基于“證據(jù)推理”的教學設計

程渡安 汪豐云 馮明 葉佳

摘要： “證據(jù)推理”中的證據(jù)是多樣且具有層次的，作者據(jù)新課標“證據(jù)推理”素養(yǎng)水平將其分為“宏觀”“微觀”“定量”及“多元”證據(jù)，構建“證據(jù)—活動”雙線教學模式。以“沉淀轉化”為載體設計教學活動，豐富學生基于證據(jù)推理的活動體驗，鍛煉學生證據(jù)收集、整合、分析和解決問題能力，從而培養(yǎng)學生的科學素養(yǎng)。

關鍵詞：證據(jù)推理；證據(jù)；沉淀轉化

文章編號：1008-0546（2023）07-0055-05 中圖分類號：G632.41 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2023.07.010

黨的十九大提出，要以落實立德樹人根本任務，發(fā)展素質教育，促進教育事業(yè)的高質量發(fā)展。新課標也明確以“發(fā)展學生化學學科核心素養(yǎng)”為主旨的基本理念。作為五大化學核心素養(yǎng)之一的“證據(jù)推理與模型認知”，強調以“科學探究”為載體，通過獲取證據(jù)，基于證據(jù)進行推理，并建立認知模型等化學活動鍛煉學生的邏輯思維，從而達到培養(yǎng)學生的化學核心素養(yǎng)的目標。因此，獲取“證據(jù)”是整個素養(yǎng)的基礎，本文從“證據(jù)”出發(fā)，以學生認知進階的邏輯順序為基礎，將學生引入“證據(jù)”的化學世界，通過體驗證據(jù)的收集、整合和分析過程，以揭開疑惑的“最佳真相”，并建立“證據(jù)—推理—結論”間的緊密聯(lián)系。

一、證據(jù)的層次性

通過對新課標“證據(jù)推理”中四個水平[1] 的解讀，發(fā)現(xiàn)每一級水平要求的提升，其證據(jù)要素也相應發(fā)生變化。結合新課標“證據(jù)要素”的表述，對化學學習中不同的“證據(jù)”層次進行劃分：

第一層次為“事實”也就是“宏觀”證據(jù)，指對實驗現(xiàn)象、物質顏色、狀態(tài)等客觀事實的認知而獲取的信息，是處于宏觀世界的直接證據(jù)，識別與提取較為容易。[2] 教師可借助此類“證據(jù)”活動的預設，激發(fā)學生的證據(jù)意識。

第二層次為“微觀”證據(jù)，指建立在宏觀事實的基礎上，借助現(xiàn)代技術展現(xiàn)的微觀世界以及建立的相應微觀模型，例如反應機理、分子結構模型等，屬于間接證據(jù)。相比宏觀證據(jù)，其研究視角趨于細微化、模型化。教師可預設“宏微”活動，拓寬學生證據(jù)視角，培養(yǎng)證據(jù)整合能力。

第三層次為“定量”證據(jù)，是指建立在“定性”的基礎上，通過相關化學原理、規(guī)律的計算所得的“量”的信息，[3] 相比前兩層次的證據(jù)而言，更強調“證據(jù)”的縱深化與數(shù)據(jù)可視化，學生需要一定的證據(jù)分析能力，以達到問題本質的解決。

第四層次為“多元”證據(jù)，[4] 多元證據(jù)指不同維度的證據(jù)信息或者通過不同推理手段獲取的證據(jù)。相比前三層次證據(jù)，多元證據(jù)強調在“獲取形式”或“屬性”上的多樣性、充分性以及相關性。[5] 通過收集與梳理多元證據(jù)，結合多種推理手段，建立起“證據(jù)-結論”的邏輯聯(lián)系，[6] 獲取最優(yōu)結論。

綜上所述，隨著證據(jù)層次的遞進，證據(jù)收集能力的要求逐漸變高，證據(jù)的處理方式趨于復雜，推理手段走向多樣化，證據(jù)與結論的關系逐漸嚴謹化（見圖1）。

二、 “證據(jù)—活動”雙線教學模式構建

由證據(jù)的“事實化→微觀化→縱深化→充分化”證據(jù)線為思路，設計“實驗探究→微觀動畫→定量計算→討論交流”活動線。遞進的活動充分體現(xiàn)了科學研究視角的轉變、研究手段的變更、推理思維的發(fā)散。具體模式如圖2所示。

