發展學生證據推理與模型認知素養的教學實踐

單奔翔 徐欣嫻 王福中 王方闊

摘 要 培養學生的化學學科核心素養成為新課改背景下學科教學的研究熱點。以“鐵及其化合物”教學為例，通過魔術導入，激發學生學習興趣和思考，引導學生自主選擇化學試劑等，設計實驗方案，探究Fe2+與Fe3+之間轉化的方法，并建構“鐵三角”模型。在探究過程中引導學生從價態變化的角度，學習鐵及其重要化合物互相轉化的原理和條件。通過以小組為單位進行探究培養學生合作意識與溝通能力，建立變價金屬化合價轉化的模型，感受化學的學科價值，發展“證據推理與模型認知”素養。

關鍵詞 高中化學 證據推理與模型認知 鐵及其化合物 教學實踐

在生活中，學生能夠切身感受到鐵及其化合物在生產、生活中的廣泛應用，但不能利用所學的相關化學知識解決實際問題，即不能將所學知識遷移到生活中。利用鐵及其化合物的轉化原理作為魔術素材，讓學生在探究活動中更新知識結構，感受化學變化的魅力，發展化學學科核心素養。《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》[1]在必修模塊有關“元素化合物知識”內容中，鐵元素占據了“金屬及其化合物”的半壁江山，同時鐵是學生在高中階段學習的第一個變價金屬，掌握其學習的一般思路有利于后面其他變價元素（如硫、氮）的學習，因此幫助學生建立鐵元素的綜合知識網絡至關重要。

在教學過程中，“鐵及其化合物”的教學重點和難點是掌握鐵離子與亞鐵離子相互轉化途徑，并構建“鐵三角”認知模型。本節課的教學思路是：首先利用魔術“茶水的一生”引入教學，激發學生的求知欲，并提供資料卡片為鐵離子與亞鐵離子的互相轉化提供理論基礎。其次，為學生創造半開放的實驗環境，學生自主選擇實驗試劑或藥品，設計能夠實現Fe2+與Fe3+互相轉化的實驗方案，進行實驗探究，結合實驗現象進行推理，建構“鐵三角”模型。通過實驗現象直觀感受Fe2+與Fe3+之間的轉化路徑，深刻理解物質價態變化的原理和發生條件，培養學生“證據推理與模型認知”的化學學科核心素養。最后利用“鐵三角”模型解釋生活中的現象，感受化學知識的價值。

一、教學設計

（一）教材分析

本節教學內容是在“物質分類”“離子反應”“氧化還原反應”基礎上的學習內容，是新課標要求學習的金屬元素之一。利用學生已有的知識，分析鐵鹽與亞鐵鹽相互轉化關系，并結合元素價態和物質類別，建立鐵及其化合物的相互轉化關系模型，加深學生對鐵及其化合物的認識。

（二）學情分析

學生在初中階段已經初步學習了鐵的基本性質，如鐵的顏色、狀態、水溶性等，能夠與氧氣、酸和金屬鹽溶液等發生化學反應；高中階段已經學習了離子反應、氧化還原反應等原理知識。因此學生對本節課的學習有一定的知識基礎。但是在思維的嚴密性、科學性以及邏輯推理等方面仍需進一步發展。本節課以魔術揭秘為線索，引導學生從元素價態的角度認識物質的化學性質，并建立鐵及其重要化合物相互轉化的認知模型，初步形成變價金屬學習的一般思路。

（三）教學目標

1.能夠從元素價態和物質類別的角度設計鐵離子與亞鐵離子相互轉化的實驗方案，并能夠根據實驗現象推導出實驗結論，培養證據推理能力。

2.能夠對實驗結論進行分析、歸納，建構“鐵三角”模型，利用“鐵三角”模型解決實際問題，感受化學的應用價值，培養歸納與演繹思維，發展模型認知素養。

3.通過對鐵及其化合物性質的探究過程，初步形成研究金屬元素及其化合物的一般思路和方法。

（四）評價目標

1.根據學生設計的實驗方案的嚴密性和科學性，診斷學生從微觀角度看待化學反應本質的能力；根據學生基于實驗現象的推理過程，診斷并發展學生證據推理能力。

2.根據學生對實驗結論的歸納與演繹程度，診斷并發展學生的批判性思維、歸納與演繹思維等高階思維；觀察學生建構的“鐵三角”模型的完善程度，診斷并發展學生“證據推理與模型認知”素養。

