发展学生“证据推理与模型认知”素养的教学实践

叶婉 李婉冰 姜建文

摘要： 分析了以往“燃烧与灭火”教学中发展学生“证据推理与模型认知”核心素养的现状。介绍“燃烧与灭火”一节教学中围绕取火有“术”、驭火有“方”、防火有“法”三大板块展开的五大实验探究活动。阐释发展学生“证据推理与模型认知”化学学科核心素养的具体教学实施过程。

关键词： 证据推理; 模型认知; 燃烧与灭火; 化学教学

文章编号： 1005-6629（2021）03-0057-06

中图分类号： G633.8

文献标识码： B

1  教学主题内容及教学现状分析

1.1  教学背景分析

本课题选自人教版九年级《化学》（上册）第七单元“燃料及其应用”的课题1“燃烧与灭火”。在《义务教育化学课程标准（2011年版）》[1]中，将“燃烧与灭火”这一内容归于“化学与社会发展”一级主题之下，要求学生认识燃烧的条件，了解防火灭火的措施，帮助学生正确认识化学与社会发展的关系，认识学习化学的重要性。因此，“燃烧与灭火”这一内容与社会、生活息息相关，如何将其与生活、社会情境相结合，完善学生对“燃烧与灭火”概念的认识模型，是每位教师必须要关注重视的问题。

此前学生已经学习了氧化反应的知识，认识到一些物质能够在空气和氧气中燃烧，能从微观的视角去看待反应的实质，能从物质的转化、能量的角度认识燃烧，理解促进燃烧的方法的实质，为本节课的学习奠定了基础。但还不能从化学反应的角度认识燃烧的规律、理解灭火的原理，还不能辩证、客观、科学地认识燃烧的价值，用火、防火的意识也不够强。

1.2  “证据推理与模型认知”素养在“燃烧与灭火”教学中的体现

对目前已有的关于“燃烧与灭火”的教学设计[2～9]进行分析，发现有以下特点： 第一，绝大部分设计都体现了证据意识。在构建燃烧的条件模型时，采取探究实验的手段，通过对照实验收集证据，通过推理得出结论。第二，绝大部分设计体现了对模型的建构及应用。例如，对燃烧的“三大条件”形成一个“火”字造型呈现在板书中，并将灭火的原理归纳为“灭”字。另外，模型的应用体现得也较为明显。在学完燃烧与灭火之后，通过模拟生活中火灾自救、森林防火的场景，让学生在真实场景中解决现实问题。第三，对模型的修正体现有所不足。学生对燃烧的认知模型是存在认知偏差的，包括燃烧不一定需要点燃、燃烧需要一定浓度的氧气、不是所有的燃烧都需要氧气、二氧化碳的灭火原理是因为二氧化碳不能燃烧且不支持燃烧等。

因此，除了利用探究实验提供证据，构建基本“燃烧与灭火”的认知模型外，还应该引导学生对已有模型提出质疑，进一步修正模型，最后进行模型的应用。

2  教学理论基础

2.1  “证据推理与模型认知”的理论基础

《普通高中化学课程标准（2017年版）》[10]对培养学生的“证据推理与模型认知”素养提出了要求。“证据推理”与“模型认知”都是化学学习中重要的思维方式。证据推理为认知模型建构提供基础，认知模型指导学生思考问题、解决问题。模型认知主要包括两大块内容： 建模和用模。在建模的过程中，杨玉琴[11]提出，深化实施科学探究学习方式是培养“证据推理与模型认知”的主要实践策略。

2.2  “证据推理与模型认知”素养在实践中的落实

根据对“证据推理与模型认知”的内涵解析，在“燃烧与灭火”这一节课中结合实验探究活动，依据证据链，使学生形成“燃烧与灭火”的认知模型，并学会使用这一模型。其学习过程如图1所示。

