指向“證據(jù)推理與模型認知”素養(yǎng)的教學(xué)實踐
——以“鋼鐵的電化學(xué)腐蝕與防護”為例

◎ 許廣慧

《普通高中化學(xué)課程標準（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱《2020修訂版課標》）提出“以發(fā)展化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)為主旨，重視開展素養(yǎng)為本的教學(xué)”。［1］化學(xué)學(xué)科的五大核心素養(yǎng)各有側(cè)重，但不孤立，相互支撐，其中“證據(jù)推理與模型認知”核心素養(yǎng)是化學(xué)學(xué)科的重要思維方法，同時屬于多學(xué)科并重素養(yǎng)，與物理核心素養(yǎng)中的“科學(xué)思維”和數(shù)學(xué)核心素養(yǎng)中的“邏輯推理”本質(zhì)相同，體現(xiàn)科學(xué)探究的基本方法和過程，值得深入研究和探討。

一、“證據(jù)推理與模型認知”的內(nèi)涵與培育策略

“證據(jù)推理”是基于證據(jù)意識，通過收集證據(jù)，進行分析推理，建立證據(jù)與結(jié)論之間的邏輯關(guān)系，預(yù)測物質(zhì)變化，證實或證偽假設(shè)，從而獲取新的認知。在教學(xué)中應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生從多角度多層次尋找可靠證據(jù)進行推理，可以是宏觀證據(jù)、微觀證據(jù)，也可以是定性證據(jù)、定量證據(jù)、史料證據(jù)等。

“模型認知”是基于建模意識，通過類比抽象，建立模型，并運用模型系統(tǒng)理解概念和原理。模型認知的一般過程為：構(gòu)建與認知、完善與豐富、應(yīng)用與發(fā)展。在教學(xué)中引導(dǎo)學(xué)生歸納總結(jié)，建立模型，可以是實物模型、非實物模型，也可以是圖像模型、文字描述模型、符號模型等。

證據(jù)推理與模型認知相輔相成，既可以通過證據(jù)推理來認知和豐富模型，也可以通過模型認知完善證據(jù)推理的過程?；瘜W(xué)是一門以實驗為基礎(chǔ)的學(xué)科，實驗探究是實現(xiàn)證據(jù)推理與模型認知的有效途徑。結(jié)合證據(jù)推理的一般生成模式和課堂實踐，嘗試構(gòu)建通過實驗探究進行證據(jù)推理與模型認知的培育策略（見圖1）。

圖1 基于實驗探究的證據(jù)推理與模型認知的培育策略

二、教學(xué)案例分析

現(xiàn)以“鋼鐵的電化學(xué)腐蝕與防護”的教學(xué)實踐為例，根據(jù)上述策略，通過實驗探究，從定性、定量、史料三個角度，探討“證據(jù)推理與模型認知”這一核心素養(yǎng)的發(fā)展和落實。

（一）教材分析

本課例選自滬科版高中化學(xué)教材選擇性必修一中化學(xué)反應(yīng)原理模塊，是氧化還原反應(yīng)中電化學(xué)基礎(chǔ)知識原電池和電解池的實際應(yīng)用環(huán)節(jié)，內(nèi)容相對綜合和獨立。在學(xué)習(xí)本節(jié)內(nèi)容之前，學(xué)生已經(jīng)了解鋼鐵腐蝕的宏觀條件，但并不了解鋼鐵生銹的微觀本質(zhì)；學(xué)習(xí)過銅鋅原電池和電解飽和食鹽水，掌握了原電池、電解池的基本構(gòu)造和工作原理，但沒有接觸過鐵碳微型原電池，同時缺乏將理論知識應(yīng)用于解決實際問題的能力。

（二）教學(xué)設(shè)計與實施

本課例秉持“教師為主導(dǎo)，學(xué)生為主體”的教學(xué)理念，緊緊圍繞“證據(jù)推理與模型認知”這一核心素養(yǎng)，以學(xué)校所處東海之濱的實地環(huán)境創(chuàng)設(shè)真實學(xué)習(xí)情境，以實際問題為明線，學(xué)科知識為隱線，通過實驗探究進行證據(jù)推理，完成模型認知與應(yīng)用過程，最終落實學(xué)科核心素養(yǎng)。教學(xué)流程如圖2所示。

