基于“證據推理與模型認知”的實驗探究教學

丁玲杰 王永臻 李德前

摘要：基于理論分析、猜想假設、實驗驗證等方式，探究真實情境下Fe與Fe₃O₄在情況;在此基礎上，引導學生演練有關探究Fe與Fe₃O₄存在的中考真題。這系列探究活動，發展了學生的理性思維，增強了學生的建模水平，提高了學生學以致用的能力，著力培育了學生“證據推理與模型認知”的核心素養。

關鍵詞：核心素養，證據推理與模型認知，實驗探究，Fe與Fe₃O₄的存在

文章編號：1008-0546（2020）05-0091-03 中圖分類號：G632.41 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2020.05.024

有關文獻和教學實踐證明，基于化學實驗的探究活動是發展學生“證據推理與模型認知”素養的最佳載體。

教學中，我們圍繞Fe與Fe₃O₄的存在情況開展系列探究活動，培養學生依托證據進行推理的意識，提高學生的科學探究欲望與解決實際問題的能力，提升學生基于化學視角認識客觀事物的水平，構建實驗探究認知模型，并不斷發展學生的“證據推理與模型認知”素養。

一、教學基本思路

這是一節綜合性的復習課，主要教學意圖是促進學生掌握檢驗Fe與Fe₃O₄存在的常用方法，構建解決此類問題的形式模型;通過系列探究活動，增強學生的證據意識、推理意識和建模意識，提高學生的猜想與預測、論證與分析、建模與解題等水平，發展學生“證據推理與模型認知”的核心素養。

本節課由4個探究活動串聯而成，依次是：正立在桌子上的一瓶氣體是什么氣體——此活動旨在啟迪學生的證據推理意識;鐵絲絨在氧氣中燃燒濺落下來的黑色固體是什么物質——此活動旨在培養學生證據推理能力，初步建構實驗探究認知模型;CO還原Fe₂O₃得到的黑色固體是什么物質——此活動旨在強化學生證據推理意識、提升證據推理能力，建構實驗探究認知模型;演練本地的中考實驗探究題——此活動旨在利用建構的模型解決簡單的實際問題，鞏固證據推理能力。

上述每個活動既保持獨立，又首尾呼應，且不斷推進。整節課，教師將學科知識與解題方法、操作技能與實驗方法、學科觀念與科學素養等，巧妙融合于科學探究中、轉化于思維空間內、變換于中考真題里，進而將學生引入核心素養的孕育之中。

二、教學主要過程

1.探究活動I：正立在桌子上的一瓶氣體是什么氣體

[問題情境]這瓶剛收集的正立在桌子上的氣體（見圖1），是我們學習過的哪種常見氣體呢？

[分析推理]學生通過看氣體顏色及放置方式，聞氣體氣味等物理手段，對氣體成分進行初步判斷，并在此基礎上對氣體成分作出猜想。

[提出猜想]這瓶氣體可能是氧氣，也可能是二氧化碳氣體。

[設計實驗]如果猜想是氧氣，可以依據氧氣能支持燃燒的特性設計實驗;如果猜想是二氧化碳氣體，可以依據二氧化碳能使石灰水變渾濁的特征反應設計實驗。

[證據推理1]各小組利用提供的試劑（澄清石灰水）進行實驗，發現石灰水沒有變渾濁，說明這瓶氣體不是二氧化碳氣體。

[證據推理2]選用鐵絲絨進行實驗，其操作過程（見圖2）。將點燃后的超細鐵絲絨緩慢伸入集氣瓶內，立即觀察到鐵絲絨燃燒異常劇烈，濃密的火星四處飛濺，放出大量的熱。

[形成結論]集氣瓶內的氣體是氧氣。

（活動意圖及教學分析：該活動引導學生認識猜想、證據和結論之間的關系。觀察氣體顏色和氣體放置方式，是獲取氣體性質的重要途徑;由于是瓶口向上放置的常見無色氣體，因而初步推知是氧氣或二氧化碳。再利用石灰水、易燃物，不難驗證集氣瓶內盛放的是氧氣）

2.探究活動Ⅱ：鐵絲絨在氧氣中燃燒濺落下來的黑色固體是什么物質

[問題情境]剛才的集氣瓶內，殘留的黑色固體是什么物質呢？

[分析推理]鐵在氧氣中燃燒的產物是Fe₃O₄，因此殘留的黑色固體中一定含有Fe₃O₄。另外，如果氧氣有限，一部分來不及燃燒的熔融鐵會伴隨著燃燒產物而濺落下來，所以黑色固體中還可能含有Fe。

[提出猜想]由上述分析，學生不難提出如下兩個猜想：

①黑色固體全部是Fe₃O₄;

②黑色固體是Fe與Fe₃O₄的混合物。

[分析推理]要證明上述猜想，可以根據Fe、Fe₃O₄的物理特性或特征反應進行實驗。由于Fe和Fe₃O₄都是黑色固體、都能被磁鐵吸引，因此檢驗兩者的存在通常依據它們各自的特征反應來選擇試劑。

[過渡]下面給同學們提供三種試劑（稀鹽酸、稀硫酸、CuSO₄溶液），請你們通過實驗確定，這三種試劑是否可以用來探究F。與Fe3O₄的存在。

[分組實驗]共有6個小實驗，每組選擇1個進行。實驗結束后，完成實驗報告，并分析實驗現象、形成實驗結論。

[證據推理]在僅含有Fe、僅含有Fe₃O₄、既含有Fe又含有Fe₃O₄的試管里，分別加入稀鹽酸或稀硫酸或CuSO₄溶液時，實驗現象各不相同。因此，檢驗Fe和Fe₃O₄的存在可以使用足量的稀鹽酸、稀硫酸或CuSO₄溶液。

