基于化學(xué)學(xué)科理解培養(yǎng)學(xué)生的證據(jù)推理素養(yǎng)

楊素紅 李保民

摘要：教師在基于化學(xué)學(xué)科理解開展教學(xué)時，教師化環(huán)節(jié)是一個復(fù)雜而能動的過程。結(jié)合金屬的化學(xué)性質(zhì)的教學(xué)，闡述了化學(xué)學(xué)科理解和證據(jù)推理的內(nèi)涵，并帶領(lǐng)學(xué)生體驗收集證據(jù)、篩選證據(jù)、分析推理、得出結(jié)論等科學(xué)探究的過程，繼而說明教師化過程是構(gòu)建素養(yǎng)為本的課堂的關(guān)鍵要素，真實化情景的創(chuàng)設(shè)有助于培養(yǎng)學(xué)生的證據(jù)推理能力。

關(guān)鍵詞：化學(xué)學(xué)科理解;金屬的化學(xué)性質(zhì);證據(jù)推理

文章編號：1008-0546（2020）11-0053-04 中圖分類號：G632.41 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2020.11.014

一、化學(xué)學(xué)科理解的內(nèi)涵

化學(xué)學(xué)科理解是指教師對化學(xué)學(xué)科知識及其思維方式和方法的一種本原性、結(jié)構(gòu)化的認識。從概念可以看出，化學(xué)學(xué)科理解的內(nèi)容包括化學(xué)學(xué)科知識及其思維方式，化學(xué)學(xué)科的理解方式有本原性和結(jié)構(gòu)化兩種。教師只有增進對化學(xué)學(xué)科的理解，才能更好地通過化學(xué)學(xué)科開展育人活動。

化學(xué)科學(xué)經(jīng)驗傳遞理論認為，化學(xué)教育過程實際上是將人類獲得的化學(xué)科學(xué)經(jīng)驗傳遞給學(xué)生，并在學(xué)生頭腦中形成化學(xué)科學(xué)經(jīng)驗結(jié)構(gòu)的過程。把人類的化學(xué)科學(xué)經(jīng)驗作為起點，學(xué)生化學(xué)科學(xué)經(jīng)驗結(jié)構(gòu)則是終點，中間過程需要經(jīng)過課程化、教材化、教師化、學(xué)生化四個階段。教師化是建立在教師對化學(xué)學(xué)科理解基礎(chǔ)之上的，其結(jié)果是形成化學(xué)教學(xué)內(nèi)容，教師化過程是包含內(nèi)化、轉(zhuǎn)化和外化三個環(huán)節(jié)的復(fù)雜、能動的過程，如圖1所示。

二、“金屬的化學(xué)性質(zhì)”教材分析

在“金屬的化學(xué)性質(zhì)”（人教版2012）課題中，教科書呈現(xiàn)的編排順序是三個板塊：一是金屬與氧氣的反應(yīng)，并解釋一些特殊的生活現(xiàn)象;二是金屬與鹽酸、稀硫酸的反應(yīng)，并學(xué)習置換反應(yīng);三是金屬活動性順序，并學(xué)習金屬與金屬化合物溶液的反應(yīng)。

從化學(xué)學(xué)科知識結(jié)構(gòu)方面分析：教材編寫的三個板塊不具有并列性;因為課題是金屬的化學(xué)性質(zhì)，板塊一是金屬與氧氣的反應(yīng)，板塊二是金屬與鹽酸、稀硫酸的反應(yīng)，板塊三應(yīng)該是金屬與金屬的化合物溶液的反應(yīng)，這三者之間才是并列關(guān)系，隸屬于金屬的化學(xué)性質(zhì);而金屬的活動性順序在金屬的化學(xué)性質(zhì)的三個方面都有反映和體現(xiàn)。

從學(xué)生的認知和思維方面分析：教材內(nèi)容導(dǎo)致學(xué)生的認知順序混雜、思維在不同層面來回跳躍;學(xué)習金屬與氧氣的反應(yīng)，解釋一些生活現(xiàn)象，學(xué)生還可以順勢而為，學(xué)習金屬與酸溶液的反應(yīng)時穿插置換反應(yīng)，阻斷了學(xué)生對金屬化學(xué)性質(zhì)的完整的認識，不利于學(xué)生結(jié)構(gòu)化知識的形成和化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。