圖2 基于“情境、活動、知識、素養(yǎng)”的教學(xué)流程

（三）基于“證據(jù)推理與模型認知”的教學(xué)過程

1.定性證據(jù)推理，構(gòu)建和認知模型

定性證據(jù)推理是通過觀察、實驗和分析等非量化手段來收集證據(jù)進行推理的過程。根據(jù)呈現(xiàn)的具體形式，定性證據(jù)可分為宏觀證據(jù)、微觀證據(jù)?；阡撹F的成分及所處環(huán)境，根據(jù)原電池的構(gòu)成條件，構(gòu)建鐵碳微型原電池模型（見圖3）引導(dǎo)學(xué)生基于原電池模型，有針對性地獲取解決問題所需的證據(jù)，定性分析推理，完成鐵碳微型原電池模型的認知。本課例的創(chuàng)新之處是除了U形管實驗（見圖4）外，還設(shè)計了簡易環(huán)保的暖寶寶-塑料瓶實驗，通過雙重實驗證據(jù)來定性探究鋼鐵腐蝕原理，使推理更科學(xué)和嚴謹，從而全面深化認知模型。

圖3 鐵碳原電池模型

圖4 U形管實驗裝置

（1）證據(jù)推理與認知在探究鋼鐵在中性環(huán)境中的腐蝕原理的應(yīng)用

探究負極反應(yīng)方面基于鐵碳原電池模型，易判斷負極，引出學(xué)生對負極反應(yīng)產(chǎn)物的疑問。結(jié)合學(xué)生已有認知，提出負極電極可能的假設(shè)；基于鐵鹽與亞鐵鹽性質(zhì)不同進行分析推理，提出假設(shè)的檢驗方案；基于模型認知設(shè)計U形管探究實驗，證實假設(shè)。

探究正極反應(yīng)方面基于得失電子守恒，引出學(xué)生對負極電子的去向產(chǎn)生疑問。結(jié)合學(xué)生已有的知識，通過分析、推理預(yù)測元素化合價可能的變化，提出正極電極反應(yīng)的假設(shè)?；谏蓺怏w與消耗氣體引起不同壓強變化進行分析推理，設(shè)計U形管探究實驗進行驗證；但該實驗證據(jù)不充分，繼續(xù)尋找證據(jù)修正假設(shè)?；谏钪惺煜さ呐瘜殞毰c鋼鐵成分相近，創(chuàng)新設(shè)計了利用暖寶寶的塑料瓶實驗（見圖5），證實有氣體消耗。

圖5 中性環(huán)境塑料瓶實驗

相較于以往的液柱實驗和微型實驗等，在科學(xué)性和安全性的基礎(chǔ)上，塑料瓶實驗的裝置和操作更加簡約，實驗現(xiàn)象（證據(jù)）更直觀明顯，同時賦予實驗新的活力；暖寶寶、鐵釘和塑料瓶都源于生活中熟悉物品，可以增強學(xué)生探究的積極性。

（2）證據(jù)推理與認知在探究鋼鐵在酸性環(huán)境中的腐蝕原理的應(yīng)用

基于電鍍廠、電池廠等企業(yè)生產(chǎn)設(shè)施和設(shè)備腐蝕嚴重，教師引出探究鋼鐵在強酸性環(huán)境中腐蝕原理的必要性，從而引發(fā)學(xué)生對強酸性環(huán)境下鐵失去電子的去向以及與中性環(huán)境下是否相同的疑問。根據(jù)鋼鐵成分及鋼鐵所處強酸性環(huán)境，構(gòu)建鐵碳微型原電池模型?；趶娝嵝原h(huán)境與中性環(huán)境中，主要微粒的種類基本不變，提出正極電極反應(yīng)與中性環(huán)境相同的假設(shè)。基于證據(jù)分析推理，設(shè)計探究實驗，向之前癟了的塑料瓶加強酸模擬強酸性環(huán)境，進行實驗（見圖6），證實是否有氣體生成；在該實驗證據(jù)之上，進一步通過強酸性溶液的U形管實驗，探究反應(yīng)現(xiàn)象，通過多重證據(jù)，增強推理的嚴密性。

