基于证据推理的初中化学教学实践与思考——以“碳酸钙的探索之旅”为例

◎ 陈韶瑾

基于证据的推理是科学发生和发展的基础，化学作为一门基于实验的自然科学也不例外。通过实验积累证据，基于证据进行推理得出结论，进而推动学科的理论发展，是近代化学演化的一贯轨迹。“证据推理”是高中化学学科核心素养之一，具体阐述为“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，通过分析推理加以证实或伪证；建立观点、结论和证据之间的逻辑关系”。目前高中化学的教学过程中已经形成了一批优秀的研究案例，并得到了广泛应用。但是，初中化学的教学对此却极少涉及，鲜有论述。

笔者认为，作为化学教育的启蒙阶段，在初中化学教学中引入“基于证据的推理”，能帮助学生培养理性思维的习惯，形成化学学习所必备的实证意识和严谨的求知态度，是一种教学创新方面的一种尝试。以此为出发点，在进行初中化学“碳酸钙的探索之旅”新授课时，笔者根据《义务教育化学课程标准（2011年版）》的要求，以学生的实际生活为起点设置真实任务，引导学生借助化学传统实验与数字化实验寻找各种“证据”，探索、推断碳酸钙的性质，以此学习物质性质探究的一般方法与流程，形成基于“证据推理”的初中化学课堂。

一、基于证据推理的课堂教学实践

“碳酸钙的探索之旅”一课的教学目标是：通过观察及实验，了解碳酸钙的物理性质，能描述碳酸钙高温分解、与酸反应的实验现象并能书写相应的化学方程式，感受碳酸钙在生活生产中的广泛应用，体会化学使生活更美好。

针对教学目标重组教学内容，教学过程以碳酸钙的性质探索为主线，以碳酸钙的发现、探索、检验三部曲串联起课前—课中—课后的学生活动。首先，根据碳酸钙在实验中的变化提出可能的假设，运用实物、图片、视频、数字化信息系统等多种手段收集证据，分析推理证实，得出关于碳酸钙性质的结论，使学生体验基于证据推理的化学学习过程，加深对碳酸钙的认知，掌握基本的科学思维方法，形成严谨认真的科学研究态度。

（一）寻找碳酸钙——证据推理思想的初步形成

在初中化学教学中，笔者一直很重视学生预习的效果。在碳酸钙相关部分的教学准备中，教师可以将证据推理的思想渗透到对学生的预习要求中，要求学生在日常生活中寻找可能含有碳酸钙的物质。

学生可以从各种角度出发，从物质的名称、物质的形态，抑或物质的各种特性，假设是否含有碳酸钙，接着用各种方式比如查阅资料或询问家长、教师，来判断、推断自己的假设是否正确。在寻找、初识碳酸钙的同时，教师引导学生在预习的时候就初步形成“作出假设—寻找证据—证明推断”的思维逻辑，既激发了学生学习碳酸钙的兴趣，又为后续的课堂教学埋下伏笔，夯实基础。

（二）探索碳酸钙——证据推理思想的集中应用

在初中化学教学中，对于碳酸钙的学习要求：一是物理性质，即了解碳酸钙色、态、味、溶解性；二是化学性质，即碳酸钙与稀盐酸反应，碳酸钙高温分解。在课堂教学中，笔者将证据推理思想与方法应用其中，帮助学生更好地理解与掌握碳酸钙的性质。

1.碳酸钙物理性质的推理与验证

在课前的预习过程中，学生已经对含有碳酸钙的物品有了大致了解。通过对各种物品的观察，可以了解碳酸钙的色、态、味等方面的性质。在此基础上，关于碳酸钙溶解性的探索，教师可以引导学生作出如下假设：“碳酸钙能溶于水”或“碳酸钙难溶于水”。有了假设，接下来就开始设计和实施实验，教师要求学生收集可靠的证据来推断、证明假设。

