基于“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”核心素養(yǎng)的高中化學(xué)探究性教學(xué)實(shí)踐

李娜

摘要：以“化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能”為例，探索在化學(xué)課堂中實(shí)踐化學(xué)核心素養(yǎng)，以“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”為主調(diào)打造探究型的化學(xué)課堂，層層推進(jìn)，激發(fā)學(xué)生興趣，以促進(jìn)學(xué)生的化學(xué)核心素養(yǎng)得到全方位發(fā)展。

關(guān)鍵詞：化學(xué)課堂;化學(xué)核心素養(yǎng);探究

文章編號(hào)：1008-0546（2019）05-0057-04

中圖分類號(hào)：G632.41 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2019.05.018

一、設(shè)計(jì)背景

1.高中化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)

“普通高中化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)”提出“宏觀辨識(shí)與微觀探析、變化觀念與平衡思想、證據(jù)推理與模型認(rèn)知、科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)、科學(xué)態(tài)度與社會(huì)責(zé)任”等五個(gè)維度的素養(yǎng)。其中，“宏觀辨識(shí)與微觀探析”體現(xiàn)了化學(xué)學(xué)科的特征，要求學(xué)生從化學(xué)的視角認(rèn)識(shí)和解決問(wèn)題;“變化觀念與平衡思想”體現(xiàn)化學(xué)學(xué)科基本觀念，體現(xiàn)物質(zhì)變化中普遍存在的對(duì)立統(tǒng)一和動(dòng)態(tài)平衡觀念;“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)”是化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)“核心”的核心，以科學(xué)探究為實(shí)踐基礎(chǔ)，在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)和提出有探究?jī)r(jià)值的化學(xué)問(wèn)題;基于證據(jù)進(jìn)行分析推理，運(yùn)用多種模型來(lái)描述和解釋化學(xué)現(xiàn)象，因此，“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”是思維核心;“科學(xué)態(tài)度與社會(huì)責(zé)任”是價(jià)值追求與立場(chǎng)，培養(yǎng)學(xué)生的可持續(xù)發(fā)展意識(shí)和綠色化學(xué)觀念。

2.探究性教學(xué)模式

探究性教學(xué)模式是指在教學(xué)過(guò)程中，要求學(xué)生在教師指導(dǎo)下，通過(guò)以“自主、探究、合作”為特征的學(xué)習(xí)方式對(duì)當(dāng)前教學(xué)內(nèi)容中的主要知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行自主學(xué)習(xí)、深入探究并進(jìn)行小組合作交流。包括創(chuàng)設(shè)情境激發(fā)興趣、啟發(fā)思考提出質(zhì)疑、自主（或小組）探究設(shè)計(jì)方案、協(xié)作交流實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證、總結(jié)提高得出結(jié)論等幾個(gè)環(huán)節(jié)。

打造探究型的化學(xué)課堂，并貫穿以“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”為主調(diào)的核心素養(yǎng)，聯(lián)系生活實(shí)際、創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情境，引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)參與、合作學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究能力，激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)，樹(shù)立正確的情感態(tài)度與價(jià)值觀，促進(jìn)學(xué)生的核心素養(yǎng)全面發(fā)展。

二、基于“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”核心素養(yǎng)的探究型化學(xué)課堂——以“化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能”為例

1.教材、學(xué)情分析

本節(jié)課教學(xué)內(nèi)容是蘇教版高一化學(xué)必修2專題二第三單元《化學(xué)能與電能的轉(zhuǎn)化》第一節(jié)內(nèi)容，是必修1“氧化還原反應(yīng)”的拓展延伸，也是能量轉(zhuǎn)化的生動(dòng)體現(xiàn)，為之后“化學(xué)電源”“電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能”的學(xué)習(xí)做好了鋪墊。

學(xué)生有“氧化還原反應(yīng)”的基礎(chǔ)知識(shí)，也能熟練寫出基本的氧化還原反應(yīng)，又剛學(xué)過(guò)“化學(xué)反應(yīng)中的熱量”，對(duì)化學(xué)反應(yīng)能量轉(zhuǎn)化有一定的了解，通過(guò)必修1的學(xué)習(xí)對(duì)宏觀現(xiàn)象是由微觀本質(zhì)所決定的思維方式也非常成熟，但是對(duì)于“原電池”這個(gè)概念是第一次接觸，并且要將氧化還原反應(yīng)升華到應(yīng)用層面，對(duì)學(xué)生來(lái)說(shuō)是個(gè)非常大的挑戰(zhàn)。為避免學(xué)生對(duì)電化學(xué)這種概念抽象的原理課產(chǎn)生畏難無(wú)聊等情緒，必須設(shè)計(jì)好本節(jié)課，讓學(xué)生在探究性課堂中培養(yǎng)其核心素養(yǎng)，使課堂懸念迭生，學(xué)生在自主質(zhì)疑、推理、尋證、解疑過(guò)程中抽絲剝繭，建立原電池模型，激發(fā)學(xué)生自身的學(xué)習(xí)興趣，掌握學(xué)習(xí)方法，打好電化學(xué)學(xué)習(xí)的第一槍。

