發(fā)展證據(jù)推理水平的主題教學(xué)實(shí)踐與思考*
——以氯化銅和氨水反應(yīng)為例

何銀華 肖中榮

（1.杭州市余杭第二高級(jí)中學(xué) 浙江 杭州 311100；2.杭州市基礎(chǔ)教育研究室 浙江 杭州 310000）

《普通高中化學(xué)課程課標(biāo)（2017版）》要求教師積極開(kāi)展素養(yǎng)為本的課堂教學(xué)實(shí)踐，主動(dòng)探索素養(yǎng)為本的有效課堂教學(xué)模式和策略，［1］“我們已經(jīng)確定了8項(xiàng)核心素養(yǎng)，目前的關(guān)鍵是如何評(píng)價(jià)它們，這方面的工作還很薄弱”［2］。證據(jù)推理是化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)，其內(nèi)涵如何解構(gòu)，如何基于主題教學(xué)發(fā)展學(xué)生證據(jù)推理水平，本文以氯化銅和氨水反應(yīng)為例進(jìn)行研究。

一、證據(jù)推理的內(nèi)涵解構(gòu)

證據(jù)推理的內(nèi)涵為具有證據(jù)意識(shí)，能基于證據(jù)對(duì)物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)及其變化提出可能的假設(shè)，通過(guò)分析推理加以證實(shí)或證偽；建立觀點(diǎn)、結(jié)論和證據(jù)之間的邏輯關(guān)系。［3］本文從上述描述抽提出關(guān)鍵詞：證據(jù)意識(shí)、提出假設(shè)、分析推理、邏輯關(guān)系?！白C據(jù)意識(shí)”是科學(xué)的循證思維，指說(shuō)話辦事不能主觀臆測(cè)，要講事實(shí)、有根據(jù)?！疤岢黾僭O(shè)”是發(fā)現(xiàn)問(wèn)題的意識(shí)、提出觀點(diǎn)的能力。“分析推理”是由一個(gè)或幾個(gè)已知的判斷，推導(dǎo)出一個(gè)未知結(jié)論的思維過(guò)程?！斑壿嬯P(guān)系”指事物或活動(dòng)間的依賴關(guān)系，“觀點(diǎn)、結(jié)論和證據(jù)之間的邏輯關(guān)系”是指觀點(diǎn)、證據(jù)、結(jié)論之間要相互支持，形成關(guān)聯(lián)規(guī)則和因果機(jī)制，［4］符合科學(xué)論證的“相關(guān)性、充分性和可接受性的論證評(píng)價(jià)三角標(biāo)準(zhǔn)”［5］。

總之，化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)證據(jù)推理是基于證據(jù)進(jìn)行推理，本質(zhì)是科學(xué)論證，涉及識(shí)別、篩選證據(jù)，轉(zhuǎn)換、形成證據(jù)，應(yīng)用、評(píng)價(jià)證據(jù)，推理、形成結(jié)論的高級(jí)思維過(guò)程，［6］它強(qiáng)調(diào)收集證據(jù)的必要性、突出分析推理的過(guò)程性，彰顯觀點(diǎn)、結(jié)論和證據(jù)之間的邏輯性。

二、證據(jù)推理的水平解構(gòu)

研究表明，證據(jù)、推理和結(jié)論都具有復(fù)雜性。［7］證據(jù)的復(fù)雜性表現(xiàn)為熟悉與陌生、顯性與隱性等，證據(jù)呈現(xiàn)的方式越陌生越隱性，對(duì)思維能力要求越高。推理的復(fù)雜性表現(xiàn)為推理前提的多少、推理步驟的長(zhǎng)短，推理前提越多、步驟越長(zhǎng)，對(duì)思維能力要求越高。證據(jù)推理形成結(jié)論的過(guò)程具有科學(xué)性、準(zhǔn)確性、充分性和相關(guān)性。證據(jù)來(lái)源應(yīng)該科學(xué)、準(zhǔn)確，收集過(guò)程應(yīng)體現(xiàn)“科學(xué)性和準(zhǔn)確性”；要收集不同類型的證據(jù)、從不同的角度證明結(jié)論，體現(xiàn)證明的“充分性”；推理過(guò)程要體現(xiàn)證據(jù)和結(jié)論的緊密關(guān)系、因果關(guān)系等“相關(guān)性”。

