基于證據(jù)推理與模型認知的教學(xué)實踐探索

成迎春

摘要：以“原子的結(jié)構(gòu)”教學(xué)為例，復(fù)原化學(xué)史實、創(chuàng)設(shè)驅(qū)動任務(wù)，培養(yǎng)學(xué)生形成基于證據(jù)推理與模型認知的核心素養(yǎng)，提升學(xué)生化學(xué)學(xué)科觀念和學(xué)科思維能力，對在理論教學(xué)中落實化學(xué)核心素養(yǎng)教學(xué)進行有效探索。

關(guān)鍵詞：證據(jù)推理;模型認知;核心素養(yǎng);原子結(jié)構(gòu);教學(xué)設(shè)計

文章編號：1008-0546（2020）02-0045-03 中圖分類號：G632.41 文獻標(biāo)識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2020.02.014

《中國學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)》認為核心素養(yǎng)是學(xué)生應(yīng)具備的，能夠適應(yīng)終身發(fā)展和社會發(fā)展需要的必備品格和關(guān)鍵能力。高中化學(xué)核心素養(yǎng)包括“宏觀辨識與微觀探析”“變化觀念與平衡思想”“證據(jù)推理與模型認知”“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識”“科學(xué)態(tài)度與社會責(zé)任”5個維度，五類素養(yǎng)各有側(cè)重，相輔相成，全面展現(xiàn)了學(xué)生通過化學(xué)課程學(xué)習(xí)形成的關(guān)鍵能力和必備品格。本文就“證據(jù)推理與模型認知”談一談個人的認識，并結(jié)合“原子的結(jié)構(gòu)”一課的教學(xué)說一說具體的做法。

一、借助于實證推理、模型認知研究化學(xué)物質(zhì)是化學(xué)思維的典型特征

科學(xué)家經(jīng)過一定的觀察、調(diào)查、實驗，收集大量數(shù)據(jù)，利用想象、比對和對比的方法，建立一個仿真的、簡潔的描述，這就是科學(xué)模型。在科學(xué)研究中，科學(xué)家總是使用各種科學(xué)模型來表示難以直接觀察的東西，模型認知是一種重要的思想方法，它可以幫助人們理解并解釋我們看到的宏觀表現(xiàn)，并能用來預(yù)測物質(zhì)可能會表現(xiàn)出哪些性質(zhì)。

科學(xué)的發(fā)展過程是一個不斷建立科學(xué)模型和用新的科學(xué)模型代替舊的、不完善的科學(xué)模型的過程。在建立模型和修正模型的過程中，對信息進行加工的思維方式就是證據(jù)推理。

二、證據(jù)推理與模型認知的科學(xué)素養(yǎng)的養(yǎng)成需要通過深度教學(xué)來推動

深度教學(xué)指教師借助于一定的活動情境帶領(lǐng)學(xué)生超越一般的表層知識符號學(xué)習(xí)，進而進入知識內(nèi)在的邏輯形式和意識領(lǐng)域。根據(jù)知識內(nèi)涵的豐富價值，完整地實現(xiàn)知識教學(xué)對學(xué)生的發(fā)展價值。深度教學(xué)并不是要求教授更難的知識，而是要求教師根據(jù)學(xué)情的實際情況，盡可能讓學(xué)生掌握更多的知識，追求教學(xué)的廣度，創(chuàng)造真實的情景，提升學(xué)生的學(xué)科思維、學(xué)科觀念。

三、證據(jù)推理與模型認知的科學(xué)方法的落實需要以學(xué)生為主體

學(xué)生只有通過自主、合作、探究等多樣化的親身經(jīng)歷，才能很好的獲取知識，讓學(xué)生經(jīng)歷“收集證據(jù)一建立模型一再收集證據(jù)一修正模型”這一過程，使學(xué)生不斷探索與實踐，有利于形成化學(xué)學(xué)科觀念和化學(xué)核心素養(yǎng)，培養(yǎng)科學(xué)的發(fā)現(xiàn)者。