綜上所述，我將該課題的內(nèi)容進行了調(diào)整，運用證據(jù)推理的方式開展教學(xué)活動。

三、證據(jù)推理的內(nèi)涵

“證據(jù)推理”指從問題情境及已有知識經(jīng)驗中識別、轉(zhuǎn)換形成觀點，并多方收集證據(jù)、利用證據(jù)進行推理，從而獲得結(jié)論，解決問題。推理是思維過程，證據(jù)是前提條件，證據(jù)推理不僅是證實的過程，也可能是證偽的過程?；瘜W(xué)學(xué)習中的證據(jù)推理，包括具有證據(jù)意識，能基于證據(jù)對物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)及其變化提出可能的假設(shè)，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(guān)系。

化學(xué)是自然科學(xué)的一個重要的組成部分，化學(xué)學(xué)習的過程中伴隨著科學(xué)探究的過程，不管是學(xué)生的學(xué)習和科學(xué)家的研究，其活動都是從某一情境中發(fā)現(xiàn)問題，然后根據(jù)原始資料或數(shù)據(jù)對問題形成假設(shè)，通過觀察和實驗獲得新的數(shù)據(jù)（證據(jù)），基于證據(jù)進行推理，對假設(shè)進行修正，最終形成正確的結(jié)論。其過程如圖2所示。

四、“金屬的化學(xué)性質(zhì)”教學(xué)設(shè)計思路

金屬的化學(xué)性質(zhì)與學(xué)生的生活關(guān)系密切，并且學(xué)生擁有豐富的有關(guān)金屬知識的儲備，例如在學(xué)習氧氣時，認識到鐵、鎂等金屬能與氧氣反應(yīng)，在學(xué)習氫氣的制備時了解到金屬鋅能與稀硫酸發(fā)生反應(yīng)，如何在這些知識上生長出新的知識，如何用大量的事實證據(jù)促進新的知識的生長，我發(fā)現(xiàn)運用化學(xué)核心素養(yǎng)中的“證據(jù)推理”展開教學(xué)，是符合學(xué)生的認知規(guī)律并有利于形成結(jié)構(gòu)化知識的。具體的教學(xué)設(shè)計思路是：從區(qū)分真黃金和假黃金的情境提出問題，根據(jù)所學(xué)知識作出假設(shè)，學(xué)生查找證據(jù)——檢索已有的知識儲備，提取有關(guān)金屬化學(xué)性質(zhì)的具體反應(yīng);根據(jù)學(xué)生提供的知識經(jīng)驗，經(jīng)過學(xué)生歸納總結(jié)，得出金屬的化學(xué)性質(zhì)，再應(yīng)用到生活中和學(xué)習中分析具體的問題;最后在金屬的化學(xué)性質(zhì)基礎(chǔ)之上，結(jié)合生活證據(jù)和實驗證據(jù)，應(yīng)用分析、判斷、實驗等多種方式探究金屬活動性順序。教學(xué)活動框架如圖3所示。

五、教學(xué)過程

1.創(chuàng)設(shè)情景，提出問題，形成假設(shè)

師：“火樹銀花不夜天”中有金屬帶給我們視覺的盛宴，學(xué)習金屬的知識也能給我們一雙識別真假的慧眼。請大家來幫一幫小文：

小文的媽媽外出旅游時，買回來一只金手鐲，看起來金燦燦黃澄澄的，她的朋友認為是假金手鐲，這讓小文的媽媽很苦惱。小文的媽媽想到小文學(xué)習了化學(xué)，請小文幫助她辨別真假。

生：用牙齒咬，用火燒，用酸浸泡……

2.收集證據(jù)，合理推理，驗證假設(shè)

師：同學(xué)們的方法很多，你們從哪里學(xué)來的？有科學(xué)依據(jù)嗎？我們已經(jīng)學(xué)習了哪些金屬的相關(guān)知識？請同學(xué)們相互說一說，并把鎂、鋅、鐵三種金屬參加的化學(xué)反應(yīng)用化學(xué)方程式書寫出來。

