基于證據(jù)推理視角下的教學(xué)實(shí)踐與思考

摘 要：在分析證據(jù)推理內(nèi)涵和教學(xué)主題的基礎(chǔ)上，本文以“元素周期律”為例，設(shè)計(jì)了任務(wù)線、情境線、問(wèn)題線、活動(dòng)線和證據(jù)來(lái)源線“五線”融合的教學(xué)流程。教學(xué)實(shí)踐證明，在課堂上實(shí)施蘊(yùn)含真實(shí)情境、融入科學(xué)探究、激發(fā)高階思維的化學(xué)教學(xué)活動(dòng)，能夠有效培養(yǎng)學(xué)生的證據(jù)推理能力，發(fā)展學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：證據(jù)推理；元素周期律；科學(xué)探究；核心素養(yǎng)

文章編號(hào)：1008-0546（2024）11-0003-04

中圖分類號(hào)：G632.41

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

證據(jù)推理是化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)之一。學(xué)生在探究活動(dòng)中通過(guò)觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、查閱資料史實(shí)等方式找尋證據(jù)，并基于證據(jù)對(duì)物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)及其變化提出可能的假設(shè)，通過(guò)分析推理加以證實(shí)或證偽，從而建立觀點(diǎn)、結(jié)論和證據(jù)之間的邏輯關(guān)系。《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》（以下簡(jiǎn)稱《新課標(biāo)》）提出，重視開(kāi)展“素養(yǎng)為本”的教學(xué)，倡導(dǎo)真實(shí)問(wèn)題情境的創(chuàng)設(shè)，開(kāi)展以化學(xué)實(shí)驗(yàn)為主的多種探究活動(dòng)。［1］由此可見(jiàn)，在探究活動(dòng)中培養(yǎng)學(xué)生的證據(jù)推理能力十分重要。本文以2019年人教版高中化學(xué)必修第一冊(cè)第四章第二節(jié)“元素周期律”為例，通過(guò)課堂教學(xué)實(shí)踐，探索培養(yǎng)學(xué)生證據(jù)推理能力的途徑和策略。

一、教學(xué)主題分析

“元素周期律”是高中化學(xué)必修課程中概念原理類的內(nèi)容。《新課標(biāo)》中有關(guān)元素周期律的學(xué)業(yè)要求是：①能用原子結(jié)構(gòu)解釋元素性質(zhì)及其遞變規(guī)律，并能結(jié)合實(shí)驗(yàn)及事實(shí)進(jìn)行說(shuō)明。②能利用元素在元素周期表中的位置和原子結(jié)構(gòu)，分析、預(yù)測(cè)、比較元素及其化合物的性質(zhì)。元素周期律揭示了元素之間的內(nèi)在聯(lián)系，反映了元素在周期表中的位置、元素的原子結(jié)構(gòu)及元素性質(zhì)（“位—構(gòu)—性”）三者之間的關(guān)系。［2］在幫助學(xué)生加深對(duì)元素及其化合物的認(rèn)識(shí)，分析、預(yù)測(cè)未知元素及其化合物的性質(zhì)上，元素周期律起到了非常重要的作用。

二、教學(xué)目標(biāo)

本節(jié)課的教學(xué)目標(biāo)包含以下幾點(diǎn)。

（1）通過(guò)實(shí)驗(yàn)和信息獲取第三周期元素性質(zhì)遞變的證據(jù)，并基于證據(jù)推理初步形成結(jié)論。

（2）通過(guò)交流討論和自主學(xué)習(xí)，能從宏觀與微觀相結(jié)合的視角，描述和解釋元素性質(zhì)的遞變規(guī)律，建構(gòu)元素周期律。

（3）能應(yīng)用元素周期律，由元素的性質(zhì)推測(cè)其在周期表中的位置，建構(gòu)和應(yīng)用“位—構(gòu)—性”的思維模型。

三、教學(xué)流程

本節(jié)課以“管道疏通劑”為素材，通過(guò)設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)性的問(wèn)題串，開(kāi)展一系列學(xué)生探究活動(dòng)，引導(dǎo)學(xué)生從已有知識(shí)經(jīng)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、文獻(xiàn)數(shù)據(jù)、資料信息中獲取證據(jù)，并進(jìn)行推理。學(xué)生在這一過(guò)程中認(rèn)識(shí)、理解并應(yīng)用“元素周期律”。整個(gè)教學(xué)過(guò)程中，筆者將任務(wù)線、情境線、問(wèn)題線、活動(dòng)線和證據(jù)來(lái)源線“五線”融合，設(shè)計(jì)出本節(jié)課的教學(xué)流程（見(jiàn)圖1）。

