跨學(xué)段推進(jìn)學(xué)生證據(jù)推理和模型認(rèn)知能力的教學(xué)方法探究

１ 研究前提

?義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（２０２２年版）?和?普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（２０１７年版２０２０年修訂）?指出，學(xué)科核心素養(yǎng)是學(xué)生必備的科學(xué)素養(yǎng)，是學(xué)生終身學(xué)習(xí)和發(fā)展的重要基礎(chǔ)．“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”，是化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的重要組成部分之一，即“具有證據(jù)意識，能基于證據(jù)對物質(zhì)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或證偽;建立觀點、結(jié)論和證據(jù)之間的邏輯關(guān)系;知道可以通過分析、推理等方法認(rèn)識研究對象的本質(zhì)特征、構(gòu)成要素及其相互關(guān)系，建立認(rèn)知模型，并能運用模型解釋化學(xué)現(xiàn)象，揭示現(xiàn)象的本質(zhì)和規(guī)律”．

本項研究基于?普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（２０１７年版２０２０年修訂）?，以建構(gòu)主義理論和人本主義學(xué)習(xí)理論為指導(dǎo)，用對比研究法，研究不同學(xué)段的教學(xué)內(nèi)容所涉及的現(xiàn)象和變化，研究如何運用模型對化學(xué)現(xiàn)象和變化進(jìn)行分析、推理和解釋，幫助學(xué)生逐步建構(gòu)物質(zhì)及其變化的信息模型，嘗試建立解決復(fù)雜化學(xué)問題的思維框架．通過推理與建模訓(xùn)練進(jìn)行學(xué)生整體性思維、跨度式思維與綜合型思維的培養(yǎng)，探索提高學(xué)生學(xué)科思維水平的方法，促進(jìn)學(xué)生思維方式的轉(zhuǎn)變和思維能力的發(fā)展，以達(dá)到提升學(xué)生“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”能力的目的．

本項研究涵蓋初、高中全部學(xué)段，體現(xiàn)跨學(xué)段知識的階段性和連續(xù)性的統(tǒng)一，既指向各學(xué)段學(xué)科特有的內(nèi)容、觀念和方法，也指向各學(xué)段共通的學(xué)科概念、思想、方法和技能．研究采用了課堂觀察法、文獻(xiàn)資料法、經(jīng)驗總結(jié)法，通過對教學(xué)案例進(jìn)行對比分析、歸納綜合，形成結(jié)論并使之系統(tǒng)化．通過典型課例的分析磨課，提煉出適合不同學(xué)段學(xué)生的教學(xué)方法．

２ 研究分析及課例論證

２.１ 九年級學(xué)段

１）學(xué)段特點：化學(xué)啟蒙和打基礎(chǔ)階段．提供給學(xué)生未來學(xué)習(xí)最基礎(chǔ)的化學(xué)知識和方法，調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，形成持續(xù)的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)運用化學(xué)知識和方法分析和解決簡單問題的能力，使學(xué)生從化學(xué)的角度逐步認(rèn)識人與自然、環(huán)境的關(guān)系．

因此，推進(jìn)九年級學(xué)生“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”能力發(fā)展，應(yīng)盡量借助符號表征過程，引導(dǎo)學(xué)生“在解決化學(xué)問題中運用比較、分類、分析、綜合、歸納等科學(xué)方法，基于實驗事實進(jìn)行證據(jù)推理、建構(gòu)模型并推測物質(zhì)及其變化的思維能力”．同時，在教師指導(dǎo)下合作制訂實驗方案、完成證據(jù)分析并形成結(jié)論，積累知識經(jīng)驗，轉(zhuǎn)變思維方式，提升學(xué)習(xí)能力．

２）教學(xué)課例：以“霧霾”為素材，利用汽車尾氣凈化實驗，對學(xué)生進(jìn)行“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”能力的培養(yǎng)．

