初中化学教学中“证据推理”素养的培育

杨林全

关键词：初中化学;核心素养;证据推理;酸和碱的中和反应

1问题的提出

自“中国学生发展核心素养”总体框架以及新修订的普通高中各科课程标准颁布以来，如何在学科教学中培育学生核心素养的问题受到一线教师的广泛关注。学科核心素养是不同学科培育人的指引，是课程目标，也是评价依据。其中推理思维受到理科课程的高度重视，高中化学学科还将“证据推理与模型认知”列为五项核心素养之一。“基于证据的推理”是科学发生和发展的基础，能帮助处于启蒙阶段的初中学生开启“化学之门”，这个核心素养应处于优先发展的地位。本文拟以人教版九年级化学下册第十单元课题2“酸和碱的中和反应”为例，探讨初中化学教学中“证据推理”素养培育的相关问题。

2教学主题与现状分析

证据推理又称登姆普斯特谢弗推理方法，是指从不同的数据源中获取信息，用科学方法综合证据，得出结论。证据推理包含两个环节：寻找有用的事实和缜密的逻辑推理方法。赵铭等认为，核心素养中的证据推理应立足于科学探究过程，并建立在一般推理能力的基础上，遵循科学推理的思维形式，强调“证据”的识别、转换和表达。因此，证据推理是在科学学习这个特定的领域情境下，获取证据进行推理的认知活动。杨玉琴等认为，应从问题情境及已有知识经验中识别、转换或推演，形成主张，并多方收集证据进行论证，从而获得结论，解决问题。由此可见，证据推理可以理解为“以证据为依据的推理”或者是“基于证据的推理”，是学生学习化学的重要方法和逐步形成的关键能力。

《义务教育化学课程标准（2011年版）》（以下简称“课程标准”）在“课程目标”部分指出，通过义务教育阶段化学课程的学习，要让学生从知识与技能、过程与方法、情感态度与价值观等方面都得到发展。其中与“收集证据”和“基于证据进行推理”相关的条目有：初步学习运用观察、实验等方法获取信息，能用文字、图表和化学语言表述有关的信息，初步学习运用比较、分类、归纳、概括等方法对获取的信息进行加工;能用变化和联系的观点分析常见的化学现象，说明并解释一些简单的化学问题;初步养成勤于思考、敢于质疑、严谨求实、乐于实践、善于合作、勇于创新等科学品质。可见，“证据推理”素养是初中化学课程的目标之一，初中化学课程也具有培育学生“证据推理”素养的价值和功能。

为了了解初中化学教学在培育学生“证据推理”素养方面的现状，笔者以“初中化学”和“证据推理”作为篇名关键词在“CNKI中小学数字图书馆”期刊数据库中进行检索，截止到2020年12月1日，属于初中范畴的与课堂教学案例研究相关的，只有“培育证据推理与模型认知素养的初中化学计算教学——以‘物质组成的简单计算为例”等少量记录。所以，在实践中广泛探寻初中化学教学，培育学生“证据推理”素养的有关策略，对于充分发挥初中化学课程的价值和功能具有时代迫切性和现实重要性的意义。

3基于证据推理的教学活动设计

3.1证据推理内涵和教学目标

初中化学教学中，证据推理就是基于化学原理、概念及相关化学事实等证据，通过比较分析、归纳演绎等形式，对猜想和假设进行证实和证伪，从而自主解决问题、获取新知的高阶思维形式和思维过程。

初中化学“酸和碱的中和反应”教学，主要涉及中和反应及其应用。根据“课程标准”中有关“证据推理”素养的描述，并考虑初中学生的认知特点，可以将“酸和碱的中和反应”教学的“证据推理”素养目标设计成以下4个方面：（1）依据实验探究，认識酸和碱能发生反应，学会运用指示剂判断反应的发生;（2）依据模拟动画和酸碱反应示意图，从微观角度了解中和反应的实质，建立中和反应的认知模型;（3）依据原有模型，设计实验从定性的角度分析，进一步了解酸碱中和反应的实质，并能正确书写化学方程式;（4）结合中和反应在实际生产生活中的应用，体会学习化学重要性的同时，初步学会从不同途径收集证据、根据推理确定结论的方法。

