基于認知模型思維培養中學生證據推理能力方法新探

摘 要：真實的化學課堂是學生化學學科核心素養養成的重要場所。元素周期律是學習元素化合物的理論依據，學好元素周期律能幫助學生將零散的知識點重新整合、建構，審視自己所學的元素化合物，發現元素之間內在和外在的規律，進而促進學生學習元素化合物知識。

關鍵詞：高中化學；邏輯推理；元素周期律；核心素養

作者簡介：楊曉月，江蘇省淮安市新淮高級中學教師。（江蘇 淮安 223300）

中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：A 文章編號：1671-0568（2018）33-0061-02

大時代背景下，社會對學生基于證據的推理能力有一定的要求。高考便時有基于所給信息進行推理的題目，這些信息常以文字、表格、圖形等形式出現，如預測未知元素的位置、尋找新材料等。對學生來說，分析各種信息數據的能力有待提高，本節課的學習可以在很大程度上提高學生的證據推理能力。

一、課標和教材分析

學科核心素養是學科育人價值的集中體現，是學生通過學科學習而逐步形成的正確價值觀念、必備品格和關鍵能力。目前，各個學科都在研究學科核心素養，其實化學學科自身的特點對核心素養的養成也十分重要。化學學科核心素養的形成，離不開真實的化學課堂。

《普通高中化學課程標準（2017年版）》指出：結合有關數據和實驗事實認識原子結構、元素性質呈周期性變化的規律，建構元素周期律。元素周期律位于“蘇教版”必修二專題1第一單元《原子核外電子排布與元素周期律》這一節，此前學生已經知道典型的金屬元素和非金屬元素的性質，這些內容比較分散，沒有形成系統化的元素化合物知識。元素周期律的學習，不僅能提高學生對未知元素結構、性質的預測能力，還能讓學生掌握學習化學的方法。

二、教學目標分析

1. 通過分析具體數據尋找原子核外電子排布、原子半徑、主要化合價的規律。

2. 從門捷列夫發現元素周期律的史實中，產生學習化學的激情。

3. 結合“位置——結構——性質”的學科觀念，體會元素周期律在未知元素中探尋的奧秘。

4. 初步形成基于證據的邏輯推理能力，嘗試發現隱藏在事物背后的內在聯系。

三、教學重難點分析

教學重點：建構關于元素周期律的認知模型。

教學難點：預測未知元素的性質、用途。

四、教學過程

環節一：巧用化學史，引發宏觀辨識

以微博熱搜導入，學生在猜春節對聯的過程中不自覺地翻開課本，尋找對應元素在元素周期表中的位置。

證據1：門捷列夫的第一張元素周期表。1869年，門捷列夫在分析和總結前人經驗的基礎上，提出了自己的第一張元素周期表。在觀察的過程中會發現周期表中還有很多問號，此時再引導學生思考問號的含義。

證據2：門捷列夫的預言。門捷列夫在鋁的下方給“類鋁”留了一個位置，并預測了它的性質。這種神奇的預言能夠為學生營造一種神秘的氛圍，在其沉浸于門捷列夫的偉大時，即刻給出第二張元素周期表。這種強烈的反差設計，學生很容易體會到縱然是被人銘記的門捷列夫也會有考慮不全的時候，進而意識到任何理論都需要不斷完善。

證據3：不斷改進的元素周期表。課本附錄中展示的元素周期表是在門捷列夫周期表的基礎上得到的，其實歷史上曾出現過各種類型的元素周期表，雖然最后沒有采用，但是依舊有其存在的意義。

問題驅動：元素周期表中的部分元素是為了紀念科學家命名的，組織學生討論這種做法的意義。

設計意圖：按照門捷列夫的生平故事→門捷列夫的第一張元素周期表→神奇的預言→門捷列夫的第二張元素周期表→形式各異的元素周期表的順序→紀念元素的由來展開。元素周期表是元素周期律的體現，各種類型證據的展示，能夠幫助學生從宏觀角度辨識元素周期律。

