初中化學(xué)教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生“證據(jù)推理”能力的實(shí)踐與思考
——以“水的組成”為例

魏勝波

陜西省商南縣教育教學(xué)研究室(726300)

1 問題的提出

新頒布的《義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2022年版)》提出“具有證據(jù)意識,能夠給予證據(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(shí)或證偽;建立觀點(diǎn)、結(jié)論證據(jù)之間的邏輯關(guān)系”[1],“證據(jù)推理”是指“基于證據(jù)的推理”,它既是科學(xué)家從事科學(xué)研究的思維方式之一,也是學(xué)生化學(xué)學(xué)科素養(yǎng)的組成部分和具體表現(xiàn)。其中,“證據(jù)”是學(xué)生通過科學(xué)探究開展學(xué)習(xí)活動的重要基礎(chǔ),包括已有知識、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象等直接證據(jù)和文獻(xiàn)資料、調(diào)查數(shù)據(jù)等間接證據(jù)[2]?！八慕M成”是現(xiàn)行人教版九年級化學(xué)教材第4單元“自然界中的水”中的課題3,是學(xué)生認(rèn)知從宏觀世界與微觀世界發(fā)生聯(lián)系的重要一環(huán),是對之前所學(xué)知識從理論到實(shí)踐的一次經(jīng)典結(jié)合,對以后學(xué)習(xí)書寫化學(xué)式要以實(shí)驗(yàn)為依據(jù)、加深對化學(xué)實(shí)質(zhì)和化學(xué)反應(yīng)的理解以及構(gòu)建微粒觀、元素觀、分類觀具有很重要的作用。本文是從宏觀認(rèn)知到微觀探析的逐步深入,將化學(xué)史與學(xué)科知識融為一體,幫助學(xué)生在物質(zhì)的認(rèn)識上由宏觀轉(zhuǎn)向微觀,從組成轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu),建立“宏-微-符”三重表征思想;從化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的視角出發(fā),深入挖掘證據(jù)意識形成過程,通過證據(jù)推理、模型認(rèn)知,從而使學(xué)生學(xué)會建構(gòu)物質(zhì)組成與分子結(jié)構(gòu)的思維模型。

2 “水的組成”設(shè)計(jì)思路

2.1 教學(xué)目標(biāo)

(1)了解氫氣的性質(zhì);知道水的化學(xué)性質(zhì);理解水的組成,鞏固對質(zhì)量守恒定律的認(rèn)識;通過實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)探究水的組成與分子構(gòu)成,通過化學(xué)實(shí)驗(yàn)掌握水的檢驗(yàn)方法;養(yǎng)成實(shí)驗(yàn)探究的好習(xí)慣,提升實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)。

(2)通過電解水的實(shí)驗(yàn),了解水是由氫、氧兩種元素組成的;通過實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象定量推導(dǎo)出水的分子構(gòu)成。

2.2 “水的組成”教學(xué)流程及教學(xué)思路

“水的組成”教學(xué)流程及教學(xué)思路分別如圖1、圖2所示。

圖1 教學(xué)流程

圖2 “水的組成”教學(xué)知識、育人兩條線

3 “水的組成”教學(xué)實(shí)踐

[問題導(dǎo)課]水是生命之源。那么水是單質(zhì)還是化合物?你知道水是由什么元素組成的?