生：在學(xué)案上書寫化學(xué)方程式，兩位同學(xué)在黑板E書寫。

師：請同學(xué)們睜大眼睛看一看，兩位同學(xué)書寫得完整嗎？有錯誤嗎？有遺漏嗎？

生：甲同學(xué)書寫完全正確，乙同學(xué)將鎂的化學(xué)式寫錯了，漏了鐵和硫酸銅溶液的反應(yīng)。

師：請仔細分析這些化學(xué)反應(yīng)，能否找出金屬參加化學(xué)反應(yīng)的一些規(guī)律，根據(jù)學(xué)案上的提示進行討論。

生：討論……1分鐘后有學(xué)生起立表述：我們組發(fā)現(xiàn)，鎂和鐵都能與氧氣反應(yīng)，鎂和鋅都能與酸反應(yīng)，鐵和硫酸銅溶液能反應(yīng)。

師：我們就以鎂、鋅、鐵為代表，總結(jié)一下金屬的化學(xué)性質(zhì)：（1）金屬和氧氣能反應(yīng);（2）金屬和鹽酸、稀硫酸能反應(yīng);（3）金屬和金屬化合物溶液能反應(yīng)。

3.進一步尋找證據(jù)，證實證偽，獲得結(jié)論

（1）金屬與氧氣的反應(yīng)探究

師：是不是所有的金屬都能與氧氣反應(yīng)呢？請同學(xué)們結(jié)合生活經(jīng)驗和化學(xué)學(xué)習經(jīng)驗尋找證據(jù)。

生：銅和氧氣能反應(yīng)，我在物理課上學(xué)過的。

生：“真金不怕火煉”說明黃金在高溫下不和氧氣發(fā)生反應(yīng)。

師：兩位同學(xué)使用了物理學(xué)習經(jīng)驗和生活經(jīng)驗作為證據(jù)，證明不是所有的金屬都能和氧氣發(fā)生反應(yīng)，所以嚴格地表述是“有些金屬能和氧氣反應(yīng)”。

師：化學(xué)是以實驗為基礎(chǔ)的自然科學(xué)，請同學(xué)們拿起實驗盒里長條形的銀白色的鋁片，用砂紙打磨它的一端。

生：打磨后表面變粗糙了。

師：你們把鋁表面的保護膜打磨掉了。請看課本的描述。

生：鋁在空氣中和氧氣反應(yīng)生成了致密的氧化鋁保護膜，所以鋁的抗腐蝕性很強。

師：很好。同學(xué)們再用坩堝鉗夾住紫紅色的銅片在酒精燈的火焰上加熱一下。

生：變黑了。是不是生成了氧化銅？

師：書寫鋁、銅和氧氣反應(yīng)的化學(xué)方程式，注意反應(yīng)條件。

生：書寫化學(xué)方程式。

師：通過上述一系列證據(jù)我們發(fā)現(xiàn)，在金屬和氧氣反應(yīng)時表現(xiàn)出的難易程度不同，反映出金屬的活潑性不同，上述金屬的活潑性由強到弱的是：鎂、鋁、鋅、鐵、銅、金。

（2）金屬和鹽酸、稀硫酸的反應(yīng)探究

師：我們已經(jīng)知道鋅能與稀硫酸反應(yīng)，還有哪些金屬能與鹽酸、稀硫酸反應(yīng)呢？請根據(jù)儀器盒里提供的器材和藥品按照課本設(shè)計的實驗開展分組實驗，注意操作步驟要正確，觀察現(xiàn)象要細心，記錄實驗要準確。

生：分組實驗。

師：實驗完畢，請同學(xué)們整理好實驗器材和藥品放回儀器盒內(nèi)。整理實驗現(xiàn)象，記錄在學(xué)案上，和同學(xué)進行交流。

生：鎂、鋅、鐵都能和鹽酸、稀硫酸反應(yīng)，反應(yīng)速率不同，鎂最快、鐵最慢，銅和鹽酸、稀硫酸不反應(yīng)。

師：根據(jù)上述實驗證據(jù)，可以推斷金屬活潑性由強到弱的是：鎂、鋅、鐵、銅。和金屬與氧氣反應(yīng)時得出的結(jié)論一致。

（3）金屬和金屬化合物溶液反應(yīng)探究

師：在質(zhì)量守恒定律的學(xué)習中，我們認識到鐵能和硫酸銅溶液反應(yīng)，今天我們通過實驗進一步探究金屬和金屬化合物溶液反應(yīng)的情況。按照教科書提供的探究實驗分組進行，觀察哪些物質(zhì)能發(fā)生反應(yīng)，哪些物質(zhì)不能發(fā)生反應(yīng)。

