基于“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”素養(yǎng)的深度學(xué)習(xí)活動設(shè)計

盧文靜 周海歐

摘要：以“探究溫度、壓強(qiáng)對化學(xué)平衡移動的影響”為例，通過設(shè)置問題情境，設(shè)置實驗探究、結(jié)合手持技術(shù)實驗和理論證據(jù)，從定性和定量以及實驗和理論角度，培養(yǎng)收集證據(jù)、分析證據(jù)、證據(jù)推理、建立模型、完善模型、運(yùn)用模型的能力，發(fā)展“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”的化學(xué)核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：證據(jù)推理與模型認(rèn)知；深度學(xué)習(xí)；平衡移動

文章編號：1008-0546（2023）12-0033-005 中圖分類號：G632.41 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2023.12.007

一、教學(xué)背景分析

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》提出要發(fā)展化學(xué)核心素養(yǎng)，即“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(rèn)知”“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識”“科學(xué)精神與社會責(zé)任”5個維度”。［1］“證據(jù)推理與模型認(rèn)知的內(nèi)涵”是指能夠收集化學(xué)事實、信息等證據(jù)并提出假設(shè)，通過正確的化學(xué)思維過程進(jìn)行推理和分析，得出結(jié)論，并構(gòu)建證據(jù)與結(jié)論之間完整的邏輯關(guān)系，從而形成一般的認(rèn)知思維與方法，建立認(rèn)知模型，并且能夠運(yùn)用模型的一般思維方法去解決化學(xué)問題。［2］“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”這一核心素養(yǎng)需要建立在科學(xué)探究的基礎(chǔ)上，是一種區(qū)別于“死記硬背”的表層學(xué)習(xí)的深度學(xué)習(xí)方法，有助于學(xué)生認(rèn)識知識是如何構(gòu)建的，對知識形成深刻的理解，并且對知識進(jìn)行遷移與應(yīng)用，以及形成強(qiáng)烈的知識學(xué)習(xí)內(nèi)驅(qū)力與學(xué)習(xí)情感，發(fā)展高階的化學(xué)思維與綜合應(yīng)用能力。

1976年，F(xiàn)erence Marton 和 Roger Saljo首次提出深度學(xué)習(xí)和淺層學(xué)習(xí)的概念，深度學(xué)習(xí)是相對于簡單記憶的淺層學(xué)習(xí)而提出來的，是內(nèi)在特征的理解和聯(lián)系。［3］近幾十年研究，大體上深度學(xué)習(xí)被認(rèn)為是一種學(xué)習(xí)的方式、過程和結(jié)果。［4］在高中化學(xué)學(xué)習(xí)中，深度學(xué)習(xí)是以提高學(xué)生認(rèn)知目標(biāo)為前提，培養(yǎng)學(xué)生批判性思維能力，注重學(xué)習(xí)過程中的積極情感投入及學(xué)習(xí)結(jié)果的核心素養(yǎng)和終身發(fā)展能力建構(gòu)，是一個知識遷移的過程，是在理解基礎(chǔ)上聯(lián)結(jié)原有知識并通過遷移解決問題的學(xué)習(xí)行為。

目前我國普通高中化學(xué)教學(xué)中對于“證據(jù)推理和模型認(rèn)知”素養(yǎng)的培養(yǎng)正在探索階段，尤其是對于“模型認(rèn)知”的理解與培養(yǎng)不夠重視，許多教師對證據(jù)推理以及模型認(rèn)知之間的內(nèi)在聯(lián)系理解不透，學(xué)生對化學(xué)知識的學(xué)習(xí)停留在淺層的記憶理解層面，所以需要構(gòu)建基于深度學(xué)習(xí)指向化學(xué)核心素養(yǎng)的課堂教學(xué)活動設(shè)計。本文選擇2019年人教版普通高中化學(xué)選擇性必修一的“溫度、壓強(qiáng)對化學(xué)平衡移動的影響”為主題，進(jìn)行基于“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”素養(yǎng)的深度學(xué)習(xí)活動設(shè)計。