圖6 強酸性環(huán)境塑料瓶實驗

在定性探究推理鋼鐵腐蝕原理的過程中，從中性到強酸性，從負極反應(yīng)到正極反應(yīng)，在過渡上，通過宏觀創(chuàng)設(shè)情境代替微觀離子濃度變化，有事實證據(jù)，學(xué)生更容易接受；在知識上，考慮到學(xué)生對于鐵與鹽酸的反應(yīng)相對熟悉，不便于兩極電極反應(yīng)探究的開展；在實驗上，向之前癟了的塑料瓶中加酸后恢復(fù)原狀，直觀感受強烈，學(xué)生探究興趣濃厚，同時體現(xiàn)實驗探究的連續(xù)性，融入科學(xué)探究的創(chuàng)新意識。通過實驗探究觀察宏觀現(xiàn)象、驗證微觀粒子，最后分析推理得出電極反應(yīng)，實現(xiàn)“宏微符”三重表征；由易到難，符合學(xué)生的認知水平，實現(xiàn)螺旋式上升的學(xué)習(xí)過程，體驗科學(xué)研究的一般過程和方法，感悟嚴謹求實的科學(xué)態(tài)度和科學(xué)精神。鐵碳原電池模型的構(gòu)建和認知，是輸入和思維內(nèi)化的過程。

2.定量證據(jù)推理，完善和豐富模型

定量證據(jù)推理是通過數(shù)字形式的量化手段來收集證據(jù)進行推理的過程。在探究鋼鐵在中性環(huán)境的正極反應(yīng)時，為增強證據(jù)推理的嚴謹性，在傳統(tǒng)實驗推測的定性證據(jù)之上，進一步設(shè)計數(shù)字化實驗，補充定量證據(jù)，深層次完善和豐富模型。通過圖像（見圖7），更加直觀、高效、準確地分析，從而實現(xiàn)了吸氧腐蝕的“宏微符圖”四重表征，同時體驗了從“無氣體生成”到“有氣體消耗”，再到“消耗了氧氣”的邏輯推理。結(jié)合滴加酚酞驗證產(chǎn)物，定量證實正極電極反應(yīng)假設(shè)，再根據(jù)正負極的電極反應(yīng)分析推理出電池的總反應(yīng)，整個證據(jù)推理過程富有邏輯性和嚴謹性。

圖7 中性環(huán)境氧氣傳感器

在探究鋼鐵在酸性環(huán)境中的正極反應(yīng)時，基于酸性環(huán)境中也有氧氣存在，產(chǎn)生該環(huán)境中析氫腐蝕和吸氧腐蝕競爭關(guān)系的疑問，提出酸性環(huán)境中同時發(fā)生析氫腐蝕和吸氧腐蝕的假設(shè)?；谧C據(jù)進行分析推理，設(shè)計定量實驗探究：最直接的證據(jù)推理是直接監(jiān)測酸性環(huán)境中氧氣含量的變化，嘗試分別用氧氣傳感器和溶解氧傳感器監(jiān)測不同酸性條件下的氧氣含量變化，但在用證據(jù)推理的過程中要注重分析證據(jù)與假設(shè)和結(jié)論之間的邏輯關(guān)系，學(xué)會篩選證據(jù)，氧氣傳感器和溶解氧傳感器測的都是氧氣的體積分數(shù)變化，出于科學(xué)的嚴謹性，酸性條件下氧氣的體積分數(shù)降低并不能作為氧氣含量減少的有力證據(jù)；有文獻用壓強傳感器監(jiān)測不同酸性條件下的壓強變化（見圖8）［2］，通過圖像中壓強變化，證實在強酸性環(huán)境中以發(fā)生析氫腐蝕為主，在中性或弱酸性環(huán)境中以發(fā)生吸氧腐蝕為主；理想的證據(jù)推理是用恰當(dāng)?shù)难鯕鈧鞲衅骱蛪簭妭鞲衅魍瑫r監(jiān)測不同酸性條件下的氧氣含量變化和壓強變化（見圖9），目前還在研究中，尚未實現(xiàn)。

