基于“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”在《乙醇》教學(xué)中的應(yīng)用探究

林振浩

隨著素質(zhì)教育的不斷推進(jìn)實(shí)施，培養(yǎng)學(xué)生解決問(wèn)題能力、創(chuàng)新意識(shí)乃至創(chuàng)造性思維受到越來(lái)越多的重視。培養(yǎng)學(xué)生分析、解決化學(xué)問(wèn)題的能力，培養(yǎng)學(xué)生與化學(xué)相關(guān)的創(chuàng)造性思維能力，不僅強(qiáng)調(diào)學(xué)生要善于尋找證據(jù)，分析推理、歸納綜合，而且應(yīng)能夠以理想化的形式重現(xiàn)物質(zhì)及其變化中的各種復(fù)雜的結(jié)構(gòu)、功能及聯(lián)系，建立起簡(jiǎn)約化、通用性的化學(xué)模型。只有如此學(xué)生才能夠更好地利用事實(shí)證據(jù)、利用化學(xué)模型去創(chuàng)造性的解決實(shí)際問(wèn)題和化學(xué)理論問(wèn)題。這正是學(xué)生具備創(chuàng)造性解決問(wèn)題能力、創(chuàng)造性思維能力的表現(xiàn)，也是學(xué)生建構(gòu)起從化學(xué)的視角認(rèn)識(shí)事物和解決問(wèn)題的思想、方法、觀點(diǎn)的必備要求。因此，立足于學(xué)生能力發(fā)展和素質(zhì)培養(yǎng)的要求，化學(xué)教學(xué)中需要培養(yǎng)與發(fā)展學(xué)生“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”相關(guān)素養(yǎng)。

化學(xué)是在原子、分子水平上研究物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、變化及其應(yīng)用的一門基礎(chǔ)學(xué)科，其特征是從微觀層次認(rèn)識(shí)物質(zhì)，以符號(hào)形式描述物質(zhì)，在不同層面創(chuàng)造物質(zhì)?；瘜W(xué)不僅與經(jīng)濟(jì)發(fā)展、社會(huì)文明的關(guān)系密切，也是材料科學(xué)、生命科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、能源科學(xué)和信息科學(xué)等現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的重要基礎(chǔ)。

高中化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)是學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)的重要組成部分，是高中生綜合素質(zhì)的具體體現(xiàn)，反映了社會(huì)主義核心價(jià)值觀下化學(xué)學(xué)科育人的基本要求，全面展現(xiàn)了通過(guò)化學(xué)課程學(xué)習(xí)對(duì)學(xué)生未來(lái)發(fā)展的重要價(jià)值?；瘜W(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)包括“宏觀辨識(shí)與微觀探析”“變化觀念與平衡思想”“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)”“科學(xué)態(tài)度與社會(huì)責(zé)任”五個(gè)方面。

隨著“新課改”的推進(jìn)，化學(xué)學(xué)科已經(jīng)成為高中的選修學(xué)科，因此在教學(xué)中，教師應(yīng)注重化學(xué)教學(xué)的選擇性，以提升學(xué)生化學(xué)綜合能力，強(qiáng)化學(xué)生對(duì)化學(xué)的學(xué)習(xí)興趣。核心素養(yǎng)作為高中化學(xué)中的重要組成部分，是高中學(xué)生日后發(fā)展的延伸。在高中化學(xué)學(xué)習(xí)中，由于化學(xué)知識(shí)點(diǎn)較多，且知識(shí)點(diǎn)之間連接較少，無(wú)法探尋知識(shí)點(diǎn)之間的規(guī)律。因此，學(xué)生對(duì)于化學(xué)沒有學(xué)習(xí)興趣，覺得化學(xué)知識(shí)枯燥乏味，因此教師可以采用證據(jù)推理與模型認(rèn)知的教學(xué)方法提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的證據(jù)推理與模型認(rèn)知，是通過(guò)在頭腦中通過(guò)證據(jù)推理、建立模型，將化學(xué)學(xué)科的抽象知識(shí)變得具體化?；瘜W(xué)研究通常表現(xiàn)為不可見，常在分子水平上進(jìn)行，導(dǎo)致教授高中化學(xué)知識(shí)時(shí)十分抽象。因此，教師可以利用證據(jù)推理與模型認(rèn)知提高學(xué)生的化學(xué)綜合能力，使學(xué)生可以通過(guò)模型認(rèn)知將所學(xué)知識(shí)具體化，進(jìn)而促進(jìn)學(xué)生通過(guò)證據(jù)推理與模型認(rèn)知建立對(duì)化學(xué)學(xué)科的興趣，并以此來(lái)進(jìn)行化學(xué)學(xué)科的有效探索。