二、教學(xué)內(nèi)容分析

溫度與壓強(qiáng)對化學(xué)平衡移動的影響為2019年人教版普通高中化學(xué)選擇性必修1第二章第二節(jié)的教學(xué)內(nèi)容。新課標(biāo)要求“了解濃度商和化學(xué)平衡常數(shù)的相對大小與反應(yīng)方向間的聯(lián)系。通過實驗探究，了解濃度、壓強(qiáng)、溫度對化學(xué)平衡狀態(tài)的影響。認(rèn)識化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡的綜合調(diào)控在生產(chǎn)、生活和科學(xué)研究中的重要作用”。在進(jìn)行本節(jié)課學(xué)習(xí)之前，學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了影響化學(xué)速率的因素以及濃度商和化學(xué)平衡常數(shù)的相對大小與反應(yīng)方向間的聯(lián)系，學(xué)生對平衡移動有了初步認(rèn)識，具備了一定的平衡思想，結(jié)合新課標(biāo)的內(nèi)容要求和學(xué)業(yè)水平要求，制定了以下

教學(xué)目標(biāo)：

（1）通過手持技術(shù)實驗探究從定性角度歸納壓強(qiáng)和溫度對化學(xué)平衡的影響規(guī)律，從中體驗科學(xué)探究的艱辛和喜悅；培養(yǎng)變化觀念與平衡思想、證據(jù)推理與科學(xué)探究的化學(xué)核心素養(yǎng)。

（2）學(xué)會用濃度商和平衡常數(shù)大小比較判據(jù)，定量判斷壓強(qiáng)和溫度影響平衡移動的方向。

（3）了解控制反應(yīng)條件在生產(chǎn)、生活和科學(xué)研究中的意義，落實科學(xué)精神與社會責(zé)任的化學(xué)核心素養(yǎng)。

三、教學(xué)設(shè)計思路

證據(jù)推理與模型認(rèn)知需要建立在情境問題以及科學(xué)探究收集證據(jù)的基礎(chǔ)上，證據(jù)推理需要從情境中發(fā)現(xiàn)問題，根據(jù)已有的知識、數(shù)據(jù)進(jìn)行假設(shè)，再收集證據(jù)，根據(jù)已經(jīng)有的數(shù)據(jù)、現(xiàn)象等進(jìn)行證據(jù)的組合、證據(jù)表達(dá)、證據(jù)推理從而證實或者證偽假設(shè)，獲得結(jié)論，模型認(rèn)知需要在證據(jù)推理的基礎(chǔ)上形成一般的認(rèn)知方法、規(guī)律模型，并且以證據(jù)不斷修繕模型，應(yīng)用模型去解決實際化學(xué)問題。［5］本文的設(shè)計思路（如圖1所示）是在科學(xué)探究中貫穿證據(jù)推理，在證據(jù)推理的基礎(chǔ)上構(gòu)建和應(yīng)用模型。

本文設(shè)置了兩個教學(xué)情境，以“當(dāng)打開汽水瓶蓋會涌出大量氣泡”為情境，提出問題：“為什么會涌出大量氣泡？”，收集證據(jù)“市場上銷售的汽水，大約是1體積水中溶有1～4.5體積二氧化碳，制備時在4℃和2-4個大氣壓下將 CO2注入原漿中。”形成假設(shè)：壓強(qiáng)對化學(xué)平衡移動有影響，提出問題：“壓強(qiáng)怎樣影響化學(xué)平衡移動？”，通過手持技術(shù)實驗探究得出壓強(qiáng)對 NO2與 N2O4平衡體系的時間壓強(qiáng)圖像，從定性角度對圖像證據(jù)進(jìn)行合理推理，從定量角度濃度商與平衡常數(shù)相對大小推理分析，得出結(jié)論，聯(lián)系宏觀與微觀構(gòu)建壓強(qiáng)對化學(xué)平衡移動原理的模型。

通過設(shè)置情境“飲用冰鎮(zhèn)汽水會打嗝”，收集證據(jù)“人的體溫較室溫高”，從而提出假設(shè)“溫度對化學(xué)平衡移動有影響”。通過搭建腳手架設(shè)計溫度對NO2與 N2O4平衡體系的影響，收集定性的顏色變化證據(jù)以及理論證據(jù)——范特霍夫方程，得出結(jié)論，聯(lián)系宏觀與微觀構(gòu)建溫度對化學(xué)平衡移動原理的模型。

最后，結(jié)合溫度以及濃度對化學(xué)平衡移動的模型構(gòu)建勒夏特列原理模型，并運(yùn)用該模型分析解決工業(yè)制備硫酸的反應(yīng)條件調(diào)控問題。相關(guān)的教學(xué)分析思路如圖2所示。