《普通高中化學(xué)課程課標(biāo)（2017版）》將證據(jù)推理劃分為4級(jí)水平，本文基于收集證據(jù)的類型、推理形成結(jié)論的過(guò)程，從操作性角度解構(gòu)證據(jù)推理的4級(jí)水平，如表1。

表1 證據(jù)推理的4級(jí)水平

本文將收集證據(jù)類型分為如下水平：熟悉宏觀→熟悉宏觀和陌生微觀→顯性定性和隱性定量→多元證據(jù)、解釋證據(jù)。推理形成結(jié)論過(guò)程分為如下水平：一步推理，科學(xué)地得出結(jié)論→多步推理，科學(xué)地、準(zhǔn)確地得出結(jié)論→多步推理，科學(xué)地、準(zhǔn)確地、充分地得出結(jié)論→多步推理，科學(xué)地、準(zhǔn)確地、充分地得出結(jié)論，解釋證據(jù)和結(jié)論的相關(guān)性。低級(jí)的證據(jù)推理水平主要側(cè)重某個(gè)角度和能力，高級(jí)的證據(jù)推理水平包含低級(jí)的水平要求。

三、發(fā)展證據(jù)推理水平的主題教學(xué)實(shí)踐——以氯化銅和氨水反應(yīng)為例

主題教學(xué)活動(dòng)指課堂教學(xué)以項(xiàng)目式探究形式或問(wèn)題解決形式統(tǒng)整書(shū)本知識(shí)和現(xiàn)實(shí)生活、生產(chǎn)和社會(huì)中的學(xué)科問(wèn)題，以教學(xué)主題為樞紐，在系統(tǒng)內(nèi)各要素相互聯(lián)系、作用和運(yùn)行中達(dá)成學(xué)習(xí)主體心理結(jié)構(gòu)的完善和自我實(shí)現(xiàn)的整體性教學(xué)設(shè)計(jì)。［8］如何判斷物質(zhì)發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)、為什么發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，這是化學(xué)研究的中心問(wèn)題。本文以氯化銅和氨水反應(yīng)為教學(xué)主題，以判斷化學(xué)反應(yīng)是否發(fā)生為教學(xué)背景，以學(xué)科方法逐漸深化為教學(xué)線索，設(shè)置4個(gè)關(guān)聯(lián)的教學(xué)環(huán)節(jié)，發(fā)展學(xué)生從低級(jí)到高級(jí)的證據(jù)推理水平。

【環(huán)節(jié)1】收集宏觀證據(jù)推理發(fā)生反應(yīng)

【教師】演示實(shí)驗(yàn)1：將5mL0.1mol/LCuSO4溶液和10mL0.1mol/LNH3·H2O混合，生成藍(lán)色絮狀沉淀，久置后上清液幾乎為無(wú)色。CuSO4和NH3·H2O發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)嗎，證據(jù)是什么？

【學(xué)生】觀察、回答：因?yàn)槿芤夯旌仙伤{(lán)色沉淀、溶液顏色變淺，證明發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，方程式為：CuSO4+2NH3·H2O=Cu（OH）2↓+（NH4）2SO4

【總結(jié)】化學(xué)反應(yīng)常常伴隨發(fā)光、放熱、產(chǎn)生氣體、生成沉淀、變色等現(xiàn)象，可以根據(jù)上述宏觀現(xiàn)象判斷是否發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)。

設(shè)計(jì)意圖：本環(huán)節(jié)中，學(xué)生收集熟悉的宏觀證據(jù)證明硫酸銅和氨水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。推理路徑為：觀察藍(lán)色絮狀沉淀，證明硫酸銅和氨水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。學(xué)生分析顯性的宏觀證據(jù)，經(jīng)過(guò)一步推理，科學(xué)地證明發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，發(fā)展水平1。

【環(huán)節(jié)2】收集微觀證據(jù)推理發(fā)生反應(yīng)

