用探究式化學實驗支持學生證據(jù)推理能力發(fā)展

劉林青 李卓

摘要： 證據(jù)推理是學習化學的重要方法和關(guān)鍵能力。以“苯的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)”為例，設計包含手持技術(shù)數(shù)字化實驗與微型實驗相結(jié)合的探究式課堂以發(fā)展學生的證據(jù)推理能力。學生根據(jù)有關(guān)信息猜想苯分子的可能結(jié)構(gòu)，在教師引導下通過實驗方法收集證據(jù)，推理苯的有關(guān)化學性質(zhì)，再由化學性質(zhì)反推苯的可能分子結(jié)構(gòu)，驗證假設并深化對苯分子結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的認識。探究式化學實驗有助于學生的證據(jù)推理能力的發(fā)展。

關(guān)鍵詞： 探究實驗； 證據(jù)推理能力； 創(chuàng)新實驗； 苯； 高中化學

文章編號： 10056629（2024）01004507

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

證據(jù)推理是在科學學習這個特定的領(lǐng)域情境下，或是在科學探究過程中，從已有經(jīng)驗、問題情境中識別、轉(zhuǎn)換、形成證據(jù)，利用證據(jù)進行推理，從而獲得結(jié)論、解決問題的綜合能力表現(xiàn)［1］。化學作為一門中心科學，尤其強調(diào)實驗為基礎(chǔ)，證據(jù)推理可以說是學科發(fā)展和學生化學學習的基本要求。探究式實驗提供了模擬科學探究的環(huán)境，有利于學生證據(jù)推理能力的發(fā)展，受到了廣泛的重視。但在實際教學中仍存在一些問題，主要表現(xiàn)在：（1）對證據(jù)的充分性考慮不夠；（2）缺乏控制實驗條件的意識和能力，影響證據(jù)的可靠性；（3）推理的意識和能力薄弱［2］。基于此，本研究嘗試以“苯的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)”為例，設計探究式實驗課堂，探索以探究式化學實驗支持學生證據(jù)推理能力發(fā)展的化學教學案例。

1 教學主題與現(xiàn)狀分析

1.1 教學主題

“苯的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)”是高中化學滬科版選擇性必修教材《有機化學基礎(chǔ)》第二章“烴和鹵代烴”第二節(jié)“芳香烴”的第一課時，教學內(nèi)容主要包括：（1）苯的分子組成和結(jié)構(gòu)；（2）苯的取代反應和加成反應；（3）苯中碳碳鍵的特征。本節(jié)課建立在烷烴和烯烴相關(guān)知識的基礎(chǔ)上，深入學習有機化合物苯的特性。苯具有飽和烴與不飽和烴的性質(zhì)，但又存在著明顯的差異，是對烴類學習的綜合比較，對進一步學習有機物起承上啟下的作用。

通過探究學習苯的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)，學生將會深化“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)”這一重要的化學學科觀念。在探究苯分子結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的過程中，學生根據(jù)已知信息提出假設，并在教師指導下展開相關(guān)研究，獲得證據(jù)驗證其假設，對證據(jù)進行分析并最終得出結(jié)論，從而使學生的證據(jù)推理能力得到發(fā)展。

1.2 教學現(xiàn)狀

“苯的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)”一節(jié)有較為詳盡的化學史描述，已有的教學案例大多將苯分子結(jié)構(gòu)的研究史進程作為具體情境［3］。或以科學家的關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)作為教學環(huán)節(jié)的分界點，注重化學史料的真實性［4］；也有研究將苯環(huán)結(jié)構(gòu)學說的發(fā)展歷史作為素材讓學生感悟體會化學家的探索精神，同時以苯的廣泛用途作為載體讓學生體會化學學科價值，增強學科認同［5］。總體來看，現(xiàn)有案例主要是對化學史的作用有所挖掘，課堂實驗也主要集中在苯與酸性高錳酸鉀溶液或液溴的反應演示，至于通過學生實驗來探究苯的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，發(fā)展學生的證據(jù)推理能力的設計方面鮮有報道。

學生在本節(jié)課之前已學習了基本的化學鍵理論、化學反應與能量的關(guān)系，以及烷烴、烯烴和炔烴的知識，知道碳的四價學說和碳成鏈學說，掌握鏈烴中碳碳單鍵和碳碳雙鍵的反應特性，能夠區(qū)分有機反應中取代反應和加成反應的區(qū)別。

