發(fā)展證據(jù)推理水平的主題教學實踐與思考*
——以氯化銅和氨水反應為例

何銀華 肖中榮

（1.杭州市余杭第二高級中學 浙江 杭州 311100；2.杭州市基礎教育研究室 浙江 杭州 310000）

《普通高中化學課程課標（2017版）》要求教師積極開展素養(yǎng)為本的課堂教學實踐，主動探索素養(yǎng)為本的有效課堂教學模式和策略，［1］“我們已經(jīng)確定了8項核心素養(yǎng)，目前的關鍵是如何評價它們，這方面的工作還很薄弱”［2］。證據(jù)推理是化學學科核心素養(yǎng)，其內(nèi)涵如何解構(gòu)，如何基于主題教學發(fā)展學生證據(jù)推理水平，本文以氯化銅和氨水反應為例進行研究。

一、證據(jù)推理的內(nèi)涵解構(gòu)

證據(jù)推理的內(nèi)涵為具有證據(jù)意識，能基于證據(jù)對物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)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(jié)論和證據(jù)之間的邏輯關系。［3］本文從上述描述抽提出關鍵詞：證據(jù)意識、提出假設、分析推理、邏輯關系。“證據(jù)意識”是科學的循證思維，指說話辦事不能主觀臆測，要講事實、有根據(jù)。“提出假設”是發(fā)現(xiàn)問題的意識、提出觀點的能力。“分析推理”是由一個或幾個已知的判斷，推導出一個未知結(jié)論的思維過程。“邏輯關系”指事物或活動間的依賴關系，“觀點、結(jié)論和證據(jù)之間的邏輯關系”是指觀點、證據(jù)、結(jié)論之間要相互支持，形成關聯(lián)規(guī)則和因果機制，［4］符合科學論證的“相關性、充分性和可接受性的論證評價三角標準”［5］。

總之，化學學科核心素養(yǎng)證據(jù)推理是基于證據(jù)進行推理，本質(zhì)是科學論證，涉及識別、篩選證據(jù)，轉(zhuǎn)換、形成證據(jù)，應用、評價證據(jù)，推理、形成結(jié)論的高級思維過程，［6］它強調(diào)收集證據(jù)的必要性、突出分析推理的過程性，彰顯觀點、結(jié)論和證據(jù)之間的邏輯性。

二、證據(jù)推理的水平解構(gòu)

研究表明，證據(jù)、推理和結(jié)論都具有復雜性。［7］證據(jù)的復雜性表現(xiàn)為熟悉與陌生、顯性與隱性等，證據(jù)呈現(xiàn)的方式越陌生越隱性，對思維能力要求越高。推理的復雜性表現(xiàn)為推理前提的多少、推理步驟的長短，推理前提越多、步驟越長，對思維能力要求越高。證據(jù)推理形成結(jié)論的過程具有科學性、準確性、充分性和相關性。證據(jù)來源應該科學、準確，收集過程應體現(xiàn)“科學性和準確性”；要收集不同類型的證據(jù)、從不同的角度證明結(jié)論，體現(xiàn)證明的“充分性”；推理過程要體現(xiàn)證據(jù)和結(jié)論的緊密關系、因果關系等“相關性”。

《普通高中化學課程課標（2017版）》將證據(jù)推理劃分為4級水平，本文基于收集證據(jù)的類型、推理形成結(jié)論的過程，從操作性角度解構(gòu)證據(jù)推理的4級水平，如表1。

表1 證據(jù)推理的4級水平

本文將收集證據(jù)類型分為如下水平：熟悉宏觀→熟悉宏觀和陌生微觀→顯性定性和隱性定量→多元證據(jù)、解釋證據(jù)。推理形成結(jié)論過程分為如下水平：一步推理，科學地得出結(jié)論→多步推理，科學地、準確地得出結(jié)論→多步推理，科學地、準確地、充分地得出結(jié)論→多步推理，科學地、準確地、充分地得出結(jié)論，解釋證據(jù)和結(jié)論的相關性。低級的證據(jù)推理水平主要側(cè)重某個角度和能力，高級的證據(jù)推理水平包含低級的水平要求。