下面以“原子的結(jié)構(gòu)”一課教學(xué)為例談?wù)勗诮虒W(xué)中如何讓學(xué)生經(jīng)歷和體驗“證據(jù)推理與模型認知”。

四、教學(xué)設(shè)計

1.學(xué)情分析及設(shè)計思路

通過八年級物理的學(xué)習(xí)，學(xué)生已經(jīng)初步了解了一些分子、原子的知識。知道微粒性，并能夠解釋一些常見的現(xiàn)象：蒸發(fā)、升華、熱脹冷縮等。在九年級化學(xué)第1章學(xué)習(xí)中，學(xué)生也接觸了一些關(guān)于物質(zhì)構(gòu)成的初步知識，并通過對金剛石與石墨微觀結(jié)構(gòu)模型的觀察，認識到物質(zhì)都有一定的組成和結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)。這些內(nèi)容對本課的學(xué)習(xí)具有鋪墊作用。

值得關(guān)注的是，學(xué)生雖然已有微觀構(gòu)成的一些印象，但九年級學(xué)生的想象能力偏弱，對本節(jié)內(nèi)容學(xué)習(xí)不利。因此在教學(xué)中應(yīng)輔以豐富的具體事實作為抓手，以豐富的活動作為載體，引導(dǎo)學(xué)生抓住證據(jù)，學(xué)會分析、推理、想象、抽象、比對的科學(xué)方法，通過親歷化學(xué)探索活動建立相關(guān)科學(xué)模型，了解原子的結(jié)構(gòu)，形成一定的化學(xué)學(xué)科思維，體驗科學(xué)研究的艱辛與喜悅，形成一定的科學(xué)觀念。

2.教學(xué)過程

（1）巧設(shè)開場活動，激發(fā)學(xué)生探究興趣，培養(yǎng)科學(xué)推理的方法

宏觀的、具體的事物容易被學(xué)生接受，在化學(xué)中，我們所做的觀察都是從宏觀開始，然后再去探索微觀層面的結(jié)構(gòu)。因此，課前給每一小組準備了一個包裝精美的禮盒，里面放了2盒不同顏色粘土、三種顏色的磁球（多個）、幾小袋曲奇餅干和半個洋蔥。要求學(xué)生在不打開禮盒的情況下，想盡辦法推測禮盒里物質(zhì)形狀、大小、數(shù)量等信息。

該活動旨在幫助學(xué)生建立結(jié)論和證據(jù)之間的關(guān)系，知道通過收集證據(jù)、分析、推理等方法研究物質(zhì)是一種常用的科學(xué)方法。

（2）立足化學(xué)史實，引導(dǎo)學(xué)生推理，初步建立科學(xué)模型

科學(xué)理論是要經(jīng)過反復(fù)驗證的，長期以來，人們根據(jù)各種實驗數(shù)據(jù)提出了各種原子理論，相應(yīng)的建立了對應(yīng)的科學(xué)模型。隨著收集的證據(jù)越來越豐富，原子理論和模型也在不斷完善。課前整理并選擇一些原子發(fā)現(xiàn)的化學(xué)史實，制作成微課或圖形并茂的PPT，帶領(lǐng)學(xué)生一起站在巨人之肩，重溫原子發(fā)現(xiàn)之旅，像科學(xué)家那樣去思考，像科學(xué)家那樣去探索（表1，圖1-6）。

（3）精設(shè)練習(xí)和問題，培養(yǎng)學(xué)生收集證據(jù)的意識和分析推理的素養(yǎng)，修正模型認知

設(shè)計一系列的問題或練習(xí)，引導(dǎo)學(xué)生產(chǎn)生矛盾、困惑、頓悟，豐富證據(jù)，不斷修正完善模型認知。

問題1：讓學(xué)生用硬幣為模板在紙上畫一個圓，以此代表居于原子中間的原子核，量出直徑，要求學(xué)生估算原子的直徑邊緣大約在哪里，通過計算用數(shù)據(jù)證實觀點。

