基于證據(jù)推理與模型認知的“同課異構”分析

劉春花　汪秋英　劉曉玲

摘要：以“質量守恒定律”同課異構為例，闡述了證據(jù)推理與模型認知在化學教學中的相互關系。分別從情境導入與實驗探究相結合、教學手段與環(huán)節(jié)設置的契合以及知識永恒性和探索持續(xù)性之體驗的方面，對學生的證據(jù)推理與模型認知做分析。

關鍵詞：同課異構;證據(jù)推理與模型認知;情境教學;認知沖突

文章編號：1008-0546（2019）01-0016-03 中圖分類號：G632.41 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2019.01.004

“同課異構”是由不同教師就同一課題和基本相同的教學內(nèi)容，根據(jù)對教學目標和教學內(nèi)容的理解并結合學生實際情況，設計教學和組織教學的一種教研活動形式 [1]。這也是各教師理解和交流化學核心素養(yǎng)、提升自身教學能力的實踐活動。在這個過程中，教師們可以思考授課者在教學中所設置的教學環(huán)節(jié)，做課后評價與建議，并以此反觀自己，從他人的經(jīng)驗中反思以獲成長。

那么教師作為課堂教學的設計者和引導者，不僅是體現(xiàn)在能夠制作促進學生發(fā)展的教學設計上，還體現(xiàn)在落實化學核心素養(yǎng)的有效課堂教學實踐中。近年來，在中學化學教育研究中關于化學核心素養(yǎng)之證據(jù)推理與模型認知的研討和實踐已經(jīng)成為了一個熱點。其中陳進前? [2]認為要從事實遷移到證據(jù)推理與模型認識的素養(yǎng)形成，探究物質及其變化常常需要借助于模型，要依據(jù)物質及其變化與模型之間的內(nèi)在聯(lián)系，幫助學生建立解決化學問題的基本框架。意在說明科學結論不僅僅要事實的可靠，還要合乎邏輯。因此，在化學教學方面，教師要從真實的事實出發(fā)，創(chuàng)設真實的情境，在科學探究的過程中引導學生進行證據(jù)推理，通過物質及其變化與模型之間的內(nèi)在聯(lián)系，幫助學生完成建模，完善學生的認知結構。此外，學生的頭腦不是一個等待被填滿的容器，而是一支需要被點燃的火把，周云華 [3]認為教學的藝術不在于傳授知識，而是要通過恰當?shù)姆椒ㄅ浜线m當?shù)慕虒W環(huán)節(jié)激勵、引發(fā)和誘導學生。

質量守恒定律是初中化學第一個出現(xiàn)且十分重要的化學規(guī)律，是分析物質在化學反應中的質量關系的理論依據(jù)，它的應用貫穿于整個中學化學。本課的教學在初中化學教學中有重要價值，將引領學生對化學反應的認識，實現(xiàn)從“質”到“量”的過渡，也為之后化學方程式的書寫和計算的教學構建了理論鋪墊。不少教師特別致力于對這節(jié)教學內(nèi)容的二次開發(fā)與創(chuàng)新，現(xiàn)基于兩位一線教師以此課為例貫徹“實施證據(jù)推理與模型認知”教學思想的同課異構進行分析。

一、情境導入與實驗探究相結合

教師A借助史實情境——波義耳加熱汞和氧氣生成氧化汞的敞口實驗，即他經(jīng)反應前后物質質量總和的對比，得出化學反應后物質質量之和有所增加的結論，以此開篇讓學生體驗科學家探索知識的過程。隨后利用此與另一科學家洛蒙諾索夫在密閉條件下所做相同實驗后發(fā)現(xiàn)該反應前后物質質量總和不變的結論，進行對比，進一步教學。兩位科學家實驗結果的鮮明對比引起了學生的思考，為后續(xù)學生自行探索時產(chǎn)生猜想和假設奠定基礎。

教師B則從生活情境的問題出發(fā)，以“一盤蚊香，與它燃燒后的灰燼相比，質量大小如何？”帶領學生進入學習質量守恒定律的課堂，并且指引學生學習本節(jié)課要從以往定性討論過渡到定量研究。不僅如此，該教師還利用現(xiàn)代多媒體技術手段克服了鐵與硫酸銅溶液反應過慢而難以在課堂中呈現(xiàn)給學生的問題。教師課前一天在實驗室中錄制稱量鐵與硫酸銅溶液反應前物質質量總和的過程，而后使其反應，時隔一日在課堂上演示稱量反應后物質質量總和的實驗。將這兩個演示實驗整合，教師指出該反應前物質的質量總和與反應后物質的質量總和是相等的，讓學生對質量守恒定律的概念有了一個初步的“原型”。