先 通過汽車尾氣凈化實驗示意圖（如圖１），學(xué)生很容易得出一氧化碳和一氧化氮轉(zhuǎn)化為氮氣和二氧化碳這一結(jié)論．然而，該反應(yīng)的微觀過程及所得氮氣和二氧化碳的體積比、質(zhì)量比對初中學(xué)生而言難度較大．如何利用“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”來解決所得氮氣和二氧化碳的體積比、質(zhì)量比呢？

根據(jù)圖１，教師帶領(lǐng)學(xué)生一起補充出圖２．在圖２所示的微觀示意圖中，可看到一氧化碳分子和一氧化氮分子分裂為碳原子、氮原子和氧原子，每兩個氮原子結(jié)合為１個氮分子，每１個碳原子與２個氧原子結(jié)合為１個二氧化碳分子．

讓學(xué)生用化學(xué)符號依次表示出反應(yīng)后兩個框中的分子或原子，很容易寫出N２ 和２CO２，接著延伸講解：同溫同壓下氣體的體積與分子個數(shù)成正比，從而解決了V（N２）∶V （CO２）＝１∶２ 的問題．再讓學(xué)生求出這兩個框中氮氣和二氧化碳的質(zhì)量關(guān)系：２８∶２×４４，從而解決了m （N２）∶m （CO２）＝７∶２２的問題．

在教學(xué)中，教師充分利用微觀示意圖，讓學(xué)生分別用化學(xué)符號表示出圖２各框中的分子或原子，學(xué)生可寫出：（２CO、２NO），２C，２N，４O，N２，２CO２，更加深刻地體會“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”在解決初中化學(xué)問題中的重要作用，同時感受微觀探析的過程．

３）教學(xué)分析：九年級是學(xué)生化學(xué)學(xué)習(xí)的起始學(xué)段，學(xué)生對“宏觀辨識與微觀探析”的掌握仍存在一定難度．所以，對學(xué)生核心素養(yǎng)的培養(yǎng)應(yīng)立足“宏觀辨識與微觀探析”來推進(jìn)“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”．同時，在學(xué)生認(rèn)知能力允許的情況下，順勢拓展延伸，為高中學(xué)習(xí)打好基礎(chǔ)．

２.２ 高一學(xué)段

１）學(xué)段特點：高一學(xué)段包含了幾乎所有化學(xué)理論知識的基礎(chǔ)部分，要求學(xué)生接觸大量元素化合物知識及有機物基本知識體系，研究素材極其豐富．高一學(xué)段的學(xué)生思維活躍，求知欲強，邏輯思維能力較強，抽象思維能力較弱，喜歡直觀感性知識的學(xué)習(xí)，對抽象內(nèi)容的學(xué)習(xí)則需要教師加以引導(dǎo)，學(xué)科素養(yǎng)、思維能力、學(xué)習(xí)能力和感性經(jīng)驗都較初中有了明顯的提高．

鑒于教材內(nèi)容和學(xué)生認(rèn)知能力的發(fā)展?fàn)顩r，筆者建議在高一年級嘗試拋錨式教學(xué)法，圍繞素材特點創(chuàng)設(shè)問題情境，啟發(fā)學(xué)生分析討論、設(shè)計論證、推理探究，最終通過歸納總結(jié)建立較為完整的知識模型，并收集匯總證據(jù)與結(jié)論之間的聯(lián)系，培養(yǎng)證據(jù)推理能力．

２）教學(xué)課例：以乙醇與氫溴酸發(fā)生取代反應(yīng)為例．

教學(xué)分為以下４個環(huán)節(jié)：a）觀察乙烷和乙醇的結(jié)構(gòu)式，分析異同;b）結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)，預(yù)測乙烷和乙醇在化學(xué)性質(zhì)上的異同，理論分析與數(shù)據(jù)支持有機結(jié)合，進(jìn)行論證;c）實驗演示乙醇和氫溴酸的反應(yīng)（所用試劑為乙醇、濃硫酸和溴化鈉）;d）通過觀察發(fā)現(xiàn)有油狀物（溴乙烷）生成，證明推理的合理性．