3  教学目标

（1） 通过艾德荒野生火的情境分析以及燃烧的系列实验探究，推理得出燃烧的三个条件及其关系，体会化学学习的思维方法，培养证据推理意识和科学探究能力。

（2） 通过数字化技术测量氧气含量以及镁条燃烧实验进行拓展，制造认知冲突，纠正对燃烧条件的认知偏差，完善对燃烧的认知模型。

（3） 通过设置使蜡烛燃烧得更旺和迅速熄灭的实验活动，建立燃烧的三要素与灭火之间的关系，理解燃烧的实质与规律，通过生火、驭火、防火三个阶段层层递进，培养模型认知的学科核心素养。

（4） 通过自主设计防火实验以及例举生活常见防火实例，形成科学防火、灭火、用火的意识，体会到可以利用事物的规律避开灾害，造福人类，从而培养创新精神以及社会责任感。

4  教学流程

本节课设计与实施的教学流程见表1。

5  教学实录

5.1  环节一： 取火有“术”

5.1.1  结合现代教育技术，进行学情前测

[课题引入]同学们，你了解火吗？今天我们来学习与火有关的知识。

[基于Plickers技术的课前测评]上课前，请同学们

环节一： 取火有“术”

（1） 结合Plickers进行课前诊断

（2） 创设艾德荒野生火情境，引出燃烧的三大条件的探究实验

（3） 给出测定容器内氧气浓度的数字化實验步骤，展示相同容器不同高度氧气浓度数据

（1） 举二维码进行选择

（2） 进行猜想、方案设计和实验，记录实验数据，分析、寻找证据，总结燃烧的三大条件

（3） 自主尝试测定容器内氧气浓度，思考交流修正燃烧的条件

结合现代教育技术，迅速了解学情;通过燃烧的条件探究实验以及氧气浓度测定的数字化实验寻找证据，构建并修正燃烧的认识模型，培养学生科学探究、证据推理与模型认知的学科核心素养

环节二： 驭火有“方”

（1） 演示让蜡烛燃烧更旺的实验

（2） 给出熄灭蜡烛的相关材料图片

（3） 进行课堂后测

（1） 讨论让蜡烛燃烧更旺的方法

（2） 讨论蜡烛熄灭的方法及原理

（3） 举二维码进行选择

通过控制蜡烛的燃烧和熄灭，将燃烧与灭火联系起来，对已有的燃烧模型加以应用，形成“燃烧与灭火”完整的认识模型

环节三： 防火有“法”

（1） 布置挑战A4纸烧不坏的任务

（2） 提问生活防火实例

（1） 讨论任务方案并进行实验

（2） 交流讨论生活方法实例

通过进行防火方案和生活防火实例讨论，应用“燃烧与灭火”的认识模型，培养学生的生活防火意识

环节四： 拓展延伸

（1） 演示镁条在CO2中燃烧的实验

（2） 布置课后阅读文献《燃烧条件之再思考》

（1） 观察现象进行思考

（2） 课后阅读文献

通过实验的拓展，引发学生的进一步思考，以期进一步对模型进行完善

做一道选择题，对生活中有关火的说法做出判断。举起你手中的卡片，将选择的选项方向向上。

题目： 下列关于燃烧与灭火的说法正确的是（    ）

A. 房屋失火，消防员用水扑灭是因为降低了可燃物的着火点

B. 吹灭蜡烛是因为加速空气流动，降低了温度

C. 炒菜时油锅着火立即用水浇灭

D. 房间发生火灾时应打开所有窗户，有利于人员迅速逃生

教师用手机扫描学生手中的二维码，15位学生选择正确答案B，其他27位学生错选。

5.1.2  模型的建立——结合艾德荒野生火，探究燃烧的三大条件

[情境导入]看来大家对火有了一定的认识，那接下来我们将和客人艾德一起来做进一步的探究。先来看一看艾德的故事。

[播放视频]艾德荒野生火。

野外求生专家艾德被投放到一片荒原中，他将什么也不带，被丢下独处十天。他说：“点火是首要任务。”艾德找到了一块干枯的木头，并收集了一些枯草和枯枝。做好准备工作后，艾德用手摇钻在枯木上打转，产生的余烬将枯草引燃了，然后对着冒烟的干草轻轻吹气，干草开始剧烈燃烧，再将燃着的枯草放进枯枝堆里，艾德终于成功生起了一个火堆……艾德的十天即将结束，兴奋之余他也非常担忧： 我现在最大的忧虑就是这里非常干燥，我可不能引起火灾。