2 課堂教學設計思路

2.1 以探究式實驗促進學生證據(jù)推理能力發(fā)展

科學探究是為了支持自己的主張或信念不斷尋找證據(jù)的過程，從問題到假設需要推理，并進一步收集證據(jù)以驗證假設。本研究設計了苯的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)探究活動：學生通過化學史情境發(fā)現(xiàn)問題，推斷苯的結(jié)構(gòu)，并使用實物搭建分子模型形成初步假設。隨后，通過探索苯分子的不飽和性、加成反應和取代反應的實驗進行修正。整個過程由驗證假設的需求進行驅(qū)動，學生最終建立起關(guān)于苯的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的認知模型。這種真實的探究與推理過程促進了學生證據(jù)推理能力的發(fā)展。

2.2 應用手持技術(shù)數(shù)字化實驗與微型實驗創(chuàng)新設計

教材講到苯的取代反應時用了苯和液溴的反應，確認反應產(chǎn)物中有溴化氫生成證明苯可以發(fā)生取代反應，但是加成反應卻沒有直接的證據(jù)。對此問題，本研究設計了氯氣的苯的飽和溶液與氯氣加成的手持技術(shù)數(shù)字化實驗，借助壓力傳感器與數(shù)字技術(shù)，學生可以直觀感受到反應前后的壓強變化，繼而從壓強的變化來推斷反應類型，為苯分子中的碳碳鍵性質(zhì)的確定提供證據(jù)。該微型實驗裝置，如圖1所示。

該裝置能夠?qū)崿F(xiàn)氯氣和苯在鐵絲做催化劑條件下發(fā)生取代反應，反應后可以分離氣相產(chǎn)物和液相產(chǎn)物，且有洗氣裝置去除未反應的氯氣，通過檢驗氯化氫氣體可以證明苯和氯氣發(fā)生了取代反應。整個裝置封閉無污染，能夠有效減弱對師生的健康危害。作為微型實驗，大大減少了試劑用量，縮短了實驗時間，也有利于強化學生的動手能力，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維和環(huán)保意識。

3 教學目標和教學流程

3.1 教學目標

（1） 了解苯的物理性質(zhì)，知道苯的分子式和結(jié)構(gòu)簡式。理解苯的分子組成及其結(jié)構(gòu)特點。

（2） 觀察苯分別和溴水、高錳酸鉀的反應，理解“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)”在有機分子結(jié)構(gòu)推斷中的作用。

（3） 操作、觀察氯氣和苯的加成與取代反應實驗，能夠用化學語言準確描述實驗現(xiàn)象，提高分析問題的邏輯思維能力和語言表達能力。能夠從“證據(jù)推理與模型認知”的角度設計實驗，研究有機物的組成和機構(gòu)。

（4） 通過學習苯分子結(jié)構(gòu)確定的化學史料，感悟法拉第、凱庫勒等科學家鍥而不舍、敢于質(zhì)疑、尋求真理的科學品質(zhì)。增強化學學科的認同感。

3.2 教學流程

教學流程見圖2。

4 教學實錄

4.1 創(chuàng)設化學史情境，計算得到苯的分子式

［情境導入］1825年，法拉第發(fā)現(xiàn)了苯。

播放視頻：法拉第通過蒸餾從制備煤氣剩下的油狀物中得到了苯①。

［教師］介紹苯的物理性質(zhì)。

［化學史實］提取物質(zhì)的方式除了有物理方法，還有化學方法。1834年，科學家米希爾里希蒸餾苯甲酸和石灰的混合物得到碳酸鈣和苯。

［提出問題］1835年，日拉爾發(fā)現(xiàn)了苯由C、 H兩種元素組成，含碳量高達92.3%，密度是同溫同壓下乙炔（C2H2）氣體的3倍。結(jié)合之前所學內(nèi)容，請根據(jù)他的發(fā)現(xiàn)計算出苯的相對分子質(zhì)量并推斷苯的分子式。

［學生］根據(jù)相對密度計算得到苯的分子量為78，得到苯的分子式：C6H6。

設計意圖：以苯的發(fā)現(xiàn)史作為線索，讓學生跨越時空與科學家“對話”，激發(fā)學習興趣。按照科學家思考的過程，從計算苯的相對分子質(zhì)量入手，加深學生對苯的分子組成的印象，為探究苯分子結(jié)構(gòu)打下基礎(chǔ)。