教師首先引導(dǎo)學(xué)生比較乙烷和乙醇在結(jié)構(gòu)上的異同點，據(jù)此猜測乙烷和乙醇在化學(xué)性質(zhì)上的異同．類比烷烴取代反應(yīng)，可推測乙醇的取代應(yīng)斷裂C—H鍵或者C—O 鍵．繼而引出新問題：C—H 鍵與C—O鍵相比，哪個鍵更易斷裂？ 從而引出羥基的取代問題，完成研究的第一環(huán)節(jié)：收集證據(jù)，對物質(zhì)的性質(zhì)及其變化提出假設(shè)．基于學(xué)生的已有認(rèn)知：共價鍵的鍵能越大，該共價鍵越不容易斷裂．提供給學(xué)生C—H 鍵與C—O 鍵的鍵能，順利解決第一個疑問：乙醇取代時斷裂的是C—O 鍵．基于科學(xué)數(shù)據(jù)，從預(yù)測階段過渡到下一階段，引出進(jìn)一步研究．

進(jìn)一步挖掘羥基取代對象的特點．在此前學(xué)習(xí)中，學(xué)生已經(jīng)掌握元素周期表中的相關(guān)規(guī)律．由于O 的非金屬性比C 強，故C—O 鍵中共用電子對更偏向于O，從而使O 顯負(fù)電性，C顯正電性．那么在斷裂C—O 鍵之后取代—OH 的原子或者原子團(tuán)也應(yīng)該顯負(fù)電性．進(jìn)一步解決了第二個問題：取代—OH 的是負(fù)電性的原子或原子團(tuán)，即溴原子．從而完成了第二個環(huán)節(jié)：基于證據(jù)進(jìn)行分析推理，解釋證據(jù)與結(jié)論的關(guān)系．

整個過程涉及觀察法、實驗法、分類法、比較法，教學(xué)中教師作為學(xué)生研究的設(shè)計者和引領(lǐng)者，充分引導(dǎo)學(xué)生在研究乙醇取代反應(yīng)過程中建立思維模型，幫助學(xué)生在知識的形成、聯(lián)系、應(yīng)用過程中理解學(xué)科特征和本質(zhì)．

３）教學(xué)分析：與初中生相比，高一學(xué)生邏輯思維和抽象思維能力、符號表征能力、微觀探析能力均明顯增強，也掌握了一些基本的原理、規(guī)律，足以在教師引導(dǎo)下完成簡單推理．教師應(yīng)合理利用素材進(jìn)行訓(xùn)練，強化其利用證據(jù)進(jìn)行推理的能力，指導(dǎo)學(xué)生在證據(jù)推理過程中辨別真?zhèn)巍⒗迩逅悸?、建?gòu)知識模型或問題分析模型．

２.３ 高二學(xué)段

１）學(xué)段特點：高二學(xué)段化學(xué)課程進(jìn)入選修部分，更加注重前后知識的邏輯關(guān)聯(lián)，對學(xué)生的知識運用能力、分析歸納能力、探究推理能力、實驗設(shè)計與驗證能力、收集證據(jù)進(jìn)行推理的能力均有更高要求．建議以習(xí)題為線索引導(dǎo)學(xué)生整合知識模型，通過習(xí)題或典例分析，深化概念內(nèi)涵和外延，厘清反應(yīng)原理的研究對象、基本假設(shè)、理想模型、實際修正，逐步理順證據(jù)與結(jié)論之間的邏輯關(guān)系;通過課前復(fù)習(xí)組織學(xué)生合作整理思維導(dǎo)圖，對學(xué)生的歸納總結(jié)和模型建構(gòu)能力進(jìn)行訓(xùn)練，提高其證據(jù)推理和知識的綜合運用能力．

