基于證據(jù)推理與模型建構(gòu)培養(yǎng)科學(xué)思維教學(xué)實踐

葉坤靈 溫勇康

摘要：通過對人教版初中化學(xué)“二氧化碳的性質(zhì)”內(nèi)容中探究實驗的微改進，引導(dǎo)學(xué)生通過化學(xué)真實情境發(fā)現(xiàn)化學(xué)問題，提出合理假設(shè)，通過對實驗事實的加工、分析，進行推理、驗證等證據(jù)推理，實現(xiàn)認知模型的建構(gòu)，并能通過模型應(yīng)用解決化學(xué)問題，從而實現(xiàn)培養(yǎng)義務(wù)教育階段學(xué)生化學(xué)學(xué)科“科學(xué)思維”核心素養(yǎng)的目標。

關(guān)鍵詞：科學(xué)思維;證據(jù)推理;模型建構(gòu);核心素養(yǎng)

文章編號：1008-0546（2022）10-0059-05中圖分類號：G632.41文獻標識碼：B

一、問題的提出

《義務(wù)教育化學(xué)課程標準（2022年版）》對義務(wù)教育階段化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)中的“科學(xué)思維”素養(yǎng)進行了如下界定：科學(xué)思維是在化學(xué)學(xué)習(xí)中基于事實與邏輯進行獨立思考和判斷，對不同信息、觀點和結(jié)論進行質(zhì)疑和批判，提出創(chuàng)造性見解的能力;是從化學(xué)視角研究物質(zhì)及其變化規(guī)律的思路與方法;是從宏觀、微觀、符號相結(jié)合的視角探究物質(zhì)及其變化規(guī)律的認識方式。[1]

科學(xué)思維主要包括：在解決化學(xué)問題中所運用的比較、分類、分析、綜合、歸納等科學(xué)方法，基于實驗事實進行證據(jù)推理、建構(gòu)模型并推測物質(zhì)及其變化的思維能力，在解決與化學(xué)相關(guān)的真實問題中形成的質(zhì)疑能力、批判能力和創(chuàng)新能力。[1]

化學(xué)作為一門以實驗為基礎(chǔ)的自然學(xué)科，基礎(chǔ)教育化學(xué)課程中所涉及的化學(xué)知識、概念和模型，大多可以通過教學(xué)過程的觀察、實驗等方法，通過對比分析、歸納分類和邏輯推理等方式進行證據(jù)推理，從而構(gòu)建能很好地反映物質(zhì)本質(zhì)規(guī)律、構(gòu)成要素及其相互關(guān)系等認知模型?；瘜W(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)中“證據(jù)推理”和“模型認知”的關(guān)系見圖1。此類模型不僅僅能再現(xiàn)物質(zhì)及其變化的基本規(guī)律，而且能用于預(yù)測、解釋相關(guān)化學(xué)現(xiàn)象，揭示物質(zhì)及其變化的基本規(guī)律。對于中學(xué)階段的學(xué)生而言，基于證據(jù)推理與模型建構(gòu)的科學(xué)思維核心素養(yǎng)的培養(yǎng)是創(chuàng)造性解決問題能力、創(chuàng)造性思維能力的集中體現(xiàn)，也是學(xué)生建構(gòu)從化學(xué)視角認識事物和解決問題的思想、方法、觀點的必備要求。[2]

模型對于化學(xué)科學(xué)而言非常重要，甚至可以說，化學(xué)科學(xué)的發(fā)展離不開模型。[3]

義務(wù)教育階段的化學(xué)作為化學(xué)科學(xué)的啟蒙課程，如果沒有培養(yǎng)基于證據(jù)推理和模型建構(gòu)的意識和基本觀念的科學(xué)思維，沒有清楚準確地掌握認識物質(zhì)性質(zhì)的基本認知模型，對后續(xù)的化學(xué)學(xué)科學(xué)習(xí)會有很大障礙。本教學(xué)設(shè)計主要采用建模教學(xué)的教學(xué)模式，旨在解決傳統(tǒng)的“講授—示范”教學(xué)中普遍存在的問題，通過創(chuàng)設(shè)真實問題情境，引導(dǎo)學(xué)生“做中學(xué)”“用中學(xué)”“創(chuàng)中學(xué)”，促進學(xué)生對建模思想的深刻認識，掌握建模過程的思路和基本范式，運用模型解決問題，實現(xiàn)素養(yǎng)為本的有效教學(xué)。

