基于“證據(jù)推理和模型認(rèn)知”的初中化學(xué)教學(xué)

楊海燕

摘要：“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”是科學(xué)思維的重要組成部分，也是化學(xué)教學(xué)的重要目標(biāo)。本文設(shè)計(jì)了初中“分子和原子”課堂教學(xué)，創(chuàng)設(shè)了三個(gè)驅(qū)動型問題，引導(dǎo)學(xué)生在解決問題時(shí)，從日常生活、課堂實(shí)驗(yàn)、科學(xué)史和其他學(xué)科已學(xué)知識中尋找證據(jù)，通過分析、歸納等推理活動得到結(jié)論，最后建構(gòu)認(rèn)知模型。

關(guān)鍵詞：分子和原子；證據(jù)推理；模型認(rèn)知；實(shí)驗(yàn)證據(jù)

文章編號：1008-0546（2023）08-0043-04?? 中圖分類號：G632.41?? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2023.08.009

一、問題的提出

《義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》將“科學(xué)思維”作為四大核心素養(yǎng)之一，要求學(xué)生具有“基于實(shí)驗(yàn)事實(shí)進(jìn)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”。這一目標(biāo)也與《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》的“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”核心素養(yǎng)銜接，體現(xiàn)出化學(xué)學(xué)科在培育證據(jù)、推理、建模等科學(xué)思維方面的重要價(jià)值。[1]證據(jù)推理是模型認(rèn)知的前提和基礎(chǔ)，模型認(rèn)知是證據(jù)推理的進(jìn)階和高級形式，[2]兩者應(yīng)在學(xué)生的化學(xué)學(xué)習(xí)中相輔相成、相互促進(jìn)地得到培育。

然而，現(xiàn)階段初中化學(xué)教學(xué)仍然以知識點(diǎn)灌輸、死記硬背為主，導(dǎo)致學(xué)生僅識記了知識，缺少思維和素養(yǎng)的發(fā)展。本文以人教版《化學(xué)》九年級上冊“物質(zhì)構(gòu)成的奧秘”分子和原子教學(xué)為例，設(shè)計(jì)了基于演示實(shí)驗(yàn)、分組實(shí)驗(yàn)、小組討論、模型建構(gòu)等環(huán)節(jié)的深度教學(xué)課堂，旨在促進(jìn)學(xué)生證據(jù)推理和模型認(rèn)知素養(yǎng)的發(fā)展。

二、教學(xué)主題內(nèi)容

本節(jié)課內(nèi)容包括兩部分：第一部分是物質(zhì)由微觀粒子構(gòu)成，第二部分是分子可以分成原子。這是繼學(xué)習(xí)了物質(zhì)的性質(zhì)和變化之后，用微觀粒子解釋宏觀物質(zhì)現(xiàn)象的第一課，是本單元探索物質(zhì)構(gòu)成的奧秘，第五單元理解質(zhì)量守恒定律和解釋一切化學(xué)變化實(shí)質(zhì)的基礎(chǔ)，在教材中起到了承上啟下的作用。

本節(jié)課的重點(diǎn)包括：（1）分子的基本特征；（2）分子、原子的概念；（3）用分子的觀念認(rèn)識物理變化和化學(xué)變化。難點(diǎn)包括：（1）用分子的觀念認(rèn)識物理變化和化學(xué)變化；（2）培養(yǎng)學(xué)生抽象思維能力、想象力和分析、推理的能力。

三、教學(xué)目標(biāo)

在實(shí)現(xiàn)上述知識目標(biāo)的基礎(chǔ)上，本節(jié)課致力于發(fā)展學(xué)生的“證據(jù)推理和模型認(rèn)知”素養(yǎng)，相關(guān)目標(biāo)如下：

（1）從日常生活經(jīng)驗(yàn)、課堂實(shí)驗(yàn)、科學(xué)史和其他學(xué)科已學(xué)知識等不同來源的知識，尋找解決問題所需的證據(jù)，培養(yǎng)學(xué)生的證據(jù)意識、證據(jù)收集能力。

（2）基于證據(jù)做出推理，得到結(jié)論。尤其是基于宏觀現(xiàn)象做出微粒行為的推理，培養(yǎng)學(xué)生的想象能力、抽象思維能力和推理能力。

