初中化學教學中“證據(jù)推理”素養(yǎng)的培育

楊林全

關鍵詞：初中化學;核心素養(yǎng);證據(jù)推理;酸和堿的中和反應

1問題的提出

自“中國學生發(fā)展核心素養(yǎng)”總體框架以及新修訂的普通高中各科課程標準頒布以來，如何在學科教學中培育學生核心素養(yǎng)的問題受到一線教師的廣泛關注。學科核心素養(yǎng)是不同學科培育人的指引，是課程目標，也是評價依據(jù)。其中推理思維受到理科課程的高度重視，高中化學學科還將“證據(jù)推理與模型認知”列為五項核心素養(yǎng)之一?！盎谧C據(jù)的推理”是科學發(fā)生和發(fā)展的基礎，能幫助處于啟蒙階段的初中學生開啟“化學之門”，這個核心素養(yǎng)應處于優(yōu)先發(fā)展的地位。本文擬以人教版九年級化學下冊第十單元課題2“酸和堿的中和反應”為例，探討初中化學教學中“證據(jù)推理”素養(yǎng)培育的相關問題。

2教學主題與現(xiàn)狀分析

證據(jù)推理又稱登姆普斯特謝弗推理方法，是指從不同的數(shù)據(jù)源中獲取信息，用科學方法綜合證據(jù)，得出結論。證據(jù)推理包含兩個環(huán)節(jié)：尋找有用的事實和縝密的邏輯推理方法。趙銘等認為，核心素養(yǎng)中的證據(jù)推理應立足于科學探究過程，并建立在一般推理能力的基礎上，遵循科學推理的思維形式，強調“證據(jù)”的識別、轉換和表達。因此，證據(jù)推理是在科學學習這個特定的領域情境下，獲取證據(jù)進行推理的認知活動。楊玉琴等認為，應從問題情境及已有知識經(jīng)驗中識別、轉換或推演，形成主張，并多方收集證據(jù)進行論證，從而獲得結論，解決問題。由此可見，證據(jù)推理可以理解為“以證據(jù)為依據(jù)的推理”或者是“基于證據(jù)的推理”，是學生學習化學的重要方法和逐步形成的關鍵能力。

《義務教育化學課程標準（2011年版）》（以下簡稱“課程標準”）在“課程目標”部分指出，通過義務教育階段化學課程的學習，要讓學生從知識與技能、過程與方法、情感態(tài)度與價值觀等方面都得到發(fā)展。其中與“收集證據(jù)”和“基于證據(jù)進行推理”相關的條目有：初步學習運用觀察、實驗等方法獲取信息，能用文字、圖表和化學語言表述有關的信息，初步學習運用比較、分類、歸納、概括等方法對獲取的信息進行加工;能用變化和聯(lián)系的觀點分析常見的化學現(xiàn)象，說明并解釋一些簡單的化學問題;初步養(yǎng)成勤于思考、敢于質疑、嚴謹求實、樂于實踐、善于合作、勇于創(chuàng)新等科學品質?？梢姡白C據(jù)推理”素養(yǎng)是初中化學課程的目標之一，初中化學課程也具有培育學生“證據(jù)推理”素養(yǎng)的價值和功能。

為了了解初中化學教學在培育學生“證據(jù)推理”素養(yǎng)方面的現(xiàn)狀，筆者以“初中化學”和“證據(jù)推理”作為篇名關鍵詞在“CNKI中小學數(shù)字圖書館”期刊數(shù)據(jù)庫中進行檢索，截止到2020年12月1日，屬于初中范疇的與課堂教學案例研究相關的，只有“培育證據(jù)推理與模型認知素養(yǎng)的初中化學計算教學——以‘物質組成的簡單計算為例”等少量記錄。所以，在實踐中廣泛探尋初中化學教學，培育學生“證據(jù)推理”素養(yǎng)的有關策略，對于充分發(fā)揮初中化學課程的價值和功能具有時代迫切性和現(xiàn)實重要性的意義。

3基于證據(jù)推理的教學活動設計

3.1證據(jù)推理內(nèi)涵和教學目標

初中化學教學中，證據(jù)推理就是基于化學原理、概念及相關化學事實等證據(jù)，通過比較分析、歸納演繹等形式，對猜想和假設進行證實和證偽，從而自主解決問題、獲取新知的高階思維形式和思維過程。