3.根據學生對“鐵三角”模型的掌握程度與應用能力，診斷并發展學生對化學知識價值的認知程度，培養學生化學源于生活、化學服務生活的意識。

二、教學過程

（一）教學活動設計

（二）教學流程

環節一：教學導入

【教師】表演魔術“茶水的一生”，用茶包在燒杯中泡20 ml茶水，這是“少年期的茶”，如圖2中試管a所示；將茶水倒入試管b后，茶水變黑，這是“叛逆期的茶”；最后將茶水倒入試管c，茶水又變回原來的顏色，這是叛逆期以后重新“懂事的茶”。

【學生】觀察實驗現象，思考并討論產生該現象的原因。

【教師】魔術雖假，知識是真，大家想知道魔術的原理嗎？請同學們閱讀資料卡片。

【資料卡片】試管b中有少量FeSO4溶液，試管c中有維生素C。茶水中含有鞣酸，鞣酸能夠與二價鐵離子反應生成鞣酸亞鐵，鞣酸亞鐵的性質不穩定，很快被氧化成鞣酸鐵絡合物而呈藍黑色，因此茶水在試管b中顯黑色；維生素C又稱抗壞血酸，具有還原性，能夠將三價鐵離子變回二價鐵離子，因此茶水在試管c中又重顯原來的顏色。

【教師】還有哪些二價鐵離子與三價鐵離子之間轉換的方法呢？

【教師小結】生活中不缺少化學，但是缺少發現化學的“眼睛”。許多看起來不可思議的現象，卻可以用化學知識“一招擊破”。

設計意圖：通過表演魔術激發學生的求知欲。知識學習對學生來說非常枯燥且繁瑣，利用他們已有的知識、概念原理作為魔術素材激發學生的學習欲望。魔術解開的過程也是證據推理的過程，資料卡片能夠幫助學生初步思考，回憶氧化還原反應相關知識，為下面學習鐵鹽與亞鐵鹽的相互轉化奠定基礎。

環節二：實驗探究

【教師】在只有FeSO4溶液的情況下，如何設計實驗方案來證明二價鐵離子、三價鐵離子與鐵單質之間的相互轉化？

【學生】從Fe2+轉變到Fe3+價態升高，發生氧化反應，需要氧化劑；同理推導Fe2+轉化為Fe單質所需的反應條件。

【教師】提供酸性高錳酸鉀、過氧化氫、鋅粉、鐵粉、銅片、淀粉-KI試紙、氯水等試劑，請各小組在上述材料中選擇合適的試劑設計實驗方案。

【學生】根據教師提供的參考試劑設計實驗方案，以小組為單位進行實驗探究，觀察實驗現象，并記錄在實驗手冊。

【甲組同學】向FeSO4溶液中加入還原劑如鋅片，若溶液由淺綠色變為無色，且鋅片表面覆著一層黑色固體，則證明Fe2+轉化為Fe。

【乙組同學】向FeSO4溶液中先加入KSCN溶液，溶液無變化；再加入雙氧水，溶液變為紅色，則證明Fe2+轉變成了Fe3+；這時再向溶液中加入鐵粉，若溶液由血紅色變為淺綠色，則證明Fe3+轉變成了Fe2+。

【丙組同學】向FeSO4溶液中加入氯水，觀察溶液顏色是否變化，若由淺綠色變為黃色，則證明Fe2+轉化為Fe3+；將得到的Fe2（SO4）3溶液滴在淀粉-KI試紙上，若淀粉-KI試紙變藍，證明Fe3+轉化為Fe2+。

【教師小結】可以選擇不同的氧化劑或還原劑，實現Fe單質、Fe2+與Fe3+之間的相互轉化，關鍵是要抓住價態變化的原理，再選擇合適的氧化劑或還原劑進行反應，就可以得到想要的物質了。

設計意圖：提供多種供學生選擇的試劑，為學生留下充足的發展空間。學生在選擇氧化劑或還原劑時能夠進行有效思考，深度辨別氧化劑與還原劑的概念及其作用。以小組為單位設計實驗方案，完成探究過程，每個學生都能夠參與其中。既能夠讓學生整合知識點，初步建立氧化還原反應與不同態鐵元素間轉化的關聯，又能夠培養學生合作與溝通的能力。

環節三：證據推理

【教師】同學們，根據實驗現象，能得出哪些結論呢？

【學生】綠色的FeSO4溶液非常容易被氧化為黃色的Fe2（SO4）3溶液，說明Fe2+非常不穩定，容易被氧化為Fe3+，因此要在FeSO4溶液中加入少量Fe粉，防止FeSO4被氧化。