（3）通過類比和構(gòu)建模型等方法，進(jìn)一步理解分子、原子等微粒，培養(yǎng)模型認(rèn)知能力。

四、教學(xué)流程

教學(xué)流程見表1。

五、教學(xué)過程

1.任務(wù)一：分子等微粒真實(shí)存在嗎？

【教師】同學(xué)們，請看這本化學(xué)書，從書的封面上，你看到了什么？

【學(xué)生】冰川、河流、水……

【教師】水在自然界中一般以哪些狀態(tài)存在？

【學(xué)生】自然界中的水存在三種狀態(tài)，分別是固體、液體和氣體。

【教師】同學(xué)們，請你們想一想，水為什么能在自然界中以固體、液體和氣體三態(tài)存在呢？

【學(xué)生】因?yàn)樗臓顟B(tài)是可以轉(zhuǎn)變的，比如液態(tài)水蒸發(fā)就能變成水蒸氣。

【教師】這個(gè)過程你能看見嗎？

【學(xué)生】不能。有可能水蒸氣非常小，小到我們看不見了。

【教師】那有辦法讓我們能看見“水蒸氣”呢？變色硅膠就是一個(gè)幫助我們看見水蒸氣的工具，它遇到水蒸氣后會從藍(lán)色變成粉色。讓我們用它來證明水可以轉(zhuǎn)化為水蒸氣。

【演示實(shí)驗(yàn)】如圖1所示，在試管中加入少量的蒸餾水，用鑷子夾持棉花擦凈試管內(nèi)壁殘余的水。在細(xì)長塑料片上粘貼3-4個(gè)變色硅膠顆粒，伸入試管中。塞上試管塞，靜置并觀察變色硅膠的變色情況。過了一會兒，最下方的1號變色硅膠先開始變成粉色，隨后2號、3號變色硅膠也依次變成粉色。

【學(xué)生】蒸餾水的上方雖然沒法直接看到水蒸氣，但變色硅膠是從下到上依次變色的，讓我仿佛看到了水蒸氣“升騰而上”！

【教師】剛剛的實(shí)驗(yàn)中，我們找到了水蒸氣“微粒”存在的間接證據(jù)，我們把這種微粒稱為水分子。為了尋找更可靠的證據(jù)，科學(xué)家們已經(jīng)過上千年的研究。

【PPT投影】微粒的發(fā)現(xiàn)史：德謨克利特和道爾頓提出物質(zhì)是由不可分割的原子構(gòu)成的；阿伏伽德羅又提出有些物質(zhì)是由分子構(gòu)成；布朗用顯微鏡觀察到物質(zhì)中粒子的運(yùn)動；通過掃描隧道顯微鏡看到微觀粒子的影像。

【教師】科學(xué)史中的證據(jù)更加有說服力地證明了分子、原子等微小粒子是真實(shí)存在的，也就是說物質(zhì)由分子和原子等微觀粒子構(gòu)成的。

設(shè)計(jì)意圖：用同學(xué)們熟悉的物質(zhì)設(shè)計(jì)情境，通過實(shí)驗(yàn)和科學(xué)史獲得解決問題的關(guān)鍵證據(jù)，激發(fā)學(xué)生的興趣與思維，在熟悉物質(zhì)世界的基礎(chǔ)上進(jìn)行想象，提升學(xué)生的思維能力，有助于知識的構(gòu)建和遷移。

2.任務(wù)二：分子有哪些基本性質(zhì)？

【教師】掃描隧道顯微鏡才能看到水分子，水分子究竟小到什么程度呢？

【PPT 投影】：一個(gè)水分子的質(zhì)量約是3×10-26 kg，一滴水中有1.67×1021個(gè)水分子，假如10億人來數(shù)，夜以繼日每人每分鐘數(shù)100個(gè)，將要數(shù)多少年呢？

【學(xué)生】3萬多年。

【教師】說明水分子的質(zhì)量和體積都很小。

【教師】同學(xué)們可以盡情想象，水分子具備哪些特征？并受到外界的影響導(dǎo)致水的狀態(tài)不斷的改變？

【學(xué)生】小組討論得到，水分子在不斷運(yùn)動，受到外界條件的變化，水分子間隔發(fā)生變化，所以水的狀態(tài)也不斷改變。

【教師】很好，這些都是大家的合理猜測。你能用證據(jù)證明你的猜測嗎？

【學(xué)生】剛剛的實(shí)驗(yàn)就是個(gè)證據(jù)，蒸餾水沒有直接與變色硅膠接觸，而是通過水蒸氣分子的運(yùn)動，擴(kuò)散到硅膠，讓它變色的。