初中化學“酸和堿的中和反應”教學，主要涉及中和反應及其應用。根據(jù)“課程標準”中有關“證據(jù)推理”素養(yǎng)的描述，并考慮初中學生的認知特點，可以將“酸和堿的中和反應”教學的“證據(jù)推理”素養(yǎng)目標設計成以下4個方面：（1）依據(jù)實驗探究，認識酸和堿能發(fā)生反應，學會運用指示劑判斷反應的發(fā)生;（2）依據(jù)模擬動畫和酸堿反應示意圖，從微觀角度了解中和反應的實質，建立中和反應的認知模型;（3）依據(jù)原有模型，設計實驗從定性的角度分析，進一步了解酸堿中和反應的實質，并能正確書寫化學方程式;（4）結合中和反應在實際生產(chǎn)生活中的應用，體會學習化學重要性的同時，初步學會從不同途徑收集證據(jù)、根據(jù)推理確定結論的方法。

3.2教學思路與流程設計

信息加工理論認為，推理所依據(jù)的信息即證據(jù)，證據(jù)推理意指從問題情境及已有知識經(jīng)驗中識別、轉換形成觀點，并多方收集證據(jù)、利用證據(jù)進行推理，從而獲得結論。本節(jié)課以遞進探究實驗為情境，創(chuàng)設具有層次性的問題串，引導學生從已有知識、實驗、微觀模型及其應用中獲得證據(jù)進行推理，建立中和反應的認知模型。教學流程如圖1所示。

3.3教學活動與設計意圖

3.3.1問題1：酸和堿之間能否發(fā)生反應

[引入新課]請同學們先注意觀察下面老師的演示實驗，然后猜想實驗中發(fā)生的反應，可能是我們學過的哪些物質參加的反應？你的依據(jù)是什么？

[演示實驗]演示實驗1：取一條銀白色的金屬放入試管中，加入一種無色液體;演示實驗2：將兩種無色溶液混合。

[學生交流]實驗1可能是鎂條和稀鹽酸或稀硫酸的反應，因為在實驗室里最常見的條狀銀白色金屬是鎂條，酸與活潑金屬反應有大量的氣泡產(chǎn)生。實驗2可能是氫氧化鈉或者氫氧化鈣等堿性溶液與酚酞反應，因為堿性溶液能使酚酞變紅。

[教學過渡]演示實驗1中的無色液體是稀鹽酸，演示實驗2中無色液體是氫氧化鈉溶液。剛才同學們的猜想都是正確的，看來同學們對酸和堿的化學性質掌握得不錯。

[提出問題]為什么不同的酸溶液、堿溶液各具有一些相似的化學性質呢？

[學生交流]不同的酸溶液中都含有H+，不同的堿溶液中都含有OH，所以各具有相似的性質。

[提出問題]酸和堿之間能否發(fā)生反應？請同學們分組完成下列3組探究實驗，仔細觀察后再做判斷。

設計意圖：通過實驗創(chuàng)設情境，引導學生根據(jù)實驗現(xiàn)象做猜測，激發(fā)學生的興趣，調動學生在已學酸和堿兩類物質相關的知識中尋找證據(jù)解決問題。

3.3.2問題2：如何判斷是否發(fā)生了反應

[小組活動]探究實驗1：向盛有氫氧化鋇溶液的試管中滴加稀硫酸;探究實驗2：向盛有氫氧化銅的試管中滴加稀鹽酸;探究實驗3：向盛有1mL氫氧化鈉溶液的試管中滴加稀鹽酸。

[學生交流]探究實驗1中有白色沉淀生成，說明氫氧化鋇和硫酸能發(fā)生反應;探究實驗2中固體溶解，溶液變藍色，說明氫氧化銅和稀鹽酸能反應;探究實驗3中無明顯現(xiàn)象，說明氫氧化鈉和稀鹽酸不能發(fā)生反應。所以，酸和堿之間有的能反應，有的不能反應。

