基于“证据推理与模型认知”核心素养的高中化学探究性教学实践

李娜

摘要：以“化学能转化为电能”为例，探索在化学课堂中实践化学核心素养，以“证据推理与模型认知”为主调打造探究型的化学课堂，层层推进，激发学生兴趣，以促进学生的化学核心素养得到全方位发展。

关键词：化学课堂;化学核心素养;探究

文章编号：1008-0546（2019）05-0057-04

中图分类号：G632.41 文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2019.05.018

一、设计背景

1.高中化学学科核心素养

“普通高中化学学科核心素养”提出“宏观辨识与微观探析、变化观念与平衡思想、证据推理与模型认知、科学探究与创新意识、科学态度与社会责任”等五个维度的素养。其中，“宏观辨识与微观探析”体现了化学学科的特征，要求学生从化学的视角认识和解决问题;“变化观念与平衡思想”体现化学学科基本观念，体现物质变化中普遍存在的对立统一和动态平衡观念;“科学探究与创新意识”是化学学科核心素养“核心”的核心，以科学探究为实践基础，在实践中发现和提出有探究价值的化学问题;基于证据进行分析推理，运用多种模型来描述和解释化学现象，因此，“证据推理与模型认知”是思维核心;“科学态度与社会责任”是价值追求与立场，培养学生的可持续发展意识和绿色化学观念。

2.探究性教学模式

探究性教学模式是指在教学过程中，要求学生在教师指导下，通过以“自主、探究、合作”为特征的学习方式对当前教学内容中的主要知识点进行自主学习、深入探究并进行小组合作交流。包括创设情境激发兴趣、启发思考提出质疑、自主（或小组）探究设计方案、协作交流实验验证、总结提高得出结论等几个环节。

打造探究型的化学课堂，并贯穿以“证据推理与模型认知”为主调的核心素养，联系生活实际、创设问题情境，引导学生主动参与、合作学习，培养学生科学探究能力，激发学生创新意识，树立正确的情感态度与价值观，促进学生的核心素养全面发展。

二、基于“证据推理与模型认知”核心素养的探究型化学课堂——以“化学能转化为电能”为例

1.教材、学情分析

本节课教学内容是苏教版高一化学必修2专题二第三单元《化学能与电能的转化》第一节内容，是必修1“氧化还原反应”的拓展延伸，也是能量转化的生动体现，为之后“化学电源”“电能转化为化学能”的学习做好了铺垫。

学生有“氧化还原反应”的基础知识，也能熟练写出基本的氧化还原反应，又刚学过“化学反应中的热量”，对化学反应能量转化有一定的了解，通过必修1的学习对宏观现象是由微观本质所决定的思维方式也非常成熟，但是对于“原电池”这个概念是第一次接触，并且要将氧化还原反应升华到应用层面，对学生来说是个非常大的挑战。为避免学生对电化学这种概念抽象的原理课产生畏难无聊等情绪，必须设计好本节课，让学生在探究性课堂中培养其核心素养，使课堂悬念迭生，学生在自主质疑、推理、寻证、解疑过程中抽丝剥茧，建立原电池模型，激发学生自身的学习兴趣，掌握学习方法，打好电化学学习的第一枪。

2.“证据推理与模型认知”的内涵及教学目标

化学学习过程应该是以物质组成、结构及其变化的事实作为构建假设论证的基础，并同时对假设进行证实与证伪的分析，在此基础上研究并建立认知物质的基本模型，最后得到认知物质世界的基本方法。作为化学学科核心素养的思维核心“证据推理与模型认知”有五方面的内涵，而这些内涵分别表达了五种不同的意识（如图1），这五种意识也分别对应了五种不同培育目标，即学会假设、学会认证、学会分析、学会预测与建模、学会问题解决。

基于“证据推理与模型认知”的内涵及培育目标，对于“化学能转化为电能”这节课我设计了以下教学行为，以此构建成探究性课堂（如表1）。

3.教学流程

（1）创设情境，在情境中生成疑问

【情境引入】曾经网上有这么一个传说，几千个苹果连在一起就可以为手机充电。这果蔬到底能不能提供电能呢？实验是检验真知的标准。

【分组实验】6个小组分别根据提供的材料模仿如图2组装成电路（西红柿、酒精、铜片、锌片、铅笔芯、导线、电子时钟），观察是否有电流通过。

【提出质疑】根据6组实验的成功和失败（如表2），提出疑问：为什么有的能产生电流有的不能，这与电极和介质有什么关系呢？（说明：第六组实验学生很容易得出结论：电流的产生必须要形成闭合回路。）