【教師】很好，那么其他微粒也有同樣的性質(zhì)嗎？如果有，也請大家通過生活經(jīng)驗(yàn)或以前的實(shí)驗(yàn)來證明。

【學(xué)生】路邊的臭水溝，隔了很遠(yuǎn)都能聞到臭味。如果有臭味的分子不運(yùn)動，遠(yuǎn)處就聞不到了。

【學(xué)生】有一個(gè)物理實(shí)驗(yàn)是銅塊和鋅塊擠壓在一起后，交界處發(fā)生了融合。

【教師】很好，這些證據(jù)都證明了微粒在不斷運(yùn)動。

【教師】同學(xué)們一般是左手力氣大還是右手力氣大，想不想試試？

【學(xué)生實(shí)驗(yàn)】將兩支微型注射器分別抽等體積的空氣和水，插在橡膠塞上，用左手大拇指按壓裝有空氣的活塞，右手大拇指按壓裝有水的活塞。

【學(xué)生】我覺得應(yīng)該是我的右手力氣大，但是裝有空氣的注射器易壓縮，裝有水的注射器難壓縮，說明氣態(tài)分子間距離大于液體分子間的距離。

【教師】請以一杯水變?yōu)樗魵鉃槔?，用水分子表示狀態(tài)變化的示意圖（如圖2）。

設(shè)計(jì)意圖：運(yùn)用數(shù)據(jù)分析和實(shí)驗(yàn)，幫助學(xué)生進(jìn)行宏觀辨識和微觀探析，在證據(jù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行推理和分析，并用模型表征，獲得事物的現(xiàn)象和微觀本質(zhì)的聯(lián)系。

3.任務(wù)三：如何定義分子和原子？

【教師】水蒸發(fā)時(shí)，水分子的種類改變嗎？為什么？

【學(xué)生】不變，因?yàn)樗@種物質(zhì)種類沒有改變。

【教師】水分子種類會不會改變呢？我們來做一個(gè)電解水實(shí)驗(yàn)看一看。

【演示實(shí)驗(yàn)】電解水的演示實(shí)驗(yàn)，包括對生成氫氣和氧氣的檢驗(yàn)。

【教師】同學(xué)們，電解水是物理變化還是化學(xué)變化？你的證據(jù)是什么？

【學(xué)生】電解水屬于化學(xué)變化，證據(jù)是實(shí)驗(yàn)中有新物質(zhì)氫氣和氧氣生成。

【教師】太對了，請同學(xué)們討論，電解水實(shí)驗(yàn)前后分子種類改變了嗎？物質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)改變了嗎？為什么？

【學(xué)生】因?yàn)樗怯伤肿訕?gòu)成，氫氣由氫分子構(gòu)成，氧氣由氧分子構(gòu)成，所以，電解水時(shí)，分子種類改變。

【學(xué)生】水不具有可燃性和助燃性，而氫氣具有可燃性，氧氣具有助燃性，所以，反應(yīng)前后物質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)改變了。

【教師】比較水蒸發(fā)和水電解兩個(gè)實(shí)驗(yàn)，水分子和水的化學(xué)性質(zhì)之間有沒有聯(lián)系？

【學(xué)生】水在電解時(shí)，水分子改變了，水的化學(xué)性質(zhì)改變了，而水蒸發(fā)成水蒸氣時(shí)，水分子本身不變，水的化學(xué)性質(zhì)也不會改變。

【教師】由此可見，保持水的化學(xué)性質(zhì)的最小粒子是什么呢？

【學(xué)生】水分子。

【課堂活動】科學(xué)家發(fā)現(xiàn)水分子由更小的原子構(gòu)成，每個(gè)水分子中由2個(gè)氫原子和1個(gè)氧原子構(gòu)成。根據(jù)這一信息，請同學(xué)們用卡片在黑板上演示出水分子的模型，白色圓圈是氫原子，黑色圓圈是氧原子。幾位學(xué)生積極地上臺擺弄模型，展示出了不同可能的形狀圖3。