生：分組實驗。

師：實驗結(jié)束，整理儀器。分組交流。

生：鋁放入硫酸銅溶液中能反應(yīng)，銅放人硝酸銀溶液中能反應(yīng)，銅放入硫酸鋁溶液中不能反應(yīng)。

師：把實驗1和實驗3對比，能得出什么結(jié)論呢？

生：活動性強的金屬能和活動性弱的金屬化合物溶液反應(yīng)。

師：根據(jù)金屬和金屬化合物溶液能否反應(yīng)也能推斷出金屬活動性順序。經(jīng)過大量的科學(xué)實驗探究，人們進行了認真的去偽存真、由表及里的分析，歸納和總結(jié)出了常見金屬在溶液中的活動性順序。

六、結(jié)語

1.重視教師化階段，構(gòu)建素養(yǎng)為本的課堂

教師化過程是教師對化學(xué)課程材料進行內(nèi)化、轉(zhuǎn)化、外化的復(fù)雜而能動的過程。荷蘭學(xué)者Vos等人在研究教師使用基于情境的化學(xué)課程材料時提出了三個層次：理論層次、描述層次、基礎(chǔ)層次。理論層次指的是教學(xué)目標，描述層次指的是教學(xué)策略，基礎(chǔ)層次指的是具體的教學(xué)活動。在金屬化學(xué)性質(zhì)的教學(xué)中，教師確定的教學(xué)目標是在學(xué)習金屬化學(xué)性質(zhì)的過程中培養(yǎng)學(xué)生的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)，運用的教學(xué)策略是基于證據(jù)進行科學(xué)推理，通過分析、歸納、比較、探究來培養(yǎng)學(xué)生的高階思維。在這個觀念的指導(dǎo)下，對已有的課程材料進行了改編，對原有的內(nèi)容進行了一定的調(diào)整和修改，形成學(xué)習金屬化學(xué)性質(zhì)的新模式，即建立在“證據(jù)”基礎(chǔ)上的“推理”——學(xué)習金屬化學(xué)性質(zhì)的一般規(guī)律和特殊事件，證明了物質(zhì)的多樣性和特殊性，將金屬化學(xué)性質(zhì)建立在證據(jù)之上，開展推理等一系列探究活動。

2.創(chuàng)設(shè)真實化情境，培養(yǎng)學(xué)生證據(jù)推理能力

化學(xué)與生活是息息相關(guān)的，又是以實驗為基礎(chǔ)的自然科學(xué)，所以化學(xué)教師要充分運用生活實例和化學(xué)實驗創(chuàng)設(shè)真實化的教學(xué)情境。在金屬化學(xué)性質(zhì)的學(xué)習過程中，教師帶領(lǐng)學(xué)生尋找生活證據(jù)——生活中見到的鋁制品不需要防腐蝕，鐵制品需要刷油漆等多種防腐蝕的措施，銅制品生銹的速度比鐵制品要慢，真金不怕火煉;這些是大自然和人類智慧賦予學(xué)生學(xué)習的真實的證據(jù);教師還要引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計實驗證據(jù)——通過鎂、鋅、鐵、銅與稀鹽酸或稀硫酸接觸來探究金屬與酸的反應(yīng)情況，通過鋁與硫酸銅溶液接觸、銅與硝酸銀溶液接觸等實驗來探究金屬與金屬化合物溶液的反應(yīng)情況，從而推理出金屬活動性順序。這些課程材料中都有呈現(xiàn)，關(guān)鍵是教師運用的策略。教師的運用策略源于教師對教學(xué)目標的設(shè)定。教師在金屬化學(xué)性質(zhì)的教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生的證據(jù)推理能力，那么這些課程材料被教師作為證據(jù)以真實的情境呈現(xiàn)，來展開后續(xù)的教學(xué)活動。