二、教學(xué)理念與設(shè)計

1.教學(xué)理念

本論文在綜合考慮教學(xué)內(nèi)容特點、學(xué)生能力特點和有效教學(xué)策略的基礎(chǔ)上，以“建模教學(xué)”為主要教學(xué)模式，輔之“情境創(chuàng)設(shè)教學(xué)法”“任務(wù)驅(qū)動式教學(xué)法”“半開放性實驗探究”“STSE理念教學(xué)法”“教學(xué)評一體化教學(xué)法”五種教學(xué)方法。具體教學(xué)思路為：首先通過真實情境的創(chuàng)設(shè)提出問題，通過任務(wù)驅(qū)動式引導(dǎo)學(xué)生進行模型的初構(gòu)和強化，然后通過基于教學(xué)評一體化的學(xué)生主體式教學(xué)進行深度的模型辨析，培養(yǎng)學(xué)生對認知模型建構(gòu)過程的認識，再通過模型應(yīng)用拓展，最后進行歸納總結(jié)，形成模型結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)化。具體教學(xué)思路見圖2。

2.教評目標

見表1。

3.教學(xué)過程——“3×6”問題解決教學(xué)結(jié)構(gòu)的實踐研究

見圖3。

三、教學(xué)問題解決實施

1.創(chuàng)設(shè)真實情境，引出化學(xué)問題

【教師】播放電視劇西游記主題曲，臉盆內(nèi)放入開水，加入適量干冰。老師拿著冒著白霧的盆“騰云駕霧”走進教室。提供資料：干冰是固態(tài)的二氧化碳，常用來制作舞臺云霧繚繞的效果。生活中，人們還利用二氧化碳做滅火器、汽水等。

【提問】性質(zhì)決定用途，用途反映性質(zhì)。二氧化碳在生活中有這么多的用途，那它具有什么性質(zhì)呢？

【學(xué)生】在真實情境中感受化學(xué)的魅力與中國傳統(tǒng)文化的結(jié)合，思考與交流：二氧化碳為什么可以做滅火器、汽水？二氧化碳有什么性質(zhì)？

設(shè)計意圖：通過創(chuàng)設(shè)“騰云駕霧”的真實情境，激發(fā)學(xué)生的興趣和求知欲，同時通過設(shè)置問題，讓學(xué)生發(fā)揮想象力，自由提出問題，引出本節(jié)課要探究的問題，為后續(xù)的教學(xué)埋下伏筆。

2.模型初構(gòu)強化，撥開模型疑云

（1）模型認知初構(gòu)

【教師】真實情境：二氧化碳滅火器用于滅火的視頻。提問：根據(jù)二氧化碳用于滅火的事實，請你預(yù)測，二氧化碳具有什么性質(zhì)？追問：如何驗證我們的猜想？

【學(xué)生】①提出假設(shè)：二氧化碳不燃燒也不支持燃燒;

②驗證假設(shè)：分組實驗：a.先將高低兩支蠟燭放入空燒杯中，觀察蠟燭燃燒情況;b.再將二氧化碳倒入燒杯中，再次放入蠟燭，觀察蠟燭是否熄滅，并記住順序（見圖4）。

③加工分析：

為什么空燒杯中的蠟燭不熄滅，倒入二氧化碳后再放入蠟燭卻熄滅？高低蠟燭自下而上熄滅，說明了什么？

【總結(jié)】通過對比實驗，知道蠟燭熄滅是因為二氧化碳不能燃燒也不支持燃燒，體會到二氧化碳能像“液體”一樣被倒入燒杯中，并結(jié)合蠟燭熄滅順序，說明二氧化碳密度比空氣大。

（2）模型認知強化

【教師】真實情境：證據(jù)展示——一瓶汽水和它的配料表圖片。打開瓶蓋，聽到“噗”的聲音。

講解并提問：增大壓強下，人們將二氧化碳充入汽水中，加上配料做成可口的飲料。請你預(yù)測，常壓下二氧化碳能否溶于水？追問：如何驗證我們的猜想？

【學(xué)生】①提出假設(shè)：常壓下二氧化碳能溶于水。

②驗證假設(shè)：根據(jù)教材和分組實驗用品，合作探究，完成實驗驗證，聯(lián)想“空氣中氧氣含量”測定實驗進行遷移拓展（見圖5）。

③加工分析：合作完成驗證二氧化碳溶于水的實驗，觀察到塑料瓶變癟的現(xiàn)象。并進行拓展實驗：將帶導(dǎo)管的單孔橡膠塞塞緊標有刻度的軟塑料瓶，彈簧夾夾住橡皮管，導(dǎo)管一端放入盛有水的燒杯中，待塑料瓶變癟后打開彈簧夾，觀察到水倒吸的現(xiàn)象，根據(jù)瓶內(nèi)液面上升的高度了解二氧化碳的溶解情況。