三、發(fā)展證據(jù)推理水平的主題教學實踐——以氯化銅和氨水反應為例

主題教學活動指課堂教學以項目式探究形式或問題解決形式統(tǒng)整書本知識和現(xiàn)實生活、生產(chǎn)和社會中的學科問題，以教學主題為樞紐，在系統(tǒng)內(nèi)各要素相互聯(lián)系、作用和運行中達成學習主體心理結(jié)構(gòu)的完善和自我實現(xiàn)的整體性教學設計。［8］如何判斷物質(zhì)發(fā)生了化學反應、為什么發(fā)生化學反應，這是化學研究的中心問題。本文以氯化銅和氨水反應為教學主題，以判斷化學反應是否發(fā)生為教學背景，以學科方法逐漸深化為教學線索，設置4個關聯(lián)的教學環(huán)節(jié)，發(fā)展學生從低級到高級的證據(jù)推理水平。

【環(huán)節(jié)1】收集宏觀證據(jù)推理發(fā)生反應

【教師】演示實驗1：將5mL0.1mol/LCuSO4溶液和10mL0.1mol/LNH3·H2O混合，生成藍色絮狀沉淀，久置后上清液幾乎為無色。CuSO4和NH3·H2O發(fā)生了化學反應嗎，證據(jù)是什么？

【學生】觀察、回答：因為溶液混合生成藍色沉淀、溶液顏色變淺，證明發(fā)生了化學反應，方程式為：CuSO4+2NH3·H2O=Cu（OH）2↓+（NH4）2SO4

【總結(jié)】化學反應常常伴隨發(fā)光、放熱、產(chǎn)生氣體、生成沉淀、變色等現(xiàn)象，可以根據(jù)上述宏觀現(xiàn)象判斷是否發(fā)生了化學反應。

設計意圖：本環(huán)節(jié)中，學生收集熟悉的宏觀證據(jù)證明硫酸銅和氨水發(fā)生化學反應。推理路徑為：觀察藍色絮狀沉淀，證明硫酸銅和氨水發(fā)生化學反應。學生分析顯性的宏觀證據(jù)，經(jīng)過一步推理，科學地證明發(fā)生化學反應，發(fā)展水平1。

【環(huán)節(jié)2】收集微觀證據(jù)推理發(fā)生反應

【教師】提問：實驗1硫酸銅溶液和氨水混合，溶液為什么由淺藍色褪為無色？反應前后體系離子濃度如何變化，如何設計實驗證明？

【學生】討論、回答：因為生成氫氧化銅沉淀導致c（Cu2+）減小、溶液褪為無色。根據(jù)方程式判斷反應前后不變增大。證明不變的方案：向濾液中加入足量BaCl2溶液，稱量生成的m（BaSO4），證明反應前后溶液中m()不變。證明c(N)增大的方案：向濾液中加足量NaOH溶液并加熱、收集生成的NH3，證明增大。教師分別測如下溶液的電導率：取25mL0.1mol/LNH3.H2O于50mL小燒杯中，磁力攪拌下逐滴加入蒸餾水，溶液電導率變化如圖1所示（注：蒸餾水體積約為16mL）。

圖1 氨水稀釋電導率的變化

取25mL0.1mol/LCuSO4溶液于50mL小燒杯中，磁力攪拌下逐滴加入蒸餾水，溶液電導率變化如圖2所示（注：蒸餾水體積約為16mL）。

圖2 硫酸銅溶液稀釋電導率的變化

取25mL0.1mol/LNH3.H2O于50mL小燒杯中，磁力攪拌下逐滴加入0.1mol/LCuSO4溶液，溶液電導率變化如圖3所示（注：CuSO4溶液體積約為16mL）。

圖3 氨水和硫酸銅溶液混合電導率的變化

【學生】分析解釋：圖1說明氨水稀釋電導率減小、圖2說明硫酸銅溶液稀釋電導率減小，圖3說明硫酸銅和氨水混合后溶液發(fā)生化學反應，c(N）增大是電導率增大的主要原因，查閱離子的摩爾電荷電導率（描述物質(zhì)中電荷流動難易程度的參數(shù)）：

