九年级化学教学中的科学论证启蒙

黄媛媛 陈凯 丁小婷

摘要： 基于论证的科学教学活动注重证据的收集与获取，强调社会交互过程中的知识建构，有利于学生理解科学的本质。以人教版初中化学“我们周围的空气”部分内容为基点进行拓展，以国际上倡导的科学论证模式为结构框架展开“氮气”性质和用途关系的论证活动，创新性地在中学生初学化学时渗透科学论证启蒙教育。

关键词： 科学论证; 证据; 空气; 氮气; 启蒙教育

文章编号： 10056629（2018）12005505中图分类号： G633.8文献标识码： B

1 关于科学论证

论证是一种推理的过程，运用具有合理性的理由支持所阐述的观点，说明数据与结论之间的合理联系;通过对话互动来建构知识、达成共识或解决问题与争辩。传统的化学实验探究教学，太注重操作技能和程序化的活动过程，容易忽略对证据和理由的深度思考。学生在化学课堂上不仅需要学习运用观察、实验等方法获取信息，还需要主动与他人进行交流讨论，论证并明确地表达自己的观点，促进对科学本質的理解，通过科学活动的实践感知科学文化。

国外的课程改革较早注重培养学生的论证能力，例如美国在“下一代科学标准”（Next Generation Science Standards，以下简称NGSS）里，已经将论证练习作为培养科学家活动的中心环节。英国国家科学课程（National Science Curricufum）十分重视“观点和证据（Ideas and Evidence）”和“科学如何运作（How Science Works）”，培养证据意识和具备论证能力已经成为教育目标，明确提出学生需要了解更深层次科学知识的意义，课标需要理解科学观点是如何被提出、修改和评价——这些都是通过论证环节获得[1]。《普通高中化学课程标准（2017年版）》首次将“证据推理”确立为化学学科核心素养的重要组成，表明我国化学课程改革开始重视论证教学[2]。

王磊教授指出，化学学科核心素养是学生在初中化学启蒙课程和高中化学的必修课程（包括选择性必修课程）、选修课程的学习过程中逐步形成和发展的，所以“证据推理”不只限于高中阶段的化学课程，同样适用于义务教育阶段的化学课程，区别在于各学段核心素养的具体内涵和发展水平上的差异[3]。

目前我国科学论证教学课例常见于高中化学教学，我们试图在九年级化学课程中尝试进行科学论证教学的设计与组织。

2 基于科学论证的课堂教学设计

2.1 教学设计思路初探

人教版初中化学第二单元第一节“空气”主要关注三点：“空气是由什么组成的”、“空气是一种宝贵的资源”和“保护空气”。教师用书建议2课时完成。时间有限，所以在教学实际中重点往往落在空气中氧气含量的测定上，对于空气的组成只要求初步认识混合物和纯净物。氧气的性质作为重要的考点，往往和后面章节相关内容合并详加探讨，而氮气、稀有气体的主要用途及相关性质往往略过。由于在中考化学试题中这部分考点往往简单甚至不重要，在“以考定教”的观念之下，许多“好玩”和有教育价值的学习内容会被忽视。如果化学学习的启蒙阶段，新授课教学就直奔中考化学考点而去，将带给学生乏味、机械、模糊的科学学习氛围，只怕学习效果会适得其反[4]。

我们将“氮气”主题放大、强化，挖掘出丰富多彩的素材进行有效组织，既有生活中实用的知识又有对社会性科学议题的思索。教学设计融入国际上流行的科学论证模式——图尔敏论证模型[5]和基于波普尔科学发展模式的论证式探究教学框架。

图尔敏论证模型中的主张、资料和根据是论证模型的核心成分，也将其称为基本模式。它还包括支援、限定词和反驳三成分组合的拓展模式。一个典型的论证往往由一系列的主张组成。主张也是观点，是由证据支持的陈述;论证的资料即为支持主张的根据;根据即为理由，用于清晰地说明主张和资料之间的关系;支援用于解释为什么根据是有效的;限定词指定论证是在何种前提下有效;反驳需要举出例子说明根据没有必然权威，或者举出例子说明主张不是有效的，反驳可以针对主张，也可以针对根据。图尔敏论证模型强调论证的普遍程序性结构，更关注论证的过程而不是论证的具体内容[6]。

波普尔论证教学框架由问题、猜想、理性批判、结论构成，其核心是理性批判。理性批判表现为通过讨论、评价，否定不合理的猜想，为合理的观点提供辩护的行为[7]。

在“氮气有什么用”这部分教学设计中，论证环节1与论证环节3采用了图尔敏论证模型，分别以学科主题和社会性科学议题为载体开展论证教学实践活动;在论证环节2中，则借鉴了基于波普尔科学发展模式的论证式探究教学框架，帮助学生将已有知识应用到实际情境中，引导学生对生活、社会中的化学问题进行深入思考并体验科学思维。