3.2教学思路与流程设计

信息加工理论认为，推理所依据的信息即证据，证据推理意指从问题情境及已有知识经验中识别、转换形成观点，并多方收集证据、利用证据进行推理，从而获得结论。本节课以递进探究实验为情境，创设具有层次性的问题串，引导学生从已有知识、实验、微观模型及其应用中获得证据进行推理，建立中和反应的认知模型。教学流程如图1所示。

3.3教学活动与设计意图

3.3.1问题1：酸和碱之间能否发生反应

[引入新课]请同学们先注意观察下面老师的演示实验，然后猜想实验中发生的反应，可能是我们学过的哪些物质参加的反应？你的依据是什么？

[演示实验]演示实验1：取一条银白色的金属放入试管中，加入一种无色液体;演示实验2：将两种无色溶液混合。

[学生交流]实验1可能是镁条和稀盐酸或稀硫酸的反应，因为在实验室里最常见的条状银白色金属是镁条，酸与活泼金属反应有大量的气泡产生。实验2可能是氢氧化钠或者氢氧化钙等碱性溶液与酚酞反应，因为碱性溶液能使酚酞变红。

[教学过渡]演示实验1中的无色液体是稀盐酸，演示实验2中无色液体是氢氧化钠溶液。刚才同学们的猜想都是正确的，看来同学们对酸和碱的化学性质掌握得不错。

[提出问题]为什么不同的酸溶液、碱溶液各具有一些相似的化学性质呢？

[学生交流]不同的酸溶液中都含有H+，不同的碱溶液中都含有OH，所以各具有相似的性质。

[提出问题]酸和碱之间能否发生反应？请同学们分组完成下列3组探究实验，仔细观察后再做判断。

设计意图：通过实验创设情境，引导学生根据实验现象做猜测，激发学生的兴趣，调动学生在已学酸和碱两类物质相关的知识中寻找证据解决问题。

3.3.2问题2：如何判断是否发生了反应

[小组活动]探究实验1：向盛有氢氧化钡溶液的试管中滴加稀硫酸;探究实验2：向盛有氢氧化铜的试管中滴加稀盐酸;探究实验3：向盛有1mL氢氧化钠溶液的试管中滴加稀盐酸。

[学生交流]探究实验1中有白色沉淀生成，说明氢氧化钡和硫酸能发生反应;探究实验2中固体溶解，溶液变蓝色，说明氢氧化铜和稀盐酸能反应;探究实验3中无明显现象，说明氢氧化钠和稀盐酸不能发生反应。所以，酸和碱之间有的能反应，有的不能反应。

[提出问题]大家是否同意这样的结论，为什么？

[学生互评]经分析得到两种不一样的答案：学生甲同意这种结论，因为实验中观察不到明显的现象，说明没有发生反应。学生乙不同意这种结论，实验现象可以帮助我们判断是否发生反应，但这不是唯一的依据。探究实验3有可能发生反应，只是没有明显的实验现象。

[提出问题]对于没有明显实验现象的反应，我们能不能化隐为显，设计实验证明反应确实发生了？

[学生交流]可以依据该反应产物的性质设计实验。

[提出问题]这个思路很好。但是假设氢氧化钠和稀盐酸能发生反应，那么它们的产物是什么？又具有怎樣的性质？我们又如何来验证？

[讲述]请大家回忆一下，在探究二氧化碳与水反应的实验时（见图2）我们借助于什么，根据什么现象来判断二氧化碳溶于水时发生了化学反应？后来又通过怎样的操作，出现了怎样的现象证明生成的碳酸又分解了？

[学生交流]我们通过紫色石蕊小花变红证明有碳酸生成。后来将变红的纸花用吹风机烘干，又变回了紫色，证明能使石蕊变红的碳酸又被分解掉了。

[提出问题]请大家分析一下，以上这两个反应分别是从什么角度证明反应的发生？

[学生交流]从新物质的生成和反应物的消耗的角度来证明的。

[提出问题]结合老师展台上的试剂（盐酸、氢氧化钠、酚酞、演示实验1反应后的溶液、演示实验2反应后的溶液），请同学们讨论，如何设计实验证明氢氧化钠和稀盐酸能否发生反应？

