯點分析、實驗操作及答題要點細化、數(shù)據(jù)獲得與處理、誤差來源及方向判斷訓練．向?qū)W生展示難度較大、不常見到、不夠熟悉的實驗方法，如雙指示劑滴定分析法，通過對數(shù)字化實驗中獲得的數(shù)據(jù)進行分析對比，體會科學研究的精細，引導學生將追求應試能力轉(zhuǎn)化為提升問題解決能力，從而積極思考，主動進行思維訓練．

第三階段：模型應用范圍的拔高與拓寬．在課堂練習的選擇方面，教師跳出本節(jié)課的定量分析問題，選擇儀器連接和設計方案評價方面的問題，針對本節(jié)課實驗設計與實驗手段進行訓練，引導學生利用黑板上剛剛建好的模型進行思考分析，使學生對本節(jié)課的模型有新的認識，利用例題實現(xiàn)了“滾雪球式”的建構．

利用例題引導學生去體驗用已有知識進行模型建構的完整過程，體會建模對問題研究的指導和簡化，從而激發(fā)學生自主整合知識的積極性和主動性．在模型建構過程中，學生需要充分調(diào)動已有知識儲備，又要互補不足共同提高;從建模效果來看，解決問題時能夠幫助學生從整體上對設計思路進行把握，準確找到考點，熟悉問題模式，有利于增強學生自信心，同時也對學生證據(jù)推理與模型認知能力進行檢驗．

３）教學分析：高三學段微專題式的模型建構，更適合教師以例題為中心開展教學，學生以問題研究為目標進行訓練．在模型建構中，教師要引導學生貫通各學段，甚至不拘泥于中學教材知識體系，圍繞問題解決這一目標，調(diào)用相關知識和原理，進行論據(jù)查找并剖析真?zhèn)危瑥亩柟桃延兄R，提高解決問題的能力．

２.５ 分析綜述

１）“證據(jù)推理與模型認知”能力是學生化學學科思維能力的核心，對學生未來的可持續(xù)發(fā)展具有至關重要的作用．推進學生此項能力的提升，必然有科學方法和規(guī)律可循，與其他技能一樣，要找到行之有效的訓練方法．促進學生此項能力的發(fā)展是一個科學性、長期性和持續(xù)性的工作．各學段教師要打破壁壘，探索加強學段之間聯(lián)動貫通的教法，有利于教師轉(zhuǎn)變觀念，提高綜合素養(yǎng)，推進課程高質(zhì)量發(fā)展．

２）存在的問題．a(chǎn)）課堂教學研究不可忽視學情．本項研究跨越４個年級，涉及兩所學校，近２０００名學生．但學生總體學習程度較好，基礎比較扎實，每一個年級均有相當比例的績優(yōu)生引領，有較好的研討氛圍，研究成果是否能更廣泛地適用于其他學校和學生群體中，仍需檢驗．b）探究立足于推動學生思維能力的提高，但思維能力較難量化，因時間的關系雖然在考試測量方面做了一些嘗試，但仍需尋找更為科學的測量工具進行評價．

（完）