[提出問題]大家是否同意這樣的結論，為什么？

[學生互評]經(jīng)分析得到兩種不一樣的答案：學生甲同意這種結論，因為實驗中觀察不到明顯的現(xiàn)象，說明沒有發(fā)生反應。學生乙不同意這種結論，實驗現(xiàn)象可以幫助我們判斷是否發(fā)生反應，但這不是唯一的依據(jù)。探究實驗3有可能發(fā)生反應，只是沒有明顯的實驗現(xiàn)象。

[提出問題]對于沒有明顯實驗現(xiàn)象的反應，我們能不能化隱為顯，設計實驗證明反應確實發(fā)生了？

[學生交流]可以依據(jù)該反應產(chǎn)物的性質設計實驗。

[提出問題]這個思路很好。但是假設氫氧化鈉和稀鹽酸能發(fā)生反應，那么它們的產(chǎn)物是什么？又具有怎樣的性質？我們又如何來驗證？

[講述]請大家回憶一下，在探究二氧化碳與水反應的實驗時（見圖2）我們借助于什么，根據(jù)什么現(xiàn)象來判斷二氧化碳溶于水時發(fā)生了化學反應？后來又通過怎樣的操作，出現(xiàn)了怎樣的現(xiàn)象證明生成的碳酸又分解了？

[學生交流]我們通過紫色石蕊小花變紅證明有碳酸生成。后來將變紅的紙花用吹風機烘干，又變回了紫色，證明能使石蕊變紅的碳酸又被分解掉了。

[提出問題]請大家分析一下，以上這兩個反應分別是從什么角度證明反應的發(fā)生？

[學生交流]從新物質的生成和反應物的消耗的角度來證明的。

[提出問題]結合老師展臺上的試劑（鹽酸、氫氧化鈉、酚酞、演示實驗1反應后的溶液、演示實驗2反應后的溶液），請同學們討論，如何設計實驗證明氫氧化鈉和稀鹽酸能否發(fā)生反應？

[學生活動]小組討論，形成方案：向演示實驗2反應后的溶液中滴入稀鹽酸，看溶液的顏色是否能由紅色變?yōu)闊o色。

[學生活動]學生代表上臺演示實驗，其他學生觀察實驗，描述實驗現(xiàn)象：滴加鹽酸后溶液由紅色逐漸變?yōu)闊o色。

[提出問題]溶液為什么能由紅色變?yōu)闊o色？能否說明氫氧化鈉和稀鹽酸發(fā)生了反應？

[學生交流]溶液紅色消失，說明原溶液中能使酚酞變紅的氫氧化鈉沒有了，因此氫氧化鈉和稀鹽酸發(fā)生了反應。

設計意圖：將教材中的驗證性實驗設計為探究性實驗，引導學生依據(jù)原有判斷模型，從反應物消耗或新物質生成的角度，設計實驗方案，并對方案進行分析評價，實現(xiàn)實驗現(xiàn)象化隱為顯，促使學生自己尋找證據(jù)得出結論，發(fā)展學生證據(jù)推理的科學思維。

3.3.3問題3：中和反應的實質是什么

[講述]酸和堿是怎樣反應的呢？讓我們在神奇的微觀世界中尋找答案。

[學生活動]觀看氫氧化鈉和稀鹽酸反應的微觀模擬動畫后，觀察分析反應微觀示意圖（見圖3）。

[提出問題]請同學們在小組內(nèi)討論，從微觀示意圖中，你能獲取哪些信息？能否將你得到的信息用化學語言表達出來。

[學生交流]酸中都含有H+，堿中都含有OH，H+和OH能結合形成水分子，因此酸和堿發(fā)生了反應。酸和堿反應的實質是：

[提出問題]根據(jù)微觀示意圖，我們一起分析氫氧化鈉和稀鹽酸反應后除生成水外還有什么產(chǎn)物？

[講述]反應后Na+和CI在靜電的作用下生成了NaCI。你能書寫出該反應的化學方程式嗎？

[學生活動]學生在黑板上書寫化學方程式。

[講述]這位同學書寫正確，剛才老師在巡視的過程中發(fā)現(xiàn)大部分同學都能正確書寫，很不錯。我們一起分析一下這個化學方程式的特點（見圖4）“里應外合”。請同學們再根據(jù)此反應的原理寫出探究實驗1和探究實驗2中反應的化學方程式。