学生实验1：碳酸钙粉末的水溶性观察。

具体实验步骤是：学生取少量的碳酸钙粉末，加入足量水，振荡后观察，有大部分白色固体剩余。

【证据推理】由此可以得到第一个证据，碳酸钙粉末在足量的水中会有大量白色固体剩余。这是否就能够证明碳酸钙难溶于水？

学生实验2：碳酸钙加水前后的质量测定。

具体步骤如下。

（1）取块状碳酸钙，称量1g，置于水中，半天后，捞出，烘干，再称量。

（2）取粉末状碳酸钙于试管中，称量1g，加水静置，半天后，吸取上层清液，烘干，再称量。

（3）对比两组质量，分析数据。

【证据推理】通过对比可知，加水前后，碳酸钙质量变化极小。由此可以得到第二个证据，进一步加大了“碳酸钙难溶于水”这一假设成立的可能。

教师实验：以电导率传感器（见图1）呈现碳酸钙在水中的溶解情况。

具体实验步骤如下。

（1）取50mL的蒸馏水倒入烧杯中，放入一粒磁子，记录此时电导率。

（2）向烧杯中加入0.5g碳酸钙粉末，并用磁力搅拌器搅拌，记录此时电导率。

图1 用电导率传感器探究碳酸钙在水中的溶解情况

（3）向烧杯中加入0.5g氯化钠固体，记录此时电导率。

（4）比较电导率数值和曲线变化。

【证据推理】观察发现，先后加入碳酸钙、氯化钠后，混合体系中电导率差异显著。这种差异具体表现在，相对氯化钠加入后的电导率，碳酸钙加入后的电导率变化微乎其微。由此得到第三个证据，同一条件下，相对于氯化钠的溶解，碳酸钙溶解得非常少。

通过以上三个证据，学生已经基本可以得出“碳酸钙难溶于水”的结论。在此基础上，教师指导学生翻阅教材，了解到20℃时碳酸钙的溶解度为0.0013g/100g水。根据定义，溶解质小于0.01g/100g水的物质可判断为基本上不溶于水。至此，对于碳酸钙溶解性的假设得到了验证。

关于碳酸钙物理性质的学习，学生从最初的直接观察，到学着运用多种手段开展化学探究，通过测定质量、借助新技术及查阅资料，从而分析、推理得出“碳酸钙难溶于水”的假设成立。这使学生在掌握碳酸钙物理性质的同时，对基于证据推理的化学探索有了直观的感受。

2.碳酸钙化学性质的推理与验证

本节课对于碳酸钙化学性质的研究，主要涉及碳酸钙与稀盐酸反应以及碳酸钙高温分解两个部分。而将“证据推理”理论应用到这两个部分的教学中，同样可以起到很好的效果。

（1）“证据推理”理论应用于“碳酸钙与稀盐酸反应”的教学实践

课堂中，教师首先在实验盒中放置酚酞试液、石蕊试液、稀盐酸、氢氧化钠溶液，要求学生们猜想，碳酸钙能与哪种溶液发生化学反应？学生们众说纷纭。随后，学生将碳酸钙分别加入上述各种溶液中，发现碳酸钙与酸碱指示剂、氢氧化钠稀溶液混合后均无明显现象，而碳酸钙与稀盐酸混合后生成了许多气泡。基于此现象，学生可以判断出 “碳酸钙能与稀盐酸发生化学反应”的假设成立。

在此基础上，教师可以引导学生进一步思考：既然碳酸钙与盐酸发生了化学反应，那么作为反应物，碳酸钙会有什么变化？它与盐酸的化学反应产生了什么新的物质呢？学生提出“碳酸钙的质量可能会减小”“碳酸钙和盐酸反应会生成二氧化碳”“碳酸钙和盐酸反应会生成水”等不同看法。