2.“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”的內(nèi)涵及教學(xué)目標(biāo)

化學(xué)學(xué)習(xí)過(guò)程應(yīng)該是以物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)及其變化的事實(shí)作為構(gòu)建假設(shè)論證的基礎(chǔ)，并同時(shí)對(duì)假設(shè)進(jìn)行證實(shí)與證偽的分析，在此基礎(chǔ)上研究并建立認(rèn)知物質(zhì)的基本模型，最后得到認(rèn)知物質(zhì)世界的基本方法。作為化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的思維核心“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”有五方面的內(nèi)涵，而這些內(nèi)涵分別表達(dá)了五種不同的意識(shí)（如圖1），這五種意識(shí)也分別對(duì)應(yīng)了五種不同培育目標(biāo)，即學(xué)會(huì)假設(shè)、學(xué)會(huì)認(rèn)證、學(xué)會(huì)分析、學(xué)會(huì)預(yù)測(cè)與建模、學(xué)會(huì)問(wèn)題解決。

基于“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”的內(nèi)涵及培育目標(biāo)，對(duì)于“化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能”這節(jié)課我設(shè)計(jì)了以下教學(xué)行為，以此構(gòu)建成探究性課堂（如表1）。

3.教學(xué)流程

（1）創(chuàng)設(shè)情境，在情境中生成疑問(wèn)

【情境引入】曾經(jīng)網(wǎng)上有這么一個(gè)傳說(shuō)，幾千個(gè)蘋果連在一起就可以為手機(jī)充電。這果蔬到底能不能提供電能呢？實(shí)驗(yàn)是檢驗(yàn)真知的標(biāo)準(zhǔn)。

【分組實(shí)驗(yàn)】6個(gè)小組分別根據(jù)提供的材料模仿如圖2組裝成電路（西紅柿、酒精、銅片、鋅片、鉛筆芯、導(dǎo)線、電子時(shí)鐘），觀察是否有電流通過(guò)。

【提出質(zhì)疑】根據(jù)6組實(shí)驗(yàn)的成功和失?。ㄈ绫?），提出疑問(wèn)：為什么有的能產(chǎn)生電流有的不能，這與電極和介質(zhì)有什么關(guān)系呢？（說(shuō)明：第六組實(shí)驗(yàn)學(xué)生很容易得出結(jié)論：電流的產(chǎn)生必須要形成閉合回路。）

設(shè)計(jì)意圖：通過(guò)學(xué)生小組實(shí)驗(yàn)的成功和失敗，設(shè)置懸念，激發(fā)學(xué)生好奇心，通過(guò)對(duì)比使學(xué)生心中產(chǎn)生質(zhì)疑，為后面提出假設(shè)尋找證據(jù)推理解疑的探究過(guò)程埋下伏筆。

（2）質(zhì)疑尋證，在探究中解釋疑問(wèn)

【假設(shè)1】根據(jù)第二、三、四組實(shí)驗(yàn)，電流的產(chǎn)生與兩個(gè)電極有關(guān)？

【實(shí)驗(yàn)探究一】鋅銅電極哪個(gè)作為電池的正極或負(fù)極？

【演示實(shí)驗(yàn)】鋅一銅一硫酸裝置：電流表指針偏轉(zhuǎn)，銅片表面產(chǎn)生氣泡（如圖3）。

【對(duì)比實(shí)驗(yàn)】干電池與電流表連接：接通電源后電流表指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)（如圖4）。

【結(jié)論】通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)得出，鋅一銅一硫酸裝置類似于電池組裝成閉合回路之后可以形成電流，根據(jù)電流表指針偏向及電子從電源負(fù)極經(jīng)過(guò)導(dǎo)線流向電源正極，得出鋅做負(fù)極，銅做正極。根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和得失電子寫出正負(fù)極反應(yīng)式，zn負(fù)極：zn-2e=Zn²⁺（氧化反應(yīng)）cu正極：2H⁺+2e-=H2↑（還原反應(yīng)）

總結(jié)：將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置稱為原電池，電子從原電池的負(fù)極流向原電池的正極。

設(shè)計(jì)意圖：通過(guò)干電池做對(duì)比判斷出正負(fù)極，得出原電池概念，在電極反應(yīng)式書寫與電子得失守恒中發(fā)展“宏觀辨識(shí)與微觀探析”的素養(yǎng)。

【實(shí)驗(yàn)探究二】不同電極對(duì)形成原電池影響的本質(zhì)原因

【實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證】信息：電極電勢(shì)差形成電壓。利用手持技術(shù)——電勢(shì)傳感器測(cè)鋅一銅一硫酸、鋅一碳一硫酸、鋅一鋅一硫酸三套裝置的電勢(shì)差，得到表3和圖4。

設(shè)計(jì)意圖：通過(guò)對(duì)比和手持技術(shù)，從微觀本質(zhì)解釋不同電極對(duì)形成原電池與否的影響，更好地幫助學(xué)生探究與理解。