問題2：已知氫、氦、碳原子的電子數(shù)分別為1、2、6，要求學(xué)生用玩具磁球在黑板上擺出盧瑟福的原子模型。

問題3：原子核帶正電，幾乎集中了原子所有的質(zhì)量，核外電子帶負電荷且質(zhì)量非常小，為什么電子不會被原子核吸在一起呢？

問題4：一個原子有幾個原子核？原子核還能不能再分？

通過一系列的問題鏈，可以讓學(xué)生加強已有的原子模型認識，又可以為豐富學(xué)生的證據(jù)，進一步完善模型認知作好鋪墊。學(xué)生搭建多電子的原子模型時就會心存疑問：一個原子有幾個原子核？原子帶不帶電？多個電子怎樣排列？教師則可抓住學(xué)生的思維的矛盾，引領(lǐng)學(xué)生分析、推理得出正確的認知，并適時拋出新的證據(jù)。

通過微課或PPT展示近代原子的發(fā)展：1913年，湯姆生和盧瑟福的學(xué)生波爾提出：電子具有一定數(shù)量的能量，這些能量使得它們能夠在特定的軌道上運動。就像行星在穩(wěn)定的軌道上繞太陽旋轉(zhuǎn)，或者像洋蔥的各個皮層。1919年盧瑟福和他的助手用α粒子“轟擊”氮原子核等，發(fā)現(xiàn)原子核里面有帶正電荷的質(zhì)子，每個質(zhì)子所帶的電與電子所帶的電荷量相同，電性相反。1932年查德威克用α粒子“轟擊”鈹原子核等實驗，從原子核中得到了一個不顯電性的粒子，命名為中子。中子的質(zhì)量與原子的質(zhì)量幾乎相等。

問題5：觀察部分原子結(jié)構(gòu)表（表2），要求學(xué)生分析得出信息，并用磁球搭建具體中子和質(zhì)子的原子模型。

學(xué)生通過對表格中數(shù)據(jù)的收集，比對，可以推理出很多結(jié)論：不是所有的原子核中都要中子;中子數(shù)目不一定等于質(zhì)子數(shù);質(zhì)子數(shù)=核外電子數(shù);不同原子中子數(shù)可能相同……

問題6：在磁性黑板上用硬幣畫一個圓代表原子核，每隔一定距離畫幾個同心圓或用安全的飛鏢玩具，讓學(xué)生用磁球扔原子核。

1920年化學(xué)家海森堡提出測不準原理：實驗發(fā)現(xiàn)無法精確測量某個電子在某個時刻的位置與動量。通過圖片展示現(xiàn)代原子的電子云模型。

五、教學(xué)反思

綜上，在教學(xué)生不僅關(guān)注學(xué)生學(xué)科知識的掌握，更在于關(guān)注學(xué)生通過以上的探索和學(xué)生親歷，形成分析問題、收集證據(jù)解決問題的思路。培養(yǎng)學(xué)生的證據(jù)意識，推理、想象和建立模型的能力，提高科學(xué)素養(yǎng)。問題探究和實驗探索是培養(yǎng)化學(xué)核心素養(yǎng)中“證據(jù)推理與模型認知”的主要手段。通過真實的化學(xué)情景，精心設(shè)計問題和學(xué)生活動，重復(fù)展開討論，培養(yǎng)學(xué)生收集并豐富證據(jù)，依據(jù)證據(jù)進行推理和修正科學(xué)模型，養(yǎng)成良好的科學(xué)思維，真正做到像科學(xué)家那樣思考，像科學(xué)家那樣探索，知識能力方法并重，動手動腦趣味無窮，讓科學(xué)成為習(xí)慣。