基于“證據推理與模型認知”的初中化學教學實踐

周健　胥躍廣

摘要：本文圍繞著初中化學“證據推理與模型認知”化學學科核心素養的培養，以初中化學教學“鐵與某物質反應生成的黑色固體含有哪些成分”為例，將“證據推理與模型認知”核心素養融到化學教學活動中，嘗試在化學核心素養的背景下培養學生“證據推理與模型認知”的化學學科核心素養。

關鍵詞：初中化學核心素養 教學實踐

高效滲透化學學科核心素養的課堂教學不是教師激情地講、學生被動地聽，而是師為導、生為主，圍繞學生精心設計科學實驗探究活動，讓學生在探究活動中提出問題，做出猜想與假設，觀察實驗產生的現象，收集證據，根據證據分析推理建立模型，應用模型解決問題。這樣的課堂教學才能讓學生的化學學科核心素養得到培養。筆者在復習課題2“金屬化學性質”時，以“鐵與某物質反應生成的黑色固體含有哪些成分”為例，緊緊圍繞黑色固體中是否有“單質鐵和四氧化三鐵”開展一系列科學實驗探究活動，讓學生自己在實驗中收集證據，進行“證據推理和模型認知”的化學學科核心素養培養。

一、教學過程

教學環節1：“金屬的化學性質”復習

目的：鞏固金屬三類化學反應模型。

教師：同學已經學習了金屬的哪些化學性質？

學生活動：研討、交流。

1.金屬與氧氣的反應

4Al+3O₂2A₂O₃

2.金屬與鹽酸、稀硫酸的反應

Mg+2HClMgCl₂+H₂↑

Zn+H₂SO₄ZnSO₄+H₂↑

3.金屬與金屬的鹽溶液反應

Fe+CuSO₄FeSO₄+Cu

教師：你們能從做過的實驗中總結出金屬的活動性有什么不同嗎？具體有哪些規律呢？

學生活動：研討、交流。

1.金屬與氧氣的反應：不是所有的金屬都與氧氣反應，“真金不怕火煉”說明金在高溫時也不與氧氣反應。

2.金屬與酸（鹽酸、稀硫酸）：不是所有的金屬都與之反應，必須是在金屬活動順序里位于氫前面的金屬才能置換出酸（鹽酸、稀硫酸）中的氫，而位于氫后面的金屬就不能置換出酸（鹽酸、稀硫酸）中的氫，例如金屬銅就不能置換出酸（鹽酸、稀硫酸）中的氫。

3.金屬與金屬的鹽溶液：不是所有的金屬都與之反應，在金屬活動順序表里，位于前面的金屬能把位于后面的金屬從它們的化合物溶液里置換出來，但要除去特別活潑金屬（鉀、鈣、鈉）。

多媒體投影：金屬活動順序判斷依據。（略）

教師：金屬有哪三類化學反應模型？

學生活動：研討、交流。

1.金屬與氧氣反應模型：金屬+氧氣=====金屬氧化物。

2.金屬與酸（鹽酸、稀硫酸）反應模型：金屬+酸=====金屬化合物+氫氣。

3.金屬與金屬化合物的溶液反應模型：金屬+金屬化合物=====金屬化合物+金屬。

教師：這節課討論金屬活動順序判斷依據在科學探究實驗活動中的具體運用。

設計意圖：通過回顧金屬化學性質，鞏固金屬活動性規律及金屬三類化學反應模型，為復習判斷金屬能否發生反應奠定基礎。金屬活動性及金屬三類化學反應模型的復習教學既有必要，也很重要，它將為這節化學課堂教學打下堅實的基礎。

教學環節2：鐵絲燃燒生成的黑色固體含有哪些成分？

目的：培養證據推理，構建認知模型。

問題2：老師做細鐵絲在氧氣中燃燒的實驗時，觀察到細鐵絲在氧氣中燃燒，生成黑色固體物質，那么這種黑色固體含有哪些成分？

教師引領學生分析：由實驗觀察到，帶有燃著的火柴的細鐵絲伸入氧氣中，燃燒后有黑色固體生成。我們由教材結論可知道一定含有四氧化三鐵這種物質。但集氣瓶中氧氣的量有限，隨著細鐵絲的燃燒而消耗，會不會有部分細鐵絲沒有與氧氣反應，只是受熱熔融濺落，有可能黑色固體會含有單質Fe？