设计意图：通过学生小组实验的成功和失败，设置悬念，激发学生好奇心，通过对比使学生心中产生质疑，为后面提出假设寻找证据推理解疑的探究过程埋下伏笔。

（2）质疑寻证，在探究中解释疑问

【假设1】根据第二、三、四组实验，电流的产生与两个电极有关？

【实验探究一】鋅铜电极哪个作为电池的正极或负极？

【演示实验】锌一铜一硫酸装置：电流表指针偏转，铜片表面产生气泡（如图3）。

【对比实验】干电池与电流表连接：接通电源后电流表指针发生偏转（如图4）。

【结论】通过对比实验得出，锌一铜一硫酸装置类似于电池组装成闭合回路之后可以形成电流，根据电流表指针偏向及电子从电源负极经过导线流向电源正极，得出锌做负极，铜做正极。根据实验现象和得失电子写出正负极反应式，zn负极：zn-2e=Zn²⁺（氧化反应）cu正极：2H⁺+2e-=H2↑（还原反应）

总结：将化学能转化为电能的装置称为原电池，电子从原电池的负极流向原电池的正极。

设计意图：通过干电池做对比判断出正负极，得出原电池概念，在电极反应式书写与电子得失守恒中发展“宏观辨识与微观探析”的素养。

【实验探究二】不同电极对形成原电池影响的本质原因

【实验验证】信息：电极电势差形成电压。利用手持技术——电势传感器测锌一铜一硫酸、锌一碳一硫酸、锌一锌一硫酸三套装置的电势差，得到表3和图4。

设计意图：通过对比和手持技术，从微观本质解释不同电极对形成原电池与否的影响，更好地帮助学生探究与理解。

【解疑一】原电池形成的条件之一：两个正负电极与介质构成之后能形成电势差，一股腈况下两个电极的活泼性要不同，从而自动实现电子转移形成电流，由此又可以发现原电池的形成需要自发的氧化还原反应，就可以解释为什么第一组实验无法成功，因為铜硫酸没有形成自发的氧化还原反应。

【假设2】根据第四、五组实验，电流的产生与介质有关，介质中需要离子的参与，离子如何移动呢？

【实验探究三】zn-C-H2SO4中滴加KMnO4，观察紫红色MnO4-阴离子的移动方向（如图5）。

设计意图：通过简易创新实验的探究，得出外电路导线上变化的是电子的移动，而介质中必须要有带电荷的微粒移动来平衡电性，即必须要有离子的移动，以此发展了“变化观念与平衡思想”、“科学探究与创新意识”的素养。

【解疑二】原电池的形成条件之一：介质要有电解质，需要离子的移动，且阴离子移向负极，阳离子移向正极。

【建立模型】原电池模型如图6。

设计意图：完善学生的知识构架，从“宏观一微观一符号”三重表征建立原电池模型，认识化学现象与模型之间的联系。

（3）科学应用，在实际中解决问题

【升华】利用原电池模型解决钢铁的电化学腐蚀问题。

设计意图：利用所建模型解决实际问题，建立思维框架，为后续的化学电源学习做铺垫，并能将原电池应用于实际的绿色生产和绿色生活中，以此发展“科学态度与社会责任”的素养。

三、教学反思

将传统的探究性教学与化学核心素养结合，从而打造出基于“证据推理与模型认知”的探究性化学课堂，既可以发挥探究性教学中问题情境对教学的作用，又可以通过探究活动帮助学生树立独立分析的意识，提高依据目标设计实验的能力以及依据物质变化的内在规律做出模型假设与模型构建的能力，帮助学生形成解决化学问题的基本框架，由此实现“从化学的视角认识事物和解决问题的思想、方法、观点”的化学学科价值，两者相辅相成使探究性教学的真正落实明确了方向，使在着重发展“证据推理与模型认知”素养的同时其他核心素养也能得到全面发展。

在“化学能转化为电能”的教学中，我们长期都是以传授知识为主，即使会设计学生实验、讨论原电池构成所需的条件，但依然追求知识结构的完整性，忽视了证据推理与模型认知的引导。比如我们常提到构成原电池的条件之一：两个电极是活泼性不同的金属（非金属），并没有提出本质原因即电势差，从而在后面氢氧燃料电池学习时给学生造成了困扰。我们在课堂设计时不应只是为了得到固有结论而流于形式设计成“伪探究”，应深入本质交给学生如何“学”：学质疑、学求证、学推理、学建模、学解疑，体验并落实学生的核心素养。当然，对于本节课的设计也存在遗憾，针对“自发的氧化还原反应”并未进行深入直观的实验探究，后来通过查阅资料考虑到是否可以通过温度计测量锌一铜一硫酸电池的温度变化，从“放热的氧化还原反应”来探究有待于进一步实践。