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》對(duì)“理論推理與模型認(rèn)知”素養(yǎng)提出如下的界定：具有論據(jù)意識(shí)，能基于證據(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;建立觀點(diǎn)、結(jié)論和證據(jù)之間的邏輯關(guān)系;可以通過(guò)分析、推理等方法認(rèn)識(shí)研究對(duì)象的本質(zhì)特征、構(gòu)成要素及其相互關(guān)系，建立認(rèn)知模型，并能運(yùn)用模型解釋化學(xué)現(xiàn)象，揭示現(xiàn)象的本質(zhì)和規(guī)律。

化學(xué)學(xué)科的本質(zhì)力量來(lái)自于學(xué)科價(jià)值，即化學(xué)學(xué)科所具有的促進(jìn)學(xué)生主體生存和發(fā)展的屬性力。具體分析，學(xué)生學(xué)習(xí)不同的科目培養(yǎng)的思維、意義不同，學(xué)生通過(guò)初高中以及大學(xué)階段化學(xué)知識(shí)的學(xué)習(xí)，逐漸形成一種從化學(xué)視角看待問(wèn)題、 分析問(wèn)題、處理問(wèn)題的能力?；瘜W(xué)視角強(qiáng)調(diào)一切要以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，講究真憑實(shí)據(jù)，這種屬性能力是對(duì)已學(xué)過(guò)的化學(xué)知識(shí)的再升華，這種屬性能力也正是化學(xué)核心素養(yǎng)所要培養(yǎng)的。作為化學(xué)核心素養(yǎng)中的一個(gè)維度，“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”目標(biāo)是指通過(guò)化學(xué)實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)培養(yǎng)學(xué)生收集信息、整理信息、分析信息的能力，既要學(xué)生樹立獨(dú)立分析問(wèn)題的意識(shí)，又要培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作精神，尤其是引導(dǎo)學(xué)生基于證據(jù)的推理、判斷和探究建構(gòu)模型，提高學(xué)生的科學(xué)探究能力具有重要作用。

化學(xué)作為建立在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上的自然科學(xué)，十分重視實(shí)證研究。化學(xué)科學(xué)強(qiáng)調(diào)基于觀察與實(shí)驗(yàn)開展研究，并在獲取事實(shí)證據(jù)基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)分析比較，歸納概括、演繹推理等認(rèn)知加工活動(dòng)，揭示化學(xué)規(guī)律、建構(gòu)化學(xué)理論。同時(shí)運(yùn)用所建立的化學(xué)規(guī)律與理論去分析，解決更多的化學(xué)問(wèn)題，從而檢驗(yàn)化學(xué)規(guī)律與理論的科學(xué)性;發(fā)展與完善化學(xué)科學(xué)體系，凸現(xiàn)化學(xué)科學(xué)的價(jià)值。

隨著素質(zhì)教育的不斷推薦推進(jìn)實(shí)施，培養(yǎng)學(xué)生解決問(wèn)題的能力、創(chuàng)新意識(shí)乃至創(chuàng)造性思維已經(jīng)引起各方面的重視。培養(yǎng)學(xué)生分析、解決化學(xué)問(wèn)題的能力，培養(yǎng)學(xué)生與化學(xué)相關(guān)的創(chuàng)造性思維能力，不僅強(qiáng)調(diào)學(xué)生要善于尋找證據(jù)，分析推理、歸納綜合，而且應(yīng)能夠以理想化的形式重現(xiàn)物質(zhì)及其變化中的各種復(fù)雜的結(jié)構(gòu)、功能及聯(lián)系，建立起簡(jiǎn)約化、通用性的化學(xué)模型。只有如此，學(xué)生才能夠更好地利用事實(shí)證據(jù)、利用化學(xué)模型去創(chuàng)造性地解決實(shí)際問(wèn)題和化學(xué)理論問(wèn)題，這正是學(xué)生具備創(chuàng)造性解決問(wèn)題能力、創(chuàng)造性思維能力的表現(xiàn)，也是學(xué)生建構(gòu)起從化學(xué)的視角認(rèn)識(shí) 事物和解決問(wèn)題的思想、方法、觀點(diǎn)的必備要求。因此，立足于學(xué)生能力發(fā)展、素質(zhì)培養(yǎng)的要求，化學(xué)教學(xué)中需要培養(yǎng)與發(fā)展學(xué)生“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”相關(guān)素養(yǎng)。