活動一:化學(xué)史考證

[史料閱讀]古希臘盛行“燃素說”,認(rèn)為水是一種元素。1766年,英國科學(xué)家卡文迪許發(fā)現(xiàn)鋅與硫酸混合產(chǎn)生一種無色、易爆的“可燃空氣”。1775年,英國科學(xué)家普里斯特里研究發(fā)現(xiàn)這種“可燃空氣”與空氣混合燃燒后會有露珠出現(xiàn)。1781年,卡文迪許用純氧與“可燃空氣”混合多次進(jìn)行實(shí)驗(yàn),獲得了水,并證明“可燃空氣”和氧氣相互化合的體積比為2.02∶1,但仍錯誤地認(rèn)為“可燃空氣”和氧氣中都含有水這種“元素”。1783年,拉瓦錫將水蒸氣通過高溫金屬鐵管,獲得了黑色固體和“可燃空氣”,再將獲得的氣體通過放在冷水中的銅管,收集到純凈的可燃空氣。由此得出水是由“可燃空氣”和氧氣結(jié)合形成的化合物,并通過定量分析發(fā)現(xiàn)水中含有85 g的氧和15 g的“可燃空氣”。他將“可燃空氣”和氧氣按照16∶84質(zhì)量比混合,點(diǎn)燃后產(chǎn)生水。1787年,拉瓦錫將該“可燃空氣”命名為氫氣并正式提出“氫”元素。1800年,尼克爾森和卡里斯特爾用“伏打電泡”在常溫下電解水,證明了拉瓦錫的結(jié)論。

[提出問題1]結(jié)合教材、資料,談?wù)劺咤a的化學(xué)貢獻(xiàn)有哪些?

[生1]首先測定空氣中氧氣的含量,證明空氣的成分;其次通過水與灼熱的鐵反應(yīng)及氫氣燃燒的定量實(shí)驗(yàn),證明水的組成。否定燃素說,使化學(xué)正式成為一門學(xué)科,推動化學(xué)學(xué)科的發(fā)展。

[提出問題2]灼熱的鐵管和冷的銅管的作用是什么?黑色固體、“可燃空氣”分別是什么物質(zhì)?

[生2]灼熱鐵管的鐵參與了反應(yīng);冷的銅管利用降溫作用除去氣體中的水蒸氣,得到純凈的氫氣。

[生3]黑色固體是四氧化三鐵(Fe3O4),可燃?xì)怏w是氫氣(H2)。

[討論]閱讀上述資料你有何收獲?

[小結(jié)]卡文迪許和普利斯特里由于受到錯誤的思想影響得到錯誤的認(rèn)識,認(rèn)識物質(zhì)世界必須依靠實(shí)驗(yàn),通過定性和定量實(shí)驗(yàn)證據(jù),合理推理,才能得到科學(xué)的結(jié)論。

設(shè)計(jì)意圖:核心素養(yǎng)的培養(yǎng)與發(fā)展,離不開情境學(xué)習(xí)。真實(shí)的情境和真實(shí)的學(xué)習(xí)中,知識得以創(chuàng)造,素養(yǎng)獲得發(fā)展[3]。通過“水的組成”探究的科學(xué)史,引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識人類對物質(zhì)組成與結(jié)構(gòu)的研究是不斷發(fā)展的,體會到探索純凈物組成成分的科學(xué)精神和學(xué)科思維方式。

活動二:實(shí)驗(yàn)尋找證據(jù)

[師]演示實(shí)驗(yàn):水的電解實(shí)驗(yàn),裝置如圖3所示。

圖3 水的電解實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)裝置

[提示]觀察現(xiàn)象,電源正負(fù)接線柱對應(yīng)導(dǎo)氣管產(chǎn)生氣體的現(xiàn)象。

[提出問題3]分析水的電解實(shí)驗(yàn),說明其中的哪些現(xiàn)象和事實(shí)能夠說明水不是一種元素,而是由氫、氧兩種元素組成的?

[生]觀察實(shí)驗(yàn),在問題的引領(lǐng)下,思考、理解實(shí)驗(yàn)?zāi)康?初步建構(gòu)證據(jù)推理思維模型。

[提出問題4]如何驗(yàn)證可燃?xì)怏w是氫氣?怎么證明氫氣燃燒產(chǎn)物是水?

圖4 氫氣燃燒的現(xiàn)象

圖5 檢驗(yàn)水生成的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

[生1]可以用其可燃性,如點(diǎn)燃肥皂水氣泡。

[生2]可以用無水硫酸,遇水會變成藍(lán)色。

[生3]氧化鈣也可以,與水會放出大量熱。

[分組討論]討論交流,代表匯報(bào)評價后師生合作小結(jié)及評價。

[合作探究]探究物質(zhì)的組成或分子構(gòu)成,一般需要探究哪些要素?