猜想1：黑色固體只含Fe₃O₄。

猜想2：黑色固體中化合物Fe₃O₄與單質Fe兩種物質共存。

分析推理：對于上述兩種猜想，只根據它們的物理性質是無法證明的。由于兩者物理性質相似——黑色固體，難溶于水，又都能被磁鐵吸引，所以驗證它們是否共同存在只能利用它們的化學反應特征。

教師：請你們根據提供的試劑，通過實驗確定黑色固體含有的成分具體是什么。

提供試劑：稀硫酸、硫酸銅溶液。

學生1：根據金屬+酸=====金屬化合物+氫氣。

實驗1：取少許燃燒生成的黑色固體粉碎后裝入試管，加入足量的稀硫酸。

收集證據：觀察到試管內有氣泡生成，黑色固體溶解消失，無色溶液變為黃綠色。

學生2：根據金屬+金屬化合物=====金屬化合物+金屬。

實驗2：取少許燃燒生成的黑色固體粉碎后裝入試管，加入足量的硫酸銅溶液。

收集證據：黑色固體只有部分變為紅色物質，仍有黑色固體存在。溶液由藍色變為淺綠色。

證據推理：由實驗1收集證據，若黑色固體只含有四氧化三鐵，只能看到黑色固體溶解消失，無色溶液逐漸變為黃綠色。但在觀察時卻發現試管內有氣泡生成，說明黑色固體含有單質鐵，與稀硫酸反應生成氫氣。由實驗2收集證據，若黑色固體只含有四氧化三鐵，只能看到黑色固體不溶解消失，藍色溶液無變化，仍為藍色。但在觀察實驗現象時卻發現黑色固體只有部分變為紅色物質，仍有部分黑色固體存在，溶液由藍色逐漸變為淺綠色，說明黑色固體含有單質鐵，與硫酸銅反應，有紅色物質金屬銅生成。上述兩個實驗收集到的證據足以證明猜想2是正確的。E1DED967-DD3A-4EB8-9231-50DDE54DC5DF

形成結論：黑色固體中化合物Fe₃O₄和單質Fe兩種物質共存。

設計意圖：教師引領學生對生成的黑色固體成分進行分析，提出兩種猜想，根據復習的金屬反應模型設計兩種實驗方案，開展實驗探究活動。通過黑色固體與稀硫酸反應、黑色固體與硫酸銅反應兩個實驗，收集證據，分析推理，得出黑色固體中化合物Fe₃O₄與單質Fe兩種物質共存的結論。在引導學生結合證據進行分析推理的同時確立結論和證據之間的邏輯關系，構建探究實驗的認知模型，促進學生證據推理能力和模型認知能力的提升。

教學環節3：中考演練

目的：利用實驗探究構建認知模型解決實際問題，鞏固證據推理能力和利用模型解決問題的能力。

教師：實驗探究是培養學生“證據推理與模型認知”能力的重要手段。“鐵與某物質反應生成的黑色固體是否含有Fe與Fe₃O₄”，一直是中考實驗探究試題命題的熱點。題干中適當增加科學探究的若干步驟，考查學生觀察現象、尋找證據、進行推理、構建探究實驗“認知模型”、利用模型解決問題的能力。

某地中考實驗探究題（節選）：某同學用如圖所示裝置探究鐵粉在高溫下與水蒸氣能否發生反應及反應的產物。在硬質玻璃管中放入還原鐵粉，對燒瓶加熱生成水蒸氣通入盛有鐵粉的玻璃中，并對其加強熱。