4.2 根據(jù)已知提出猜想，搭建苯分子的球棍模型

［提出問題］同學們已推斷出苯的分子式為C6H6，但六個碳原子和六個氫原子是如何連接在一起形成苯分子的呢？請嘗試推斷并畫出苯可能的分子結(jié)構(gòu)。

［學生推測］根據(jù)苯的分子式，推測可能的苯分子結(jié)構(gòu)，見圖3。

［化學史實］科學家發(fā)現(xiàn)在三溴化鐵（FeBr3）的催化下，苯與液溴發(fā)生反應，苯的一溴代物只有一種結(jié)構(gòu)。這說明什么？請據(jù)此排除一些不符合事實的猜想。

［學生推理］苯的一溴代物只有一種結(jié)構(gòu)，這說明苯中的所有氫原子都是等效氫原子。

［學生活動］保留含有6個等效氫原子的苯的可能結(jié)構(gòu)，見圖3中五個環(huán)狀結(jié)構(gòu)式。

［教師］球棍模型是我們認識物質(zhì)結(jié)構(gòu)的有力工具，請同學們嘗試用桌上的球棍模型將可能的結(jié)構(gòu)搭建出來。

［學生活動］搭建球棍模型，展示交流。

設計意圖：根據(jù)分子式猜想苯分子的可能結(jié)構(gòu)，并結(jié)合相關(guān)事實進行初步篩選，發(fā)展學生的空間思維和證據(jù)推理能力。在本階段，學生的思維從宏觀的苯到化學符號C6H6，再到苯分子結(jié)構(gòu)對應的球棍模型，有助于形成化學的三重表征能力，發(fā)展“宏觀辨識與微觀探析”核心素養(yǎng)。

4.3 基于驗證模型的需要，設計實驗并檢驗苯分子是否含碳碳雙鍵

［教師］苯的分子式為C6H6，可以看出苯是一個不飽和烴，之前我們學習的不飽和烴如烯烴，其中含有碳碳雙鍵。同學們建立的模型中也有碳碳雙鍵，碳碳雙鍵的典型反應是什么呢？

［學生］不飽和烴中的碳碳雙鍵可以發(fā)生加成反應，如烯烴能使酸性高錳酸鉀溶液和溴水退色。

［教師］能否用實驗來驗證苯分子中是否含有碳碳雙鍵？

［學生］如果苯能使酸性高錳酸鉀溶液和溴水退色，那么苯分子中就可能有類似烯烴的碳碳雙鍵的結(jié)構(gòu)。

［學生實驗］往裝有酸性KMnO4溶液的試管中逐滴加入苯并振蕩，溶液分為無色的上層與紫色的下層；往裝有溴水的試管中逐滴加入苯并振蕩，溶液分為紅棕色的上層和橙黃色的下層。

［教師］根據(jù)實驗現(xiàn)象，苯能否使酸性高錳酸鉀溶液和溴水退色？這對我們進一步縮小苯的可能結(jié)構(gòu)的范圍有什么幫助？

［學生推理］苯不能使酸性高錳酸鉀溶液和溴水退色。因此苯分子不具有典型的碳碳雙鍵的性質(zhì)，前面猜想中的有碳碳雙鍵的結(jié)構(gòu)都不能成立了。

設計意圖：在初步篩選苯分子可能的結(jié)構(gòu)之后，通過實驗驗證進一步確定苯分子中并沒有典型的碳碳雙鍵。在否定了典型的碳碳雙鍵之后，學生會猜想到碳碳單鍵，為下一環(huán)節(jié)苯的取代反應和加成反應探究做好了鋪墊。