２）教學(xué)課例：以“化學(xué)反應(yīng)與能量”復(fù)習(xí)課為例．

任務(wù)１：章節(jié)知識思維導(dǎo)圖建構(gòu)．在課堂上，教師展示了學(xué)生制作的精美的思維導(dǎo)圖，掀起一個小高潮，在賞析中厘清本章知識分布與相互關(guān)聯(lián)，在相互交流學(xué)習(xí)中增強學(xué)生信心，營造和諧的課堂氛圍．

任務(wù)２：章節(jié)建模．教師在學(xué)案中和學(xué)生推薦的習(xí)題中精選，從反應(yīng)熱的概念和符號表征開始，到反應(yīng)熱的計算方法，再到反應(yīng)熱的表達(dá)方式（熱化學(xué)方程式的書寫），歸納反應(yīng)熱的測定方法以及反應(yīng)熱的應(yīng)用形式（能源），沿著習(xí)題構(gòu)成的知識主線進(jìn)行分析、板書，在黑板上逐漸建構(gòu)出本章的章節(jié)小結(jié)模型，與學(xué)生建構(gòu)的思維導(dǎo)圖相比，教師板書模型更加突出知識之間的關(guān)聯(lián)和應(yīng)用．

任務(wù)３：模型運用．利用練習(xí)，引導(dǎo)學(xué)生運用模型強化概念間的關(guān)聯(lián)和知識間的因果關(guān)系，提升學(xué)生運用知識和模型進(jìn)行分析和推理的能力．

３）教學(xué)分析：相比初中和高一學(xué)生，高二學(xué)段學(xué)生知識和經(jīng)驗較為豐富，掌握了大量的基本概念和規(guī)律，并有一定的證據(jù)推理和模型認(rèn)知能力，擁有建模經(jīng)驗以及利用模型解決問題的意識．教師要引導(dǎo)學(xué)生細(xì)化概念關(guān)系，逐步完成主要知識板塊的模型建構(gòu)．

２.４ 高三學(xué)段

１）學(xué)段特點：高三總復(fù)習(xí)的任務(wù)之一是使中學(xué)化學(xué)知識系統(tǒng)化、結(jié)構(gòu)化、網(wǎng)絡(luò)化．而能力的培養(yǎng)是化學(xué)總復(fù)習(xí)的另一個重要任務(wù)，包括觀察能力、思維能力、實驗?zāi)芰陀嬎隳芰Γ渲兴季S能力是核心．要讓學(xué)生的思維能力得到提高，最重要的是讓學(xué)生的思維能真正展開，充分活動．鑒于高三學(xué)生的實際情況，建議以例題為核心引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行“滾雪球式”模型建構(gòu)，在整合知識的同時對證據(jù)推理過程進(jìn)行細(xì)化，要注重知識的靈活運用能力和分析能力，在學(xué)生已有知識模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行拔高，使模型建構(gòu)更加精細(xì)化、系統(tǒng)化，更加注重實用性和靈活運用能力．

２）教學(xué)課例：以微專題“混合物成分定量分析模型”教學(xué)為例．

第一階段：問題解決模型的整體框架建構(gòu)．給出問題：測定碳酸鈉和碳酸氫鈉混合物中碳酸鈉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)．指明：一定會有的條件１為混合物質(zhì)量，將學(xué)生順利導(dǎo)向條件２的探究．經(jīng)過簡單的合作交流，學(xué)生順利指出較為熟悉的４種實驗思路：沉淀法、氣體體積法、氣體質(zhì)量法和熱重分析法．