【教師】提問(wèn)：實(shí)驗(yàn)1硫酸銅溶液和氨水混合，溶液為什么由淺藍(lán)色褪為無(wú)色？反應(yīng)前后體系離子濃度如何變化，如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)證明？

【學(xué)生】討論、回答：因?yàn)樯蓺溲趸~沉淀導(dǎo)致c（Cu2+）減小、溶液褪為無(wú)色。根據(jù)方程式判斷反應(yīng)前后不變?cè)龃蟆ＷC明不變的方案：向?yàn)V液中加入足量BaCl2溶液，稱量生成的m（BaSO4），證明反應(yīng)前后溶液中m()不變。證明c(N)增大的方案：向?yàn)V液中加足量NaOH溶液并加熱、收集生成的NH3，證明增大。教師分別測(cè)如下溶液的電導(dǎo)率：取25mL0.1mol/LNH3.H2O于50mL小燒杯中，磁力攪拌下逐滴加入蒸餾水，溶液電導(dǎo)率變化如圖1所示（注：蒸餾水體積約為16mL）。

圖1 氨水稀釋電導(dǎo)率的變化

取25mL0.1mol/LCuSO4溶液于50mL小燒杯中，磁力攪拌下逐滴加入蒸餾水，溶液電導(dǎo)率變化如圖2所示（注：蒸餾水體積約為16mL）。

圖2 硫酸銅溶液稀釋電導(dǎo)率的變化

取25mL0.1mol/LNH3.H2O于50mL小燒杯中，磁力攪拌下逐滴加入0.1mol/LCuSO4溶液，溶液電導(dǎo)率變化如圖3所示（注：CuSO4溶液體積約為16mL）。

圖3 氨水和硫酸銅溶液混合電導(dǎo)率的變化

【學(xué)生】分析解釋：圖1說(shuō)明氨水稀釋電導(dǎo)率減小、圖2說(shuō)明硫酸銅溶液稀釋電導(dǎo)率減小，圖3說(shuō)明硫酸銅和氨水混合后溶液發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，c(N）增大是電導(dǎo)率增大的主要原因，查閱離子的摩爾電荷電導(dǎo)率（描述物質(zhì)中電荷流動(dòng)難易程度的參數(shù)）：

【總結(jié)】溶液中發(fā)生離子反應(yīng)，參與反應(yīng)的某些離子濃度會(huì)發(fā)生變化（增加或減少），可以比較反應(yīng)前后離子濃度變化判斷是否發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)。

設(shè)計(jì)意圖：本環(huán)節(jié)中，學(xué)生收集陌生的微觀證據(jù)證明硫酸銅和氨水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。學(xué)生需要將可觀察的溶液藍(lán)色褪去與c（Cu2+）減小建立關(guān)聯(lián)，將看不見(jiàn)的轉(zhuǎn)化為可稱量的硫酸鋇沉淀、將看不見(jiàn)的轉(zhuǎn)化為可測(cè)的電導(dǎo)現(xiàn)象，推理路徑為：溶液顏色變淺→c（Cu2+）減小；混合前后m（BaSO4）不變不變；設(shè)計(jì)對(duì)照實(shí)驗(yàn)、分析溶液電導(dǎo)率變化變大。學(xué)生分析顯性宏觀證據(jù)和隱性的微觀證據(jù)，經(jīng)過(guò)多步推理，科學(xué)地、準(zhǔn)確地證明離子濃度變化可以作為化學(xué)反應(yīng)發(fā)生的證據(jù)，發(fā)展水平2。

【環(huán)節(jié)3】收集定量證據(jù)推理發(fā)生反應(yīng)

【教師】演示實(shí)驗(yàn)2：向1000mL蒸餾水分別加一滴0.0001mol/LCuSO4溶液、0.0001mol/LNH3·H2O，無(wú)沉淀生成，思考為什么。設(shè)1滴液體體積約為0.04mL、溶液總體積為1000mL，KspCu（OH）2=2.2×10-20，KbNH3·H2O=1.75×10-5。