[學生活動]書寫化學方程式后，小組內(nèi)互評。

[提出問題]請同學們分析剛才書寫的三個化學方程式，酸和堿反應除生成水之外，另外一種物質從它們構成的角度分析有什么共同的特征？

[學生交流]都是由金屬離子和酸根離子構成。

[教學過渡]像這類由金屬離子和酸根離子構成的化合物稱之為鹽。現(xiàn)在請同學們再次分析這三個化學方程式，大家能否構建起酸和堿反應的性質模型。

[學生交流]酸可以和堿反應生成鹽和水（見圖5）。

[提出問題]上述反應都屬于中和反應，你能為中和反應下個定義嗎？

[學生交流]酸與堿作用生成鹽和水的反應，叫做中和反應。

設計意圖：從實驗現(xiàn)象這種實實在在的宏觀證據(jù)，到微觀的模擬動畫和反應示意圖，再到化學方程式的書寫，學生主動運用“宏微符”的思維方式科學地分析問題，嘗試基于證據(jù)推理解決問題。

3.3.4問題4：如何證明H+和OH參與了反應

[教學過渡]同學們還記得我們剛才做的探究實驗3嗎？現(xiàn)在請同學們分析：試管中溶液的溶質可能是什么，請各小組設計實驗判斷猜想是否正確，這些實驗能否證明H+和OH參與了反應？先請大家交流猜想和實驗方案。

[學生交流]猜想l：只有NaCI;猜想2：有NaCI和HC1;猜想3：有NaCI和NaOH。實驗方案：先加入無色酚酞，如證明猜想3不成立，再加活潑金屬或者石灰石或者石蕊等，判斷猜想1和猜想2哪一種正確。

[提供試劑]酚酞、鎂條。

[學生活動]實驗操作，交流答案：學生甲，向溶液中加入酚酞后，溶液變紅，說明猜想3正確，只能證明H+被反應掉了。學生乙，向溶液中加入酚酞后，無明顯變化，繼續(xù)加入鎂條，出現(xiàn)大量氣泡，說明猜想2正確，只能證明OH被反應掉了。學生丙，向溶液中加入酚酞后，無明顯變化，繼續(xù)加入鎂條，仍無明顯變化，說明猜想1正確，能證明H+和OH參與了反應。

[教師點評]同學們不人云亦云，尊重實驗事實的科學精神值得我們大家學習。我們要相信自己，相信事實。在學習的過程中每次遇到不一樣的答案，都是取得進步的機會。

[提出問題]為什么向等量的氫氧化鈉溶液中滴加鹽酸，卻出現(xiàn)三種不一樣的結果呢？

[學生討論交流]這與各組滴加的鹽酸的量有直接關系：如果鹽酸過量，反應后就有鹽酸剩余;如果鹽酸不足，反應后就有氫氧化鈉剩余;如果鹽酸恰巧與氫氧化鈉溶液完全反應，兩者都無剩余。但無論哪種情況，都一定有氯化鈉生成。

設計意圖：利用現(xiàn)有實驗，提出新的問題，引發(fā)學生進一步探究的欲望。利用積極的課堂評價，引導學生進一步分析證據(jù)，推理解釋，拓展認知深度，提升證據(jù)推理能力。

3.3.5問題5：中和反應在生產(chǎn)生活中有哪些應用

[教學過渡]發(fā)生中和反應，既是酸的性質，也是堿的性質，因此中和反應的應用是非常廣泛的。酸和堿的中和反應在實際生活中有哪些應用呢？請同學們聯(lián)系生活實際也可以閱讀教材第61頁，尋找答案。

[學生交流]降低土壤的酸性或處理酸性廢水，可以用熟石灰;胃酸過多，可以遵醫(yī)囑服用含某些堿性物質的藥物;蚊蟲叮咬后，可以用牙膏或者肥皂止癢;殺魚時弄破了魚膽，可以用食醋去除苦味等。

