基于“證據推理和模型認知”的元素化學教學

杜博

摘要：以氨和銨鹽的教學為例，探討元素化學中培育“證據推理和模型認知”的教學實踐;通過關聯性問題和任務的設置，培育學生發現證據，邏輯推理，實驗驗證，建立模型，完善模型能力，并嘗試建立“證據推理和模型認知”的教學流程。

關鍵詞：核心素養;氨和銨鹽;證據推理;模型認知

文章編號：1008-0546（2020）10-0077-04

中圖分類號：G632.41

文獻標識碼：B

doi： 10.3969/j.issn.1008-0546.2020.10.020

高中化學學科核心素養包括“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、實驗探究與創新意識、科學精神與社會責任”共五項素養[1]。但是核心素養的培育從來都不是一蹴而就，需要貫穿到整個高中化學學習的始終。五大核心素養是相輔相成的整體，這需要一線的教師從學生全面發展角度綜合思考，如何在不同的階段、不同的教學內容上實施策略。有的教學內容側重于某一核心素養在不同水平的培育[2]，有的則需要綜合考慮各個核心素養培育。元素化學是落實“證據推理和模型認知”素養的重要載體，本文以氨和銨鹽性質學習為例探討在元素化學學習中著重落實“證據推理和模型認知”素養。

一、基于“證據推理和模型認知”素養的教學目標分析

“氨和銨鹽”是人教版必修l第四章第四節內容，課程標準要求：能結合真實情境中的應用實例或通過實驗探究，了解氮及其重要化合物的主要性質，認識這些物質在生產中的應用和對生態環境的影響。在進行氨和銨鹽的學習之前，學生已經學習了氯、硫及其化合物，具備基本的微粒觀念;也學習了氮的氧化物的性質，對于氮元素不同價態物質之間的轉化具備一定的認知水平;初中已經完成了銨鹽化肥的學習，對于銨鹽的性質有一定了解。然而受限于學科知識和學習經驗，學生對于氨態氮元素的存在感知不足，綜合以上分析，氨和銨鹽知識和素養分析如表l所示。

二、證據推理和模型認知教學設計思路

證據推理和模型認知的實施，往往離不開科學探究，需要以具體的化學問題的解決為載體。在解決具體化學問題的任務中，發現證據線索，提出猜想，設計實驗并得出結論，從而建立認知模型，并運用模型。然而對于物質的認識從來都不是一步到位的，學生在應用模型的過程中，發現新的證據，完善模型，從而實現認知水平的螺旋上升。學生主體的活動及其能力素養目標關系如圖1所示：

三、教學實施——基于證據推理和模型認知

1.真實情景——基于生活經驗的素材

【情境導入】老師剛剛從衛生間路過，發現里面的氣味似乎不太好聞。不知道大家留意到了沒有？

【學生】熱烈積極響應，紛紛表示印象深刻，特別是夏天更加明顯。

【提出問題】①依據生物知識，尿液的主要成分有哪些？

②該成分和刺激性氣味有何關系？為何夏天更加突出？

③有什么方法可以減少或消除這種氣味？

【素材展示】這個尿液中的一種成分——尿素的性質。

【學生討論】學生具備基本的生物學知識，容易得出①的結論為水和尿素等;依據元素組成，推測問題②的成因可能是：溫度升高容易分解，而生成含CO2和NH3，進一步推斷出該刺激性氣味可能為氨氣。對于問題③則不容易得出結論。

設計意圖：青春期的學生具有強烈的好奇心，基于生活的真實情景往往更能夠吸引他們的注意力。這個情景雖然“不雅”，但是對于生活中的現象的研究和解釋卻是重要的科學精神。

2.證據推理——科學認知氨氣

【教師引導】問題1：如何用簡單的方法證明該刺激性氣味就是氨氣導致？

【學生討論】直接聞氨氣的氣味，相對比就可以了。

【實驗證據】分組實驗，分別煽聞濃氨水，發現該氣味和廁所刺激性氣味的一致。

【教師引導】問題2：那為何廁所里該氣味久久不能散去？

【學生討論】分組討論，提出猜想：①通風不好;②水（尿液）中有較多的氨氣，不利于擴散;

【教師追問】若猜想②正確，其可能原因是什么？

【學生推理】氨氣的溶解度比較大。

【實驗證據】用礦泉水瓶收集一瓶氨氣，將吸有少量水（5mL）的注射器插入瓶蓋中，將注射器內的水注入其中，學生觀察并記錄實驗現象。

【學生匯報】礦泉水瓶發出“咔咔”的聲音，并劇烈收縮。

【學生推理】礦泉水瓶收縮→瓶內壓強減小→瓶內氣體減少→氣體溶解于少量水→氨氣極易溶于水。

【數據支持】查閱溶解度信息，發現l體積水最多能溶解700體積的氨氣。

【小結】可見，廁所刺激性氣味不易散盡，氨氣在水中溶解很大是主要原因之一。將氨氣溶于水，便可制得肥效高于有機農肥的氨水。

【認知遷移】演示噴泉實驗如圖2：

學生觀察并記錄、匯報實驗現象：①燒杯中液面倒吸人燒瓶中，②液體變為紅色。

【教師引導】問題3：使酚酞變紅的微粒是什么？原理是什么？

【學生推理】該物質能電離出氫氧根→有堿性物質生成。

【學生質疑】氨氣的分子式中并無氧元素，那氫氧根從何而來？

【學生推理】所得水溶液中水分子有氧元素，推測可能是與水反應生成堿，電離出氫氧根。

【教師追問】能否設計進一步的實驗，證實上述推斷？

【設計實驗】可以和鐵鹽、鋁鹽作用。

【學生實驗】分組實驗，交流匯報。

【教師引導】已知氨氣與水反應得到一種一元弱堿，寫出該弱堿的化學式，并寫出其電離方程式。

【認知建模】NH3+H2O=NH3·H2O=NH4+OH-

設計意圖：從了解廁所刺激性氣味到研究刺激性氣體成因——“氨氣”的性質，從生活經驗到科學探析。通過探究廁所刺激性氣味久久不能散去的原因，認知氨氣的物理性質。在研究溶解性的過程中，發現了新的線索，從物理性質（氣味、溶解性等）自然過渡到化學性質。并通過理論分析、設計實驗并驗證等認知氨水（主要成分NH3·H2O）具有堿性的本質特征，宏觀和微觀相結合，初步運用模型，遷移認知其化學性質。