培育证据推理与模型认知素养的初中化学计算教学

摘要： 简析化学计算的本质及说明了初中化学计算教学存在的问题，同时根据科学论证过程，提出了基于科学论证培育证据推理与模型认知素养的初中化学计算教学模型，分析了培育证据推理与模型认知素养的计算教学操作要求，概括了培育证据推理与模型认知素养计算教学的特点及关键点，并以“物质组成的简单计算”为例加以阐述。

关键词： 证据推理； 模型认知； 计算教学模型； 教学设计； 初中化学计算

文章编号： 1005-6629（2018）7-0051-04 中图分类号： G633.8 文献标识码： B

“化学计算的本质是对化学问题的数学处理过程，即对物质的组成、结构、性质和变化规律的量化过程”[1]。也就是说，化学计算的本源是通过证据推理对物质及其变化中蕴含的定量关系进行模型揭示并加以运用。

然而，从初中化学教学实践来看，学生虽然熟记了有关计算的基本概念原理，但是定量推理能力严重不足，面对新情境束手无策。分析其原因，发现有些教师忽视了计算模型建立与运用过程中思维模型的构建过程，忽视了计算模型赋予的化学意义，造成学生对概念原理的本质及其表征意义未能深刻理解，只会死记概念、硬套公式，使得解决有关计算的实际问题能力不足。为此，有必要探索培育证据推理与模型认知素养的计算教学，以期帮助一线教师设计发掘具备计算模型内隐的思维方式的计算教学，从而培育学生定量分析能力，最终帮助学生建立起认知物质世界的思路方法和思维方式。

1 培育证据推理与模型认知素养的计算教学模型

1.1 计算教学模型的建立

“证据推理与模型认知”包括以下五个方面的内涵[2]： （1）具有证据意识，能基于证据对物质组成、结构及其变化提出可能的假设；（2）通过分析推理加以证实或证伪；（3）建立观点、结论和证据之间的逻辑关系；（4）知道可以通过分析、推理等方法认识研究对象的本质特征、构成要素及其相互关系，建立模型；（5）能运用模型解释化学现象，揭示现象的本质和规律。不难发现，培育证据推理与模型认知素养的计算教学是基于对物质的组成、结构和变化规律进行科学论证的模型量化过程。从科学知识产生的过程来看，理解了科学知识产生的过程，就能够深刻理解知识的内涵，并在解决问题中加以迁移运用，从而形成对科学知识的认知方法和方式。根据这一理解，提出基于科学论证培育证据推理与模型认知素养的初中化学计算教学模型（如图1）。

图1 计算教学模型

该模型表明，培育证据推理与模型认知素养的教学过程实际上是科学论证的过程，包括事实（呈现问题）、事测（提出假设）、事由（分析推理）、事理（建立模型）和事为（运用模型）。其经历了两个过程： 一个是根据证据推理建构模型的过程，是在深刻理解各量关系的基础上建构起来的；另一个是运用计算模型解决实际问题的模型外显过程，是对计算模型的本质及其表征意义的解释。其中，证据推理是学生深刻理解概念原理的本质及其表征意义的过程，是建立模型和运用模型的思维过程。

1.2 计算教学模型的运用

化学是一门在原子、分子水平上研究物质的组成、结构、性质及其变化规律的科学。而化学计算的本质是对物质的组成、结构和变化规律的量化过程。为此，计算教学模型的运用离不开化学学科独特的“宏微符”联系转化思维方式。同时，模型的运用过程要帮助学生厘清关联知识的进阶层级，如此才能更好地促进学生的模型认知发展，促进学生建构良好的定量认知结构，提高分析、解决实际问题的能力。

基于学生定量认知发展线索，帮助学生建立起宏观、微观和符号之间定量联系转化关系，并用概念原理固化下来，这是对知识理性的、深刻的、本质层面上的理解，能更好地培育学生的证据推理与模型认知素养。

1.2.1 建立“宏微符”之間的定量转化思维方式

研究表明，如果学生认知结构中的知识表征是多维而有序的，则所获得的知识可灵活运用于不同情境[3]。为此，帮助学生从“整体个体关系”（包括混合物与纯净物、物质与元素、物质与分子、元素与原子、分子与原子、化学反应与反应物和生成物之间的定量关系）视角，建构起宏观、微观和符号之间的定量转化思维方式，形成完善的认知结构，从而解构计算模型的成因是深刻理解计算模型的本质及其表征意义的关键。“宏微符”之间定量转化关系如图2所示，其内隐着“科学计量”、“整体个体关系”思想。

图2 “宏微符”定量转化关系

1.2.2 厘清关联知识的进阶层级

依据学科特征和学习进阶理论，根据教材中关联知识的呈现线索，以及学生的认知发展水平，帮助学生厘清建立计算模型的关联知识层级，打通关联思维，为理解而学习，从而促进学生根据证据进行推理探索规律和建构理论模型，建构促进计算模型建立的定量认识发展知识层级[4]（如图3）。

图3 定量认识发展层级

2 培育证据推理与模型认知素养的计算教学实践

培育证据推理与模型认知素养的计算教学模型指导的教学设计，其操作步骤如图4。其中，“呈现层级问题”是关键。在厘清定量认识知识层级、厘清“宏微符”表征之间定量转化关系基础上，设计层级问题，帮助学生进行证据推理，形成用“整体个体关系”思想和“宏微符”表征定量转化思想去看待物质世界的思路方法。