【總結(jié)】溶液中發(fā)生離子反應，參與反應的某些離子濃度會發(fā)生變化（增加或減少），可以比較反應前后離子濃度變化判斷是否發(fā)生了化學反應。

設計意圖：本環(huán)節(jié)中，學生收集陌生的微觀證據(jù)證明硫酸銅和氨水發(fā)生化學反應。學生需要將可觀察的溶液藍色褪去與c（Cu2+）減小建立關聯(lián)，將看不見的轉(zhuǎn)化為可稱量的硫酸鋇沉淀、將看不見的轉(zhuǎn)化為可測的電導現(xiàn)象，推理路徑為：溶液顏色變淺→c（Cu2+）減小；混合前后m（BaSO4）不變不變；設計對照實驗、分析溶液電導率變化變大。學生分析顯性宏觀證據(jù)和隱性的微觀證據(jù)，經(jīng)過多步推理，科學地、準確地證明離子濃度變化可以作為化學反應發(fā)生的證據(jù)，發(fā)展水平2。

【環(huán)節(jié)3】收集定量證據(jù)推理發(fā)生反應

【教師】演示實驗2：向1000mL蒸餾水分別加一滴0.0001mol/LCuSO4溶液、0.0001mol/LNH3·H2O，無沉淀生成，思考為什么。設1滴液體體積約為0.04mL、溶液總體積為1000mL，KspCu（OH）2=2.2×10-20，KbNH3·H2O=1.75×10-5。

【學生】討論，當Q＞KspCu（OH）2生成沉淀；Q=KspCu（OH）2建立沉淀溶解平衡；Q＜KspCu（OH）2不生成沉淀。估算如下：c（Cu2+）=0.0001×0.04/1000=4×10-9mol/L，c（OH-）2=［（0.0001×0.04×kb/1000）］=［（0.0001×0.04×1.75×10-5/1000）］=7×10-14mol/L，Q=c（Cu2+）×c（OH-）2=2.8×10-22＜KspCu（OH）2，實驗2不能生成Cu（OH）2沉淀。

實驗1中，將5mL0.1mol/LCuSO4溶液和10mL 0.1mol/LNH3·H2O混合，c（Cu2+）=0.1×5/15=0.03mol/L，c（OH-）2=［（0.1×10×Kb/15）］=［（0.1×10×1.75×10-5/15）］=0.12×10-5mol/L，Q=c（Cu2+）×c（OH-）2=3.6×10-8＞KspCu（OH）2，所以能生成Cu（OH）2沉淀。

【總結(jié)】CuSO4與NH3·H2O能否反應生成沉淀Cu（OH）2，需要通過定量計算、比較Q與KspCu（OH）2大小進行判斷。溶液中生成沉淀的條件遵守溶度積規(guī)則，當難溶物的濃度商大于溶度積才能生成沉淀，發(fā)生化學反應。

設計意圖：本環(huán)節(jié)中，學生需要通過收集隱性的定量證據(jù)證明硫酸銅和氨水能否發(fā)生化學反應。學生根據(jù)硫酸銅和氨水混合c（Cu2+）、c（OH-）計算濃度商，充分證明實驗1能生成沉淀、實驗2不能生成沉淀。推理路徑為：計算混合溶液的c（Cu2+），估算稀氨水中的c（OH-）→計算Q=c（Cu2+）×c（OH-）2→比較Q和KspCu（OH）2大小→解釋能否發(fā)生反應。學生收集定量證據(jù)，經(jīng)過多步推理，科學地、準確地、充分地證明溶度積規(guī)則可以作為化學反應發(fā)生的證據(jù)，發(fā)展水平3。

【環(huán)節(jié)4】收集多元證據(jù)推理發(fā)生反應

【教師】演示實驗3：將2mol/LNH3·H2O逐滴加入0.5mol/L5mLCuSO4溶液，生成藍色沉淀，滴加過量氨水、振蕩試管沉淀不消失，如何解釋現(xiàn)象呢？

【教師】演示實驗4：向0.5mol/L5mLCuSO4溶液加入氯化銨固體，再滴加2mol/LNH3·H2O，生成藍色沉淀，滴加過量氨水、振蕩試管，沉淀消失，最終生成深藍色溶液。［9］如何解釋現(xiàn)象呢？