【總結(jié)】通過探究實驗，知道二氧化碳常壓下可以溶于水的性質(zhì)。

設(shè)計意圖：本環(huán)節(jié)是模型認知初步建構(gòu)和強化階段，首先讓學(xué)生進行預(yù)測，目的是樹立學(xué)生證據(jù)意識;其次通過實驗驗證，為預(yù)測尋找證據(jù)，最后通過教師和學(xué)生互評得出結(jié)論，以任務(wù)驅(qū)動式探究活動為依托，目的是讓學(xué)生基于實驗證據(jù)進行推理、分析，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會研究物質(zhì)性質(zhì)的過程，培養(yǎng)學(xué)生證據(jù)收集、知識遷移、分析推理、建構(gòu)模型的能力。

3.模型辨析應(yīng)用，系統(tǒng)模型認知

【教師】提問：我們是如何學(xué)習(xí)物質(zhì)性質(zhì)的？

【學(xué)生】性質(zhì)決定用途，用途反映性質(zhì)。了解物質(zhì)的用途就能預(yù)測物質(zhì)的性質(zhì)。

【教師】追問：那如何驗證預(yù)測是否正確呢？

【學(xué)生】可以通過設(shè)計實驗進行驗證。

【教師】講解：化學(xué)學(xué)習(xí)中，我們以生活經(jīng)驗、科學(xué)資料等作為證據(jù)，推測出物質(zhì)所具有的性質(zhì)，再設(shè)計實驗進行驗證，運用觀察法、實驗法、分類法、比較法、歸納法等邏輯思維，去偽存真，得出結(jié)論，這樣可以揭示客觀事實的本質(zhì)。證據(jù)推理流程見圖6。

設(shè)計意圖：幫助學(xué)生直觀回顧學(xué)習(xí)二氧化碳性質(zhì)的過程，教師對模型進行解釋和表征，引導(dǎo)學(xué)生對零散的模型認知進行條理化、系統(tǒng)化總結(jié)。

4.創(chuàng)新實驗設(shè)計，服務(wù)模型建構(gòu)

【教師】化學(xué)問題：我們已經(jīng)知道二氧化碳能溶于水，那二氧化碳溶于水后究竟有無新物質(zhì)生成呢？

【資料卡片】石蕊是從一種植物中提取的色素。石蕊溶于水配制成的紫色石蕊溶液，遇酸變紅色。

布置任務(wù)：（1）應(yīng)用模型認知解決為什么溶液變紅的問題;（2）寫出相關(guān)的化學(xué)方程式。

【學(xué)生】（1）積極思考、閱讀資料、提取信息;（2）進行預(yù)測，根據(jù)老師提供的創(chuàng)新實驗用品，合作設(shè)計出實驗方案（見圖7），并完成探究;（3）分組討論，得出結(jié)論：二氧化碳與水反應(yīng)生成酸性物質(zhì)（碳酸），書寫化學(xué)方程式;（4）分組匯報學(xué)習(xí)成果。

設(shè)計意圖：學(xué)生完成模型認知建構(gòu)后，如果不再加以應(yīng)用，就會淺嘗輒止，不利于今后化學(xué)的學(xué)習(xí)。本環(huán)節(jié)通過模型的應(yīng)用活動，使學(xué)習(xí)到的模型認知更加系統(tǒng)化。二氧化碳與水反應(yīng)是本節(jié)課的難點，教材中設(shè)計了對比實驗，探究使石蕊紙花變紅的物質(zhì)，但是該實驗更加適合教師進行演示，讓學(xué)生自主探究是具有挑戰(zhàn)性的。因此，本環(huán)節(jié)教師引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計半開放性創(chuàng)新實驗方案，讓學(xué)生應(yīng)用模型認知，解決真實情境的問題。學(xué)生能夠體驗到成功，增加學(xué)習(xí)化學(xué)的信心，從而使證據(jù)推理和模型認知的核心素養(yǎng)得到提升。