張華 [3]論“素養(yǎng)的形成和發(fā)展”與“情境”的關系時，認為素養(yǎng)的形成和發(fā)展依賴、超越于情境。盡管兩位教師的引課方式不同，但是在運用情境來啟發(fā)學生思考和幫助學生產(chǎn)生猜想和建模上有異曲同工之妙。通過不同情境的創(chuàng)設，在學生認知里種下“化學反應前后物質質量總和可能是相等的”的種子。至于這個猜想是否正確，接下來用實驗來驗證。

教師A設置的第一個實驗探究是分別在敞口容器和密閉容器中進行鹽酸與碳酸鈉反應，再對比這兩個系統(tǒng)反應前后的物質質量關系，最后用圖示和符號引導學生進行實驗分析（如表1）。

學生通過分析僅僅只認識到實驗后敞口稱量和密閉稱量所得結果會不同。此時教師再引用第三位科學家拉瓦錫的驗證，即45g氧化汞加熱生成3.3g氧氣和41.7g汞的實驗，從“定性”到“定量”去揭示質量守恒定律，完善學生的認知。這時教師加之以讓學生分析鎂條燃燒反應前后物質質量總和的變化，以及設置若干個問題思考訓練，使得學生對質量守恒定律的理解更為深刻。學生在進行鎂條燃燒實驗時，是以教師之前的演示實驗為模型，使之與自身所進行的實驗相匹配，從而檢驗猜想，解決問題，得出結論。

教師B本節(jié)課共安排了四個實驗探究，其中第一個實驗是用于引課的鐵與硫酸銅溶液反應，幫助學生實現(xiàn)定性到定量的思維過渡;其次是讓學生分組合作從鎂條燃燒和鹽酸與碳酸鈉反應這兩個探究中選擇其一進行操作實驗;最后由教師演示白磷燃燒實驗鞏固新知。整個教學的實驗設置首先給予了學生思考的方向，為學生對知識的建構打下基礎，而后讓學生在做中學，對知識有了進一步的認識和理解，最后能夠根據(jù)教師的演示實驗自行分析，提高學生對事物的解釋力。

實驗探究的過程是學生從產(chǎn)生猜想至形成解釋的證據(jù)推理過程，也是學生從對質量守恒定律概念的未知到逐漸完善建構模型的認知過程。

二、教學手段與環(huán)節(jié)設置的契合

皮亞杰的認知發(fā)展理論認為：當學習者面對新異刺激時，會不自覺地意識到認知差距的存在，此時在心理上會有一種不平衡感。據(jù)此觀點，那么個體處于這種認知的不平衡狀態(tài)時，會采取兩種方式以獲得認知上重新的暫時的平衡，即同化和順應。在這個過程中，學習者以原有的知識經(jīng)驗為工具對新知識進行加工，使其納入自身的認知結構;另一方面，在學習者的原有知識的基礎上還可以生長出新的知識點，使原有的認知結構得以豐富和發(fā)展。因此，學習并不只是簡單的知識量上的增加，同時它還包括學習者認知結構質上的轉變，即原有知識與新知識的沖突引發(fā)認知上的觀念重組轉變，甚至是對錯誤認知的顛覆。

而認知沖突是指原有的知識系統(tǒng)與新知識、新情境無法包容的現(xiàn)象 [4]。在教學過程中，設置引發(fā)認知沖突的教學環(huán)節(jié)是教師常用的有效手段之一。教師要善于在教學中引發(fā)學生的認知沖突，引起學生的有意注意，激發(fā)學生的認知內(nèi)驅力，碰撞出易學與好學的火光，促進學生積極、高效地對知識進行建構，實現(xiàn)精準且高效的教學。

在本節(jié)課中，兩位教師都注重創(chuàng)設令學生產(chǎn)生認知沖突的教學環(huán)節(jié)，如教師A就巧妙地利用波義耳和洛蒙諾索夫實驗的對比。起始學生跟隨波義耳的腳步認識到化學反應前后物質質量總和是會改變的，在了解洛蒙諾索夫的實驗后便打破了原有的認知，不得不思考其中結果不同的原因何在。科學家們進行科學探索尋求途徑獲得真知向來是有成功有失敗的，成功失敗與否需要在歷史的長河中通過實踐來檢驗，在其中的發(fā)展過程里，難免會出現(xiàn)謬論。倘若將此呈現(xiàn)給學生，學生不免會思考，著名科學家的觀點怎么會出錯？那么正確的觀點又是如何的呢？認知沖突由此產(chǎn)生。這個配合引發(fā)認知沖突教學手段的環(huán)節(jié)設置，是在證據(jù)推理過程中產(chǎn)生猜想的萌芽階段，為后期學生自行驗證猜想、收集證據(jù)奠定思想基礎。

