基于证据推理与模型认知的实验探究教学设计——以“蜡烛及其燃烧产物的探究”为例

湖北省武汉市第一初级中学(430062) 汪 洋

1 研究背景

武汉市中考试题已经连续多年出现考查组合装置实验探究的题目，这类题型往往出现在试卷的第30题或31题。组合装置实验探究题目分值大、难度高，如何提高学生解决这类问题的能力，如何通过教学培养学生的核心素养，是教师们在复习备考中需要突破的重难点。

教师在进行实验探究专题复习时经常会出现困惑：学生通过复习后很难提升方法与技能，教师讲过的题目会做，换一道题时又无从下手。造成这一现象的原因主要有两个，一是教师在复习实验探究专题时只是就题讲题，并没有引导学生将这类题目建立解题思维模型。学生再遇到类似的题目时，由于缺少结构化的认识，所以无法生成解决方案。二是学生对实验探究的一般流程不熟悉，面对题目中的陌生情境内心会感到害怕，无法快速从题干中提取出解题的关键信息。

思维建模就是对思维过程建立模型，从而使繁复的思维形态或方法外显并简约化的过程。思维建模的主体是学生，如果教师能在复习时给学生创设情境，让学生在情境下自主探究，培养学生证据推理与模型认知能力，建构解决此类问题的策略，就可以很好地解决以上问题。笔者以“蜡烛及其燃烧产物的探究”为例进行教学，很好地解决了以上问题，具体过程如下。

2 设计思路

蜡烛是初中化学中常见的物品，这节课以蜡烛及其燃烧产物作为探究的对象。学生对蜡烛非常熟悉，用它创设情境可以让学生很快融入其中，激起探究欲望。并且应用这个情境还可以把水蒸气、一氧化碳和二氧化碳三种气体的检验，化合物中碳、氢元素的定量测定整合到课程中，以上都是初中化学中极为重要的实验方法。思维模型的主体是学生，要充分发挥学生的主体性、能动性。整节课通过创设适当的问题情境，以问题解决为驱动力，让学生进行自主探究。学生通过分析实验原理，设计实验方案，评价实验方案等过程，学习实验探究的一般流程，了解实验探究的一般方法，培养证据推理与模型认知能力，构建实验探究的思维模型，从而提高学生的实验探究能力和学科素养。教学环节设计如图1所示。

图1 教学设计示意图

3 教学过程

教师：(展示蜡烛燃烧的动画)蜡烛是我们熟悉的物品，伴随着我们度过了许多有趣的化学实验课，这节课我们仍然以蜡烛为对象，开启一段探索之旅。

探究1：探究蜡烛燃烧的产物。

教师：蜡烛燃烧的产物是什么？

学生1：二氧化碳和水。

学生2：一氧化碳、二氧化碳和水。

教师：我们需要检验一氧化碳、二氧化碳和水蒸气。请大家思考每种气体的检验方法、三种气体的检验顺序，设计检验方案。

学生们通过交流讨论，设计出如图2所示两种实验方案。

图2 检验蜡烛燃烧的产物

设计意图：一氧化碳、二氧化碳、水蒸气是初中化学的核心物质，这几种气体的检验是实验探究题中常考的知识点，掌握它们的检验方法是解决实验探究问题的必备能力。学生在设计实验的过程中通过讨论、生生互评形成思维的碰撞，能够进一步激发学生的学习兴趣和探究欲望，初步掌握常见气体的检验方法。

教师：针对实验中的关键点，提出以下问题：

(1)检查装置气密性，装药品后接下来的实验操作是什么？目的是什么？

(2)无水硫酸铜和澄清石灰水能否互换位置？为什么？

(3)为什么要先检验二氧化碳再检验一氧化碳？

(4)方案一 中的澄清石灰水和灼热的氧化铜能否互换位置？你的理由是什么？

设计意图：教师对实验中的关键环节提出问题，进一步引发学生思考。学生通过思考、讨论、交流这些问题，逐渐形成系统有序的化学思维过程，初步体验证据推理与模型认知在实验探究中的作用，建构物质检验的方法，提高解决综合问题的能力。

教师：检验物质时需要注意哪些问题？

学生1：注意防止物质之间的相互干扰。例如，先检验水蒸气再检验其它气体，先检验二氧化碳再检验一氧化碳。

学生2：注意安全问题，防止爆炸，防止污染空气。

设计意图：引导学生建构检验物质时的基本策略，完善认知结构。

探究2：探究蜡烛中碳氢元素的质量比。

教师：如何测定蜡烛中碳、氢元素质量，进而求出它们的质量比？

教师：请大家认真分析蜡烛燃烧的反应物和生成物，我们可以借助什么思想求出一定质量的蜡烛中碳、氢元素的质量？

学生1：用化学反应中元素守恒的思想。蜡烛燃烧生成的二氧化碳中碳元素的质量等于参加反应的蜡烛中碳元素的质量，生成的水中氢元素的质量等于参加反应的蜡烛中氢元素的质量，如图3所示。

图3 通过燃烧产物判定蜡烛中碳氢元素的质量比

学生2：如果燃烧不完全，生成一氧化碳怎么办？

学生3：可以用氧化铜将一氧化碳转化为二氧化碳。

教师：请大家根据实验原理，设计实验方案。

学生们通过交流、讨论设计出多种实验方案，在分析各自优缺点后最终选择方案如图4所示。

图4 探究2的实验装置图

教师：请大家将实验步骤补充完整，并列出蜡烛中碳氢元素质量比的计算式。

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实验步骤：

(1)称量装置B、装置C的质量，连接仪器，检查装置气密性。

(2)关闭K3，打开K1、K2，通入一段时间氧气，排空气。

(3)打开K3，关闭K2，点燃酒精灯。

(4)待硬质玻璃管中的反应结束，熄灭酒精灯，继续通入氧气至装置冷却到室温，关闭K1。

(5)称量反应后装置B、装置C的质量。

教师：你觉得在这个实验中有哪些需要注意的细节？可以用问题的形式提出来，考考其他学生。

学生2：装置B和装置C能否互换位置，为什么？

学生3：步骤(3)中为什么不关闭K1？

学生4：反应结束后继续通氧气的作用是什么？

学生5：如果没有装置D对测量结果有什么影响？

设计意图：在教师引导探究的过程中，学生通过交流讨论、相互评价，学习定量实验探究的一般方法，培养严谨细致的化学思维，建构定量实验探究思维模型，进一步提高实验探究能力。

教师：在进行定量实验时，常常需要在实验前后向装置内通入某种气体，这样操作的目的有哪些？

学生：思考并回答。

归纳总结见表1。

表1 实验前后通入某种气体的目的总结

教师：通过今天的学习请大家小结实验探究的一般方法。

学生：交流讨论。

教师：归纳总结如图5所示。

图5 实验探究的一般方法

4 教学反思

创设情境，让学生在给定的情境中自主探究，改变了以往就题讲题的复习模式，让学生在自主探究中习得方法，建构思维模型，培养核心素养。在教师创设的情境中，学生围绕主题进行多个探究活动，通过这种方式可以将零散的化学知识、实验方法联系起来，帮助学生将所学知识进行再构建，提高学生应用知识解决实际问题的能力。研究近几年的中考试题，我们发现命题部分越来越多地选择真实情境作为题目的素材，更重视考查学生对实验中某些细节的掌握和解决实际问题的能力。因此，我们的教学也要与时俱进，转变思维，不断创新，创造条件让学生亲身体验实验探究的过程、建立思维模型。只有这样，才能真正提高学生解决问题的能力，实现培养核心素养的目的。