四、教學(xué)過(guò)程

1. 環(huán)節(jié)一 創(chuàng)設(shè)情境，引發(fā)問(wèn)題

［教師］請(qǐng)同學(xué)們觀察模擬實(shí)驗(yàn)：疏通劑疏通下水管道。管道疏通劑的疏通原理是什么？

［學(xué)生］管道疏通劑反應(yīng)劇烈，有大量氣泡產(chǎn)生，說(shuō)明反應(yīng)產(chǎn)生了大量氣體。

［教師］這種管道疏通劑的主要成分是氫氧化鈉固體和鋁粉，請(qǐng)問(wèn)發(fā)生了什么反應(yīng)？生成物可能是什么？

［學(xué)生］鋁粉和氫氧化鈉溶液發(fā)生了反應(yīng)，根據(jù)元素守恒的知識(shí)，推測(cè)產(chǎn)生的氣體可能是H2。

［教師］金屬與酸會(huì)反應(yīng)產(chǎn)生H2，Al為什么會(huì)和堿反應(yīng)產(chǎn)生H2？

可以從結(jié)構(gòu)上思考，試著畫(huà)出Al的原子結(jié)構(gòu)示意圖，根據(jù)元素周期表找到Al的位置，能否解釋這個(gè)反應(yīng)的原理？

［學(xué)生］根據(jù)原子結(jié)構(gòu)能得出Al在周期表中的位置，它們存在對(duì)應(yīng)關(guān)系，但是孤立地研究Al原子的結(jié)構(gòu)，很難得出Al的性質(zhì)。

［設(shè)計(jì)意圖］通過(guò)創(chuàng)設(shè)真實(shí)的生活情境，根據(jù)模擬實(shí)驗(yàn)帶來(lái)的實(shí)驗(yàn)證據(jù)和教師提供的外部證據(jù)，學(xué)生可以得出Al會(huì)與NaOH反應(yīng)產(chǎn)生H2的猜測(cè)，進(jìn)而引發(fā)思考，金屬Al為什么會(huì)與堿反應(yīng)產(chǎn)生氫氣，調(diào)動(dòng)學(xué)生對(duì)原子結(jié)構(gòu)與元素周期表的認(rèn)識(shí)，從而找尋證據(jù)解決問(wèn)題。

2. 環(huán)節(jié)二 實(shí)驗(yàn)探究，證據(jù)推理

［教師］根據(jù)Al所在周期其他元素的性質(zhì)，思考能否得出Al和堿反應(yīng)的原因。

［學(xué)生］Al所在的第三周期還有金屬元素Na、Mg和非金屬元素Si、P、S、Cl，Al處于金屬與非金屬元素的交界處。

［教師］可以研究這一周期金屬和非金屬元素性質(zhì)的變化，進(jìn)而推導(dǎo)Al的性質(zhì)。請(qǐng)預(yù)測(cè)元素性質(zhì)是如何變化的？

［學(xué)生］金屬活潑性逐漸減弱，金屬的性質(zhì)減弱。

［教師］根據(jù)初中所學(xué)金屬活動(dòng)性知識(shí)得出金屬的活動(dòng)性是減弱的。元素的金屬性是元素的原子失電子的能力，越容易失電子，金屬性越強(qiáng)；非金屬性反映元素的原子得電子的能力，越容易得電子，非金屬性越強(qiáng)。

請(qǐng)大家根據(jù)元素金屬性強(qiáng)弱判斷的依據(jù)和提供的試劑，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，探究Na、Mg、Al元素的金屬性強(qiáng)弱。

［方案設(shè)計(jì)］學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)，并由小組互評(píng)和教師點(diǎn)評(píng)，具體內(nèi)容如表1所示。［3］