针对这些假设，我们分别设计实验进行论证。

学生实验1：碳酸钙与稀盐酸反应前后的质量测定。

具体步骤如下。

①将一定量的大理石、稀盐酸分别置于两支试管中称量，记录天平示数。

②将大理石与稀盐酸混合，再次记录天平示数。

③对比两组质量，分析数据。

【证据推理】通过对比可知，与稀盐酸混合后碳酸钙质量变小，即假设成立。该现象也说明了在化学变化中，反应物会有消耗。

学生实验2：碳酸钙与稀盐酸反应后的产物检验。

具体步骤如下。

①取一块大理石于大试管中，倒入25mL稀盐酸。

②迅速塞上单孔橡皮塞，将产生的气体通入装有澄清石灰水的试管中。

【证据推理】经实验，学生发现澄清石灰水变浑浊。根据此前学习到的知识点，该现象说明了碳酸钙与稀盐酸发生化学反应后，生成了二氧化碳，因此又一个假设得到了验证。

基于上述实验证据以及已被证实的假设，教师可以引导学生继续思考，了解两种化合物之间的反应中存在的规律，推导碳酸钙与稀盐酸反应的化学方程式，充分掌握这一实验的反应过程和生成物组成，更有效地完成学习任务。

关于“碳酸钙与稀盐酸反应”的种种推理与验证，是对“证据推理”思想与方法的进一步实践。教师注重在学生判断与分析化学现象时作出指导，帮助学生理解化学变化的实质，认识到物质在发生化学变化时，除了会伴随一些特征现象，还会生成新物质，反应物也会有所消耗。这为学生自主提出相关的假设提供了支撑，同时也拓宽了循证的思路，养成理性思维的习惯。

（2）“证据推理”理论应用于“碳酸钙高温分解”的教学实践

在前期的学习中，学生已经具备一定的化学基础，知道不同的物质发生分解所需要的条件不同，有些在常温下会分解，如过氧化氢；有些在受热后会分解，如氯酸钾。那么，碳酸钙会分解吗？碳酸钙分解的条件是什么呢？

教师指导学生分组进行了以下实验。

①将一块大理石置于常温下。

②将一块大理石捂在手心里。

③用坩埚钳夹持一块大理石置于酒精灯火焰内灼烧。

④用坩埚钳夹持一块大理石置于酒精喷灯火焰上方灼烧。

5分钟后，比较观察4组实验后的大理石。学生发现：①②③中大理石的外观并没有明显变化，④中大理石表面有发白现象。

显然，碳酸钙能分解，但只能在高温条件下才会分解，产生化学变化。那么，碳酸钙高温分解的产物是什么呢？

学生采用在“碳酸钙与稀盐酸反应”学习到的推理与验证的思路，从反应物的消耗与新物质的生成这两个方面提出了接下来需要论证的假设：①碳酸钙作为反应物，质量会减少；②碳酸钙会分解生成氧化钙或其他含钙化合物。

具体论证过程如下。

①先称量大理石的质量，然后置于酒精喷灯火焰上方灼烧5分钟，观察到大理石表面有发白现象。

②再次称量大理石的质量，与灼烧前记录的数据对比后发现大理石质量减小。

【证据推理】灼烧后大理石表面发白、质量减少，说明大理石发生了变化，反应物有消耗。

③将夹持灼烧后的大理石放入装有蒸馏水的烧杯中，取上层清液于两支试管中。向一支试管中滴加1—2滴无色酚酞，酚酞呈红色；向另一支试管中吹气，清液变浑浊。

【证据推理】第一个试管中的溶液使酚酞呈红色，说明液体呈碱性；而第二个试管中的现象可以让学生很自然地联想到该液体是澄清石灰水。由此可以说明，最终的生成物应该是氢氧化钙。然而，碳酸钙中并不含有氢元素，碳酸钙直接分解不可能生成氢氧化钙。为什么会这样呢？教师可以引导学生，根据此前学过的通过氧化钙加水的方式制取氢氧化钙的知识推理出，是因为碳酸钙高温分解后生成了氧化钙，与水进一步反应变成了氢氧化钙溶液。