4.4 操作觀察苯與氯氣的反應，明確苯中的碳碳鍵類型

［教師］碳碳單鍵有哪些典型反應，如何驗證？

［學生］碳碳單鍵可以發(fā)生取代反應，如烷烴在光照的條件下與氯氣發(fā)生取代反應。苯和氯氣如果發(fā)生取代反應，則說明苯中含有碳碳單鍵。

［教師］如何驗證苯和氯氣發(fā)生取代反應？反應物和生成物中氣體的數(shù)量關(guān)系如何？

［學生］含碳碳單鍵的烴與氯氣發(fā)生取代反應，產(chǎn)物中一定會有氯化氫，而且生成的氯化氫和消耗的氯氣物質(zhì)的量相等，反應前后氣壓不變。

［教師］同學們的桌上有氣壓傳感器和數(shù)據(jù)采集器，同學們能否借助反應前后氣壓的變化來推斷取代反應是否發(fā)生？

［學生］如果苯和氯氣發(fā)生取代反應，那么氯氣的顏色會變淺，且反應前后容器的壓強不變。

［教師］如果氯氣溶解到苯中，是否也會導致顏色變淺以及壓強的變化呢？

［學生］為了避免氯氣溶解帶來的影響，可以使用氯氣的苯的飽和溶液與氯氣進行反應。

［教師］請大家開始實驗，注意觀察實驗現(xiàn)象。

［學生實驗］在試管中加入1mL氯氣的苯飽和溶液，再用氯氣采氣袋通入一定量氯氣，試管內(nèi)氣體顏色變黃綠色，停止通入。連接壓力傳感器，再用紫外光燈照射。實驗現(xiàn)象：氯氣和苯在紫外光照射下，氣體顏色變淺，產(chǎn)生白色物質(zhì)，溶液顏色變淺，反應容器內(nèi)壓強減小，實驗設備與實驗現(xiàn)象如圖4所示。

［學生推理］試管中的氣體顏色和溶液顏色都變淺了，說明苯與氯氣發(fā)生了反應，但是反應容器內(nèi)的壓強變小了，試管中發(fā)生的可能不是取代反應。

［教師］什么樣的反應會導致試管內(nèi)壓強變小呢？

［學生］只有發(fā)生加成反應，試管內(nèi)的壓強才會變小。可是之前的實驗已經(jīng)否決掉苯分子中存在碳碳雙鍵結(jié)構(gòu)了。

［教師］確實發(fā)生了加成反應，只是不同于典型的碳碳雙鍵加成反應。除了測量壓強，還有其他方法檢驗苯與氯氣發(fā)生取代反應嗎？

［學生］苯和氯氣如發(fā)生取代反應，就會生成氯化氫，我們檢驗反應后是否出現(xiàn)氯化氫就可以判斷是否發(fā)生了取代反應。

［教師］氯化氫氣體如何檢驗？

［學生］可以用濕潤的pH試紙。

［教師］未反應完的氯氣同樣會使pH試紙變色。

［學生］氯氣溶于四氯化碳，氯化氫氣體不溶，因此可以用四氯化碳來洗氣，排除氯氣的干擾。

［教師］桌上有注射器和醫(yī)用三通閥組成的實驗裝置和相關(guān)試劑，試試看能否檢驗到氯化氫氣體的產(chǎn)生。

［學生實驗］進行苯與氯氣反應的微型實驗，實驗裝置及操作流程見圖5。實驗現(xiàn)象：pH試紙變紅，且不退色。

［教師］根據(jù)實驗結(jié)果，苯和氯氣能否發(fā)生取代反應？為什么？

［學生推理］pH試紙變紅了，且沒有退色，說明苯和氯氣反應產(chǎn)生了氯化氫氣體，苯和氯氣在鐵催化下能夠發(fā)生取代反應。

［教師］從上面的兩個實驗可以發(fā)現(xiàn)，苯和氯氣既可以發(fā)生加成反應又可以發(fā)生取代反應，只是催化劑不同而已。結(jié)合之前的實驗結(jié)果，苯中的碳碳鍵應該是什么類型呢？

［學生推理］苯不能使酸性高錳酸鉀溶液和溴水退色，因此苯中沒有典型的碳碳雙鍵結(jié)構(gòu)；而苯中的6個氫原子都是等效的，在特定條件下又能發(fā)生取代反應。苯與氯氣既可以取代又可以加成，說明苯中的碳碳鍵既像碳碳單鍵又像碳碳雙鍵。

［教師］來看這樣一組資料：科學家發(fā)現(xiàn)碳碳單鍵的鍵長為1.54×10-10m，碳碳雙鍵的鍵長為1.34×10-10m，而苯分子中的碳碳鍵鍵長為1.40×10-10m。

