基于“證據推理”建構“物質的元素組成檢測”模型的教學探索

摘 要：“證據推理與模型認知”是化學實驗探究過程中不可或缺的高階思維品質，物質的元素組成檢測是初中化學實驗探究教學中發展“證據推理與模型認知”素養的典型主題單元。“乙醇的元素組成檢測”安排在蠟燭、水、甲烷等物質的元素組成檢測之后，以之為邏輯起點，進一步發展“證據推理與模型認知”素養值得進一步研究。在“乙醇的元素組成檢測”教學中，嘗試通過“燒杯倒扣收集法檢測乙醇中的C、H元素”“錐形瓶收集法檢測乙醇中的C、H元素”“手持技術數字化實驗法檢測乙醇中的C、H元素”“進一步檢測檢測乙醇中的O元素”等四個子任務探索基于“證據推理”建構“物質的元素組成檢測”模型的教學實施。該案例的設計及實施基于“證據推理”視角設計實驗方案，使結論推理更嚴謹;基于“證據嚴謹”視角改進實驗方案，使思維提升更深入;基于“可視化”視角改進實驗結果輸出，使結果呈現更科學。

關鍵詞：證據推理;模型建構;物質的元素組成檢測;實驗探究

1 問題的提出

《義務教育化學課程標準（2022年版）》對“科學思維”素養提出“在解決真實問題中基于實驗事實進行證據推理、建構模型并推測物質及其變化的思維能力”等要求[ 1 ]。但目前化學實驗探究教學中對“證據推理與模型認知”素養的培養存在如下誤區：一是重實驗結果，輕證據推理。實驗探究教學過程中以驗證性為主，過分重視實驗結論，而忽略實驗的過程探索。二是重模型應用，輕模型建構。實驗探究教學過程中過分重視模型的記憶和模型的應用，而對模型的建構過程往往蜻蜓點水，缺乏證據推理過程中的思維碰撞和模型建構過程中的思維外顯。

物質的元素組成檢測是初中化學實驗探究教學中發展“證據推理與模型認知”素養的典型主題單元。人教版九年級化學教科書中涉及檢測蠟燭、水、甲烷等物質的元素組成的實驗。這些經典實驗的共同特點是通過檢測燃燒法的產物（水的元素組成測定還可以根據水的分解反應），進而依據質量守恒定律推斷物質的元素組成。乙醇的化學式、化學性質及用途等的學習排在蠟燭、水、甲烷等物質的元素組成之后，部分教師在乙醇化學式的教學中往往采用直接給乙醇的化學式，進而記住乙醇元素組成的方法。這樣做看似教學效率很高，實則錯失反正“證據推理與模型認知”素養的良好時機。如何在學完蠟燭、水、甲烷等物質的元素組成檢測的基礎上，進一步在“乙醇的元素組成檢測”教學中發展學生的“證據推理與模型認知”素養值得研究。為達成上述素養發展目標，本節課擬在“乙醇的元素組成檢測”的項目教學中著力解決如下兩個關鍵性問題：一是如何從證據推理的角度建構元素組成檢測的實驗模型？二是如何利用定性和定量相結合的手段進行元素組成的檢測？

2 案例設計及實施

2.1 教學思想

人教版九年級化學教材對于乙醇的元素組成的介紹僅僅停留在給定其化學式（C2H5OH）的層面，但考慮到學生在蠟燭燃燒、水的組成測定、甲烷的組成測定中已初步形成檢測物質的元素組成的基本思路，若將該內容設計成乙醇的元素組成檢測的實驗探究，對于提升學生的“證據推理與模型認知”素養便是“水到渠成”之事。因此，本節課將在教師的點撥下，師生合作學習對測定蠟燭、水、甲烷等物質的元素組成的思路和方法進行梳理總結，融合證據推理環節，形成定性檢測物質元素組成的認知模型，進而將該認知模型進行遷移，應用于解決乙醇的元素組成檢測。

2.2 任務設計

資料顯示乙醇（C2H5OH）俗稱酒精，具有可燃性。某化學興趣小組對乙醇的元素組成進行探究[ 2 ]。

2.2.1 任務1：燒杯倒扣收集法檢測乙醇中的C、H元素

[提出問題] 如何檢測乙醇中含有C、H兩種元素？

[回顧舊知] 教師引導學生回顧初三上學期已經學過的測定物質組成的實驗。例如，蠟燭燃燒、水的組成測定、甲烷的組成測定。利用化學反應（燃燒法、分解反應等），檢測反應產物，依據質量守恒定律推斷物質的元素組成。