圖8 酸性環(huán)境壓強傳感器

圖9 氧氣傳感器和壓強傳感器

3.史料證據(jù)推理，應(yīng)用和發(fā)展模型

模型的應(yīng)用和發(fā)展是模型輸出和思維升華的過程。在鋼鐵腐蝕原理的防腐應(yīng)用中，通過對比身邊東海大橋和調(diào)研的其他腐蝕現(xiàn)象，對東海大橋常年處于強腐蝕環(huán)境中卻要使用100年的事實產(chǎn)生疑問?；阡摌兜某煞帧⑺幁h(huán)境和安裝鋁塊的防腐措施，根據(jù)鐵碳原電池模型，提出鐵做正極、鋁做負極的原電池原理的電化學(xué)防腐方案。最后通過文獻史料證實東海大橋和蘆潮港鋼閘門確實均利用犧牲陽極的陰極保護法進行電化學(xué)防腐［3，4］?；陔娊獬啬Ｐ?，對金屬類文物的修復(fù)與保護中“將待清洗的器物與低電壓負極，一種惰性物與正極相連”的電化學(xué)清洗法［5］進行分析推理，理解外加電流的陰極保護法。

為降低推理上的思維難度，循序漸進，在提出具體電化學(xué)防腐方案之前，通過生活中電熱水器通過定期更換鎂棒減緩內(nèi)膽腐蝕和長距離地下鋼制管道通過連接電源負極減緩管道腐蝕兩個事實進行啟發(fā)。通過上述證據(jù)推理的過程，能提煉電化學(xué)模型，并運用電化學(xué)模型來解決電化學(xué)防腐的實際問題。

基于鐵碳原電池模型的進一步發(fā)展和應(yīng)用，利用金屬腐蝕原理還可以直接化“腐朽”為“神奇”，即轉(zhuǎn)危為機，為人類生活服務(wù)。如實驗探究過程中用到的暖寶寶、醫(yī)療上可降解的鎂合金血管支架、生活上以“鋁-空氣-海水”為能源的海洋電池、工業(yè)上處理廢水的鐵碳微電解技術(shù)等。通過對科技前沿和實際工業(yè)生產(chǎn)的了解，培養(yǎng)學(xué)生樹立根據(jù)信息建構(gòu)模型、建立解決實際問題的思維框架，贊賞化學(xué)對社會發(fā)展的重大貢獻，體會學(xué)科價值，培養(yǎng)社會責(zé)任感。

三、教學(xué)總結(jié)與反思

本課例通過組織學(xué)生課前調(diào)研和復(fù)習(xí)銅鋅原電池基礎(chǔ)模型、課中探究推理和認知豐富鐵碳原電池新模型、課后開放性作業(yè)和發(fā)展應(yīng)用鐵碳原電池新模型的整體設(shè)計，采取情境問題引導(dǎo)、小組討論、實驗探究、教師答疑等教學(xué)方法，協(xié)助學(xué)生運用日常生活中熟悉的物品探究和應(yīng)用化學(xué)原理，以培養(yǎng)和發(fā)展學(xué)生“證據(jù)推理與模型認知”學(xué)科思想為主線，同時滲透“宏觀辨識與微觀探析”和“變化觀念與平衡思想”的方法，提高“科學(xué)探究和創(chuàng)新意識”的能力，強化“科學(xué)態(tài)度與社會責(zé)任”的意識，注重學(xué)生綜合運用化學(xué)知識解決實際問題的能力，真正做到“從生活走近化學(xué)，從化學(xué)走進生活”。通過教學(xué)實踐，結(jié)合學(xué)生對探究推理表現(xiàn)及課后學(xué)習(xí)內(nèi)容評價，達到了教學(xué)目標的落實。

高中化學(xué)知識點繁多瑣碎，而模型認知是對知識的歸納總結(jié)，證據(jù)推理是科學(xué)的思維方法，一線教師必須具有落實“證據(jù)推理與模型認知”教學(xué)要求的意識，充分挖掘教材，創(chuàng)設(shè)真實的教學(xué)情境，提出有價值的化學(xué)問題，設(shè)計符合學(xué)生認知的科學(xué)探究，多角度尋找證據(jù)，尊重實驗事實，學(xué)會篩選科學(xué)可靠的證據(jù)，強化證據(jù)推理的過程，增強教學(xué)的邏輯性和嚴謹性，凸顯化學(xué)的學(xué)科價值，體現(xiàn)科學(xué)的內(nèi)在思維。學(xué)科素養(yǎng)的培養(yǎng)和發(fā)展不是一朝一夕的事情，需要落實到每一堂課中，潛移默化影響學(xué)生，最終達到育人目的。