【教師】非常細致，那你們的實驗方案進行的如何？

【甲組學生】我們組選擇在FeSO4溶液中加入Zn片來驗證Fe2+的氧化性。加入Zn片后，發現試管中溶液顏色逐漸由淺綠色變為無色，Zn片表面覆著一層黑色物質，說明鐵單質被置換出來了。這個現象可以用金屬的活潑性順序來解釋，Zn比Fe活潑，所以置換出了Fe單質；另外，鐵能夠從+2價轉變為0價，體現了Fe2+的氧化性。

【教師】這組同學非常機智，能將初中階段學的金屬活潑性順序與高中的氧化還原反應結合起來解決新問題，實現從亞鐵離子到鐵單質的轉化。

【乙組同學】首先，在FeSO4溶液中加入KSCN溶液，溶液并沒有顯血紅色，說明此時Fe2+還沒有氧化；接著，選擇雙氧水作為氧化劑氧化Fe2+，這時溶液變為血紅色，說明Fe2+已被氧化為Fe3+；最后，再選擇鐵粉作為還原劑，溶液由血紅色變為最開始的淺綠色，說明此時Fe3+已被還原為Fe2+。

【教師】這組同學已經掌握了價態變化的規律，并且將宏觀現象與微觀本質相結合，通過觀察溶液顏色變化來判斷微觀反應的進行，該組學生有很強的推理能力。

【丙組同學】選擇酸性高錳酸鉀作為氧化劑，將酸性高錳酸鉀滴入FeSO4溶液直到紫色不再褪去，此時Fe2+全部被氧化為Fe3+；選擇淀粉-KI試紙作為還原劑，將得到的Fe2（SO4）3溶液滴在淀粉-KI試紙上，發現淀粉-KI試紙變藍，證明此時碘離子被氧化為碘單質，淀粉遇碘變藍，說明Fe3+被還原為Fe2+。

【教師】這組同學思維非?；钴S，能夠想到用淀粉-KI試紙作為還原劑，巧妙地利用宏觀現象判斷微觀反應，而且能夠想到將溶液滴在淀粉-KI試紙上實現轉化，在節約實驗用品的同時，還能放大實驗現象，體現了綠色化學思想。

【教師小結】單質鐵只具有還原性，鐵離子只具有氧化性，而亞鐵離子處于中間價態，既具有氧化性，又具有還原性。利用不同的氧化劑或還原劑，能實現三者的相互轉化。

設計意圖：學生設計好實驗方案并進行實驗探究后，通過觀察實驗現象獲得證據，并進行推理。準確理解待證實原理是實踐的起點[2]，引導學生根據實驗現象推理反應過程，實現宏微結合視角看問題，培養學生的證據推理能力。

環節四：模型建立

【教師】請同學們對實驗結果進行交流討論，并結合之前所學進行總結。

【學生A】二價鐵離子既有氧化性，又有還原性。

【學生B】亞鐵離子常溫下加入強氧化劑能夠被氧化成三價鐵，顯示其還原性；加入鋅等金屬能夠被還原成鐵單質，顯示其弱氧化性；所以亞鐵離子兼有還原性和弱氧化性。

【教師小結】鐵在自然界中主要以化合物的形式存在，如赤鐵礦、磁鐵礦，通過加入相應的氧化劑或還原劑，能夠實現Fe單質、Fe2+與Fe3+之間互相轉化。其中二價鐵離子的還原性較強，氧化性較弱，主要表現為還原性；三價鐵加入還原劑，如鐵粉、鋅粉，能夠被還原為二價鐵。

學生在教師的帶領下對實驗結論進行演繹，畫出鐵單質、二價鐵與三價鐵之間轉化關系，即“鐵三角”認知模型，如圖3所示。

設計意圖：引導學生在觀察實驗現象過程中獲得證據，并進行推理，得出實驗結論。再將實驗結論進行歸納和演繹，最終形成有關鐵及其重要化合物價態轉化的綜合知識網絡，即“鐵三角”認知模型，在這個過程中培養學生“證據推理與模型認知”素養。在推理的過程中，歸納不同價態鐵之間的轉化條件，建立不同價態鐵之間轉化的認知模型。