四、教學(xué)過程

1.壓強(qiáng)對化學(xué)平衡移動的影響

【情境引入】教師現(xiàn)場展示打開一瓶可樂，觀察瓶內(nèi)現(xiàn)象。

【問題引導(dǎo)】瓶中怎么會有大量氣泡？

【展示】資料卡片：①市場上銷售的汽水，大約是1體積水中溶有1～4.5體積二氧化碳，制備時在4℃和2-4個大氣壓下將注CO2入原漿中。②瓶內(nèi)二氧化碳存在平衡：CO2（aq）?CO2（g）

【學(xué)生討論】根據(jù)打開汽水瓶蓋產(chǎn)生氣泡現(xiàn)象以及資料卡片證據(jù)，推理打開瓶蓋，壓強(qiáng)變小，推測平衡：CO2（aq）?CO2（g）往正向移動，即體積增大方向移動。

【提出假設(shè)】壓強(qiáng)對化學(xué)平衡移動有影響，壓強(qiáng)減小朝著體積增大的方向移動。

設(shè)計意圖：創(chuàng)設(shè)生活化情境CO2的溶解平衡，提出問題，引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)資料證據(jù)，提出假設(shè)，激發(fā)學(xué)生興趣，體會化學(xué)與生活的緊密聯(lián)系。

【實驗探究】講解用壓強(qiáng)傳感器探究改變壓強(qiáng)對 NO2與 N2O4平衡體系的影響實驗（如圖3所示），請預(yù)測并畫出壓縮和拉伸注射器過程中注射器內(nèi)壓強(qiáng)隨時間變化曲線，并給予解釋。

【學(xué)生】預(yù)測并畫出壓縮和拉伸注射器過程中注射器內(nèi)壓強(qiáng)隨時間變化曲線。

【實驗演示】教師現(xiàn)場演示手持技術(shù)實驗，使用壓強(qiáng)傳感器探究改變壓強(qiáng)對 NO2與 N2O4平衡體系的影響。

【問題引導(dǎo)】①注射器中體系顏色深淺跟什么有關(guān)？②注射器中顏色變化是怎樣？能否觀察清楚？

【收集證據(jù)】證據(jù)1：壓強(qiáng)與時間的關(guān)系如圖4所示。

證據(jù)2：壓縮體積，體系顏色先變深后稍有變淺；增大體積后，體系顏色先變淺后稍有變深。

【問題引導(dǎo)】① A → B壓強(qiáng)迅速增大，C → D壓強(qiáng)迅速減小的原因是什么？②為什么B點后壓強(qiáng)略有減?。科胶庀蚰膫€方向移動？請說出你的判斷依據(jù)。③D點后壓強(qiáng)又略有增大，說明了什么？NO2平衡向哪個方向移動？

【證據(jù)推理】① A → B壓強(qiáng)迅速增大原因是壓縮注射器使得體積變小，C → D 壓強(qiáng)迅速減小是體積增大。②B點后壓強(qiáng)略有減小是因為平衡向體積變小的方向發(fā)生移動，也就是生成 N2O4的方向移動。③D 點壓強(qiáng)略有減少是因為平衡向體積變大的方向發(fā)生移動，生成更多的NO2。

【理論分析】顏色變化或者壓強(qiáng)變化都是從定性的角度判斷化學(xué)平衡移動的方向，從濃度商與平衡常數(shù)的角度定量分析，壓縮體積，Q 和K 之間的關(guān)系是怎樣？

【學(xué)生】小組討論推導(dǎo)壓縮體積后的濃度商 Q 與平衡常數(shù)K 的相對大小，進(jìn)而判斷平衡移動方向。

【得出結(jié)論】其他條件不變時，增大壓強(qiáng)（減小容器的容積）會使化學(xué)平衡向氣體體積縮小的方向移動；減小壓強(qiáng)（增大容器的容積），會使平衡向氣體體積增大的方向移動。