［學(xué)生實(shí)驗(yàn)1］在特制三格反應(yīng)器皿（見(jiàn)圖2）中，分別加入等量的蒸餾水，并滴入2～3滴酚酞溶液，用鑷子取出切好的Na，用濾液吸干表面的煤油，用砂紙除去Mg條、Al條表面的氧化膜，分別放入相應(yīng)的三格中，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象并記錄。

［學(xué)生］實(shí)驗(yàn)1中，Na與水反應(yīng)很劇烈，溶液顏色快速變紅，Mg條表面有輕微的顏色變化，Al條表面沒(méi)有任何現(xiàn)象。

［學(xué)生實(shí)驗(yàn)2］向放Mg條、Al條的兩格中加入等量的3mol·L－1鹽酸，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象并記錄。

［學(xué)生］實(shí)驗(yàn)2中，Mg在鹽酸中反應(yīng)比Al更劇烈，更容易置換出氫，金屬性更強(qiáng)。

［演示實(shí)驗(yàn)］向1mol·L－1 MgCl2溶液和1mol·L－1 AlCl3溶液中分別逐滴加入2mol·L－1NaOH溶液至過(guò)量。

［學(xué)生］Mg（OH）2不溶于NaOH溶液，Al（OH）3溶于NaOH溶液。

［教師］Al（OH）3既能溶于酸又能溶于堿，是兩性氫氧化物，說(shuō)明鋁雖是金屬，但也表現(xiàn)出一定的非金屬性。通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)證據(jù)可以得出Na、Mg、Al元素金屬性逐漸減弱。除了通過(guò)實(shí)驗(yàn)證據(jù)判斷外，還可以通過(guò)測(cè)定它們的電離常數(shù)判斷堿性的強(qiáng)弱，電離常數(shù)越大，堿性越強(qiáng)。第三周期元素Si、P、S、Cl的非金屬性強(qiáng)弱如何變化呢？請(qǐng)閱讀相關(guān)資料信息（見(jiàn)表2），從中找尋證據(jù)，得出結(jié)論。

［學(xué)生］根據(jù)信息可以得出，Si、P、S、Cl的非金屬性逐漸增強(qiáng)。

［教師］已經(jīng)得出上面的結(jié)論，現(xiàn)在請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案比較H3PO4與H2SiO3的酸性強(qiáng)弱。

［學(xué)生］利用強(qiáng)酸制弱酸原理，向Na2SiO3溶液中加入H3PO4 溶液，看是否有硅酸生成。

［演示實(shí)驗(yàn)］向試管中加入約2mL飽和Na2SiO3溶液，滴入2～3滴酚酞，再向試管中逐滴加入1mol·L－1 H3PO4溶液，觀察現(xiàn)象。

［學(xué)生］有白色沉淀生成，說(shuō)明有硅酸生成。

［教師］由此可以得出：第三周期元素從左往右，金屬性逐漸減弱，非金屬性逐漸增強(qiáng)。Al的位置介于金屬與非金屬交界處，可以解釋Al的兩性。

［設(shè)計(jì)意圖］元素性質(zhì)的遞變規(guī)律需要學(xué)生結(jié)合資料信息、實(shí)驗(yàn)探究、文獻(xiàn)數(shù)據(jù)等一系列證據(jù)來(lái)進(jìn)行推理和論證。在培養(yǎng)學(xué)生的證據(jù)推理能力上，實(shí)驗(yàn)探究是重要途徑。通過(guò)引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行猜想并設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，在完善方案的基礎(chǔ)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，再綜合各種文獻(xiàn)數(shù)據(jù)證據(jù)，推出合理結(jié)論，這就是實(shí)驗(yàn)探究中證據(jù)推理的一般路徑（見(jiàn)圖3）。

3. 環(huán)節(jié)三 分析結(jié)構(gòu)，探尋本質(zhì)

［教師］元素性質(zhì)的遞變規(guī)律由什么決定？

［學(xué)生］可能與原子的結(jié)構(gòu)有關(guān)。

［教師］根據(jù)教材中提供的1～18號(hào)元素的原子半徑和主要化合價(jià)的信息，思考并討論，隨著原子序數(shù)的遞增，元素的原子半徑與主要化合價(jià)呈現(xiàn)什么變化？