[学生活动]小组讨论，形成方案：向演示实验2反应后的溶液中滴入稀盐酸，看溶液的颜色是否能由红色变为无色。

[学生活动]学生代表上台演示实验，其他学生观察实验，描述实验现象：滴加盐酸后溶液由红色逐渐变为无色。

[提出问题]溶液为什么能由红色变为无色？能否说明氢氧化钠和稀盐酸发生了反应？

[学生交流]溶液红色消失，说明原溶液中能使酚酞变红的氢氧化钠没有了，因此氢氧化钠和稀盐酸发生了反应。

设计意图：将教材中的验证性实验设计为探究性实验，引导学生依据原有判断模型，从反应物消耗或新物质生成的角度，设计实验方案，并对方案进行分析评价，实现实验现象化隐为显，促使学生自己寻找证据得出结论，发展学生证据推理的科学思维。

3.3.3问题3：中和反应的实质是什么

[讲述]酸和碱是怎样反应的呢？让我们在神奇的微观世界中寻找答案。

[学生活动]观看氢氧化钠和稀盐酸反应的微观模拟动画后，观察分析反应微观示意图（见图3）。

[提出问题]请同学们在小组内讨论，从微观示意图中，你能获取哪些信息？能否将你得到的信息用化学语言表达出来。

[学生交流]酸中都含有H+，碱中都含有OH，H+和OH能结合形成水分子，因此酸和碱发生了反应。酸和碱反应的实质是：

[提出问题]根据微观示意图，我们一起分析氢氧化钠和稀盐酸反应后除生成水外还有什么产物？

[讲述]反应后Na+和CI在静电的作用下生成了NaCI。你能书写出该反应的化学方程式吗？

[学生活动]学生在黑板上书写化学方程式。

[讲述]这位同学书写正确，刚才老师在巡视的过程中发现大部分同学都能正确书写，很不错。我们一起分析一下这个化学方程式的特点（见图4）“里应外合”。请同学们再根据此反应的原理写出探究实验1和探究实验2中反应的化学方程式。

[学生活动]书写化学方程式后，小组内互评。

[提出问题]请同学们分析刚才书写的三个化学方程式，酸和碱反应除生成水之外，另外一种物质从它们构成的角度分析有什么共同的特征？

[学生交流]都是由金属离子和酸根离子构成。

[教学过渡]像这类由金属离子和酸根离子构成的化合物称之为盐。现在请同学们再次分析这三个化学方程式，大家能否构建起酸和碱反应的性质模型。

[学生交流]酸可以和碱反应生成盐和水（见图5）。

[提出问题]上述反应都属于中和反应，你能为中和反应下个定义吗？

[学生交流]酸与碱作用生成盐和水的反应，叫做中和反应。

设计意图：从实验现象这种实实在在的宏观证据，到微观的模拟动画和反应示意图，再到化学方程式的书写，学生主动运用“宏微符”的思维方式科学地分析问题，尝试基于证据推理解决问题。

3.3.4问题4：如何证明H+和OH参与了反应

[教学过渡]同学们还记得我们刚才做的探究实验3吗？现在请同学们分析：试管中溶液的溶质可能是什么，请各小组设计实验判断猜想是否正确，这些实验能否证明H+和OH参与了反应？先请大家交流猜想和实验方案。

[学生交流]猜想l：只有NaCI;猜想2：有NaCI和HC1;猜想3：有NaCI和NaOH。实验方案：先加入无色酚酞，如证明猜想3不成立，再加活泼金属或者石灰石或者石蕊等，判断猜想1和猜想2哪一种正确。

[提供试剂]酚酞、镁条。

[学生活动]实验操作，交流答案：学生甲，向溶液中加入酚酞后，溶液变红，说明猜想3正确，只能证明H+被反应掉了。学生乙，向溶液中加入酚酞后，无明显变化，继续加入镁条，出现大量气泡，说明猜想2正确，只能证明OH被反应掉了。学生丙，向溶液中加入酚酞后，无明显变化，继续加入镁条，仍无明显变化，说明猜想1正确，能证明H+和OH参与了反应。