四、教學(xué)反思與建議

1.創(chuàng)設(shè)真實問題情境，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情

創(chuàng)設(shè)真實情境是教學(xué)中不可缺少的環(huán)節(jié)，它是學(xué)生進行學(xué)習(xí)的“觸發(fā)器”。如果教學(xué)中缺乏了情境，那么課堂就變得枯燥無味，學(xué)生的學(xué)習(xí)是被動的、機械式的。教學(xué)情境是知識的載體，要盡可能地貼近學(xué)生的生活，讓學(xué)生感受到化學(xué)源自生活，化學(xué)知識就在身邊。本教學(xué)實踐通過創(chuàng)設(shè)“騰云駕霧”、二氧化碳滅火器的原理、汽水的配料等真實情境引入教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生從新的角度重新審視熟悉的事物，學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性自然被調(diào)動起來，進而進入“做中學(xué)”“用中學(xué)”“創(chuàng)中學(xué)”的狀態(tài)，接受知識的效率也會大大提高，會更加主動地參與課堂活動。

2.教學(xué)評一體化，突出學(xué)生主體性

王云生認為：教師的教學(xué)活動、學(xué)生的學(xué)習(xí)活動、教學(xué)評價三者的地位是平等的，互相影響，互相促進。教學(xué)評價為教學(xué)融通搭建橋梁，教學(xué)評價主要目的是關(guān)注學(xué)生的學(xué)習(xí)表現(xiàn)，觀察學(xué)生是如何學(xué)習(xí)的，學(xué)習(xí)的達成度，同時也能監(jiān)測出教學(xué)的情況是否良好，教師教得怎么樣等問題。教學(xué)評價能持續(xù)地激勵學(xué)生，產(chǎn)生學(xué)習(xí)的驅(qū)動力，同時也能優(yōu)化教學(xué)。[4]在實驗探究階段，教師應(yīng)通過這樣一系列系統(tǒng)的思維活動，在實驗前、中、后都利用元認知反思，不斷鼓勵學(xué)生建立宏觀現(xiàn)象與微觀機制間的聯(lián)系，加深對模型推理和證據(jù)推理思維方法融合的體驗。[3]將教學(xué)評價貫穿于教學(xué)活動中，能真實捕捉到學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)學(xué)生學(xué)習(xí)的障礙，提醒老師及時調(diào)整和優(yōu)化教學(xué)策略，同時能促進師生互動，凸顯學(xué)生學(xué)習(xí)主體地位。

3.注重培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)

本教學(xué)實踐注重培養(yǎng)義務(wù)教育階段的學(xué)生基于證據(jù)推理與模型建構(gòu)的科學(xué)思維核心素養(yǎng)。指向“證據(jù)推理與模型認知”的化學(xué)教學(xué)，使科學(xué)探究成為融知識理解、思維發(fā)展及科學(xué)本質(zhì)觀深化的學(xué)習(xí)過程。[5]在此課程目標基礎(chǔ)上，本教學(xué)實踐主要是探索證據(jù)推理與模型建構(gòu)在教學(xué)中的實踐，在實踐中發(fā)現(xiàn)的與二氧化碳相關(guān)的真實生活情境、物質(zhì)用途、實驗現(xiàn)象，教師都應(yīng)加以引導(dǎo)學(xué)生收集證據(jù)，指導(dǎo)學(xué)生聚焦證據(jù)，對物質(zhì)性質(zhì)進行預(yù)測，再運用實驗驗證、比較分析、類比遷移、總結(jié)歸納等推理方式，對預(yù)測加以證實或證偽，揭示化學(xué)知識的本質(zhì)。初中階段，學(xué)生雖已對物質(zhì)的性質(zhì)和用途有了認知模型的基礎(chǔ)，但是學(xué)生的思維方式比較膚淺，學(xué)習(xí)方式更多的是停留在機械重復(fù)的記憶、鞏固化學(xué)知識和提高化學(xué)成績上。教師應(yīng)重視證據(jù)推理與模型建構(gòu)發(fā)展學(xué)生科學(xué)思維核心素養(yǎng)，將證據(jù)推理和模型建構(gòu)融入到課堂探究活動，引導(dǎo)學(xué)生參與化學(xué)探究過程、學(xué)會研究物質(zhì)的規(guī)律，進而促進科學(xué)思維核心素養(yǎng)的提升，提高學(xué)生解決實際問題的能力，為今后學(xué)習(xí)化學(xué)形成新方法和新思路。

參考文獻

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