基于培养学生证据推理素养的探究性实验教学研究——以“金属的性质”教学为例

于美爱，王福中，张浩，董华泽，王方阔

（1.合肥师范学院化学与化学工程学院，安徽合肥230601；2.蒙城第一中学，安徽亳州233500）

化学作为一门以实验为基础的课程，其重要组成部分就是实验，但在现阶段的中学化学教学中，实验所占比例并不多，探究性实验更是少之又少。教师在实验教学中，为了让学生发现既定的实验现象，实验环节几乎是按照教师设定的模式进行，缺乏创新，学生的探究能力得不到发展。因此，科学合理地安排实验环节，引导学生积极探索，在实验证据事实下做出合理的推断，并分析论证得出结果，是需要教师用心探索的。

2018年颁布的普通高中化学课程标准(2017年版)提出培养学生的化学学科核心素养，进一步要求教师在教学中注重学生能力的培养。证据推理与模型认知作为五大核心素养之一，要求学生能基于证据对物质组成、结构及其变化提出可能的假设，通过分析推理加以证实或证伪，建立观点、结论和证据之间的逻辑关系[1]。在探究性实验教学中培养学生的证据推理意识，发展学科核心素养，是现今教师教学中的重要任务之一。

1 对证据推理的理解

1967年，Dempster首次提出证据推理理论[2]。Shafer于1976年发表的Dempster-Shafer(D-S理论)标志着证据推理理论的正式诞生[3]。在国内，不少学者对于证据推理也有自己的一番见解。崔亚男在她的硕士论文中提出，“证据”是一个通过查找资料、咨询老师和实验来解释或证明一个疑难问题的动态过程，一个化学史实、一个教学模具，甚至是一个公式，都可以作为“证据”[4]。叶思宇在其硕士论文中对“证据推理”定义为通过资料和数据对实验事实进行的拓展[5]。也有学者通过借鉴外国学者的知识模型，建构出自己的证据推理概念理解图，即基于证据提出假设，作为假设空间，而进一步的实验论证则作为实践空间，最终得出正确的结论[6]。

笔者认为，“证据推理”在化学教学中，即通过有效的证据事实或数据资料，对假设进行合理的推理论证，如实验结论式证据、数字式证据（Ksp、K、C）等。

2 “证据推理”在探究性实验中的应用优势

2.1 适应社会发展的需要

二十一世纪是科技高速发展的时期，在经济全球化的影响下，教育全球化也势在必行。随着电子教学设备的不断引进，传统的教学模式已经不再适用于现代教学需求，教师的教学方式也不仅仅局限于讲授，培养学生的高阶思维能力，让学生进行深度学习才是现今教师教学的主要目的。在化学教学中，探究性实验本身就具有创造性，教师在教学中如果加以引导，唤起学生的证据推理意识，获取寻找有效证据的方法，基于证据对实验假设进行证实或证伪，将能有效促进学生高阶思维能力的发展，形成自主学习、终生学习的意识[7]。

2.2 符合新课程标准的要求

《普通高中化学课程标准(2017年版)》中，明确指出：进一步提升学生综合素质，着力发展核心素养，使学生具有理想信念和社会责任感，具有科学文化素养和终生学习能力，具有自主发展能力和沟通合作能力[8]。由新课程标准对学生培养目标的转变，可以看出教育更旨在发展学生的综合素质能力，而在探究性实验教学中对学生证据推理能力的培养则是发展学生核心素养的重要体现。

2.3 适应新的化学学科教学模式

随着学科核心素养的提出，教师教学方式也发生了很大的转变，课堂上学生的主体地位越发明显，教师的引导方式显得尤为重要。因此，有效地引导学生形成证据推理意识，培养探究性思维，构建证据推理下的探究性实验教学模式，是现今中学化学教师教学的发展趋势。

3 教学案例分析

在“金属的性质”这一章节中，相关的知识点比较多，如金属与非金属之间的反应、金属与酸和水的反应等，学生在学习过程中可能并不能理解其本质，只能按照老师的讲解按部就班地学习。对此，笔者以这一章节的知识点为例，设计证据推理下的探究性实验教学流程，让学生理解其反应的实质。

