基于“證據推理與模型認知”核心素養的高中化學探究性教學實踐

李娜

摘要：以“化學能轉化為電能”為例，探索在化學課堂中實踐化學核心素養，以“證據推理與模型認知”為主調打造探究型的化學課堂，層層推進，激發學生興趣，以促進學生的化學核心素養得到全方位發展。

關鍵詞：化學課堂;化學核心素養;探究

文章編號：1008-0546（2019）05-0057-04

中圖分類號：G632.41 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2019.05.018

一、設計背景

1.高中化學學科核心素養

“普通高中化學學科核心素養”提出“宏觀辨識與微觀探析、變化觀念與平衡思想、證據推理與模型認知、科學探究與創新意識、科學態度與社會責任”等五個維度的素養。其中，“宏觀辨識與微觀探析”體現了化學學科的特征，要求學生從化學的視角認識和解決問題;“變化觀念與平衡思想”體現化學學科基本觀念，體現物質變化中普遍存在的對立統一和動態平衡觀念;“科學探究與創新意識”是化學學科核心素養“核心”的核心，以科學探究為實踐基礎，在實踐中發現和提出有探究價值的化學問題;基于證據進行分析推理，運用多種模型來描述和解釋化學現象，因此，“證據推理與模型認知”是思維核心;“科學態度與社會責任”是價值追求與立場，培養學生的可持續發展意識和綠色化學觀念。

2.探究性教學模式

探究性教學模式是指在教學過程中，要求學生在教師指導下，通過以“自主、探究、合作”為特征的學習方式對當前教學內容中的主要知識點進行自主學習、深入探究并進行小組合作交流。包括創設情境激發興趣、啟發思考提出質疑、自主（或小組）探究設計方案、協作交流實驗驗證、總結提高得出結論等幾個環節。

打造探究型的化學課堂，并貫穿以“證據推理與模型認知”為主調的核心素養，聯系生活實際、創設問題情境，引導學生主動參與、合作學習，培養學生科學探究能力，激發學生創新意識，樹立正確的情感態度與價值觀，促進學生的核心素養全面發展。

二、基于“證據推理與模型認知”核心素養的探究型化學課堂——以“化學能轉化為電能”為例

1.教材、學情分析

本節課教學內容是蘇教版高一化學必修2專題二第三單元《化學能與電能的轉化》第一節內容，是必修1“氧化還原反應”的拓展延伸，也是能量轉化的生動體現，為之后“化學電源”“電能轉化為化學能”的學習做好了鋪墊。

學生有“氧化還原反應”的基礎知識，也能熟練寫出基本的氧化還原反應，又剛學過“化學反應中的熱量”，對化學反應能量轉化有一定的了解，通過必修1的學習對宏觀現象是由微觀本質所決定的思維方式也非常成熟，但是對于“原電池”這個概念是第一次接觸，并且要將氧化還原反應升華到應用層面，對學生來說是個非常大的挑戰。為避免學生對電化學這種概念抽象的原理課產生畏難無聊等情緒，必須設計好本節課，讓學生在探究性課堂中培養其核心素養，使課堂懸念迭生，學生在自主質疑、推理、尋證、解疑過程中抽絲剝繭，建立原電池模型，激發學生自身的學習興趣，掌握學習方法，打好電化學學習的第一槍。

2.“證據推理與模型認知”的內涵及教學目標

化學學習過程應該是以物質組成、結構及其變化的事實作為構建假設論證的基礎，并同時對假設進行證實與證偽的分析，在此基礎上研究并建立認知物質的基本模型，最后得到認知物質世界的基本方法。作為化學學科核心素養的思維核心“證據推理與模型認知”有五方面的內涵，而這些內涵分別表達了五種不同的意識（如圖1），這五種意識也分別對應了五種不同培育目標，即學會假設、學會認證、學會分析、學會預測與建模、學會問題解決。

基于“證據推理與模型認知”的內涵及培育目標，對于“化學能轉化為電能”這節課我設計了以下教學行為，以此構建成探究性課堂（如表1）。

3.教學流程

（1）創設情境，在情境中生成疑問

【情境引入】曾經網上有這么一個傳說，幾千個蘋果連在一起就可以為手機充電。這果蔬到底能不能提供電能呢？實驗是檢驗真知的標準。

【分組實驗】6個小組分別根據提供的材料模仿如圖2組裝成電路（西紅柿、酒精、銅片、鋅片、鉛筆芯、導線、電子時鐘），觀察是否有電流通過。

【提出質疑】根據6組實驗的成功和失敗（如表2），提出疑問：為什么有的能產生電流有的不能，這與電極和介質有什么關系呢？（說明：第六組實驗學生很容易得出結論：電流的產生必須要形成閉合回路。）