[建構模型] 師生合作對學過的三個測定物質元素組成的實驗進行梳理提煉，抽提出定性檢測物質元素組成的思維模型（圖1）。

設計意圖：從學生的最近發展區入手，對之前所學的測定物質組成的實驗探究進行梳理總結。通過典型個案的提煉分析，進而抽提建構出定性檢測物質元素的思維模型。

[模型應用] 依據圖1的思維模型，設計檢測乙醇中含有C、H兩種元素的實驗方案，并簡述其證據推理過程（表1）。

[進行實驗并搜集證據] 實驗1的現象與預期一致;實驗2的石灰水變渾濁不明顯。

[查閱資料]

（1）酒精燈所使用燃料為工業酒精，工業酒精含有水分;

（2）酒精燈的燈芯成分為纖維素（含C、H、O三種元素）;

（3）在1個標準大氣壓下，酒精的沸點為78.5℃。

[討論與交流]

（1）實驗1的推斷是否嚴謹？為什么？

（2）為什么實驗2中石灰水變渾濁不明顯？

[反思與評價]

（1）不嚴謹，“白霧”可能是工業酒精中的水（或是燈芯燃燒生成的水）氣化后冷凝成的小水滴。

（2）燒杯罩在火焰上方形成一個敞開體系，生成的CO2容易逸散到空氣中。

設計意圖：運用定性檢測物質元素的思維模型設計出“燒杯倒扣收集法”，檢測乙醇中含有C、H兩種元素的實驗方案并簡述證據推理過程，培養了學生的“證據推理與模型認知”素養。綜合對實驗環境（CO2易逸散）和實驗證據（水的來源存在多個干擾）兩方面的深度分析，教師組織學生對“燒杯倒扣收集法”進行“討論與交流”和“反思與評價”。初步建立“觀點-證據-結論”的邏輯關系，培養了學生思維的批判性、縝密性，為任務2的實驗改進（錐形瓶收集法）奠定基礎。

2.2.2 任務2：錐形瓶收集法檢測乙醇中的C、H元素

[提出問題] 如何改進燒杯倒扣收集法檢測乙醇中的C、H元素的實驗，保證實驗的嚴謹性和實驗現象更明顯？

[改進思路] 結合任務1中“燒杯倒扣收集法檢測乙醇中的C、H元素”實驗的“討論與交流”“反思與評價”，從存在問題及根源、改進方法、改進類型、改進目的等角度改進思路進行梳理歸納（見表2），為提出任務2的“錐形瓶收集法檢測乙醇中的C、H元素”實驗提供思維可視化。

[進行實驗并搜集證據] 按圖4的實驗裝置進行檢測乙醇中的C、H元素的實驗。

檢查裝置氣密性;將裝有乙醇的燃燒匙放在酒精燈火焰上點燃，伸人錐形瓶中，塞緊瓶塞;待火焰熄滅后，將澄清石灰水注人錐形瓶中，振蕩。實驗時觀察到錐形瓶壁上有小液滴生成。

[討論與交流]實驗時觀察到錐形瓶壁上有小液滴生成。根據該現象得出乙醇含有氫元素，該推斷是否嚴謹？為什么？

[反思與評價]

（1）不嚴謹，酒精的沸點低（78.5℃），燃燒時部分乙醇汽化后又液化，凝結在瓶壁上。故無法排除小液滴是燃燒產物水還是乙醇。

（2）定性測定無法有針對性地排除乙醇干擾。

設計意圖：通過對“燒杯倒扣收集法”存在的“證據-結論”不完全匹配的問題及根源分析，在思維碰撞過程中梳理歸納出改進目的、改進類型和改進方法，進而提出“錐形瓶收集法”。同時，從小液滴來源收反應物（乙醇也是液體）自身的干擾出發，通過“討論與交流”和“反思與評價”，培養學生思維的批判性、縝密性，為下一步的實驗改進（手持技術數字化實驗法）奠定基礎。

2.2.3 任務3：手持技術數字化實驗法檢測乙醇中的C、H元素

[提出問題] 如何改進上述實驗，保證實驗的嚴謹性？

[改進思路] 改“定性檢測”為“定量檢測”。利用手持技術數字化實驗，實時測定CO2濃度和相對濕度。

[進行實驗并搜集證據] 按圖5實驗裝置進行實驗。用二氧化碳傳感器和濕度傳感器檢測乙醇燃燒過程CO2濃度和相對濕度隨時間的變化并得到圖6、圖7的變化曲線。

[討論與交流] 結合圖6、圖7的曲線圖可以看出在燃燒過程中，CO2的濃度（1000 ppm→10000 ppm）和相對濕度（55%→83%）都在增加，該現象（證據）說明了乙醇燃燒生成了CO2和H2O，進而推理出乙醇組成中一定含C、H元素，可能含有O元素。

設計意圖：通過對“錐形瓶收集法”等定性檢測方法存在干擾因素出發，引導學生從定性檢測走向定量檢測，進而提出“手持技術數字化實驗法”。CO2、H2O的檢測由CO2濃度傳感器、相對濕度傳感器進行實時顯示，同時結合同步繪制出的CO2濃度、相對濕度隨時間的變化曲線的直觀表征，不僅讓證據推理的數據更加直觀、可重復，而且也讓證據收集能力由定性走向定量，由單一走向多元。