[引导思考]取火是完成单挑荒野中关键的一步。那么如果你是艾德，为了成功取火需要什么？

[学生分析]需要可燃物和一定的温度。

[解释]我们把可燃物点燃时需要的最低温度称为着火点。着火点是物质的一种固有属性，通常情况下不会改变。所以艾德钻木取火是提高了可燃物的温度，不能改变它的着火点。

[展示]老师这里也找到了一种可燃物——白磷。白磷的着火点为40℃。

[演示实验]取白磷于80℃的热水中。

[学生观察]白磷并未燃烧。

[提问]为什么艾德成功取火而老师没有呢？说明这个条件要补充吗，应该补充什么？

[学生回答]氧气。

[继续实验]使用鼓气球往里面鼓入空气，学生观察到白磷发生了燃烧。

[追问]如果老师想要成功取火的话，燃烧的这三个条件是必须同时满足，还是只需其中的一个？

[学生猜想]全部。

[布置任务]实验是检验真理的唯一标准。现在老师给大家提供了一些实验的药品和仪器。除了白磷，还为大家提供了着火点为260℃的可燃物红磷，温度大约为80℃的热水等。请同学们分组讨论实验方案。

[学生讨论并汇报实验方案]

小组1： 我们组参考了课本上的装置图（见图2），向盛有热水的烧杯中放入白磷，在烧杯上方盖一个铜片，并在上面分别放上白磷和红磷。

小组2： 我们组是取两支试管，分别放入白磷和红磷，然后将两支试管放到盛有热水的烧杯中，在热水中也放入白磷。

[方案评价]你们的方案都是可行的，但还有继续完善的空间。同学们想想，五氧化二磷是白烟，会污染空气。请同学们继续讨论，看能否进一步改善。

[学生讨论并汇报改进方案]可以在方案2的试管上加两个气球，将产生的五氧化二磷收集起来（见图3）。

[学生进行实验并描述现象]我看到放有白磷的试管中白磷燃烧了，红磷那支无明显现象，而放在水中的白磷也没有发生燃烧。

[补充]气球处也是一个现象，装有白磷的这个气球应该是先变大后变小的。

学生填写的实验记录如表2所示。

[提问]看到这个表格，同学们能否寻找证据，对比分析，说明燃烧的三个条件是否需要同时具备呢？

[学生讨论并回答]试管中的白磷跟水中的白磷形成对照，说明燃烧需要氧气。试管中的红磷跟试管中的白磷也形成了對照，说明提供的温度要达到可燃物的着火点。结论是： 燃烧想要发生，必须同时具备燃烧的三个条件。

[提问]能不能结合这个现象以及结论描述一下什么叫燃烧？

[学生总结回答]一般情况下，可燃物与氧气发生的一种发光放热的剧烈的氧化反应叫做燃烧。

5.1.3  模型的完善——结合数字化实验完善燃烧的条件

[提出疑问]我们还看到这个试管中的白磷，它烧了一会就停止了，为什么？

[部分学生猜想]可能氧气消耗完了。

[部分学生质疑]不一定，可能只是氧气比较少。

[布置任务]老师为同学们提供了能够测定氧气浓度的数字化装置（见图4），你们可以自主尝试测定氧气浓度的变化。

[实验步骤]（1）点燃酒精灯;（2）引燃小木条;（3）用小木条迅速伸入引燃瓶内的蜡烛，及时熄灭酒精灯;（4）待火焰稳定后，直接盖紧胶塞，观察数据，并记录氧气浓度最低值。