基于上述的假设与推理，教师指导学生翻阅书本，学习碳酸钙是重要的建筑材料和工业原料，在工业上正是运用高温煅烧碳酸钙的原理来制取氧化钙。同时，碳酸钙高温煅烧后的另一产物，是大家非常熟悉的物质——二氧化碳。在了解了反应物和生成物后，根据质量守恒定律，学生基本可以书写出“碳酸钙高温煅烧”的化学方程式。

关于“碳酸钙高温分解”的推理与验证，是对“证据推理”思想与方法的综合应用。面对比较复杂的综合性问题，教师运用基于证据推理的教学模型，指导学生将问题层层拆解与分析，比如“碳酸钙是否能分解？”“碳酸钙分解需要什么条件？”“碳酸钙分解生成了什么物质？”。学会拆解问题，就能针对每个问题提出相对应的多个假设，并围绕假设设计实验，进而解决问题，培养系统思考问题的能力。这就是教学过程中，解决复杂问题的一般循证路径。

（三）检验碳酸钙——证据推理思想的巩固拓展

“碳酸钙的探索之旅”一课带领学生用“证据推理”的思想与方法学习了碳酸钙的部分物理性质与化学性质，培养了学生的证据思想和研究能力。课后，这些知识、方法及能力能帮助学生用化学的眼光看待生活中含有碳酸钙的物品，充分运用碳酸钙的性质，理性地作出判断，得出较严谨的科学结论。

同时，“证据推理”模型的运用，为学生建立观点、结论和证据之间的逻辑关系奠定了扎实基础。教师应该鼓励学生将这种思考方式应用到今后的化学学习和日常生活中。

二、基于证据推理的课堂教学反思

在化学学科领域中，证据已经成为一种专业用语，用证据论证观点是学生探究性学习的核心。基于证据推理的“碳酸钙的探索之旅”一课，以碳酸钙的性质探索为主线，以碳酸钙的发现、探索、检验三部曲串联起课前—课中—课后的学生活动，希望学生在化学课堂上享受到思辨的快乐，获得学习的成就感。

（一）唤醒了收集证据的意识

在寻找碳酸钙过程中，学生发现生活中习以为常的物质背后竟然“隐藏”着众多化学物质，而这些化学物质中是否存在碳酸钙？为了证明自己的想法，学生尝试运用各种方法，思考与分析各种证据，作出相应判断。其实，这就在指引学生初步形成“作出假设—寻找证据—证明推断”的思维逻辑，为后续的课堂学习做好准备，也极大程度激发了学生对于碳酸钙学习的兴趣。

（二）学习了证据推理的方法

“证据推理”需要基于证据对物质组成、结构及其变化提出可能的假设，通过分析进行推理。然而，获得物质组成及其变化的研究方法很多，只有掌握证据推理的一般思路与方法，学生才能找到收集可靠证据的抓手，确立循证的方向。

碳酸钙的性质教学遵循了学生的学习认知规律，循证内容由易到难，循证方法由单一到复杂。面对瞬息万变的物质变化，学生逐步梳理出根据“特征现象—反应物消耗—生成物检验”的思维路径提出假设，依据直接观察，添加水、酸碱指示剂、稀酸溶液、稀碱溶液等常见试剂，加热等化学方法来收集证据。

“证据推理”理论应用于碳酸钙性质的学习过程，拓宽了循证思路，明确了循证路径，学习了循证方法，为今后的化学学习奠定基础。

（三）体验了证据推理的乐趣

本节课通过实验观察现象、收集数据，对课堂所学加以运用，使学生真实体验化学物质的研究过程，加深对碳酸钙的认知，进一步形成发散思维和系统思维，感受化学学习的乐趣和价值，养成严谨、求实的科学态度。