【學(xué)生】討論，當(dāng)Q＞KspCu（OH）2生成沉淀；Q=KspCu（OH）2建立沉淀溶解平衡；Q＜KspCu（OH）2不生成沉淀。估算如下：c（Cu2+）=0.0001×0.04/1000=4×10-9mol/L，c（OH-）2=［（0.0001×0.04×kb/1000）］=［（0.0001×0.04×1.75×10-5/1000）］=7×10-14mol/L，Q=c（Cu2+）×c（OH-）2=2.8×10-22＜KspCu（OH）2，實(shí)驗(yàn)2不能生成Cu（OH）2沉淀。

實(shí)驗(yàn)1中，將5mL0.1mol/LCuSO4溶液和10mL 0.1mol/LNH3·H2O混合，c（Cu2+）=0.1×5/15=0.03mol/L，c（OH-）2=［（0.1×10×Kb/15）］=［（0.1×10×1.75×10-5/15）］=0.12×10-5mol/L，Q=c（Cu2+）×c（OH-）2=3.6×10-8＞KspCu（OH）2，所以能生成Cu（OH）2沉淀。

【總結(jié)】CuSO4與NH3·H2O能否反應(yīng)生成沉淀Cu（OH）2，需要通過(guò)定量計(jì)算、比較Q與KspCu（OH）2大小進(jìn)行判斷。溶液中生成沉淀的條件遵守溶度積規(guī)則，當(dāng)難溶物的濃度商大于溶度積才能生成沉淀，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。

設(shè)計(jì)意圖：本環(huán)節(jié)中，學(xué)生需要通過(guò)收集隱性的定量證據(jù)證明硫酸銅和氨水能否發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。學(xué)生根據(jù)硫酸銅和氨水混合c（Cu2+）、c（OH-）計(jì)算濃度商，充分證明實(shí)驗(yàn)1能生成沉淀、實(shí)驗(yàn)2不能生成沉淀。推理路徑為：計(jì)算混合溶液的c（Cu2+），估算稀氨水中的c（OH-）→計(jì)算Q=c（Cu2+）×c（OH-）2→比較Q和KspCu（OH）2大小→解釋能否發(fā)生反應(yīng)。學(xué)生收集定量證據(jù)，經(jīng)過(guò)多步推理，科學(xué)地、準(zhǔn)確地、充分地證明溶度積規(guī)則可以作為化學(xué)反應(yīng)發(fā)生的證據(jù)，發(fā)展水平3。

【環(huán)節(jié)4】收集多元證據(jù)推理發(fā)生反應(yīng)

【教師】演示實(shí)驗(yàn)3：將2mol/LNH3·H2O逐滴加入0.5mol/L5mLCuSO4溶液，生成藍(lán)色沉淀，滴加過(guò)量氨水、振蕩試管沉淀不消失，如何解釋現(xiàn)象呢？

【教師】演示實(shí)驗(yàn)4：向0.5mol/L5mLCuSO4溶液加入氯化銨固體，再滴加2mol/LNH3·H2O，生成藍(lán)色沉淀，滴加過(guò)量氨水、振蕩試管，沉淀消失，最終生成深藍(lán)色溶液。［9］如何解釋現(xiàn)象呢？

【學(xué)生】討論，分析如下：實(shí)驗(yàn)3中，淺藍(lán)色溶液→藍(lán)色沉淀，證明氫氧化銅不溶于氨水。實(shí)驗(yàn)4中，淺藍(lán)色溶液→藍(lán)色沉淀→深藍(lán)色溶液。兩個(gè)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象為什么不同？學(xué)生計(jì)算實(shí)驗(yàn)3中反應(yīng)①的平衡常數(shù)K：

K很小，從限度上判斷氫氧化銅不能溶于氨水（實(shí)際上溶解速率很慢）。

實(shí)驗(yàn)4涉及如下反應(yīng)：

則①+②=反應(yīng)③：

向氨水、氫氧化銅加入足量銨鹽，NH4+耦合OH-，使平衡常數(shù)增加3.24×109倍，有效促進(jìn)了氫氧化銅的溶解、生成更穩(wěn)定［Cu（NH3）4］2+，減少c（Cu2+）。