以《乙醇》的教學(xué)為例，論述在實(shí)際教學(xué)活動(dòng)中，如何指導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用證據(jù)推理和模型認(rèn)知的方法學(xué)習(xí)。

1. 史話點(diǎn)題，探究成分

【情境導(dǎo)入】古人常以詩(shī)會(huì)友，以酒會(huì)友，酒究竟有什么樣的魅力呢？

我們通過(guò)今天的學(xué)習(xí)一起來(lái)了解一下。 觀察下我手中的這瓶酒的顏色、狀態(tài)是什么樣的呢？

【學(xué)生歸納】乙醇是無(wú)色的液體

【講述用途】通過(guò)觀察實(shí)物我們知道乙醇的顏色、狀態(tài)，那么生活中的乙醇究竟有什么用途呢？含酒精的飲料中含有濃度不等的乙醇。 75% （體積分?jǐn)?shù)）的乙醇溶液常用于醫(yī)療消毒。

【提出問(wèn)題】在化學(xué)中結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)，性質(zhì)又決定用途。既然乙醇有如此多的用途，我們今天就來(lái)研究下乙醇的結(jié)構(gòu)。在初中階段，我們學(xué)過(guò)幾種簡(jiǎn)單的有機(jī)物知道乙醇的分子式是 C2H6O，那么乙醇究竟具有怎么樣的結(jié)構(gòu)呢？

2. 結(jié)構(gòu)猜想、證明推理

【學(xué)生猜想】對(duì)乙醇的結(jié)構(gòu)進(jìn)行推斷，得出結(jié)構(gòu)式

CH3CH2OH或CH3OCH3。此時(shí)教師可以使用球棍模型拼出兩種同分異構(gòu)體，隨后讓學(xué)生在頭腦中具有兩種同分異構(gòu)體模型。

【師生評(píng)價(jià)】所寫的結(jié)構(gòu)符合乙醇的分子式中原子守恒規(guī)律，且符合 C 原子的四價(jià)成鍵原則。

【問(wèn)題討論】現(xiàn)在猜想中乙醇有兩種結(jié)構(gòu)，要得出乙醇真正的結(jié)構(gòu)，就要用實(shí)驗(yàn)來(lái)證實(shí)，你能想到哪些實(shí)驗(yàn)方案？

【方案確定】最簡(jiǎn)單的方法，就是用乙醇和鈉反應(yīng)，驗(yàn)證乙醇能否被置換出H2，進(jìn)而判斷兩種結(jié)構(gòu)中原子的斷鍵方式。

【實(shí)驗(yàn)探究】觀察鈉的保存方法，并向1-2毫升無(wú)水乙醇中投入一小粒金屬鈉，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

【實(shí)驗(yàn)證據(jù)】氫氣的來(lái)源可能是 O-H 鍵斷裂也可能是 C-H 鍵斷裂，但是由于鈉保存在煤油中，煤油是多種烷烴的混合物，實(shí)驗(yàn)表明這些烷烴分子中與碳原子相連的氫不能被金屬鈉置換。因此鈉不能使 C-H 鍵斷裂，放出氫氣。但是在必修一《鈉及其化合物》的研究中，鈉是可以與水反應(yīng)放出氫氣的，因此氫氣的來(lái)源只能是 O-H 鍵斷裂。

【學(xué)生匯報(bào) 1】對(duì)于該實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的無(wú)色氣體，我們進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，從其外觀上看，沒有顏色，用手輕輕煽動(dòng)聞其氣味，并沒有刺鼻性感覺，因而只能采用其他檢驗(yàn)方法比如燃燒法進(jìn)行驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)該氣體在空氣中燃燒發(fā)出同前面學(xué)習(xí)過(guò)的甲烷燃燒相類似的淡藍(lán)色火焰，那么，該種氣體能否是甲烷呢？再對(duì)燃燒后的生成物進(jìn)行驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)該生成物并不能使澄清石灰水變渾濁，說(shuō)明該無(wú)色氣體并非甲烷。