再比如教師B在演示鐵與硫酸銅溶液反應實驗后讓學生動手操作鎂條燃燒實驗和碳酸鈉與鹽酸反應實驗。剛開始學生未考慮到實驗中氣體逸散會導致反應前后物質質量總和不相等，而后在實驗過程中發(fā)現(xiàn)了“有違”質量守恒定律的新問題，這與現(xiàn)有的觀念不一致，使他們產(chǎn)生新的疑問，導致學生再經(jīng)由證據(jù)推理的一般過程去收集證據(jù)獲得結論，嘗試分析此問題的原因，重新組合認知。

認知沖突的產(chǎn)生讓學生處于原有認知與新認知失衡的狀態(tài)，他們就會下意識地通過順應來將原模型認知轉化為新模型認知。若有新的認知沖突出現(xiàn)時，則再次重復這個過程。此外，可能還會出現(xiàn)錯誤或忽略的建模，這就需要教師正當適時的引導。

三、知識永恒性和探索持續(xù)性之體驗

研究表明，情感教學原則的實施對化學教學具有全面有效的促進作用? [5]。

教師A以各階段的科學史實為線索，帶領學生走進知識探索的殿堂，讓學生體會科學家們的思考過程，體驗知識不斷更新和完善的發(fā)展過程。最后以愛因斯坦的名言：“科學是永無止境的，它是一個永恒之秘?！眮斫Y課，使學生從中領悟科學是永無止境的、知識并不是問題的最終答案。教師B演示白磷燃燒實驗時有部分煙塵逸散而導致實驗失敗，但該教師借機觸發(fā)學生對科學實驗的情感體驗，學生的回答也反映了他們意識到科學探索是有成功有失敗的，在保持對科學實驗嚴謹態(tài)度的同時也要勇敢前進、持續(xù)探索。學生在這個情感教學環(huán)節(jié)后表示在證據(jù)推理的過程中有了自我效能感，對質量守恒定律的概念模型有了更為深刻的構建，知識、過程與情感所碰撞出的火花顯得更為絢麗多彩。

作為化學核心素養(yǎng)中的“證據(jù)推理與模型認知”，其內(nèi)涵豐富而深刻，并且在化學實際教學中具有著十分重要的作用。第一，激發(fā)學生的主觀能動性。推理的實踐過程和認知的不斷更新，配上教師適度的教學設計和課堂引導，此推理的體驗會讓學生愈戰(zhàn)愈勇，從樂學到好學。第二，提高學生對問題的解釋力。合理的實驗探究加之科學的學習方法，在具體問題里進行具體分析，能夠讓學生根據(jù)物質的變化和發(fā)展做出模型建構以及運用模型對實際問題進行解釋。第三，培養(yǎng)學生科學探索精神。科學結論的順利推理和認知結構的持續(xù)刷新需要學習者堅持探索和實踐，在這個尋求真知的過程中則能夠培養(yǎng)學生堅持不懈的毅力。

證據(jù)推理與模型認知存在于同一個系統(tǒng)并保持彼此的獨立性，且學生對事物進行證據(jù)推理或模型構建時，都是經(jīng)歷一個否定之否定的過程。在教學過程中，證據(jù)推理與模型認知總是相互滲透、相互影響的。因此，教師需要在證據(jù)推理中完善學生的模型認知，在學生的模型認知中促進證據(jù)推理的過程。教師可以通過設置情境、探究活動和情感教學等策略幫助學生樹立獨立解釋物質的意識，提高學生依據(jù)物質變化的內(nèi)在規(guī)律做出模型假設與模型構建能力，幫助學生建立解決化學問題基本框架。

參考文獻

[1] 馬春生，龔國祥.校際“同課異構”課的觀察比較視角[J].化學教育，2010，31（7）：21-24

[2] 陳進前.核心素養(yǎng)導向下的化學教學[J].中學化學教學參考，2017（Z1）：1-4

[3] 周云華.基于認知沖突的歷史教學策略[J].中小學教師培訓，2018（2）：56-60

[4] 張華.論核心素養(yǎng)的內(nèi)涵[J].全球教育展望，2016，45（4）：10-24

[5] Huang T H，Liu Y C，Shiu C Y.Construction of an online learning system for decimal numbers through the use of cognitive conflict strategy[J]. Computers&Education，2008，50（1）：61-76

[6] 向敏芬.情感教學與中學化學教育[J].化學教學，1996（6）： 3-7