分析教学目标→厘清定量认识层级厘清定量三重表征→呈现层级问题进行分析推理→

提炼逻辑关系建立计算模型→创设问题情境运用计算模型

图4 计算教学设计操作步骤

下面以“物质组成的简单计算”为例进行分析。

2.1 教学目标分析

课程标准提出“利用相对原子质量、相对分子质量进行物质组成的简单计算”的学习要求。教学设计处理时，重点要帮助学生用“整体个体关系”思想和“宏微符”定量转化思想来厘清物质组成的内隐关系（其中纯净物组成的内隐关系如图5），从而培育学生多维而有序的认知结构，提高学生的证据推理与模型认知素养。

图5 纯净物组成的内隐关系

基于课程标准要求、证据推理与模型认知的内涵和物质组成的内隐关系，本内容需要达成如下教学目标： （1）基于对纯净物具有固定的组成和结构的认识，提出纯净物与元素之间质量关系的假设；（2）帮助学生用“整体个体关系”思想和“宏微符”定量转化思想进行分析推理，厘清混合物、纯净物、元素之间的逻辑关系，厘清化学式、纯净物、元素、分子、原子之间的逻辑关系，建构它们之间的总和关系、比例关系、变化关系、转化关系的思维框架，建立纯净物与元素之间的质量关系模型；（3）用“整体个体关系”思想和“宏微符”定量转化思想理解模型，建立运用模型解决实际问题的思路方法。

2.2 教学过程设计

根据本内容的教学目标，结合计算教学模型，为促进学生深刻理解计算模型的本质和意义，建立起具备学科特征并符合学习进阶的解决问题的思路方法，本课教学过程设计如下：

2.2.1 呈现问题，提出假设

尿素是一种肥效高、土壤适应性好的常用氮肥。图6是某尿素标签的部分信息，该尿素样品是纯净物还是混合物？

图6 某尿素标签的部分信息

设计意图： 呈现生活实际问题，体现化学学科价值，引导学生从微观构成上进行猜想，激发学生为了验证假设积极参与建构纯净物中元素含量的关系模型。

2.2.2 分析推理，建立模型

问题1： 纯净物有固定的组成，以尿素[CO（NH2）2]为例（下同），你能说出哪些信息？

设计意图： 引导学生从整体与个体、宏观与微观视角分析符号的意义，培育“宏微符”转化思维、“整体个体关系”思维认识物质世界的思想方法，帮助学生建立起物质组成的内隐关系（参照图5）。

问题2： 纯净物中元素之间的质量比例关系的表征方法有几种？

设计意图： 组织学生讨论，帮助学生根据物质组成的内隐关系（参照图5），引导学生利用“整体个体关系”思想，认识纯净物中元素之间的质量关系的两种表征方法： 一种是元素质量比，另一种是元素质量分数。帮助学生建构定量总和水平、定量变化水平和定量比例水平的思维框架模型，并加以理解和表征。

问题3： 根据物质组成的内隐关系（参照图5），从微观视角分析，构成物质的分子中各原子的质量比如何用公式来表征？分子中各原子的质量分数如何用公式来表征？从宏微转化视角分析，纯净物中各元素的质量比可以如何表征？元素质量分数可以如何表征？

设计意图： 利用“宏微符”表征定量转化和“整体个体关系”思维，将这种联系从微观层面推移到宏观层面，通过证据推理，学生自然地建构起计算模型，从而培育学生宏微定量转化思维水平，促进学生深刻理解计算模型的本质和意义。

2.2.3 运用模型，解决问题

问题4： 结合物质组成的内隐关系（参照图5），说说尿素[CO（NH2）2]有哪些定量信息？

设计意图： 评价学生“宏微符”表征定量转化和“整体个体关系”的思维水平，促进学生思维结构化地理解计算模型的意义。

问题5： 通過数据说说该尿素样品是纯净物还是混合物？该尿素样品中尿素的质量分数是多少？

设计意图： 评价学生理解、运用计算模型的迁移能力。

问题6： 多少克硝酸铵（NH4NO3）与100克尿素[CO（NH2）2]中氮元素质量相等？

设计意图： 评价学生对计算模型的理解、运用水平，促进学生“宏微符”表征定量转化能力。

3 总结与反思

这一教学设计是培育学生证据推理与模型认知素养的科学论证过程。该教学设计基于“证据推理与模型认知”素养内涵，遵循学习进阶理论，体现“宏微符”三重表征这一化学学科独特的思维方式，从而培育学生科学素养，促进学生深刻理解计算模型的本质和意义。

实践这一教学设计，关键是要帮助学生用“整体个体关系”思想和“宏微符”定量转化思想展开分析推理，厘清各量之间的定性关系、定量总和关系、定量比例关系、定量变化关系和宏微定量转化关系（或条件定量关系）。帮助学生厘清各量之间的关系，建立起“整体个体关系”思想和“宏微符”定量转化思想，才能设计出简约高质的思维层级问题，才能有效培育学生的证据推理与模型认知素养，促进学生多维而有序地理解计算模型并运用模型解决不同情境的化学问题。

参考文献：

[1]杨玉琴. 化学计算的学科本质及教学[J]. 化学教学， 2013， （10）： 6～9.

[2]顾建辛. 关于化学核心素养培育的微观思考[J]. 化学教学， 2017， （11）： 34～38.

[3]卢巍. 论化学智慧教学[M]. 济南： 山东教育出版社， 2010： 1～25.

[4]罗月旺， 李珍， 杨梓生. 促进初中学生定量观建构的教学设计[J]. 化学教学， 2017， （5）： 29～32.