【教師】哪個(gè)模型更能符合實(shí)際？請看科學(xué)家用掃描隧道顯微鏡拍攝的水分子圖像。

【學(xué)生】第一個(gè)V形的符合實(shí)際。

【課堂活動】電解水時(shí)，水分子又是如何變成氫分子和氧分子的呢？請同學(xué)們再次用卡片模型擺出反應(yīng)過程。學(xué)生拖動2個(gè)水分子的模型，先把水分子拆成氫原子和氧原子，然后每2個(gè)氫原子構(gòu)成1個(gè)氫分子，每2個(gè)氧原子構(gòu)成1個(gè)氧分子（圖4）。

【教師】因此，電解水中，發(fā)生變化的微粒是什么？什么微粒不變？

【學(xué)生】發(fā)生變化的是水分子，氫原子和氧原子不改變。

【教師】像電解水一樣，發(fā)生化學(xué)變化時(shí)，分子可分成原子，原子不可再分，只是再重新組合成新的分子，這就是道爾頓和阿伏伽德羅提出的化學(xué)變化的實(shí)質(zhì)。如何定義分子和原子呢？請閱讀教材。

【學(xué)生】分子是保持物質(zhì)化學(xué)性質(zhì)的最小粒子，原子是化學(xué)變化中的最小粒子。

設(shè)計(jì)意圖：通過對比實(shí)驗(yàn)以及搭建模型，幫助學(xué)生理解分子的結(jié)構(gòu)，運(yùn)用模型解釋物質(zhì)變化現(xiàn)象，揭示現(xiàn)象的本質(zhì)和規(guī)律，[3]大大降低了學(xué)生理解的難度，符合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，為后續(xù)學(xué)習(xí)奠定了基礎(chǔ)。

【教師】請同學(xué)們根據(jù)圖示，用微粒觀試著描述一下加熱氧化汞反應(yīng)的過程。

【學(xué)生】加熱時(shí)，氧化汞分子分成汞原子和氧原子，每2個(gè)氧原子構(gòu)成1個(gè)氧分子，許多氧分子構(gòu)成氧氣，許多汞原子直接構(gòu)成了汞。

【教師】由此可見，物質(zhì)不僅由分子構(gòu)成，有的物質(zhì)也是由原子構(gòu)成。關(guān)于分子和原子更多的知識，我們可以在后面課再學(xué)習(xí)。

六、教學(xué)反思

1.基于證據(jù)推理，提升思維能力

初三學(xué)生雖然已有多年的學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)，但基于證據(jù)的邏輯推理能力還有待提升。而本節(jié)課的內(nèi)容不是靠學(xué)生簡單背誦就能理解的，而是注重多來源證據(jù)的獲得，以及結(jié)論和證據(jù)之間邏輯關(guān)聯(lián)的起點(diǎn)。因此，本節(jié)課知識的獲得需要經(jīng)過學(xué)生認(rèn)知的深度加工，從而進(jìn)一步發(fā)展學(xué)生高階思維，達(dá)成深度教學(xué)的效果。

2.搭建模型，使教學(xué)“深入淺出”

本節(jié)課的教學(xué)內(nèi)容非常抽象、枯燥，知識點(diǎn)難以內(nèi)化和理解。為了調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，教學(xué)中運(yùn)用了多樣化的教學(xué)手段，大大降低了教學(xué)的難度。通過搭建微粒模型，讓學(xué)生積極主動參與，增進(jìn)學(xué)生對知識的深刻理解，形成以模型分析和解決問題的思路和方法。

3.以水為主線貫穿始終，發(fā)展核心素養(yǎng)

本節(jié)課以“水”為一條情境主線貫穿始終。宏觀物質(zhì)世界的變化真相，被一個(gè)個(gè)實(shí)驗(yàn)證據(jù)揭秘開來：水是由水分子構(gòu)成的，水分子非常小，水分子會運(yùn)動，水分子有距離，水分子會分成原子等，均由學(xué)生基于證據(jù)推理提出，最后形成了物質(zhì)、分子、原子之間的聯(lián)系，達(dá)到了知識間的融合。這樣不僅激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，“證據(jù)推理和模型認(rèn)知”的深度教學(xué)得到了充分落實(shí)，而且學(xué)生的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)也得到了發(fā)展，為他們進(jìn)一步了解和學(xué)習(xí)微觀世界作了良好的鋪墊。

參考文獻(xiàn)

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［3］李春紅，曹艷彤，張可欣.發(fā)展“模型認(rèn)知”素養(yǎng)的教學(xué)實(shí)踐——以“化學(xué)方程式”為例［J］.化學(xué)教育（中英文），2022，43（7）：47-51.