整個教學模式凸顯“證據(jù)”主導，關注學生的思維過程與推理體驗。實施策略上，應注意教師的引導及參與角色，注重學生主體的證據(jù)收集、分析、整合過程，以滿足學生獲得最優(yōu)結論的成就感。

三、 “沉淀轉化”設計流程

課題以實驗探究中“AgCl轉化為AgI”和“ZnS不能轉化為MnS”兩個事實證據(jù)，創(chuàng)造認知疑惑，引發(fā)學生對沉淀轉化微觀行為的求知欲。再以微觀動畫活動為載體，引導學生整合微觀證據(jù)，做出“Ag + 與I - 結合傾向性大”的判斷，即整合“宏” “微”證據(jù)推理出的第一條結論；為認清“傾向性”的本質，引入計算活動，借助資料數(shù)據(jù)，學生通過計算以“量”的“證據(jù)”揭露“沉淀轉化”本質，得出“沉淀由K sp 大的向K sp 小的轉化”的第二條結論。對于該結論的科學性，教師拋出論點問題，引發(fā)討論思考，通過梳理“多元證據(jù)”以及“邏輯反推法”，對結論進行修正，邏輯關聯(lián)“證據(jù)”與“結論”（見圖3）。

四、教學實錄

1. 生活化引入——打開沉淀轉化的“大門”

【圖片】蛀牙；含氟牙膏

【問】為什么長蛀牙？蛀牙與含氟牙膏又有什么關系？

【欄目資料】見圖4。

【師】防蛀牙的本質是促使“Ca 5 （PO 4 ） 3 OH”轉化為溶解度更小、更耐腐蝕的“Ca 5 （PO 4 ） 3 F”。那么沉淀轉化的原理是怎樣的？

【過渡】工業(yè)實踐中需將一種沉淀轉化為其他沉淀，下面從實驗中探究沉淀轉化奧秘。

2. 實驗探究——認識沉淀轉化事實

【學生實驗1】沉淀轉化實驗探究（見表1）

【學生實驗2】ZnS 轉化MnS實驗探究（見表2）

3. 動畫模擬——走進沉淀轉化微觀世界

【矛盾的提出】

（1）為什么實驗1中的沉淀可以實現(xiàn)轉化，而實驗2中卻不能？

（2）一種沉淀是為何溶解又逐漸生成新沉淀的呢？其微粒行為是怎樣的？

【過渡】嘗試畫出 AgCl 沉淀平衡狀態(tài)、 “AgCl→AgI”沉淀轉化的微觀歷程。

【動畫】“AgCl→AgI”沉淀轉化的微觀歷程（見圖5）。

【師】AgCl在水中存在著可逆過程，AgCl表面會溶解，產(chǎn)生Ag + 和Cl - 進入水中；另一方面，同時存在AgCl形成的過程，剛溶解出的Ag + 、Cl - 附著于表面，和進入水中的Ag + 、Cl - 產(chǎn)生吸引力，水中的Ag + 、Cl - 又在表面重新結合形成AgCl。

【生】通過AgCl 轉化為AgI的動畫發(fā)現(xiàn)，起初的AgCl處于沉淀溶解平衡狀態(tài)，隨著I - 的加入，解離出的Ag + 和I - 結合形成了AgI，最終大部分轉化為AgI沉淀。

【提問】基于已有證據(jù)談談AgCl轉化為AgI的微觀行為。

【生甲】AgCl原有沉淀溶解平衡隨著I - 的加入而被破壞，Ag + 會結合I - 生成新沉淀。

【生乙】我覺得沉淀轉化本質是因為：Ag + 更傾向于與 I - 結合而不是 Cl - ，從而刺激原平衡右移，導致AgCl溶解，最終形成AgI沉淀。

【思維梳理】見圖6。

4. 定量計算——證據(jù)縱深發(fā)展，定量探求本質

【疑惑的提出】請同學們思考2個問題。

（1）隨著I - 的進入，原AgCl沉淀溶解平衡為什么會被打破？

（2）為什么Ag + 更傾向于與I - 結合生成AgI？

【生】可能與沉淀性質有關；可嘗試從K sp 思考。

【資料】見表3。

【師】問題（1）：達到平衡狀態(tài)的Ag + 濃度約為多少？

問題（2）：需要結合多少濃度的I - ，可以將Ag + 搶走？

【計算】AgCl存在沉淀溶解平衡：AgCl （s） Ag +（aq）+ Cl - （aq） ， 查表得K sp （AgCl）=c （Ag + ）·c （Cl - ）=1.8×10 -10 ，即c（Ag + ）≈10 -5 。所以平衡狀態(tài)Ag + 濃度約為10 -5 mol/L。