環節五：應用遷移

【教師】展示材料，在人體內，鐵的吸收主要是在十二指腸及空腸，一般是以二價鐵離子的形式被吸收，三價鐵離子很難被吸收[3]。提問：貧血在生活中是很常見的，醫生給貧血病人開硫酸亞鐵片時，同時會開一瓶維生素C，并且告知患者，這兩種藥要一起服用，但不能和濃茶一起服用。大家知道這是為什么嗎？

【學生】通過上面的探究，我們知道了二價鐵很容易被氧化，和維生素C一起吃，可能將被氧化的三價鐵還原為二價鐵，濃茶可能會將二價鐵氧化為三價鐵。

【教師】再次進行演示實驗并配合講解，其實這就是開始給大家表演的魔術，其原理如圖4所示。

【教師】大家可以想想生活中還有哪些常見的補鐵食品。根據今天所學，能不能用簡單的方法檢驗食物中是否含有鐵元素？如果有，那含有的是什么價態的鐵元素呢？如何驗證猜想？大家回去想一想。化學來源于生活，最終也要服務于生活，從而改善我們的生活。雖然書上學到的知識“零碎、繁瑣”，許多同學覺得枯燥無味，但是它們都是真實存在于生活中，可以提高我們的生活質量，幫助我們過更健康的生活。

設計意圖：將之前所學的知識進行遷移應用，引導學生運用化學知識解釋生活現象，讓學生認識到化學是揭示元素到生命奧秘的核心力量，激發學生對化學的持久熱情。

三、教學反思

本教學案例以促進學生發展為中心，指向“證據推理與模型認知”素養的培養。在開展化學探究性實驗的教學過程中，從學生感興趣的活動入手，將需要學習的知識轉化為學生感興趣的魔術，激發學生的探究熱情；在具有挑戰性的任務前，教師為學生搭建支架輔助知識學習，支架搭建好后給學生充足的發揮空間，調動學生對實驗設計的積極性；在探究過程中，在保證安全的前提下適當“放權”，讓學生有足夠的選擇余地與發展空間；探究結束后，引導學生對實驗現象進行分析，對實驗結果進行總結，教師在此過程中要進行適度引導，鼓勵學生進行大膽地推理和分析，并將實驗結論可視化，形成綜合知識網絡——“鐵三角”認知模型。利用“鐵三角”認知模型解釋生活中的問題：為什么貧血病人吃藥時需要和維生素C一起服用？在解釋過程中配合演示實驗，即重現開始時的魔術，為學生解惑的同時，加深對“鐵三角”認知模型的理解，做到首尾呼應，引導學生思考化學與生活的關系，感受化學知識的價值。

通過逐步深入的實驗探究，學生不僅提高了動手操作能力，還進行了深度思考。通過給他們足夠的權利，讓他們將理想實驗方案現實化，直觀地感受氧化劑和還原劑的作用，從而加深對常見氧化劑、還原劑的認識。

除了實驗探究過程，對實驗現象的記錄和分析也是本節課的重點。引導學生基于證據進行分析推理，利用宏觀現象推理微觀本質，在不同的宏觀現象中找到共同的微觀本質，歸納實驗結論；接著引導學生利用實驗結論逐步建立模型，形成便于學生記憶的知識網絡，即“鐵三角”模型。學生參與了知識的獲得和應用過程，模型建構又是促進思維提升的重要手段[4]，因此既能夠促進學生進行深度記憶，又有利于學生對核心知識的掌握，最終指向學生的“證據推理與模型認知”學科核心素養的培養。

最后引導學生了解這次探究的社會價值，培養學生“健康化學”“化學來源于生活，最終服務于生活”的意識，感受化學知識的價值，體會化學與生活的關系。

綜上所述，立足于學科核心素養、重視探究性實驗教學并緊密結合時代特點和實際生活的教學設計，是能夠有效培養學生化學學科核心素養的教學方式，能夠更加充分地實現高中化學教學的育人價值。

[參 考 文 獻]

[1]中華人民共和國教育部.普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）[S].北京：人民教育出版社，2020.

[2]楊菲菲，鄒標.聚焦模型建構的高三化學復習課例研析：以“化學工藝流程”為例[J].中小學教學研究，2022，23（06）：12-19.

[3]林文弢，楊玲.鐵營養與運動能力[J].中國體育教練員，2021，29（01）：16-18.

[4]陳嫦.基于證據推理素養培養的高中化學課堂研究[J].中小學教學研究，2022，23（03）：83-88.

（責任編輯：姜顯光）