由于空气是学生化学学习中首次专题学习的化学物质，并且由于学生积累的自然科学知识基础目前多来自于小学科学以及初中物理和生物课程学习，学科思维的差异和已有方法的训练尚不能支撑学生很好地融入化学课程的科学论证学习。因此，一开始主要由教师尽可能提供较多的证据给学生，让学生从中选取利用，随后引导学生尝试提出观点并进行论证，逐步构建证据与观点之间的联系。

2.2 教学过程设计

2.2.1 引入氮气的稳定性

[教师提问]空气中氧气含量的测定实验中，为什么汞和红磷都只能消耗体积分数为五分之一的氧气？

[学生活动]列表对比氮气和氧气的化学性质。

[教师提问]根据对这两种成分的已有了解，还可以设计怎样的实验比较它们的化学性质？

[学生活动]围绕氮气和氧气可能具有的化学性质，提出验证性实验方案。例如，能否使带火星的木条复燃，能否支持小白鼠呼吸、蜡烛燃烧等。

[教师反馈]提供证据和理由，阐明学生设计的实验是否可行。

[教师提问]联系生活实际，这些性质有什么用？

[学生活动]举例回答。

[教师提问]组成空气的成分还有二氧化碳、稀有气体，你认为它们的化学性质跟氧气、氮气相比是稳定还是活泼？请尝试给出证据。

设计意图： 由于学生已经学习过空气中氧气含量的测定，对于初学化学的学生来说，这部分内容学科知识的交叉与渗透强、思维要求高，所以有必要在本课一开始以表格的形式梳理对氮气和氧气的已有认识，并尝试引导他们结合证据和理由解决疑难问题。同时开始启蒙“性质决定用途、用途反映性质”的认识，为后面设计中的多元活动打下基础。

2.2.2 氮气有什么用途

[教学过渡]氮气虽然稳定，但是不意味着没有实用价值;除了同学们提出的以上观点，我们补充几条帮助大家深入思考。

论证环节1 跨学科主题的论证启蒙

[引出论点]网上流传汽车轮胎充氮气更好，利用学过的理化知识加以判断，支持还是不支持？

[教师演示]提供网络搜集的信息如下：

觀点1： 支持

（1） 充入氮气后汽车轮胎不易热胀冷缩，不会频繁出现“热炸了”的现象;

（2） 平常充入的压缩空气中含有水分，而充入的氮气几乎不含水分;

（3） 充入氮气后汽车轮胎不易老化，不会频繁出现裂痕;

（4） 氮气的化学性质不活泼，氧气化学性质活泼，轮胎易氧化;

（5） 充入氮气后，可以降低耗油量;

（6） 充入氮气后汽车轮胎压力增大，同时氮气分子大，不易漏气，轮胎气足足的，减少了与地面之间的滚动摩擦;

（7） 充入氮气能有效减少轮胎在行驶过程中的噪音。

观点2： 不支持

（1） 我们平常充入的是压缩空气，其中78%是氮气，不必耗费物资获取高纯度的氮气，即便跟空气相比有差异，应该也是极小的;

（2） 充入氮气降低噪音不科学，噪音主要是通过外界空气传播而不是通过轮胎内部传播;

（3） 氮气的分子是比空气中其他分子稍大些，但对泄漏的影响微乎其微，而且气体泄漏的速度也与轮胎胎壁有关;

（4） 没有理论支撑轮胎出现裂痕、老化是由于氧化，应该是长期使用后磨损导致的。

[教师提问]判断哪些是证据，哪些是理由？哪些属于物理研究范畴，哪些是化学问题？

[小结启发]网络上获取的解释和证据一定是正确的吗？请在课后思考上述说法的科学性，并思考如何才能获取权威的解释或证据。

设计意图： 该主题联系物理、化学以及汽车制造等多学科领域，虽然学生未必都明白，但教师提供已经搜集好的信息，请学生阅读并从中了解论证的基本概念，区别证据和理由，也强化了上一单元的核心概念——“化学变化”。

论证环节2 基于生活主题的论证训练

[教学过渡]南京盐水鸭驰名中外，一般有两种包装： 充气包装和真空包装。包装袋里充入的可能是什么气体？

[学生猜想]氧气;氮气;二氧化碳;稀有气体;氢气。

[教师引导]请提供证据和理由，论证你的观点。

（准备必要的实验仪器和药品： 注射器、木条、酒精灯、火柴、小烧杯、小气球、澄清石灰水等，按照学生寻找证据的实验手段需要来做相应的实验）

[学生活动]见表1。

[师生合作]针对学生的观点、寻找证据的方法提供必要的实验支持，并对学生反驳的理由进行肯定和补充。

[脑洞大开]氢气是世界上已知的最轻的气体，如果往盐水鸭或薯片包装袋里充入氢气，包装袋可能会满天飞，非常有趣，或许能开发出一种新式的食品包装模式，但是氢气易燃易爆，也给这种创意带来了安全隐患。