第二階段：問題解決模型的操作性建構(gòu)．引導(dǎo)學(xué)生對４種實驗思路進(jìn)行精細(xì)化研究，在每種思路的具體落實過程中進(jìn)行考點剖析、易錯點分析、實驗操作及答題要點細(xì)化、數(shù)據(jù)獲得與處理、誤差來源及方向判斷訓(xùn)練．向?qū)W生展示難度較大、不常見到、不夠熟悉的實驗方法，如雙指示劑滴定分析法，通過對數(shù)字化實驗中獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析對比，體會科學(xué)研究的精細(xì)，引導(dǎo)學(xué)生將追求應(yīng)試能力轉(zhuǎn)化為提升問題解決能力，從而積極思考，主動進(jìn)行思維訓(xùn)練．

第三階段：模型應(yīng)用范圍的拔高與拓寬．在課堂練習(xí)的選擇方面，教師跳出本節(jié)課的定量分析問題，選擇儀器連接和設(shè)計方案評價方面的問題，針對本節(jié)課實驗設(shè)計與實驗手段進(jìn)行訓(xùn)練，引導(dǎo)學(xué)生利用黑板上剛剛建好的模型進(jìn)行思考分析，使學(xué)生對本節(jié)課的模型有新的認(rèn)識，利用例題實現(xiàn)了“滾雪球式”的建構(gòu)．

利用例題引導(dǎo)學(xué)生去體驗用已有知識進(jìn)行模型建構(gòu)的完整過程，體會建模對問題研究的指導(dǎo)和簡化，從而激發(fā)學(xué)生自主整合知識的積極性和主動性．在模型建構(gòu)過程中，學(xué)生需要充分調(diào)動已有知識儲備，又要互補不足共同提高;從建模效果來看，解決問題時能夠幫助學(xué)生從整體上對設(shè)計思路進(jìn)行把握，準(zhǔn)確找到考點，熟悉問題模式，有利于增強學(xué)生自信心，同時也對學(xué)生證據(jù)推理與模型認(rèn)知能力進(jìn)行檢驗．

３）教學(xué)分析：高三學(xué)段微專題式的模型建構(gòu)，更適合教師以例題為中心開展教學(xué)，學(xué)生以問題研究為目標(biāo)進(jìn)行訓(xùn)練．在模型建構(gòu)中，教師要引導(dǎo)學(xué)生貫通各學(xué)段，甚至不拘泥于中學(xué)教材知識體系，圍繞問題解決這一目標(biāo)，調(diào)用相關(guān)知識和原理，進(jìn)行論據(jù)查找并剖析真?zhèn)?，從而鞏固已有知識，提高解決問題的能力．

２.５ 分析綜述

１）“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”能力是學(xué)生化學(xué)學(xué)科思維能力的核心，對學(xué)生未來的可持續(xù)發(fā)展具有至關(guān)重要的作用．推進(jìn)學(xué)生此項能力的提升，必然有科學(xué)方法和規(guī)律可循，與其他技能一樣，要找到行之有效的訓(xùn)練方法．促進(jìn)學(xué)生此項能力的發(fā)展是一個科學(xué)性、長期性和持續(xù)性的工作．各學(xué)段教師要打破壁壘，探索加強學(xué)段之間聯(lián)動貫通的教法，有利于教師轉(zhuǎn)變觀念，提高綜合素養(yǎng)，推進(jìn)課程高質(zhì)量發(fā)展．

２）存在的問題．a(chǎn)）課堂教學(xué)研究不可忽視學(xué)情．本項研究跨越４個年級，涉及兩所學(xué)校，近２０００名學(xué)生．但學(xué)生總體學(xué)習(xí)程度較好，基礎(chǔ)比較扎實，每一個年級均有相當(dāng)比例的績優(yōu)生引領(lǐng)，有較好的研討氛圍，研究成果是否能更廣泛地適用于其他學(xué)校和學(xué)生群體中，仍需檢驗．b）探究立足于推動學(xué)生思維能力的提高，但思維能力較難量化，因時間的關(guān)系雖然在考試測量方面做了一些嘗試，但仍需尋找更為科學(xué)的測量工具進(jìn)行評價．

（完）