[證據收集]學生取少許鐵絲絨燃燒濺落下來的黑色固體，研碎并裝入試管，滴加足量的CuSO₄溶液（或稀硫酸或稀鹽酸），發現黑色固體部分變為紅色固體，溶液逐漸變為淺綠色。

[形成結論]鐵絲絨燃燒濺落下來的黑色固體中，既含有Fe也含有Fe₃O₄。

（活動意圖及教學分析：該活動引導學生對證據進行分析和推理，確立結論和證據之間的邏輯關系，初步建立實驗探究的認知模型，從而培養學生推理和分析的能力。根據鐵和氧氣反應的產物以及反應物的量，對黑色固體的成分提出兩種猜想;根據Fe和Fe₃O₄的性質和特征反應，設計不同的探究方案;根據黑色固體與酸溶液或硫酸銅溶液反應的現象，推知黑色固體中含有Fe和Fe₃O₄）

3.探究活動Ⅲ：CO還原Fe₃O₃得到的黑色固體是什么物質

[觀看微課]CO還原Fe₂O₃實驗。

該微課的主要內容是：①再現該實驗的主要操作、實驗現象;②介紹CO與Fe₂O₃反應的機理，即Fe₂O₃中的氧元素是逐步失去的（Fe₂O₃→Fe₃O₄→FeO→Fe）;③介紹鐵的氧化物的一些特征，即只有Fe₂O₃是紅棕色，其余皆是黑色;只有FeO不穩定（在空氣中很快被氧化為紅棕色的Fe₂O₃），只有Fe₃O₄有磁性。

[證據收集]取少許CO還原Fe₂O₃實驗所得黑色粉末，倒在白紙上，發現黑色粉末沒變色。用磁鐵靠近黑色粉末，發現能被全部吸引。據此，學生猜想黑色粉末的組成。

[提出猜想]

①黑色粉末中僅含有Fe;

②黑色粉末中僅含有Fe₃O₄;

③黑色粉末中含有Fe和Fe₃O₄。

[證據推理]取樣，滴加足量的稀鹽酸或CuSO₄溶液;根據實驗現象，即可判斷Fe與Fe₃O₄的存在情況。

[形成結論]CO還原Fe₂O₃實驗得到的黑色粉末中，既含有Fe也含有Fe₃O₄。

（活動意圖及教學分析：通過對CO還原Fe₂O₃得到的黑色固體探究，提升學生尋找證據的能力;引導學生根據實驗事實收集相關證據，對實驗現象進行分析和推理，做出有理有據的解釋并得到合理的結論，構建實驗探究的認知模型。）

4.探究活動Ⅳ：演練中考真題（中考實驗探究題）

[過渡]探究Fe與Fe₃O₄的存在情況是中考實驗命題的熱點，適當融合問題情境、猜想假設、實驗驗證、得出結論、拓展延伸等環節，就是一道實驗探究試題。著重考查學生運用掌握的方法和建構的模型，解決新問題的能力。

[投影題目]徐州市中考實驗探究題（此處題目省略）。

[試題分析]此題以“鐵與水蒸氣反應”的實驗為背景，通過紙筆測試考查同學們的實驗探究能力和科學素養。雖然本題涉及高中化學實驗，但探究的主線仍然是“檢驗Fe和Fe₃O₄的存在。因此，解決有關問題的思路與前面的探究實驗非常類似。學生在白板或練習本上，先獨立解答試題，再展示交流。通過紙筆練習，鞏固有關的知識與技能，提升學生素養。教師巡視、指導、釋疑。

（活動意圖及教學分析：利用構建的實驗探究認知模型，解決生產生活中的實際問題，從裝置、原理等維度和實驗現象分析來鞏固認知模型。將學生的思維過程外顯，在思維碰撞中培養證據意識，在實驗探究中通過現象證明分析推理是正確的）

[課堂結語]教師飽含深情地說道：“同學們，人生就是一場持久的探究，需要我們不斷思考、不斷計劃、不斷嘗試……只有勤于探索，才有精彩的人生！”

（設計意圖及教學分析：教師的結束語注重教書育人，能夠將本節課的知識與技能提升和素養培育升華為化學教育的終極目標——立德樹人）

三、教學反思

本節復習課，以物質的性質和科學探究活動作為明線，以培養模型建構和證據推理能力作為暗線貫穿于整個學習過程;兩條線脈絡清晰，同時又相互交織，相互促進，建構起實驗探究的認知模型。

整個探究活動，通過思考與交流、討論與實驗、反饋與體驗等多元方式強化了學生的證據意識，提升了學生的分析推理能力;在活動過程中加深了學生對實驗探究認知模型的理解與應用，更重要的是為學生提供了一種學習化學的方法——模型建構法，利用模型再去解決同類問題，這也符合化學學科核心素養中對證據推理和模型認知的要求，也是學生高階思維能力培養的有效載體。

實驗是化學的根，所以貫穿于本節課的始終;證據意識是探究活動的根，基于證據推理的科學探究才是有價值的探究活動;課堂上抓住關鍵問題，設計不同活動，活動中尋找證據、促成反思，并逐漸把這種意識內化為學科觀念與科學精神。

當然，教學是一門遺憾的藝術。由于初中階段的知識局限以及學情限制，本節課所選擇的問題過多地考慮“學生的最近發展區”，在設計實驗等方面，教師點撥的多、學生主動發現的少。

總之，“證據推理與模型認知”素養是科學探究與創新的思維核心。在化學教學中，我們一線教師要植根于課堂，勤于挖掘教學素材;要著眼于學生，精心開發學習資源;要以素養為本，善于設計案例。這樣，培養學生的化學核心素養就一定能落到實處，立德樹人的根本宗旨就一定能潛移默化地影響學生一生。