[結(jié)論]密閉條件下,通過分解反應(yīng)或化合反應(yīng)探究產(chǎn)物成分,推斷出組成物質(zhì)的元素種類(見表1)。

設(shè)計(jì)意圖:通過創(chuàng)設(shè)情境和實(shí)驗(yàn)探究,體會人類認(rèn)識水的組成的歷史過程;進(jìn)一步理解化學(xué)反應(yīng)的實(shí)質(zhì);基于證據(jù)推理與模型建構(gòu),初步建立“宏一微一符”三重表征的化學(xué)學(xué)科思維;促使學(xué)科知識與學(xué)科德育有機(jī)融合[4]。

表1 水的組成推理過程及模型建構(gòu)

活動三:微粒觀釋秘

[視頻播放]水的電解演示實(shí)驗(yàn)及微觀分解動態(tài)視頻,整體感知水分子分解的過程。

[提出問題5]如何探析一個水分子的構(gòu)成?

[合作探究]嘗試用球棍模型模擬水的電解過程;畫出水電解的微觀示意圖;嘗試寫出水電解的化學(xué)方程式。

[學(xué)生討論合作]學(xué)生上臺通過舉牌展示模擬水電解過程;對比組別之間微觀示意圖;評比各小組化學(xué)方程式書寫。

[閱讀新聞]2004年,科學(xué)家借助電子顯微鏡看到了水分子的真實(shí)面貌“一個水分子是由兩個氫原子和一個氧原子構(gòu)成的”。水是人們?nèi)粘Ｉ钪凶畛Ｒ姷奈镔|(zhì),它是由兩個氫原子和一個氧原子構(gòu)成。但它們究竟是如何形成水分子的?2014年1月16日,我國科學(xué)家解開了這一世界難題,首次清晰拍攝到了水分子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。這一科研成果已在世界權(quán)威科學(xué)雜志《自然》子刊上發(fā)表。

設(shè)計(jì)意圖:通過“球棍模型”“圖示模型”“動畫模型”等新的實(shí)驗(yàn)探究形式,學(xué)生從微觀角度認(rèn)識物質(zhì)的組成與結(jié)構(gòu),初步學(xué)會微粒表征方式(見表2),建立從微觀視角、元素視角認(rèn)識物質(zhì)及其變化的學(xué)科思想。

[思考]如何利用元素觀和微粒觀解釋物質(zhì)的分類、化學(xué)反應(yīng)實(shí)質(zhì)?為什么“只要有水、有電”就能為氫動力汽車補(bǔ)充能源?

4 水的組成教學(xué)評價

水的組成課堂教學(xué)評價見表3。

表2 水的組成、水分子構(gòu)成的實(shí)驗(yàn)證據(jù)及推理結(jié)論

表3 水的組成課堂教學(xué)評價表

5 教學(xué)思考

從化學(xué)史入手進(jìn)行教學(xué)探究,引導(dǎo)學(xué)生回顧科學(xué)家歷經(jīng)百年的探究之路,體驗(yàn)歷史上科學(xué)家們嚴(yán)謹(jǐn)?shù)恼撟C推理、激烈的思想碰撞和豐富的學(xué)科思維,強(qiáng)調(diào)知識的獲得過程。肯定學(xué)生質(zhì)疑權(quán)威的行為,培養(yǎng)學(xué)生批判的科學(xué)精神,讓學(xué)生在真實(shí)的問題背景下圍繞問題解決,獲得知識[5],體現(xiàn)了化學(xué)學(xué)科育人價值。

化學(xué)學(xué)科教學(xué)的目的是教會學(xué)生利用化學(xué)學(xué)科知識認(rèn)識世界的方法。學(xué)生在了解水的過程中感受生命與水,在化學(xué)史中領(lǐng)悟方法、感悟精神,具體運(yùn)用“合”與“分”的思想方法,利用多種途徑探究物質(zhì)的組成和分子的構(gòu)成,構(gòu)建認(rèn)識物質(zhì)的思維模型,促進(jìn)學(xué)生樹立實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證化學(xué)式書寫正確與否的唯一標(biāo)準(zhǔn)。