設(shè)計意圖：基于假設(shè)，為學(xué)生搭建腳手架，設(shè)置實驗探究，收集證據(jù)，由于教材實驗顏色變化不明顯，借助手持技術(shù)實驗將壓強(qiáng)變化數(shù)據(jù)化、直觀化，培養(yǎng)學(xué)生搜集證據(jù)的能力，并且通過曲線表征以及計算 Q 與 K 的相對大小，讓學(xué)生分析曲線中壓強(qiáng)變化背后的蘊(yùn)含的平衡移動知識，培養(yǎng)證據(jù)表達(dá)、證據(jù)推理的能力，讓學(xué)生從定性與定量的角度推理出當(dāng)增大壓強(qiáng)時，平衡朝著體積變小的方向移動，直觀形象地體會勒夏特列原理中“減弱”的含義，促進(jìn)深度學(xué)習(xí)，為后面建立勒夏特列原理模型做基礎(chǔ)，培養(yǎng)科學(xué)探究與證據(jù)推理能力。

2.溫度對化學(xué)平衡移動的影響

【過渡】飲用冰鎮(zhèn)汽水會打嗝，這是為什么？

【搜集證據(jù)】證據(jù)1：汽水存在平衡 CO2（aq）?CO2（g），ΔH>0。

證據(jù)2：查閱資料，體溫較室溫高。

【證據(jù)推理】汽水在體內(nèi)溫度較高，平衡朝著 CO2逸出方向移動，CO2逸出方向為吸熱方向。

【問題引導(dǎo)】升高溫度，化學(xué)平衡向吸熱方向移動。

【學(xué)生實驗】實驗探究1：將N2O4-NO2平衡球一端置于冰水中、另一端置于熱水中，一段時間后觀察顏色變化。

實驗探究2：將三支試管裝有CoCl2的飽和NaCl溶液分別置于冰水、常溫、熱水條件下中，觀察顏色變化。

【收集證據(jù)】

①2NO2（g）? N2O4（g）ΔH<0。

②N2O4-NO2平衡球一段置于冰水中顏色變淺、置于熱水中顏色變深。

③Co2+（aq）+4Cl-（aq）? CoCl4（2）-（aq）ΔH＞0。［6］

④CoCl2的飽和 NaCl 溶液在熱水變藍(lán)，冷水中粉紅色變淺。

【學(xué)生】根據(jù)以上實驗證據(jù)，討論分析溫度與平衡移動方向的關(guān)系。

【理論分析】通過分析范特霍夫方程lnK=-· +C，推出吸熱反應(yīng)和放熱反應(yīng)的K 隨著溫度的變化，并比較Q 與K值的大小判斷反應(yīng)方向。

【得出結(jié)論】其他條件不變，升高溫度，平衡向吸熱方向移動；降低溫度，平衡向放熱方向移動。

【教師】是否可以解釋我們提出的問題喝汽水打嗝的原因？

【學(xué)生】已知 CO2（g）?2CO2（aq）ΔH<0，溫度升高，平衡向左移動，CO2逸出，帶走熱量。

設(shè)計意圖：通過小組實驗探究，培養(yǎng)學(xué)生動手能力，收集證據(jù)能力、證據(jù)推理能力。通過范特霍夫方程，從理論角度分析溫度與平衡常數(shù)的法關(guān)系，從而推出溫度對化學(xué)平衡移動影響規(guī)律，增加知識構(gòu)建過程，有利于學(xué)生深度理解知識，促進(jìn)深度學(xué)習(xí)，為后面建立勒夏特列原理模型打下基礎(chǔ)。

3.建立勒夏特列原理模型

【教師引導(dǎo)】根據(jù)溫度和壓強(qiáng)對化學(xué)平衡影響的規(guī)律，為什么升高溫度平衡會往吸熱方向移動？俗話說“天之道，損有余而補(bǔ)不足”“月滿則虧”，其實這里蘊(yùn)含著豐富的哲學(xué)思想與科學(xué)規(guī)律。在研究平衡體系中，體系溫度升高則視為“滿”，就需要往“虧”方向走，讓體系溫度稍有下降；體系溫度降低，則需要往放熱方向移動，放出更多熱量，使得體系溫度稍有上升。那為什么增大壓強(qiáng)，平衡要往體積縮小方向移動？

【學(xué)生推理】體系壓強(qiáng)增大視為“滿”，則需要往體積縮小的方向移動，讓體系壓強(qiáng)稍有下降；體系壓強(qiáng)減小時，則需要往體積增大的方向移動，以增大體系壓強(qiáng)。