［學(xué)生］同一周期，從左往右，原子半徑逐漸變小，元素最高正化合價(jià)逐漸增大。

［教師］通過(guò)大量事實(shí)和分析可知，元素的金屬性、非金屬性、原子半徑和主要化合價(jià)，這些性質(zhì)隨著原子序數(shù)的遞增呈現(xiàn)周期性的變化，這一規(guī)律叫做元素周期律。這樣一個(gè)規(guī)律是由什么引起的？

［學(xué)生］比較1～18號(hào)元素原子的核外電子排布，發(fā)現(xiàn)同一周期各元素的原子核外電子層數(shù)相同。但從左往右，隨著核電荷數(shù)增多，最外層電子數(shù)增多，原子半徑變小，導(dǎo)致失電子能力逐漸減弱，得電子能力逐漸增強(qiáng)，所以金屬性逐漸減弱，非金屬性逐漸增強(qiáng)，它們之間存在一定因果關(guān)系。

［教師］元素性質(zhì)的遞變規(guī)律與結(jié)構(gòu)有關(guān)。同一橫行，每個(gè)周期是這樣的變化規(guī)律，如果是縱行，不同周期呢？從上往下，元素的金屬性和非金屬性如何變化？

［學(xué)生］從上往下，元素的原子半徑逐漸增大，失電子能力逐漸增強(qiáng)，得電子能力逐漸減弱，所以金屬性逐漸增強(qiáng)，非金屬性逐漸減弱。

［教師］思考?jí)A金屬元素的性質(zhì)變化，已經(jīng)知道鈉與水反應(yīng)很劇烈，請(qǐng)預(yù)測(cè)鉀和銣與水反應(yīng)的情況。

［學(xué)生］可能反應(yīng)更加劇烈。

［教師］根據(jù)元素在周期表中的位置和已經(jīng)知道的元素性質(zhì)進(jìn)行推斷，不難發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)可以決定性質(zhì)，也可以決定位置，根據(jù)位置可以預(yù)測(cè)元素“位—構(gòu)—性”的關(guān)系（見(jiàn)圖4）。

［設(shè)計(jì)意圖］基于數(shù)據(jù)分析、數(shù)形結(jié)合的方法引導(dǎo)學(xué)生尋找規(guī)律，在處理數(shù)據(jù)、提取加工信息的基礎(chǔ)上進(jìn)行嚴(yán)密的推理，得出結(jié)論。將宏觀上元素性質(zhì)的遞變性與微觀原子結(jié)構(gòu)建立聯(lián)系，不僅培養(yǎng)了學(xué)生的證據(jù)推理能力，也體現(xiàn)了宏觀辨識(shí)與微觀探析的核心素養(yǎng)。建立元素“位—構(gòu)—性”之間的關(guān)系，為元素周期律的應(yīng)用埋下伏筆，也構(gòu)建了元素周期律的認(rèn)知模型。

4. 環(huán)節(jié)四 實(shí)踐應(yīng)用，體悟價(jià)值

［教師］疏通劑中的Al既能體現(xiàn)一定的金屬性又能體現(xiàn)一定的非金屬性，從結(jié)構(gòu)看，Al最外層有3個(gè)電子，得失電子都不那么容易，那么Si能否與NaOH溶液反應(yīng)？

［學(xué)生］不能，Si最外層有4個(gè)電子，得失電子的難易程度相差不大，與堿不反應(yīng)。

［教師］提供資料，

在野外的環(huán)境里，為了迅速得到氫氣，可以用硅粉與干燥的Ca（OH）2和NaOH混合，并加強(qiáng)熱，即可迅速得到氫氣。根據(jù)Si在元素周期表中的位置，推測(cè)其還可能具有什么性質(zhì)？元素在金屬與非金屬交界處有什么用途？請(qǐng)查閱相關(guān)資料回答。

［學(xué)生］可以尋找半導(dǎo)體材料，計(jì)算機(jī)芯片、太陽(yáng)能電池等的原料都是硅。還可以尋找其他的元素使半導(dǎo)體材料得到新的發(fā)展，如利用砷化鎵電池制造無(wú)人機(jī)。還可以合成新的元素，如1934年居里夫婦用α粒子轟擊鋁核獲得磷核，利用這一思想，科學(xué)家陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了周期表中的第七周期一直到118號(hào)元素。