2.2.4 任務4：進一步檢測檢測乙醇中的O元素的設想

[提出問題] 乙醇組成中是否含有O元素，能否進一步檢測？

[設計方案] 為進一步測定乙醇是否含有氧元素。

興趣小組測定的主要過程：通過乙醇在密閉容器中燃燒，測定實驗前乙醇的質量及實驗后裝置中二氧化碳和水的質量，推算乙醇是否含有氧元素。

[討論與交流]

（1）簡述該實驗方案的測定原理。

（2）上述實驗方案是否嚴謹？為什么？

[反思與評價]

（2）不嚴謹。乙醇可能發生不完全燃燒生成CO或碳單質。實驗后僅測定裝置內CO2和H2O的質量，不能準確推測是否含有O元素。

[改進思路] 在上述實驗方案的基礎上增加測定實驗后裝置中一氧化碳的質量m（CO）和單質碳的質量m0（C）。

設計意圖：在乙醇中含有C、H元素檢測的實驗探究的基礎上，進一步引導學生從元素守恒的角度設計實驗方案，檢測乙醇中是否含有O元素并簡述其檢測原理，培養了學生的元素觀、變化觀等化學觀念和思維的批判性、縝密性。

3 案例啟發及反思

3.1 基于“證據推理”視角設計實驗方案，使結論推理更嚴謹

在實驗探究過程中如果僅僅按照教材中給定（或教師給予）的實驗步驟照方抓藥，學生做完實驗后往往“知其然不知所以然”。一則缺乏對“證據-觀點-結論”三者自洽性的嚴謹認識，導致結論推理不合理;二則缺乏對實驗思想方法的整體認識，導致系統思維不嚴謹。例如，在本節課乙醇組成中C、H元素檢測中，若是僅僅簡單套用甲烷中C、H元素測定采用燃燒燒法（即燒杯倒扣收集法）測定其元素組成，學生容易掉入“死記硬背結論”的陷阱。若能從證據推理的角度進行嚴謹的實驗探究方案設計及改進，進而建構物質的元素組成檢測的認知模型，無疑對學生嚴謹求實、質疑批判、探索創新的科學思維的形成起到重要作用。

3.2 基于“證據嚴謹”視角改進實驗方案，使思維提升更深入

“證據推理”過程中應注意證據的嚴謹性，排除證據中可能存在的干擾因素，確保“證據-觀點-結論”三者的一致性。在實驗探究過程中，只有排除干擾因素才能進行有效的證據推理。例如，在本節課乙醇組成中C、H元素的確定是通過乙醇燃燒生成的CO2和H2O作為事實證據，應用質量守恒定律中化學反應前后元素種類不變進行推理分析，獲得乙醇組成中含C、H元素。但是CO2和H2O的來源存在干擾因素。比如，H2O的來源可能來自乙醇燃燒生成的水、工業酒精中的水、燈芯燃燒生成的水等因素，后兩個來源為干擾因素[ 3 ]。只有排除這些干擾因素，才能保證證據推理的思維深度，從而培養學生思維的縝密性、批判性。

3.3 基于“可視化”視角改進實驗結果輸出，使結果呈現更科學

“證據推理”過程中除了保證證據的嚴謹性外，也要保證證據的直觀呈現（即“眼見為實”），如能以“可視化”形式呈現效果更佳。手持技術數字化實驗的引入，讓相關證據的呈現由定性走向定量，由靜態走向動態，同時輸出的數據可重復性強，為物質的檢測提供了新視角。例如，本節課中CO2、H2O的檢測由“燒杯倒扣收集法”到“錐形瓶收集法”，盡管實驗手段得到了改進和優化，但在結果呈現的科學性、“可視化”方面仍存在改進空間。手持技術數字化實驗法的使用，讓CO2、H2O的檢測由二氧化碳傳感器、濕度傳感器輸出的CO2濃度和相對濕度隨時間的變化曲線來直觀表征。不僅數據直觀可靠、操作可重復性強，而且促進學生的證據收集能力的進階發展（由宏觀證據到微觀證據，由定性證據到定量證據，由單一證據到多元證據）[ 4 ]。

參考文獻：

[1] 中華人民共和國教育部.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，2022：6.

[2] 劉國豪.乙醇中碳、氫元素的檢測探究實驗[J].化學教學，2020（8）：70-73.

[3] 王鋒.初中化學“證據推理”教學策略研究[J].中小學教學研究，2021，22（4）：3-8.

[4] 方彎彎，龔正元.關于化學學科證據推理能力及評價的思考[J].化學教學，2019（12）：15-20.