【學(xué)生匯報(bào) 2】通過(guò)前面的學(xué)習(xí)，我們知道鈉是一種非?；顫姷慕饘?，與水或酸甚至是鹽溶液都能發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。以鈉與水反應(yīng)為例，鈉與水反應(yīng)放出氫氣，水中的 H-O 鍵斷裂，也就是說(shuō)鈉與一種溶液反應(yīng)產(chǎn)生氫氣的原因是 H-O 鍵斷裂，那么乙醇也可以與鈉反應(yīng)生成氫氣，根據(jù)知識(shí)類比法可知也應(yīng)該是 O-H 鍵斷裂。在上述兩種結(jié)構(gòu)中，第一種結(jié)構(gòu)中含有 6 個(gè) C-H 鍵，第二種結(jié)構(gòu)中除了 C-H 鍵外還含有 O-H 鍵，因此得出乙醇的結(jié)構(gòu)式是第二種。

【得出結(jié)論】乙醇的分子式中具有羥基（—OH），屬于醇類物質(zhì)。

金屬鈉與乙醇的反應(yīng)可以用化學(xué)方程式表示為

2CH3CH2OH+2Na→ 2CH3CH2ONa+H2↑

3. 結(jié)構(gòu)分析，性質(zhì)猜想

【證據(jù)推理】從分子式組成上看乙醇與乙烷分子就差一個(gè)氧原子，但是乙烷分子中卻沒有官能團(tuán)，乙醇分子比乙烷分子多出的的氧原子與氫原子形成羥基，因此乙醇具有羥基的性質(zhì)。

【性質(zhì)研究】乙醇屬于醇類物質(zhì)，可以用作燃料，在空氣中點(diǎn)燃能放出大量的熱。

【問(wèn)題思考】由于乙醇能燃燒，說(shuō)明乙醇具有還原性，能否通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)證明這一點(diǎn)呢？

【實(shí)驗(yàn)探究】“乙醇的催化氧化”實(shí)驗(yàn)。

【問(wèn)題思考】（1）能否將兩步化學(xué)反應(yīng)用一個(gè)化學(xué)方程式表示？

（2） Cu 在整個(gè)反應(yīng)中起什么作用？

（3） 反應(yīng)中乙醇斷裂了哪些鍵？

【實(shí)驗(yàn)結(jié)論】在該實(shí)驗(yàn)中，乙醇與氧氣發(fā)生氧化反應(yīng)，生成的物質(zhì)再與氧氣發(fā)生

氧化反應(yīng)，因此連續(xù)發(fā)生兩步氧化反應(yīng)，反應(yīng)方程式如下：

2CH3CH2OH+O2→ 2CH3CHO+2H2O，

觀察實(shí)驗(yàn)可知，銅在反應(yīng)前后并沒有發(fā)生變化，因此銅是做催化劑的。

在當(dāng)前的高中化學(xué)教學(xué)中，為了使學(xué)能可以更好地發(fā)揮運(yùn)用天賦，應(yīng)合理使用證據(jù)推理與模型認(rèn)知培養(yǎng)學(xué)生化學(xué)核心素養(yǎng)。在高中的化學(xué)學(xué)習(xí)過(guò)程中，多數(shù)情況都可以利用創(chuàng)新性理念構(gòu)建證據(jù)推理與模型認(rèn)知理念，使學(xué)生最終樹立模型構(gòu)建意識(shí)，具備建立模型的能力，因此合理引導(dǎo)學(xué)生利用證據(jù)推理與模型認(rèn)知思維構(gòu)建解決化學(xué)問(wèn)題十分重要。

證據(jù)推理與模型認(rèn)知是緊密相關(guān)的兩個(gè)方面。證據(jù)推理要求根據(jù)觀察和實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)活動(dòng)獲取有關(guān)物質(zhì)及其運(yùn)動(dòng)變化的事實(shí)依據(jù)，并通過(guò)嚴(yán)密的推理跟邏輯論證，從而得出科學(xué)結(jié)論。模型認(rèn)知是對(duì)所研究的問(wèn)題，基于已有的認(rèn)識(shí)與經(jīng)驗(yàn)，提出假設(shè)，在此基礎(chǔ)上獲取物質(zhì)以及運(yùn)動(dòng)變化的事實(shí)及其結(jié)果。通過(guò)抽象和模型思維，提出反映物質(zhì)及其變化的本質(zhì)與規(guī)律的簡(jiǎn)約化模型，并經(jīng)過(guò)進(jìn)一步驗(yàn)證與完善以形成科學(xué)化學(xué)模型。因此模型的建構(gòu)離不開證據(jù)推理，證據(jù)推理是建構(gòu)模型的前提，兩者往往統(tǒng)一于化學(xué)問(wèn)題的研究之中。