学生开始实验。教师使用手机拍照记录各组学生的数据。

[学生描述现象]蜡烛点燃以后，集气瓶中的氧气浓度降低了，蜡烛先燃烧后熄灭了，氧气浓度没有降到零。

[学生得出新认识]燃烧需要足够的氧气，或者说一定浓度的氧气。

[完善板书]如图5所示。

[提问]投影展示不同组同学测得的实验数据图片。为什么测的数据不一样呢？

[学生回答]可能是装置漏气。

[解释]其实集气瓶中导管的长度是不同的。不同组测的是容器内不同高度的氧气浓度。大家想一想，如果你在火灾现场，这个实验数据对你有什么启示？

[学生回答]逃生时要往低处跑。

5.2  环节二： 驭火有“方”——艾德控制燃烧

[提问]艾德利用燃烧的三个条件，成功地取得了小火星，那他是怎样让火烧得更旺的呢？

[学生回答]增加了可燃物，进行吹气。

[提问]那你能否解释为什么吹气可以燃烧得更旺？

[学生回答]空气足够。

[提问]老师这里有一支蜡烛，我点燃它，你们有没有办法让他燃烧得更旺呢？

[学生回答]给它足够的氧气。

[演示实验]利用改进的装置（见图6）进行实验。点燃蜡烛，加入过氧化氢。

[学生观察并回答]蜡烛火焰变得更明亮一点了。

[继续实验]继续加入过氧化氢，观察到火焰更明亮但随后蜡烛熄灭了。

[提问]刚开始改变了氧气浓度，火焰更明亮了，那为什么后面蜡烛熄灭了呢？

[学生解释]过氧化氢分解产生了水蒸气，相应降低了氧气的浓度。

[设置任务]这里还有一支蜡烛，你有没有办法熄灭？原理是什么？结合图片想一想。

学生将相应的方法及原理填写在表格中（见表3）。

[提问]所以我们想要灭火，只需要怎么样？

[学生回答]破坏燃烧的条件。

[总结]对，我们通过改变其中的一个条件，可让火燃烧得更旺，也可通过改变其中的一个条件，让火熄灭，从而实现成功地驭火，对燃烧加以控制。

[课堂后测]请学生再次对前测的题目做出选择。（再次扫码）有2位学生错选。

5.3  环节三： 防火有“法”——艾德避免森林火灾的发生

[情境导入]生活中的火，善用为福，不善用为祸，一不小心就是火灾了。很多时候，我们需要将可燃物防范于未然之中，让它不发生燃烧。

[布置任务]请同学们完成一个实验： 如何让可燃物A4纸在酒精灯火焰上直接灼烧十秒以上烧不坏呢？先小組讨论设计实验，然后开始实验，完成后及时熄灭酒精灯。

[学生实验]成功的方案如下：

方案一： 将纸放入水中浸湿，揉成一团，放在酒精灯上灼烧。

方案二： 将纸折成小船，浸湿并装好水，放在酒精灯上灼烧。

[讨论与交流]成功组的同学分享经验，失败组的同学寻找原因。

[总结]想要成功防火，只需要预先破坏一个条件，就可以成功防火。

[提问]我们看到艾德就要离开这里了。可他视频中火还在烧，他怎样做可以预防森林火灾？

[学生回答]浇水灭掉。

[提问]在森林里面不要留下火源。在生活中还有哪些可以预防火灾的例子呢？

[学生列举]楼道里面有灭火器、烟雾感应器，小区装有消防水管等。

[讲述]校园防火也有办法： 教室里的安全贴士、防火吊顶以及安全通道门。更多防火的知识，请你们回去参见中国消防网。

5.4  环节四： 实验拓展，引发思考

[总结]感谢大家对我和艾德的陪伴，我们一起研究了燃烧的三个条件，并且学

会了控制燃烧，将其防范于未然之中。在课程的最后老师给大家带来了一个趣味实验。

[演示实验]镁条在二氧化碳中燃烧（见图7）。

学生发现镁条在二氧化碳中能持续燃烧，发出耀眼的白光，感到新奇并疑惑。

[布置课后任务]请你们思考为什么镁条在二氧化碳中能正常燃烧呢？回去完成课后作业并阅读文献“燃烧条件再思考”一文，这里能找到你们想要的答案。

