培育證據推理與模型認知素養的初中化學計算教學

摘要： 簡析化學計算的本質及說明了初中化學計算教學存在的問題，同時根據科學論證過程，提出了基于科學論證培育證據推理與模型認知素養的初中化學計算教學模型，分析了培育證據推理與模型認知素養的計算教學操作要求，概括了培育證據推理與模型認知素養計算教學的特點及關鍵點，并以“物質組成的簡單計算”為例加以闡述。

關鍵詞： 證據推理； 模型認知； 計算教學模型； 教學設計； 初中化學計算

文章編號： 1005-6629（2018）7-0051-04 中圖分類號： G633.8 文獻標識碼： B

“化學計算的本質是對化學問題的數學處理過程，即對物質的組成、結構、性質和變化規律的量化過程”[1]。也就是說，化學計算的本源是通過證據推理對物質及其變化中蘊含的定量關系進行模型揭示并加以運用。

然而，從初中化學教學實踐來看，學生雖然熟記了有關計算的基本概念原理，但是定量推理能力嚴重不足，面對新情境束手無策。分析其原因，發現有些教師忽視了計算模型建立與運用過程中思維模型的構建過程，忽視了計算模型賦予的化學意義，造成學生對概念原理的本質及其表征意義未能深刻理解，只會死記概念、硬套公式，使得解決有關計算的實際問題能力不足。為此，有必要探索培育證據推理與模型認知素養的計算教學，以期幫助一線教師設計發掘具備計算模型內隱的思維方式的計算教學，從而培育學生定量分析能力，最終幫助學生建立起認知物質世界的思路方法和思維方式。

1 培育證據推理與模型認知素養的計算教學模型

1.1 計算教學模型的建立

“證據推理與模型認知”包括以下五個方面的內涵[2]： （1）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；（2）通過分析推理加以證實或證偽；（3）建立觀點、結論和證據之間的邏輯關系；（4）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，建立模型；（5）能運用模型解釋化學現象，揭示現象的本質和規律。不難發現，培育證據推理與模型認知素養的計算教學是基于對物質的組成、結構和變化規律進行科學論證的模型量化過程。從科學知識產生的過程來看，理解了科學知識產生的過程，就能夠深刻理解知識的內涵，并在解決問題中加以遷移運用，從而形成對科學知識的認知方法和方式。根據這一理解，提出基于科學論證培育證據推理與模型認知素養的初中化學計算教學模型（如圖1）。

圖1 計算教學模型

該模型表明，培育證據推理與模型認知素養的教學過程實際上是科學論證的過程，包括事實（呈現問題）、事測（提出假設）、事由（分析推理）、事理（建立模型）和事為（運用模型）。其經歷了兩個過程： 一個是根據證據推理建構模型的過程，是在深刻理解各量關系的基礎上建構起來的；另一個是運用計算模型解決實際問題的模型外顯過程，是對計算模型的本質及其表征意義的解釋。其中，證據推理是學生深刻理解概念原理的本質及其表征意義的過程，是建立模型和運用模型的思維過程。

1.2 計算教學模型的運用

化學是一門在原子、分子水平上研究物質的組成、結構、性質及其變化規律的科學。而化學計算的本質是對物質的組成、結構和變化規律的量化過程。為此，計算教學模型的運用離不開化學學科獨特的“宏微符”聯系轉化思維方式。同時，模型的運用過程要幫助學生厘清關聯知識的進階層級，如此才能更好地促進學生的模型認知發展，促進學生建構良好的定量認知結構，提高分析、解決實際問題的能力。

基于學生定量認知發展線索，幫助學生建立起宏觀、微觀和符號之間定量聯系轉化關系，并用概念原理固化下來，這是對知識理性的、深刻的、本質層面上的理解，能更好地培育學生的證據推理與模型認知素養。

1.2.1 建立“宏微符”之間的定量轉化思維方式

研究表明，如果學生認知結構中的知識表征是多維而有序的，則所獲得的知識可靈活運用于不同情境[3]。為此，幫助學生從“整體個體關系”（包括混合物與純凈物、物質與元素、物質與分子、元素與原子、分子與原子、化學反應與反應物和生成物之間的定量關系）視角，建構起宏觀、微觀和符號之間的定量轉化思維方式，形成完善的認知結構，從而解構計算模型的成因是深刻理解計算模型的本質及其表征意義的關鍵。“宏微符”之間定量轉化關系如圖2所示，其內隱著“科學計量”、“整體個體關系”思想。

圖2 “宏微符”定量轉化關系

1.2.2 厘清關聯知識的進階層級

依據學科特征和學習進階理論，根據教材中關聯知識的呈現線索，以及學生的認知發展水平，幫助學生厘清建立計算模型的關聯知識層級，打通關聯思維，為理解而學習，從而促進學生根據證據進行推理探索規律和建構理論模型，建構促進計算模型建立的定量認識發展知識層級[4]（如圖3）。

圖3 定量認識發展層級

2 培育證據推理與模型認知素養的計算教學實踐

培育證據推理與模型認知素養的計算教學模型指導的教學設計，其操作步驟如圖4。其中，“呈現層級問題”是關鍵。在厘清定量認識知識層級、厘清“宏微符”表征之間定量轉化關系基礎上，設計層級問題，幫助學生進行證據推理，形成用“整體個體關系”思想和“宏微符”表征定量轉化思想去看待物質世界的思路方法。