環節二：分析具體數據，建立認知模型

證據1：1-18號元素的原子結構示意圖。學生需從提供的1-18號元素的原子結構示意圖中，觀察數據，尋找元素原子核外電子排布的規律。

證據2：原子序數為3-9和11-17元素的原子半徑。學生需從原子半徑的具體數據出發，以原子序數為橫坐標、以原子半徑為縱坐標畫出柱狀圖。觀察自己所畫圖形，推理出原子半徑隨原子序數的變化規律。

證據3：1-18號元素的主要化合價。學生需依據1-18號元素的主要化合價數值，以原子序數為橫坐標、以化合價為縱坐標畫出折線圖。觀察自己所畫圖形，推理出隨原子序數的遞增，元素的主要化合價的周期性變化。

問題驅動：結合元素所處的位置，引導學生討論原子半徑、主要化合價隨原子序數遞增呈現周期性變化的原因。

設計意圖：學生能夠根據圖片、表格、自己所畫的折線圖等推理出元素周期律的具體內容，這種設計能夠培養學生使用數據、分析數據的能力。初中生主要是基于代表物及其分類認識物質，此處開始引導學生從原子結構（微觀）的角度認識元素的性質，初步建立關于元素周期律的認知模型。

環節三：自主實驗，體味創新意識

證據1：學生實驗。組織學生閱讀課本中關于元素的金屬性和非金屬性的信息提示，引導學生設計實驗方案，并據此做實驗。根據直觀的實驗現象，學生能夠認識到鈉、鎂、鋁與水（或酸）的反應越來越難，從而間接推理出從左到右元素的金屬性在減弱。總結之后，播放第一主族金屬元素與水的反應，根據劇烈的實驗現象推測出從上到下元素的金屬性在不斷增強。

證據2：第三周期非金屬元素的性質。先播放第三周期非金屬單質與氫氣反應的視頻，再引導學生閱讀教材分析得到硅、磷、硫、氯與氫氣的化合越來越容易，最高價氧化物對應的水化物的酸性在增強，間接推理出元素的非金屬性在增強。

問題驅動：結合元素所處的位置，啟發學生討論元素的金屬性和非金屬性隨原子序數遞增呈現周期性變化的原因。

設計意圖：在設計實驗、預測現象、得出結論、尋找規律的過程中，培養學生的創新意識。從原子結構角度認識典型元素的性質，從中總結一般規律，初步形成“位置——結構——性質”的學科觀念，建立關于元素周期律的認知模型。

環節四：預測未知元素，承擔社會責任

在元素周期律的指導下，我們已經解決了實際生活中的很多問題，但還有許多迷人之處等待我們去發現。

問題驅動：1925年，美國化學家曾在元素周期律的指導下，研究出一種性質穩定、無毒且易液化的制冷劑CF2Cl2，代替了之前電冰箱一直使用的氨氣、二氧化硫和丙烷。后來，我們發現氟氯代烷在慢慢地破壞高空的臭氧層，對地球的生命造成不可估量的損害。你能結合元素周期律想出新的替代物嗎？

設計意圖：結合“位置——結構——性質”之間的聯系，引導學生感悟利用元素周期律發現氟氯代烷的具體實例，再拋出目前存在的具體問題，繼續從元素周期律的角度出發研究新的替代物。這個環節的設置，可以幫助學生形成“位置——結構——性質”的學科觀念。

證據推理要求學生具有證據意識，能基于證據對物質組成、結構及其變化提出可能的假設，通過分析推理加以證實或證偽。在元素周期律的教學設計中，有完整的證據鏈，學生能夠很快地參與每個環節之中，據此提升自己基于證據的邏輯推理能力。

模型認知要求學生知道可以通過分析、推理等方法認識研究對象的本質特征、構成要素及其相互關系，建立認知模型，并能運用模型解釋化學現象，揭示現象的本質和規律。在元素周期律的教學設計中，先初步建立元素周期表，再借助原子結構示意圖、原子半徑、主要化合價的變化規律圖逐步建立對元素周期律的認知模型，依據模型推測未知元素的性質，從而更好地為生活服務。

參考文獻：

[1] 教育部.普通高中化學課程標準（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018.

[2] 盛根玉.門捷列夫發現元素周期律的歷史考察[J].化學教學，2011，（5）：65-69.

責任編輯 易繼斌