6  教学特色及反思

本次实践以艾德单挑荒野取火，控制燃烧更“旺”或者熄灭，艾德离开荒岛防止森林火灾作为引线，形成“取火有术”“驭火有方”“防火有法”三大板块，围绕展开五大实验探究活动，从建立模型、优化模型、应用模型层层递进，培养学生的证据意识，发展学生证据推理与模型认知的化学学科核心素养。同时，结合Plickers手机软件及时进行课堂诊断，使教学评一体化，加强课堂即时反馈互动。另外，在这节课中，通过引导学生对燃烧与灭火相关实验的探索，纠正了学生对燃烧概念的部分认知偏差。首先，通过采用热水提供温度使白磷燃烧让学生明白点燃只是使可燃物的温度达到着火点的一种方式，并不是必备条件。第二，通过数字化实验定量测定蜡烛熄灭后容器中剩余氧气浓度，让学生从数据上直观了解到，燃烧的发生对氧气的浓度是有要求的。第三，通过镁条在二氧化碳中燃烧的小实验让学生发现问题，即不是所有的燃烧都需要氧气。最后，给学生提供关于“燃烧条件再思考”的文献，让学生课后继续思考与探索。

实践的过程中也发现了一些问题： 首先，学生对实验现象的观察及描述能力较弱，例如在白磷燃烧时忽略了气球体积的变化，在用传感器测量氧气浓度时没有注意测量导管的长度等;其次，学生对模型应用的能力偏弱，在寻找熄灭蜡烛的方法时例举不够全面，在进行10秒钟A4纸烧不坏实验时部分组是失败的;其三，在此次实践中，对于模型修正的相关问题主要由教师提供，部分实验由教师操作，弱化了学生本身的思考以及动手操作。总而言之，学生的“证据推理与模型认知”素养的培养并不是简单的一堂课就能达到目的的，而是需要教师平时一点一滴地渗透和积累，让学生不断地去思考问题和质疑问题，才能不断地发展和完善起来。

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部制定. 义务教育化学课程标准（2011年版）[S]. 北京： 北京师范大学出版社， 2012.

[2]霍凤清. 从被动接受走向主动发现——初三化学《燃烧和灭火》教学设计及实施[J]. 中国电化教育， 2005， （3）： 65～67.

[3]陈建， 李秀霞. 运用探究教学策略纠正认知偏差——九年级“燃烧与灭火”教学设计[J]. 化学教学， 2016， （10）： 32～35.

[4]马金星. 创设合理教学情境  促进学生自主学习——以“燃烧和灭火”教学为例[J]. 化学教学， 2014， （5）： 29～31.

[5]翟晓丽. 让学生面對复杂的生活情境——“燃烧与灭火”生活化教学设计及反思[J]. 化学教与学， 2013， （10）： 67～69.

[6]胡婉芳， 保志明， 陈凯. 基于学习者分析和资源整合的化学教学设计——以《燃烧与灭火》（第一课时）为例[J]. 中小学教学研究， 2013， （7）： 50～54.

[7]李焱， 尚晓娜， 许九奎. 基于提高学生参与度的初中化学教学实践——《燃烧和灭火》的教学过程及设计意图[J]. 教育实践与研究（B）， 2017， （4）： 57～61.

[8]张宏亮. 《燃烧和灭火》教学设计[J]. 中国信息技术教育， 2017， （Z1）： 70～74.

[9]陈继清. 《燃烧和灭火》教学设计[J]. 中小学教学研究， 2019， （2）： 65～72.

[10]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.

[11]杨玉琴， 倪娟. 证据推理与模型认知： 内涵解析及实践策略[J]. 化学教育（中英文）， 2019， 40（23）： 23～29.