[師生總結]以上這些現(xiàn)象，既是酸和堿中和反應的實際應用，也可以進一步證明酸和堿是能夠發(fā)生中和反應的。

[師生課堂小結]本節(jié)課利用三次層層深入的對氫氧化鈉和鹽酸反應的實驗探究，學習了酸堿中和反應及其應用的知識。在本課的學習中，無論是假設的形成還是結論的得出，都是借助于科學的證據(jù)進行嚴密的推理，找到現(xiàn)象和結論之間的因果關系，并且在推理過程中將宏觀證據(jù)、微觀證據(jù)、符號證據(jù)、邏輯證據(jù)、定性證據(jù)結合使用，培養(yǎng)了“基于證據(jù)推理”和“宏微符”結合的思維方式，提升了我們基于證據(jù)推理解決問題的能力。

設計意圖：從實驗探究，到閱讀教材，最后結合生產(chǎn)生活實例的交流分析，形成普遍性結論，引導學生從不同途徑收集證據(jù)確定結論。激發(fā)學生的學習興趣，培養(yǎng)他們嚴謹?shù)目茖W態(tài)度和科學思維習慣。

4教學效果與教學反思

4.1通過問題引領促進證據(jù)推理能力養(yǎng)成

問題是思維的起點，是發(fā)展學生化學思維、培養(yǎng)證據(jù)推理能力的一種行之有效的“催化劑”。本節(jié)課教學中，主要設計了以下五個問題：（1）酸和堿之間能否發(fā)生反應？（2）如何判斷是否發(fā)生了反應？（3）中和反應的實質是什么？（4）如何證明H+和OH-參與了反應？（5）中和反應在生產(chǎn)生活中有哪些應用？學生圍繞這些問題，提出猜想，設計實驗，通過實驗操作收集證據(jù)并加以推理，完成知識的構建。這種以問題為引領的教學，充分體現(xiàn)學為主體的理念，引領學生想象、探究、推理，尋找證據(jù)得出結論。在預測、驗證、推演式的學習過程中，將片段化的知識之間建立起了聯(lián)系，學生的認知和思維得到了更深入的發(fā)展，促進了證據(jù)推理能力的養(yǎng)成，為自主學習奠定了基礎。

4.2開展科學探究助力證據(jù)推理能力提升

科學探究是學生積極主動地獲取化學知識、認識和解決化學問題的重要實踐活動?？茖W探究的過程蘊含著收集、利用證據(jù)和推理分析的過程，是培養(yǎng)、拓展證據(jù)推理能力的重要途徑。如本節(jié)課中探究酸堿中和反應的實質時，學生通過觀看氫氧化鈉和稀鹽酸反應的微觀模擬動畫后，再分析該反應的微觀示意圖，借助信息技術獲得常規(guī)教學中難以獲得的證據(jù)，使抽象的反應機理和推理過程直觀化，有效地降低了抽象思維的難度，使書寫中和反應的化學方程式水到渠成，也為進一步設計實驗探究中和反應的實質提供了依據(jù)。學生根據(jù)收集到的證據(jù)，從正反兩方面展開討論，從宏觀到微觀再到宏觀，不斷反思實踐，在“尋找證據(jù)并解讀證據(jù)”的過程中，自主解決問題，促進了他們證據(jù)推理能力的提升。

4.3關注課堂評價推動證據(jù)推理能力發(fā)展

關注課堂評價，就是在課堂教學中適當運用激勵性的語言，對學生的態(tài)度、學習的方法和認知的結果等進行及時的評價。評價的重點是學習過程中表現(xiàn)出的長處和不足，讓學生在學習過程中體驗失敗和成功都是快樂的，從而讓學生主動探索，敢于表達，樂于合作，提升科學探究的能力，促進學生證據(jù)推理能力的發(fā)展。本節(jié)課利用激勵性的課堂評價，肯定學生有效思考的同時，引導學生進一步分析證據(jù)、推理解釋，對酸堿中和反應的微觀模型有一定的認識，有利于學生從微觀的角度分析化學變化的本質，為今后學好化學奠定基礎。課堂評價要注意盡可能讓學生自己去描述，在學生思維外顯的活動中，教師要不斷地追問，提供證據(jù)去彌補學生思維的漏洞，然后對學生進行適時評價，這樣的教學過程能豐富他們的認知角度，拓展認知深度，指引學生的證據(jù)推理能力進一步發(fā)展。