【總結(jié)】Cu（OH）2與NH3·H2O不能反應(yīng)生成銅氨絡(luò)離子，向溶液中加入足量的銨鹽，銨鹽和OH-反應(yīng)耦合，極大增加化學(xué)反應(yīng)平衡常數(shù)，生成深藍(lán)色、更穩(wěn)定的銅氨絡(luò)離子。沉淀能否有效轉(zhuǎn)化為絡(luò)離子，可以通過(guò)耦合反應(yīng)等條件調(diào)控增大反應(yīng)常數(shù)、發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。

設(shè)計(jì)意圖：本環(huán)節(jié)中，學(xué)生需要收集多元證據(jù)判斷氫氧化銅和氨水能否發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。學(xué)生要根據(jù)宏觀證據(jù)判斷氫氧化銅不能溶于氨水、加入銨鹽可以生成銅氨絡(luò)離子，然后收集微觀證據(jù)書(shū)寫(xiě)氫氧化銅和氨水、銨鹽反應(yīng)的離子方程式，最后通過(guò)定量計(jì)算解釋原因。推理路徑為：沉淀顏色是否變化→基于多重平衡規(guī)則計(jì)算簡(jiǎn)單反應(yīng)和復(fù)雜反應(yīng)的平衡常數(shù)→比較K的變化→解釋能否發(fā)生反應(yīng)→基于“N和OH-耦合”解釋氫氧化銅與氨水發(fā)生反應(yīng)的原因。學(xué)生收集多元證據(jù)，經(jīng)過(guò)多步推理，科學(xué)地、準(zhǔn)確地、充分證明耦合反應(yīng)可以拉動(dòng)化學(xué)反應(yīng)，解釋證據(jù)對(duì)結(jié)論形成支撐的因果關(guān)系，發(fā)展水平4。

【課堂作業(yè)】

問(wèn)題1將0.1mol/L5mLCuSO4溶液和0.1mol/L 10mLNH3·H2O混合，生成藍(lán)色沉淀常含有堿式硫酸銅CuSO4·Cu（OH）2，如何證明沉淀中含有硫酸根？

問(wèn)題2［Cu（NH3）4］2+是穩(wěn)定存在的絡(luò)離子，你能否從結(jié)構(gòu)的角度收集證據(jù)說(shuō)明原因？

設(shè)計(jì)意圖：?jiǎn)栴}1基于沉淀的復(fù)雜性，培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案、收集熟悉證據(jù)的能力：加足量鹽酸溶解、再加氯化鋇檢驗(yàn)。問(wèn)題2培養(yǎng)學(xué)生收集結(jié)構(gòu)證據(jù)理解［Cu（NH3）4］2+穩(wěn)定存在原因：基于晶體場(chǎng)理論知Cu2+形成的八面體場(chǎng)，失去能量較高、z軸方向的2個(gè)配體水分子，4個(gè)氨分子在x軸和y軸方向成平面正方形，獲得更多的晶體場(chǎng)穩(wěn)定化能（John-Teller效應(yīng)）。上述2個(gè)問(wèn)題是主題教學(xué)內(nèi)容的延伸，培養(yǎng)學(xué)生從實(shí)驗(yàn)探究、文獻(xiàn)查閱的角度進(jìn)行科學(xué)論證的能力，發(fā)展學(xué)生證據(jù)推理的綜合素養(yǎng)。

四、結(jié)束語(yǔ)

證據(jù)推理是重要的學(xué)科思維方法，本文解構(gòu)了證據(jù)推理的內(nèi)涵，從收集證據(jù)的類型、推理形成結(jié)論的過(guò)程劃分證據(jù)推理的水平。教學(xué)中以氯化銅和氨水反應(yīng)為例，基于真實(shí)的實(shí)驗(yàn)情境，以學(xué)生活動(dòng)為主體，采取多樣的教學(xué)活動(dòng)，基于宏觀沉淀顏色變化、微觀粒子濃度變化、溶度積規(guī)則、耦合反應(yīng)等證據(jù)判斷化學(xué)反應(yīng)是否發(fā)生，促進(jìn)學(xué)生認(rèn)識(shí)思路的結(jié)構(gòu)化發(fā)展，提升學(xué)生的證據(jù)推理水平。