3.1 教学流程

探究实验一：首先，教师通过金属Mg、Fe、Al在O2中的燃烧实验让学生初步了解金属的性质，然后提出疑问：Fe能否在空气中燃烧？激起学生的探究欲望。有的学生可能会根据课本的知识和老师的讲解回答Fe不能在空气中燃烧，也有的学生可能会想到Fe能否在空气中燃烧，与其和空气接触的面积有关。至此，老师进一步引导学生自己动手实验，验证猜想，通过实验得出结论——铁丝在空气中不能燃烧，而如果换成铁粉则燃烧，且火星四射。

探究实验二：基于以上的实验证据，教师进一步提问：Al能否在空气中燃烧？此时学生就能轻易得出铝片不能在空气中燃烧，而铝粉能。接着教师又提问：铝片加热后熔而不滴，是因为表面有氧化铝保护，如果打磨铝片后再加热能否滴落？学生通过实验，发现打磨后的铝片熔融后仍不滴落，基于此实验证据，很快得出铝的性质活泼，易与空气发生反应生成氧化铝的结论。这时，有的学生可能会想：铝片加热熔融后不滴落，是因为有氧化铝保护，那里面的铝加热后是否发生了反应，生成了氧化铝呢？教师鼓励学生自己动手验证猜想，用一根回形针扎破熔融的氧化铝薄膜，发现里面的液滴滴落，由此得出结论——金属铝在加热状态下熔融成液态铝，而并没有发生反应生成氧化铝。

探究实验三：了解金属与非金属反应的本质后，教师再引导学生探究金属与酸和水的反应情况，以H+的浓度、化合价的变化情况为基础，推测哪些金属性质活泼，能与水中的H+反应，哪些金属只能与酸（含H+较多）反应，进而得出结论。

3.2 设计意图

通过探究性实验的教学流程，让学生基于证据进行推测，培养证据意识。例如铁粉在空气中燃烧，以真实的实验证据打破Fe不能在空气中燃烧的固有认知；铝片加热后，熔融状态中的铝是否发生了反应等都能很好地锻炼学生的探究思维，开拓视野。

4 探究性实验教学中证据推理的应用策略

新时期的教师是课堂教学的引领者，合理的组织与引导是教师教学的必备功课。教师在探究性实验教学过程中，应以新课程标准的培养目标为导向，制定合理有效的教学方案，将证据推理贯穿于探究性实验教学的整条线，构建基于证据推理下的探究性实验教学新模式。

4.1 以生活中的化学原型为例

从生活中的化学原型中发现问题，解决问题，更有利于引起学生的共鸣，利用学过的化学知识解决生活中的小问题也能使学生获得满足感，增强自信心。例如，讲解金属的相关性质时，可以提出：铁锅为什么易生锈，而铝锅却不易生锈？学生自然而然就能往Fe、Al的活泼性方面想；也可以通过生活中常见的自热火锅包激起学生的探究欲，引导学生进行猜想假设，并不断寻找有效可靠的证据来证实猜想。在整个教学过程中，教师不断通过生活中的化学原型去引导学生，搭建知识的阶梯，让学生在熟悉的认知环境中发现问题，解决问题，证据意识便会不断增强[9]。

4.2 创设真实有效的实验情境

任何问题都是在真实的情境中发现的，任何重大发明成果都来源于实验事实，它是思维的起点，是证据推理意识培养的阶梯和载体[10]。著名科学家舍勒遇到了软锰矿与浓盐酸相遇的情景，才有了后面Cl2的发现。在实验教学中，必须要让学生亲身体验，在真实的实验情境中发现问题，寻找证据，在获取实验证据的过程中，培养推理能力。

4.3 构建核心素养之间的网络框架

证据推理与模型认知作为五大核心素养之一，有着其自身的特点，但与其他素养之间的联系也是千丝万缕，它不仅仅培养学生的科学思维，也注重学生实验探究的态度，化学观念、科学思维、科学探究、科学态度是五大核心素养之间相互联系的桥梁。在探究性实验教学中，以证据推理为导向，在帮助学生形成证据推理意识的同时，其素养水平也在不断发展。

5 结束语

将证据推理应用于探究性实验教学中，是在传统的实验教学中构建新的教学模式，使学生的素养能力得到发展，符合新课程标准的要求。对于教师来说，这是一种教学方式的转变，也是现今教师不断更新自己教学方式、理念的过程；对于学生来说，这是一种新的学习体验，更加考验学生的综合素质能力，是思维进化的一个过程。但如何将证据推理有效应用于探究性实验中，需要一个较长的过渡期，不管是教师还是学生，都需要慢慢摸索实践。