［學生］苯分子中的碳碳鍵鍵長介于碳碳單鍵和碳碳雙鍵之間。

［教師］這會對苯分子中碳碳鍵的性質(zhì)造成什么影響呢？

［學生推理］鍵長介于兩者之間，是不是性質(zhì)也會介于碳碳單鍵和碳碳雙鍵之間呢？如果是這樣的話，上面的實驗結(jié)果就都可以講得通了。

［教師］非常好，正是因為苯分子中的碳碳鍵是一種介于單鍵和雙鍵之間的一種特殊的化學鍵，所以才會表現(xiàn)出以上獨特的性質(zhì)。

設計意圖：本環(huán)節(jié)聚焦于苯中的碳碳鍵類型，設計了兩個創(chuàng)新實驗。碳碳單鍵的典型反應是取代反應，在使用手持技術(shù)數(shù)字化實驗初次驗證苯和氯氣的反應時，學生觀察產(chǎn)物以及反應體系的壓強變化，推理得到容器中發(fā)生的是加成反應。繼而猜想發(fā)生加成反應的條件需要碳碳雙鍵或碳碳三鍵，而這已經(jīng)被上一環(huán)節(jié)的實驗所否定，引發(fā)了強烈的認知沖突。在苯與氯氣發(fā)生取代反應的實驗中，學生使用設計的微型設備進行實驗，檢測到了生成的氯化氫，推理出苯與氯氣可以發(fā)生取代反應，而取代反應是碳碳單鍵的典型反應。學生猜想的可能結(jié)構(gòu)都不能解釋這一連串的實驗現(xiàn)象，此時教師給出三種碳碳鍵的鍵長數(shù)據(jù)，引導學生從結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)的角度認識苯的特殊性質(zhì)。在本環(huán)節(jié)中，學生需要收集實驗證據(jù)，結(jié)合碳碳鍵鍵長等相關(guān)資料，多步驟有深度地推理苯分子中碳碳鍵的類型，證據(jù)推理能力得到發(fā)展。

4.5 結(jié)合史實進一步掌握苯的分子結(jié)構(gòu)，促進科學本質(zhì)理解

［教師］1931年，鮑林發(fā)現(xiàn)苯的六個碳原子連接成環(huán)，每兩個碳原子之間的鍵均相同，是由一個既非雙鍵也非單鍵的鍵連接，稱為大π鍵。

［教師］展示苯分子的結(jié)構(gòu)圖像（見圖6）。

［教師］展示苯的凱庫勒式與其發(fā)現(xiàn)史。

［課堂練習］

（1） 以下哪些可以說明凱庫勒式是不完美的。

（2） 為什么凱庫勒式是不完美的，卻成了我們表示苯的經(jīng)典方式？

設計意圖：進一步幫助學生理解苯的分子結(jié)構(gòu)，掌握苯分子的空間正六邊形構(gòu)型。在思考討論中，體會科學進展的曲折性和凱庫勒等科學家們大膽創(chuàng)新、尋求真理的科學品質(zhì)，深化理解科學本質(zhì)中科學知識和科學事業(yè)等不同維度的價值。

5 教學反思

5.1 探究式化學實驗有助于學生證據(jù)推理與科學探究能力的發(fā)展

學生的證據(jù)推理能力需要在科學探究學習中發(fā)展。在本研究中，學生聚焦于苯分子結(jié)構(gòu)這一科學問題，首先根據(jù)已知提出假設，在驗證假設的需求驅(qū)動下通過實驗收集證據(jù)、再分析信息推理得出結(jié)論。這是一個高水平的思維過程，學生根據(jù)自己的探究很自然地推斷出苯分子的特殊結(jié)構(gòu)，提升了證據(jù)推理能力。

反思評價是科學探究過程的關(guān)鍵因素［6］。在本研究中，教師引導學生進行反思與評價自己的探究過程，學生根據(jù)探究獲得的實驗證據(jù)不斷驗證已有假設并產(chǎn)生新的猜想。學生漸漸明確科學探究的步驟，掌握科學探究的方法，提升了科學探究的能力。

5.2 手持數(shù)字化實驗與微型實驗效果良好，未來將有更多用途

本研究中，學生利用現(xiàn)有設備自主設計，并進行手持數(shù)字化實驗與微型實驗，取得了良好的效果。壓力傳感器的應用可以提供直觀的實驗數(shù)據(jù)，促進學生從定性到定量的研究思維的轉(zhuǎn)變；微型實驗有效降低了潛在的污染風險，并為部分使用危險藥品實驗的開展提供了可能性。確信未來將探索更多優(yōu)質(zhì)的創(chuàng)新實驗，為學生證據(jù)推理能力的發(fā)展提供基礎(chǔ)保障。

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