設計意圖：通過學生小組實驗的成功和失敗，設置懸念，激發學生好奇心，通過對比使學生心中產生質疑，為后面提出假設尋找證據推理解疑的探究過程埋下伏筆。

（2）質疑尋證，在探究中解釋疑問

【假設1】根據第二、三、四組實驗，電流的產生與兩個電極有關？

【實驗探究一】鋅銅電極哪個作為電池的正極或負極？

【演示實驗】鋅一銅一硫酸裝置：電流表指針偏轉，銅片表面產生氣泡（如圖3）。

【對比實驗】干電池與電流表連接：接通電源后電流表指針發生偏轉（如圖4）。

【結論】通過對比實驗得出，鋅一銅一硫酸裝置類似于電池組裝成閉合回路之后可以形成電流，根據電流表指針偏向及電子從電源負極經過導線流向電源正極，得出鋅做負極，銅做正極。根據實驗現象和得失電子寫出正負極反應式，zn負極：zn-2e=Zn²⁺（氧化反應）cu正極：2H⁺+2e-=H2↑（還原反應）

總結：將化學能轉化為電能的裝置稱為原電池，電子從原電池的負極流向原電池的正極。

設計意圖：通過干電池做對比判斷出正負極，得出原電池概念，在電極反應式書寫與電子得失守恒中發展“宏觀辨識與微觀探析”的素養。

【實驗探究二】不同電極對形成原電池影響的本質原因

【實驗驗證】信息：電極電勢差形成電壓。利用手持技術——電勢傳感器測鋅一銅一硫酸、鋅一碳一硫酸、鋅一鋅一硫酸三套裝置的電勢差，得到表3和圖4。

設計意圖：通過對比和手持技術，從微觀本質解釋不同電極對形成原電池與否的影響，更好地幫助學生探究與理解。

【解疑一】原電池形成的條件之一：兩個正負電極與介質構成之后能形成電勢差，一股腈況下兩個電極的活潑性要不同，從而自動實現電子轉移形成電流，由此又可以發現原電池的形成需要自發的氧化還原反應，就可以解釋為什么第一組實驗無法成功，因為銅硫酸沒有形成自發的氧化還原反應。

【假設2】根據第四、五組實驗，電流的產生與介質有關，介質中需要離子的參與，離子如何移動呢？

【實驗探究三】zn-C-H2SO4中滴加KMnO4，觀察紫紅色MnO4-陰離子的移動方向（如圖5）。

設計意圖：通過簡易創新實驗的探究，得出外電路導線上變化的是電子的移動，而介質中必須要有帶電荷的微粒移動來平衡電性，即必須要有離子的移動，以此發展了“變化觀念與平衡思想”、“科學探究與創新意識”的素養。

【解疑二】原電池的形成條件之一：介質要有電解質，需要離子的移動，且陰離子移向負極，陽離子移向正極。

【建立模型】原電池模型如圖6。

設計意圖：完善學生的知識構架，從“宏觀一微觀一符號”三重表征建立原電池模型，認識化學現象與模型之間的聯系。

（3）科學應用，在實際中解決問題

【升華】利用原電池模型解決鋼鐵的電化學腐蝕問題。

設計意圖：利用所建模型解決實際問題，建立思維框架，為后續的化學電源學習做鋪墊，并能將原電池應用于實際的綠色生產和綠色生活中，以此發展“科學態度與社會責任”的素養。

三、教學反思

將傳統的探究性教學與化學核心素養結合，從而打造出基于“證據推理與模型認知”的探究性化學課堂，既可以發揮探究性教學中問題情境對教學的作用，又可以通過探究活動幫助學生樹立獨立分析的意識，提高依據目標設計實驗的能力以及依據物質變化的內在規律做出模型假設與模型構建的能力，幫助學生形成解決化學問題的基本框架，由此實現“從化學的視角認識事物和解決問題的思想、方法、觀點”的化學學科價值，兩者相輔相成使探究性教學的真正落實明確了方向，使在著重發展“證據推理與模型認知”素養的同時其他核心素養也能得到全面發展。

在“化學能轉化為電能”的教學中，我們長期都是以傳授知識為主，即使會設計學生實驗、討論原電池構成所需的條件，但依然追求知識結構的完整性，忽視了證據推理與模型認知的引導。比如我們常提到構成原電池的條件之一：兩個電極是活潑性不同的金屬（非金屬），并沒有提出本質原因即電勢差，從而在后面氫氧燃料電池學習時給學生造成了困擾。我們在課堂設計時不應只是為了得到固有結論而流于形式設計成“偽探究”，應深入本質交給學生如何“學”：學質疑、學求證、學推理、學建模、學解疑，體驗并落實學生的核心素養。當然，對于本節課的設計也存在遺憾，針對“自發的氧化還原反應”并未進行深入直觀的實驗探究，后來通過查閱資料考慮到是否可以通過溫度計測量鋅一銅一硫酸電池的溫度變化，從“放熱的氧化還原反應”來探究有待于進一步實踐。