【解疑一】原電池形成的條件之一：兩個(gè)正負(fù)電極與介質(zhì)構(gòu)成之后能形成電勢(shì)差，一股腈況下兩個(gè)電極的活潑性要不同，從而自動(dòng)實(shí)現(xiàn)電子轉(zhuǎn)移形成電流，由此又可以發(fā)現(xiàn)原電池的形成需要自發(fā)的氧化還原反應(yīng)，就可以解釋為什么第一組實(shí)驗(yàn)無(wú)法成功，因?yàn)殂~硫酸沒(méi)有形成自發(fā)的氧化還原反應(yīng)。

【假設(shè)2】根據(jù)第四、五組實(shí)驗(yàn)，電流的產(chǎn)生與介質(zhì)有關(guān)，介質(zhì)中需要離子的參與，離子如何移動(dòng)呢？

【實(shí)驗(yàn)探究三】zn-C-H2SO4中滴加KMnO4，觀察紫紅色MnO4-陰離子的移動(dòng)方向（如圖5）。

設(shè)計(jì)意圖：通過(guò)簡(jiǎn)易創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的探究，得出外電路導(dǎo)線上變化的是電子的移動(dòng)，而介質(zhì)中必須要有帶電荷的微粒移動(dòng)來(lái)平衡電性，即必須要有離子的移動(dòng)，以此發(fā)展了“變化觀念與平衡思想”、“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)”的素養(yǎng)。

【解疑二】原電池的形成條件之一：介質(zhì)要有電解質(zhì)，需要離子的移動(dòng)，且陰離子移向負(fù)極，陽(yáng)離子移向正極。

【建立模型】原電池模型如圖6。

設(shè)計(jì)意圖：完善學(xué)生的知識(shí)構(gòu)架，從“宏觀一微觀一符號(hào)”三重表征建立原電池模型，認(rèn)識(shí)化學(xué)現(xiàn)象與模型之間的聯(lián)系。

（3）科學(xué)應(yīng)用，在實(shí)際中解決問(wèn)題

【升華】利用原電池模型解決鋼鐵的電化學(xué)腐蝕問(wèn)題。

設(shè)計(jì)意圖：利用所建模型解決實(shí)際問(wèn)題，建立思維框架，為后續(xù)的化學(xué)電源學(xué)習(xí)做鋪墊，并能將原電池應(yīng)用于實(shí)際的綠色生產(chǎn)和綠色生活中，以此發(fā)展“科學(xué)態(tài)度與社會(huì)責(zé)任”的素養(yǎng)。

三、教學(xué)反思

將傳統(tǒng)的探究性教學(xué)與化學(xué)核心素養(yǎng)結(jié)合，從而打造出基于“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”的探究性化學(xué)課堂，既可以發(fā)揮探究性教學(xué)中問(wèn)題情境對(duì)教學(xué)的作用，又可以通過(guò)探究活動(dòng)幫助學(xué)生樹(shù)立獨(dú)立分析的意識(shí)，提高依據(jù)目標(biāo)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的能力以及依據(jù)物質(zhì)變化的內(nèi)在規(guī)律做出模型假設(shè)與模型構(gòu)建的能力，幫助學(xué)生形成解決化學(xué)問(wèn)題的基本框架，由此實(shí)現(xiàn)“從化學(xué)的視角認(rèn)識(shí)事物和解決問(wèn)題的思想、方法、觀點(diǎn)”的化學(xué)學(xué)科價(jià)值，兩者相輔相成使探究性教學(xué)的真正落實(shí)明確了方向，使在著重發(fā)展“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”素養(yǎng)的同時(shí)其他核心素養(yǎng)也能得到全面發(fā)展。

在“化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能”的教學(xué)中，我們長(zhǎng)期都是以傳授知識(shí)為主，即使會(huì)設(shè)計(jì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)、討論原電池構(gòu)成所需的條件，但依然追求知識(shí)結(jié)構(gòu)的完整性，忽視了證據(jù)推理與模型認(rèn)知的引導(dǎo)。比如我們常提到構(gòu)成原電池的條件之一：兩個(gè)電極是活潑性不同的金屬（非金屬），并沒(méi)有提出本質(zhì)原因即電勢(shì)差，從而在后面氫氧燃料電池學(xué)習(xí)時(shí)給學(xué)生造成了困擾。我們?cè)谡n堂設(shè)計(jì)時(shí)不應(yīng)只是為了得到固有結(jié)論而流于形式設(shè)計(jì)成“偽探究”，應(yīng)深入本質(zhì)交給學(xué)生如何“學(xué)”：學(xué)質(zhì)疑、學(xué)求證、學(xué)推理、學(xué)建模、學(xué)解疑，體驗(yàn)并落實(shí)學(xué)生的核心素養(yǎng)。當(dāng)然，對(duì)于本節(jié)課的設(shè)計(jì)也存在遺憾，針對(duì)“自發(fā)的氧化還原反應(yīng)”并未進(jìn)行深入直觀的實(shí)驗(yàn)探究，后來(lái)通過(guò)查閱資料考慮到是否可以通過(guò)溫度計(jì)測(cè)量鋅一銅一硫酸電池的溫度變化，從“放熱的氧化還原反應(yīng)”來(lái)探究有待于進(jìn)一步實(shí)踐。