【學生】討論，分析如下：實驗3中，淺藍色溶液→藍色沉淀，證明氫氧化銅不溶于氨水。實驗4中，淺藍色溶液→藍色沉淀→深藍色溶液。兩個實驗現(xiàn)象為什么不同？學生計算實驗3中反應①的平衡常數(shù)K：

K很小，從限度上判斷氫氧化銅不能溶于氨水（實際上溶解速率很慢）。

實驗4涉及如下反應：

則①+②=反應③：

向氨水、氫氧化銅加入足量銨鹽，NH4+耦合OH-，使平衡常數(shù)增加3.24×109倍，有效促進了氫氧化銅的溶解、生成更穩(wěn)定［Cu（NH3）4］2+，減少c（Cu2+）。

【總結(jié)】Cu（OH）2與NH3·H2O不能反應生成銅氨絡離子，向溶液中加入足量的銨鹽，銨鹽和OH-反應耦合，極大增加化學反應平衡常數(shù)，生成深藍色、更穩(wěn)定的銅氨絡離子。沉淀能否有效轉(zhuǎn)化為絡離子，可以通過耦合反應等條件調(diào)控增大反應常數(shù)、發(fā)生化學反應。

設計意圖：本環(huán)節(jié)中，學生需要收集多元證據(jù)判斷氫氧化銅和氨水能否發(fā)生化學反應。學生要根據(jù)宏觀證據(jù)判斷氫氧化銅不能溶于氨水、加入銨鹽可以生成銅氨絡離子，然后收集微觀證據(jù)書寫氫氧化銅和氨水、銨鹽反應的離子方程式，最后通過定量計算解釋原因。推理路徑為：沉淀顏色是否變化→基于多重平衡規(guī)則計算簡單反應和復雜反應的平衡常數(shù)→比較K的變化→解釋能否發(fā)生反應→基于“N和OH-耦合”解釋氫氧化銅與氨水發(fā)生反應的原因。學生收集多元證據(jù)，經(jīng)過多步推理，科學地、準確地、充分證明耦合反應可以拉動化學反應，解釋證據(jù)對結(jié)論形成支撐的因果關系，發(fā)展水平4。

【課堂作業(yè)】

問題1將0.1mol/L5mLCuSO4溶液和0.1mol/L 10mLNH3·H2O混合，生成藍色沉淀常含有堿式硫酸銅CuSO4·Cu（OH）2，如何證明沉淀中含有硫酸根？

問題2［Cu（NH3）4］2+是穩(wěn)定存在的絡離子，你能否從結(jié)構(gòu)的角度收集證據(jù)說明原因？

設計意圖：問題1基于沉淀的復雜性，培養(yǎng)學生設計實驗方案、收集熟悉證據(jù)的能力：加足量鹽酸溶解、再加氯化鋇檢驗。問題2培養(yǎng)學生收集結(jié)構(gòu)證據(jù)理解［Cu（NH3）4］2+穩(wěn)定存在原因：基于晶體場理論知Cu2+形成的八面體場，失去能量較高、z軸方向的2個配體水分子，4個氨分子在x軸和y軸方向成平面正方形，獲得更多的晶體場穩(wěn)定化能（John-Teller效應）。上述2個問題是主題教學內(nèi)容的延伸，培養(yǎng)學生從實驗探究、文獻查閱的角度進行科學論證的能力，發(fā)展學生證據(jù)推理的綜合素養(yǎng)。

四、結(jié)束語

證據(jù)推理是重要的學科思維方法，本文解構(gòu)了證據(jù)推理的內(nèi)涵，從收集證據(jù)的類型、推理形成結(jié)論的過程劃分證據(jù)推理的水平。教學中以氯化銅和氨水反應為例，基于真實的實驗情境，以學生活動為主體，采取多樣的教學活動，基于宏觀沉淀顏色變化、微觀粒子濃度變化、溶度積規(guī)則、耦合反應等證據(jù)判斷化學反應是否發(fā)生，促進學生認識思路的結(jié)構(gòu)化發(fā)展，提升學生的證據(jù)推理水平。