基于證據推理的氮及其化合物教學實踐研究

劉 怡

(江蘇省南京市第十三中學 210008)

1 “證據推理”的內涵解析

《普通高中化學課程標準(2017年版)》對于證據推理的理解為：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，通過分析推理加以證實或證偽；建立觀點、結論和證據之間的邏輯關系.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，建立認知模型，并能運用模型解釋化學現象，揭示現象的本質和規律.在化學學習中，證據推理一般包含以下四個步驟：發現問題、形成假設、搜集證據、獲得結論(如圖1所示).其中，證據推理的方式又分為兩種：證實或證偽.在證據推理的過程中，證據是獲得結論的基石.證據的真實性、客觀性、合理性、邏輯性對于結論的獲得有至關重要的作用.在學生學習化學的過程中，證據的獲得多依賴于觀察，如觀察實驗現象、觀察生活中的真實情況、觀察已有的資料數據等.學生在完成證據的搜集后，亦需要通過歸納、演繹、類比等邏輯分析的高階思維能力從而得出結論.證據推理素養的培養，對于學生有較高的要求，需要教師在日常的教學中加以引導和訓練，從而培養學生掌握搜集證據的方式方法、在證據和結論間搭建橋梁的思維模式.

圖1

2 “證據推理”的教學實踐

“氮及其化合物”是人教版《化學》第二冊第五章化工生產中的重要非金屬元素第二節的內容.新教材在編排中進一步精選學科內容，重視以學科大概念為核心，使課程內容結構化，以主題為引領，使課程內容情境化，促進學科核心素養的落實.這節內容安排在氧化還原反應、離子反應等化學反應原理，以及金屬及其化合物等元素化合物的內容之后.在授課中，學生能較為熟練地運用氧化還原反應等知識分析化學反應原理，學生在鈉、鋁、鐵、硅、氯等元素及其化合物的學習過程中也累積了一定學習元素化合物知識的經驗.本節內容中教材依次呈現了氮的氧化物、氨、硝酸等氮及其化合物的性質，既符合學生的認知順序，又體現了氮及其化合物知識內容的一體性.在課堂教學中，教師應幫助學生從證據推理角度發現問題并最終獲得結論的方法和途徑，提高學生證據推理的素養.

2.1 情境創設與證據推理相聯系

教學片段1 農諺“雷雨發莊稼”原理探究

【師】農諺有言“雷雨發莊稼”、“ 一場雷雨一場肥”，是指雷雨季節莊稼生長格外茂盛，你知道其中的奧秘嗎？

【師】我們先來分析，自然界為制造肥料提供了什么樣的條件？

【生】打雷、閃電、下雨.

【師】那我們就一起來看看，在打雷閃電的條件下，空氣中到底發生了什么變化？播放視頻《模擬雷電條件下氮氣和氧氣的反應》.請同學們記錄反應現象，并在書本中查找該反應的原理.

【師】這樣將大氣中游離態的氮轉化為氮的化合物的過程叫做氮的固定.

新課程改革倡導真實情境的創設，在本節課的引入中，以農諺“雷雨發莊稼”這一情境，讓學生探究其中涉及的化學變化.“雷雨發莊稼”這一自然生活現象證據，就是證據中的一種類型，用這樣的方式引入，為后續氮及其化合物的學習，提供了第一份證據資料.在雷雨發莊稼的原理分析中，也包含了證據推理的過程.“雷雨”是反應條件，是證據，“發莊稼”是現象，是結論.教師在授課時，通過問題的引導，突出兩者聯系，讓學生在找尋兩者之間的關系時，完成推理過程，建立結論和證據之間的邏輯關系.

2.2 任務引領與證據推理相結合

教學片段2 設計實驗，制備NO2

【師】通過剛才的實驗視頻，我們知道打雷閃電的時候，會在大氣中生成二氧化氮.下面我們就來模擬下雨的過程.同學們，問題來了，我這里沒有現成的NO2，你能嘗試設計制備二氧化氮的實驗方案嗎？

【生】1.N2制備NO2；2.NH3制備NO2；3.硝酸制備NO2

【師】在實驗室中，哪種方案更具有可操作性呢？首先我們來看方案1.

【生】放電條件苛刻，該方案不合適.

【師】方案2是否可行？請同學們在書本中找尋答案.

【師】催化劑為Pt，溫度800℃.

【生】該方案不合適.

【師】那我們把目光投向方案3，請問，在該方案中，氮元素的化合價是如何變化的？

【生】氮元素由+5價變化到+4價，被還原，需要添加還原劑，如銅.