已知K sp （AgI）=9.3×10 -17 ，求得至少所需c （I - ）≈10 -12 。

因此，當加入的碘離子濃度只需超過10 -12 mol/L時（很易實現(xiàn)），Ag + 會與I - 結合生成AgI沉淀。

【教師】可用K來表示轉化程度，K值越大，該轉化反應進行程度越大。

用方程式表達轉化過程：AgCl（s）+ I - （aq）AgI（s）+ Cl - （aq）

【計算】計算 K=c（Cl - ）/c（I - ），即 c（Ag + ）·c（Cl - ）/c（Ag + ）·c（I - ）=1.8×10 -10 /9.3×10 -17 ，得K為1.96×10 6 ，故該沉淀轉化易實現(xiàn)。

【引導】按照該邏輯，請用數(shù)據(jù)證明ZnS無法轉化為MnS。

【學生計算】假設ZnS轉化為MnS可以實現(xiàn)，則理想轉化方程為：

即c（Zn 2+ ）·c（S 2- ）/c（Mn 2+ ）·c（S 2- ）=1.6×10 -24 /1.4×10 -15 ，得K為1.14×10 -9 . 所以，K值極小，

轉化難以完成。

【證據(jù)分析】見圖7。

【生】可利用這條規(guī)律快速判斷沉淀轉化的可能性。

5. 討論與證明——修正“沉淀轉化”規(guī)律

【師】拋出論點問題：

（1）同學們總結出的規(guī)律，對所有沉淀間轉化可能性的判斷都一定適用嗎？

（2）如果不適用，請同學們利用多元的證據(jù)或不同的推理方式去修正我們的結論，保證規(guī)律的科學性。

【討論與證明】

生甲：通過對計算原理的概括以及翻閱資料，通過比較K sp 大小來判斷“沉淀轉化”可能性，需要基于“同型沉淀”的要求；例如AgCl與AgI，它們同屬于AB型，符合判斷規(guī)律。

生乙：Ag 2 S與AgI不為同型沉淀，之所以能轉化，是因為K sp （Ag 2 S）極小。

生丙：結合活動所涉及的多元證據(jù)，可證明該結論的存在。

從事實證據(jù)：AgCl→AgI客觀事實；微觀證據(jù)：I - 的加入破壞了原平衡體系，與Ag + 結合生成新沉淀；定量證據(jù)：K值（1.96×10 6 ）較大；多元化的證據(jù)都充分證明了這一點。

教師：根據(jù)甲乙丙同學的論點，結論修正為：對于同型沉淀而言，沉淀可由K sp 大的向K sp 小的轉化。

生?。鹤C據(jù)與結論的關系是要經(jīng)得起推敲的。但是該結論的證明的手段單一，我對該規(guī)律的適用性提出質疑。

生戊：用反推法來獲取證據(jù)，判斷該規(guī)律的適用性。

【小組交流研究后，給出方案】見圖8。

師：通過同學們集思廣益，我們從多元化證據(jù)肯定了沉淀轉化一般規(guī)律的存在，并通過不同的推理方式優(yōu)化了沉淀轉化結論，為今后學習與判斷沉淀轉化帶來了便利。

五、教學反思

1. 充分利用教學中“證據(jù)”設計活動

“證據(jù)”為問題解決的首要信息，它是多樣化的，或直觀，或隱晦，證據(jù)的收集及推理更是需要一定的科學思維。認識到教學中證據(jù)的多樣性與層次性，結合具體課例設計活動，有利于提高課堂中學生參與的質量，幫助學生建立起“證據(jù)”主導的研究思路。

2. 善用“問題”引導，帶動活動進程

“證據(jù)-活動”雙線教學模式需要教師的問題引導，教師預設的“問題串”是學生思維的“助力器”，引導學生證據(jù)推理活動的遞進，讓學生能夠有方向、有創(chuàng)造力地逐步達成課程目標。

參考文獻

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