[进阶问题]薯片和蛋糕包装袋常常是充气包装，能否真空包装？

[教师总结]食品包装袋里一般充入氮气，氮气化学性质稳定、无毒无害，可以营造缺氧环境，抑制细菌、霉菌的生长，延长食品的保质期。

设计意图： 用实验手段研究生活中的化学问题，既激发了学生的学习热情，又突出了科学的严谨性;提出大胆有趣的开创性问题，启发学生的创新思维。本环节的论证教学，试图引导学生提出科学主张和观点，形成论证思路和方法，而不是传统学习中对于教师的讲授全盘接受与肯定。

论证环节3 基于社会性科学议题的论证思考

[教学过渡]如图1所示，食品包装气应该具备怎样的特征？

[教师提问]如何得到高纯度的氮气？

[教师补充]化学方法： 向纯度较低的氮气中加入一定物质（不能和氮气反应）与氧气发生反应生成水，进行干燥;物理方法： 低温液化。

[播放视频]（1）液氮在医疗、饮食等方面的应用，展示液氮冰淇淋的制作过程;（2）关于液氮的趣味实验（有条件可以现场完成）。

设计意图： 承上启下，从食品包装用氮气的技术要求过渡到高纯度氮气的制备，引出氮气的工业制法。生活气息浓厚的情境，丰富多彩的实验现象，有利于活跃学生思维，激发学习兴趣。

[情境创设]雾霾是近年来全国普遍的环境问题。有媒体报道，将液氮泵入空中，使之在地面上方形成高度至少达10米的薄雾。液氮在尘埃和其他污染物的细小颗粒上形成晶体，随后掉落到地面，同时还能阻止被污染的空气降落到街道上。

[教师提问]科学家正在研究向大气中注入超冷气体能否帮助减少空气污染。你是否支持这一研究方向？请说出你的理由，必要时提供证据。

[学生活动]见表2。

设计意图： “大气污染”是经典的社会性科学议题之一，向大气中注入超冷气体的措施能否帮助减少雾霾，这个问题绝非是仅靠中学生的知识与能力就能解决的，所以在教学过程中不强求标准答案，而注重在论证过程中学生所能收获的举证能力与批判性思维。在本环节中，学生可以从他人的反驳中发现自己观点和证据的不足，意识到化学知识系统的复杂性。

2.2.3 氮气真的是“惰性”的吗

[教学过渡]上述氮气的用途大多利用了氮气“不活泼”的化学性质。氮气真的是“惰性”的吗？

[补充资料]（1）放电条件下，氮气可以和氧气反应;（2）点燃条件下，氮气可以和镁条反应等;（3）氮气和氢气在一定温度、压强和催化剂作用下反应。

[教学小结]化学物质的“惰性”不绝对，条件改变，物质可能表现出不一样的化学性质。

设计意图： 学生越来越能体会到科学知识的不确定性，意识到在九年级阶段所学到的化学知识是发展中的、片面的，由此构建自身科学知识观。

3 基于科学论证进行教学设计的几点补充说明

整个论证过程表现为支持观点的推理建立在证据的基础之上，鉴于学生已有的知识基础和学科视野有限，所以需要教师提供尽可能多的证据给学生，让他们从中选取利用;学生需要在学习中积极表达自己的理解和意见，构建证据与观点之间的联系;此外，“性质决定用途、用途反映性质”是化学学习的重要思路，也是寻找证据的突破口。同时，在本节课整个推進过程中，师生合作，逐步绘制、完善氮气的思维导图，既强化建构过程体验，又避免太多活动堆砌容易导致部分主动性欠缺的学生收获浮于表面。

本文是南京晓庄学院职前科学教师工作室组织的九年级化学深度备课活动成果之一，以“准教师（化学师范生）高校化学教学论教师初高中化学一线教师”为学习共同体，针对一定主题展开创新备课的教学研修，以期对职前职后化学教师提供必要的支持。本设计各在一家民办教育集团培训机构和一所公办学校九年级的化学课程班讲授实施。

参考文献：

[1]任宁生，邓小丽.科学论证视野下的科学教育教学设计模型建构[J].化学教学， 2016，（4）： 14～18.

[2]中华人民共和国教育部制定.普通高中化学课程标准（2017年版）[S].北京： 人民教育出版社， 2018： 3.

[3]王磊，黄丹青，陈启新.调整焦距更新视角——《普通高中化学课程标准（2017年版）》问题解析（上）[J].福建教育， 2018，（11）： 27～29.

[4]保志明.不考的知识也有教的价值——对原电池教学中若干问题的思考[J].中学化学教学参考， 2013，（09）： 23～25.

[5]Cole R.，Becker N.，et al. Adapting a methodology from mathematics education research to chemistry education research： documenting collective Activity [J]. International Journal of Science and Mathematics Education， 2012，（10）： 193～211.

[6]任红艳，李广洲.图尔敏论证模型在科学教育中的研究进展[J].外国中小学教育， 2012，（09）： 28～34， 40.

[7]季薛庆，林永辉.基于波普尔科学发展模式的论证式探究教学设计初探[J].教育导刊， 2016，（09）： 78～80.