加熱一段時間后，觀察到B裝置玻璃管內灰色鐵粉逐漸變成黑色，D裝置玻璃管內黑色氧化銅逐漸變成紅色，右端導管有水滴流下。

請回答下列問題：

（1）D裝置中的黑色氧化銅變成紅色是________物質與氧化銅反應，反應的化學方程式是________________________。B裝置玻璃管內黑色固體含有哪些成分？

（2）同學們討論后認為：根據質量守恒定律可知，鐵與水蒸氣反應生成氣體能使氧化銅由黑色變成紅色，B裝置玻璃管內黑色固體一定有“鐵的一種氧化物”，還可能含有沒有反應的“單質鐵”。

資料：鐵有三種氧化物（FeO、Fe₂O₃、Fe₃O₄），其中黑色FeO接觸到空氣會變為紅棕色;鐵的三種氧化物都不與硫酸銅溶液反應;鐵粉、Fe₃O₄均能被磁鐵吸引。

探究結論：鐵與水蒸氣發生________（反應類型），化學方程式是________________。

試題分析：雖然此題起點較高，有些學生感到茫然，但仔細觀察該試題可以發現，讓學生探究的主線沒有變化，仍是檢驗鐵與水蒸氣反應后黑色固體是否含有單質Fe和Fe₃O₄。學生若能想到該題用到的與前面學習的是同一種解題模型，就能很快解答此題。因此要求學生獨立思考，同學之間可以互相交流如何解答試題，再全班展示。

設計意圖：學生在課堂學習中構建實驗探究認知模型，在解決生產生活中遇到的各種問題時從多角度考慮，讓思維在分析推理的過程中碰撞，形成證據意識，在答題思考中多維度鞏固認知模型，在實驗探究活動中結出化學學科核心素養的碩果的。

二、教學反思

本節課教學，以“鐵與某物質反應生成的黑色固體含有哪些成分”作為科學探究活動的明線，以培養學生模型認知和證據推理能力作為暗線，進行科學探究課堂教學，層次清晰，首尾呼應，相互促進。三個例題，既各自獨立，又層層遞進，將“證據推理與模型認知”的化學學科核心素養培養不斷向前推進，使化學學科核心素養背景下的教學融于學生實驗探究活動中、轉化于思維之間、變換于中考試題里，讓學生在解決實際問題的過程中增強證據推理意識、提升模型認知能力。

“證據推理與模型認知”是化學學科核心素養的思維核心，是初中化學探究實驗教學的“靈魂”。在核心素養指引下，教師要有智慧地引領學生自主設計實驗收集證據，以互動生成的先進理念促使人人參與問題討論，對在探究實驗過程中觀察到的各種現象進行有條不紊的分析推理，從多方面進行探討論證，揭示現象的本質或規律，對生產生活中遇到的各種問題做出有理有據的合理解釋。學生通過證據推理和模型構建，使頭腦中的模糊認知逐漸清晰，享受豁然開朗帶來的快感，不斷激發學習興趣。

總之，在落實“證據推理與模型認知”的化學學科核心素養培養的教學過程中，學生能在教師的引導下學會基于“證據”進行推理、判斷、認識、理解，建構模型并利用模型處理問題。學生化學學科核心素養的培養不能一蹴而就，要在學生已有認知起點上，創設情境，以問題為導向，以科學探究活動為載體，真正落實在課堂教學中，實現科學育人的目的。教學要植根于課堂，從知識教學轉向學生素養培養，要著眼于學生能力的發展，讓每節課都為化學學科核心素養培養目標的達成添磚加瓦。

參考文獻：

[1]韋蘭萍.指向“證據推理和模型認知”的初中化學教學案例研究[J].中小學教育，2019（4）.

[2]李娜.基于“證據推理和模型認知”核心素養的高中化學探究性教學實踐[J].化學教與學，2019（5）.

[3]孟新新，張小燕.淺談基于證據推理和模型認知的中學化學教學設計案例研究[J].中學課程輔導，2018（32）.

責任編輯：黃大燦E1DED967-DD3A-4EB8-9231-50DDE54DC5DF