［設(shè)計(jì)意圖］通過(guò)管道疏通劑中鋁的性質(zhì)推測(cè)相鄰元素硅可能具有的性質(zhì)，可以使學(xué)生感受元素周期律的應(yīng)用價(jià)值，預(yù)測(cè)未知元素性質(zhì)的過(guò)程培養(yǎng)了學(xué)生證據(jù)推理的素養(yǎng)。在激發(fā)學(xué)生關(guān)注科學(xué)前沿技術(shù)的基礎(chǔ)上，也促使學(xué)生感受化學(xué)在生活、生產(chǎn)、科技等領(lǐng)域的巨大貢獻(xiàn)，提升學(xué)生的科學(xué)態(tài)度與社會(huì)責(zé)任。

五、教學(xué)反思

1. 基于真實(shí)情境的化學(xué)教學(xué)促進(jìn)證據(jù)推理能力養(yǎng)成

從科學(xué)探究的一般過(guò)程來(lái)看，無(wú)論是學(xué)生的學(xué)習(xí)還是科學(xué)家的探究，都是從真實(shí)的情境中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題［4］，再對(duì)問(wèn)題進(jìn)行搜尋、識(shí)別、提取、理解、轉(zhuǎn)換［5］，梳理出可靠的、有價(jià)值的且有明確指向的信息即“證據(jù)”。［6］

本節(jié)課利用豐富的情境素材建立了龐大的“證據(jù)庫(kù)”，為后續(xù)的推理提供了依據(jù)。同時(shí)，在不斷尋找、分析、表達(dá)證據(jù)的過(guò)程中，促進(jìn)了學(xué)生證據(jù)推理能力的養(yǎng)成。

2. 基于科學(xué)探究的化學(xué)教學(xué)助力證據(jù)推理能力提升

科學(xué)探究的過(guò)程就是學(xué)生獲取化學(xué)知識(shí)、解決化學(xué)問(wèn)題的過(guò)程，是培養(yǎng)學(xué)生證據(jù)推理能力的重要途徑。［7］本節(jié)課探究第三周期元素金屬性強(qiáng)弱變化規(guī)律時(shí)，有效地展現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)探究中證據(jù)推理的重要性。

實(shí)驗(yàn)探究中，學(xué)生可以通過(guò)改進(jìn)裝置、優(yōu)化實(shí)驗(yàn)方案、獲得技術(shù)支持、優(yōu)化實(shí)驗(yàn)條件和控制藥品種類、用量、滴加順序等手段提高實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、數(shù)據(jù)、圖像等證據(jù)的可靠性，有助于證據(jù)推理能力的提升。

3. 基于高階思維的化學(xué)教學(xué)推動(dòng)證據(jù)推理能力發(fā)展

高階思維是指在解決問(wèn)題、思考和決策過(guò)程中運(yùn)用的更加復(fù)雜和深入的思維方式。基于證據(jù)推理的化學(xué)教學(xué)，除了引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用一些低階思維（如記憶、理解、歸納等），更需要有分析、評(píng)價(jià)、批判、創(chuàng)造等高階思維的發(fā)生。［8］在學(xué)生設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方案存在問(wèn)題，無(wú)法提供可靠證據(jù)進(jìn)行推理論證時(shí)，教師應(yīng)帶領(lǐng)學(xué)生一同優(yōu)化改進(jìn)。在這一過(guò)程中，教師盡可能地讓學(xué)生自己去描述，同時(shí)通過(guò)不斷追問(wèn)去彌補(bǔ)學(xué)生思維的漏洞。這樣的教學(xué)方式既能不斷拓寬學(xué)生的認(rèn)知角度，又能拓展學(xué)生的認(rèn)知深度，從而推動(dòng)學(xué)生證據(jù)推理能力的進(jìn)一步發(fā)展。

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*基金項(xiàng)目：本文系江蘇省教育科學(xué)“十四五”規(guī)劃2021年度重點(diǎn)課題“證據(jù)推理：中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)探究教學(xué)的區(qū)域推進(jìn)研究”（B/2021/02/22）、無(wú)錫市教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃重點(diǎn)課題“基于證據(jù)推理與模型認(rèn)知的對(duì)話教學(xué)實(shí)踐研究”（B/E/2020/05）的研究成果。