【建立模型】改變溫度和壓強(qiáng)，平衡就會朝著減弱這種變化的方向移動，這就是勒夏特列原理：如果改變影響平衡的一個條件如濃度、壓強(qiáng)或溫度等，平衡向能夠減弱這種改變的方向移動。

學(xué)生小組合作進(jìn)行實驗，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究、證據(jù)推理的能力。

設(shè)計意圖：基于溫度和壓強(qiáng)對化學(xué)平衡移動的結(jié)論，構(gòu)建勒夏特列原理模型，培養(yǎng)學(xué)生邏輯推理、總結(jié)歸納能力，以及證據(jù)推理與模型構(gòu)建核心素養(yǎng)。

4.解決真實問題，完善認(rèn)知模型

【教師】化學(xué)來源于生活，并且可指導(dǎo)工業(yè)生產(chǎn)，例如硫酸工業(yè)重要一步：2SO2（g）+O2（g）?2SO3（g）ΔH=-196 kJ ·mol-1，理論上應(yīng)該怎么控制溫度和壓強(qiáng)？而實際上采用溫度為400-500℃、常壓，這是為什么呢？

【文獻(xiàn)數(shù)據(jù)】表1展示的是工業(yè)制硫酸的溫度與壓強(qiáng)數(shù)據(jù)。

【學(xué)生】該反應(yīng)是放熱反應(yīng)，低溫有利于平衡正向移動；該反應(yīng)是氣體體積減小的反應(yīng)，高壓有利于平衡正向移動，所以應(yīng)為低溫、高壓。

【教師】影響工業(yè)生產(chǎn)的影響因素很多，不僅要考慮平衡移動，還要考慮其他因素如速率、能耗、成本、環(huán)保、效益等。

設(shè)計意圖：通過設(shè)計調(diào)控硫酸工業(yè)制法中的反應(yīng)條件調(diào)控真實情境問題，進(jìn)一步完善化學(xué)平衡的認(rèn)知模型，體會化學(xué)平衡調(diào)控在生產(chǎn)、生活和科學(xué)研究中的意義，運(yùn)用勒夏特列原理模型解決工業(yè)生產(chǎn)問題，落實科學(xué)精神與社會責(zé)任的化學(xué)核心素養(yǎng)，加深了對化學(xué)學(xué)科價值的認(rèn)識。

五、教學(xué)反思

1.從定性和定量的角度收集證據(jù)有利于開展深度學(xué)習(xí)

教材中關(guān)于壓強(qiáng)對 NO2-N2O4化學(xué)平衡移動影響的實驗現(xiàn)象觀察不明顯，因而改用手持技術(shù)收集數(shù)據(jù)和曲線表征證據(jù)，可以將抽象的原理數(shù)據(jù)化、具體化，減輕學(xué)生的認(rèn)知負(fù)荷，加深對化學(xué)概念的理解，而且可以認(rèn)識化學(xué)平衡移動的知識構(gòu)建過程，激發(fā)學(xué)生的求知欲，實驗更加科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)，有助于學(xué)生開展深度學(xué)習(xí)。同時，本設(shè)計在收集定性證據(jù)的基礎(chǔ)上，引入理論分析證據(jù)，分別從 Q 與K 的大小比較、范特霍夫方程分析K 與 T 的關(guān)系，加深學(xué)生對勒夏特列原理的理解，鍛煉了學(xué)生的思維，拓展學(xué)生的知識面。

2.基于真實情境的教學(xué)設(shè)計

新課標(biāo)中提出14處“情境素材建議”，還有48處是關(guān)于使用情境的描述，可見新課標(biāo)更加注重情境的設(shè)計與實施。［8］新教材的內(nèi)容選取呈現(xiàn)、試題命制、教學(xué)設(shè)計實施都非常注重情境，這也是未來研究的熱點。教學(xué)時要重視情境素材中蘊(yùn)含的教育功能，利用情境素材落實化學(xué)核心素養(yǎng)，如本設(shè)計以汽水中二氧化碳的溶解平衡為例，結(jié)合工業(yè)生產(chǎn)中的三氧化硫反應(yīng)的條件調(diào)控，可以體現(xiàn)化學(xué)學(xué)科的學(xué)科價值與社會價值，發(fā)揮化學(xué)的育人功能。

參考文獻(xiàn)

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