本環節的任務的設計中，從中心元素氮元素入手，向學生展示了這一系列反應的核心，即關注中心元素氮元素在化學反應中是如何轉化的.學生在用化學元素觀分析物質間的轉化時，須搜集證據并在證據信息的指導下解決問題，不能僅憑主觀想象推測產物和反應原理，也不能隨意寫出化學方程式.學生在完成“設計制備二氧化氮的方法”這一學習任務中，主要分為三個階段.(1)提出假設階段，在該過程中，學生提出了一系列制備的NO2方法.(2)證據尋求階段，學生根據已掌握知識，書本中查找信息等直接、間接證據.(3)推理分析階段，學生根據搜集到的信息進行證實或者證偽，最終尋找到課堂中制備NO2的方法，由硝酸與銅制備NO2.

2.3 實驗設計與證據推理相滲透

教學片段3 【實驗探究1】銅與濃硝酸的反應.

【師】分析U型管的使用方法和步驟.如圖2所示，向U型管里注入略多于一半高度的濃硝酸溶液，如何使銅絲和濃硝酸相接觸.

圖2

【生】將U型管朝左傾斜，濃硝酸流向銅絲段，濃硝酸與銅絲接觸.

【師】完成以上步驟，將U型管正放，取下右端的膠塞.

【生】觀察實驗現象.銅片與濃硝酸接觸后，銅片表面生成氣泡，一段時間后，可以觀察到氣體為紅棕色，溶液變成藍色.從以上實驗現象，證明了用銅和濃硝酸反應制備二氧化氮的可行性.

【師】注射器中的無色液體是什么？

【生】是水.下面可以進行二氧化氮溶于水的實驗.

【師】將U型管的左側的注射器的活塞向外拉，將生成的紅棕色氣體吸入注射器.將U型管的左側的注射器向內推動，將其中液體和部分氣體擠入U型管.

【生】觀察實驗現象.二氧化氮溶于水，氣體顏色由紅棕色變為無色，證明二氧化氮溶于水是一個化學變化.

【師】無色氣體是什么？如何證明？

【生】可能是NO.將其與氧氣混合.可將其與U型管另一側的空氣混合.

【師】肯定學生的想法.用橡膠塞塞住右管，將U型管朝右傾斜，待氣體混合后，將U型管正放.

【生】觀察現象.氣體顏色由無色又變成紅棕色，驗證了二氧化氮與水反應的產物為NO.

化學是以實驗為基礎的一門科學，在元素化合物的學習中，涉及方方面面的實驗，而實驗證據又是證據推理中最有力的一環.該片段的設計，使學生在實驗證據的搜集中，不僅僅著眼于實驗現象的觀察，亦對于實驗裝置如何使用進行分析推理，從而最終配合教師共同完成實驗過程.在該教學片段中，濃硝酸與銅能否制備NO2，二氧化氮溶于水是否是化學變化，生成物是什么，實驗一做，一目了然，讓學生感受這就是實驗證據的作用.教師在授課時，強調實驗證據等事實證據的重要性，讓學生進一步認識到科學是實證的.

2.4 實際應用與證據推理相呼應

教學片段4

【師】二氧化氮溶于水時生成硝酸和一氧化氮，工業上利用這一原理生產硝酸.你能設計實驗，讓二氧化氮盡可能地轉化成硝酸嗎？

【生】將生成的NO與氧氣和水繼續反應.

【師】你的設計對工業生產硝酸有什么啟示？(從原料的充分利用，減少污染物的排放等方面考慮.)

【生】提高硝酸的產量，減少大氣污染物NO的排放.

【師】實際生產中是否這樣操作呢？請同學們查找文獻以驗證大家的看法.

教師在引導學生完成實際應用時，首先幫助學生建立目標，即氮元素盡可能由反應物轉化為產物這一中心思想，學生通過分析推理不難得出，要想提高產率，必須將產物之一一氧化氮中損失的氮元素轉化到最終產物硝酸中.從而得出答案，即通過充入一定體積的氧氣，完成氮元素從反應物完全轉化為產物的目的.這樣的思路是否符合工業生產實際呢？學生需要通過查找文獻，以驗證自己的想法.這樣的設計，目的是強化學生的證據意識，培養學生的質疑精神.讓他們把尊重事實，搜集證據證實或證偽成為他們的一種學習習慣，一種思維品質，也成為教師的一種課堂文化.

教師在日常教學中培養學生的證據推理素養，將“尊重事實依據，有實證意識和嚴謹的求知態度，邏輯清晰，能運用科學的思維方式認識事物、解決問題、指導行為”等要求成為學生的自覺行為.這樣的課堂，師生展開真正的平等對話，疑問有依，論證有據，互相尊重，平等交流，以理服人.

證據推理素養的培養不可能一次形成，需要經過螺旋式遞進，在證據積累和推理能力發展的交互過程中形成.在今后的教學中，還需要不斷地去嘗試、去總結.