分析教學目標→厘清定量認識層級厘清定量三重表征→呈現層級問題進行分析推理→

提煉邏輯關系建立計算模型→創設問題情境運用計算模型

圖4 計算教學設計操作步驟

下面以“物質組成的簡單計算”為例進行分析。

2.1 教學目標分析

課程標準提出“利用相對原子質量、相對分子質量進行物質組成的簡單計算”的學習要求。教學設計處理時，重點要幫助學生用“整體個體關系”思想和“宏微符”定量轉化思想來厘清物質組成的內隱關系（其中純凈物組成的內隱關系如圖5），從而培育學生多維而有序的認知結構，提高學生的證據推理與模型認知素養。

圖5 純凈物組成的內隱關系

基于課程標準要求、證據推理與模型認知的內涵和物質組成的內隱關系，本內容需要達成如下教學目標： （1）基于對純凈物具有固定的組成和結構的認識，提出純凈物與元素之間質量關系的假設；（2）幫助學生用“整體個體關系”思想和“宏微符”定量轉化思想進行分析推理，厘清混合物、純凈物、元素之間的邏輯關系，厘清化學式、純凈物、元素、分子、原子之間的邏輯關系，建構它們之間的總和關系、比例關系、變化關系、轉化關系的思維框架，建立純凈物與元素之間的質量關系模型；（3）用“整體個體關系”思想和“宏微符”定量轉化思想理解模型，建立運用模型解決實際問題的思路方法。

2.2 教學過程設計

根據本內容的教學目標，結合計算教學模型，為促進學生深刻理解計算模型的本質和意義，建立起具備學科特征并符合學習進階的解決問題的思路方法，本課教學過程設計如下：

2.2.1 呈現問題，提出假設

尿素是一種肥效高、土壤適應性好的常用氮肥。圖6是某尿素標簽的部分信息，該尿素樣品是純凈物還是混合物？

圖6 某尿素標簽的部分信息

設計意圖： 呈現生活實際問題，體現化學學科價值，引導學生從微觀構成上進行猜想，激發學生為了驗證假設積極參與建構純凈物中元素含量的關系模型。

2.2.2 分析推理，建立模型

問題1： 純凈物有固定的組成，以尿素[CO（NH2）2]為例（下同），你能說出哪些信息？

設計意圖： 引導學生從整體與個體、宏觀與微觀視角分析符號的意義，培育“宏微符”轉化思維、“整體個體關系”思維認識物質世界的思想方法，幫助學生建立起物質組成的內隱關系（參照圖5）。

問題2： 純凈物中元素之間的質量比例關系的表征方法有幾種？

設計意圖： 組織學生討論，幫助學生根據物質組成的內隱關系（參照圖5），引導學生利用“整體個體關系”思想，認識純凈物中元素之間的質量關系的兩種表征方法： 一種是元素質量比，另一種是元素質量分數。幫助學生建構定量總和水平、定量變化水平和定量比例水平的思維框架模型，并加以理解和表征。

問題3： 根據物質組成的內隱關系（參照圖5），從微觀視角分析，構成物質的分子中各原子的質量比如何用公式來表征？分子中各原子的質量分數如何用公式來表征？從宏微轉化視角分析，純凈物中各元素的質量比可以如何表征？元素質量分數可以如何表征？

設計意圖： 利用“宏微符”表征定量轉化和“整體個體關系”思維，將這種聯系從微觀層面推移到宏觀層面，通過證據推理，學生自然地建構起計算模型，從而培育學生宏微定量轉化思維水平，促進學生深刻理解計算模型的本質和意義。

2.2.3 運用模型，解決問題

問題4： 結合物質組成的內隱關系（參照圖5），說說尿素[CO（NH2）2]有哪些定量信息？

設計意圖： 評價學生“宏微符”表征定量轉化和“整體個體關系”的思維水平，促進學生思維結構化地理解計算模型的意義。

問題5： 通過數據說說該尿素樣品是純凈物還是混合物？該尿素樣品中尿素的質量分數是多少？

設計意圖： 評價學生理解、運用計算模型的遷移能力。

問題6： 多少克硝酸銨（NH4NO3）與100克尿素[CO（NH2）2]中氮元素質量相等？

設計意圖： 評價學生對計算模型的理解、運用水平，促進學生“宏微符”表征定量轉化能力。

3 總結與反思

這一教學設計是培育學生證據推理與模型認知素養的科學論證過程。該教學設計基于“證據推理與模型認知”素養內涵，遵循學習進階理論，體現“宏微符”三重表征這一化學學科獨特的思維方式，從而培育學生科學素養，促進學生深刻理解計算模型的本質和意義。

實踐這一教學設計，關鍵是要幫助學生用“整體個體關系”思想和“宏微符”定量轉化思想展開分析推理，厘清各量之間的定性關系、定量總和關系、定量比例關系、定量變化關系和宏微定量轉化關系（或條件定量關系）。幫助學生厘清各量之間的關系，建立起“整體個體關系”思想和“宏微符”定量轉化思想，才能設計出簡約高質的思維層級問題，才能有效培育學生的證據推理與模型認知素養，促進學生多維而有序地理解計算模型并運用模型解決不同情境的化學問題。

參考文獻：

[1]楊玉琴. 化學計算的學科本質及教學[J]. 化學教學， 2013， （10）： 6～9.

[2]顧建辛. 關于化學核心素養培育的微觀思考[J]. 化學教學， 2017， （11）： 34～38.

[3]盧巍. 論化學智慧教學[M]. 濟南： 山東教育出版社， 2010： 1～25.

[4]羅月旺， 李珍， 楊梓生. 促進初中學生定量觀建構的教學設計[J]. 化學教學， 2017， （5）： 29～32.