[教師点评]同学们不人云亦云，尊重实验事实的科学精神值得我们大家学习。我们要相信自己，相信事实。在学习的过程中每次遇到不一样的答案，都是取得进步的机会。

[提出问题]为什么向等量的氢氧化钠溶液中滴加盐酸，却出现三种不一样的结果呢？

[学生讨论交流]这与各组滴加的盐酸的量有直接关系：如果盐酸过量，反应后就有盐酸剩余;如果盐酸不足，反应后就有氢氧化钠剩余;如果盐酸恰巧与氢氧化钠溶液完全反应，两者都无剩余。但无论哪种情况，都一定有氯化钠生成。

设计意图：利用现有实验，提出新的问题，引发学生进一步探究的欲望。利用积极的课堂评价，引导学生进一步分析证据，推理解释，拓展认知深度，提升证据推理能力。

3.3.5问题5：中和反应在生产生活中有哪些应用

[教学过渡]发生中和反应，既是酸的性质，也是碱的性质，因此中和反应的应用是非常广泛的。酸和碱的中和反应在实际生活中有哪些应用呢？请同学们联系生活实际也可以阅读教材第61页，寻找答案。

[学生交流]降低土壤的酸性或处理酸性废水，可以用熟石灰;胃酸过多，可以遵医嘱服用含某些碱性物质的药物;蚊虫叮咬后，可以用牙膏或者肥皂止痒;杀鱼时弄破了鱼胆，可以用食醋去除苦味等。

[师生总结]以上这些现象，既是酸和碱中和反应的实际应用，也可以进一步证明酸和碱是能够发生中和反应的。

[师生课堂小结]本节课利用三次层层深入的对氢氧化钠和盐酸反应的实验探究，学习了酸碱中和反应及其应用的知识。在本课的学习中，无论是假设的形成还是结论的得出，都是借助于科学的证据进行严密的推理，找到现象和结论之间的因果关系，并且在推理过程中将宏观证据、微观证据、符号证据、逻辑证据、定性证据结合使用，培养了“基于证据推理”和“宏微符”结合的思维方式，提升了我们基于证据推理解决问题的能力。

设计意图：从实验探究，到阅读教材，最后结合生产生活实例的交流分析，形成普遍性结论，引导学生从不同途径收集证据确定结论。激发学生的学习兴趣，培养他们严谨的科学态度和科学思维习惯。

4教学效果与教学反思

4.1通过问题引领促进证据推理能力养成

问题是思维的起点，是发展学生化学思维、培养证据推理能力的一种行之有效的“催化剂”。本节课教学中，主要设计了以下五个问题：（1）酸和碱之间能否发生反应？（2）如何判断是否发生了反应？（3）中和反应的实质是什么？（4）如何证明H+和OH-参与了反应？（5）中和反应在生产生活中有哪些应用？学生围绕这些问题，提出猜想，设计实验，通过实验操作收集证据并加以推理，完成知识的构建。这种以问题为引领的教学，充分体现学为主体的理念，引领学生想象、探究、推理，寻找证据得出结论。在预测、验证、推演式的学习过程中，将片段化的知识之间建立起了联系，学生的认知和思维得到了更深入的发展，促进了证据推理能力的养成，为自主学习奠定了基础。

4.2开展科学探究助力证据推理能力提升

科学探究是学生积极主动地获取化学知识、认识和解决化学问题的重要实践活动。科学探究的过程蕴含着收集、利用证据和推理分析的过程，是培养、拓展证据推理能力的重要途径。如本节课中探究酸碱中和反应的实质时，学生通过观看氢氧化钠和稀盐酸反应的微观模拟动画后，再分析该反应的微观示意图，借助信息技术获得常规教学中难以获得的证据，使抽象的反应机理和推理过程直观化，有效地降低了抽象思维的难度，使书写中和反应的化学方程式水到渠成，也为进一步设计实验探究中和反应的实质提供了依据。学生根据收集到的证据，从正反两方面展开讨论，从宏观到微观再到宏观，不断反思实践，在“寻找证据并解读证据”的过程中，自主解决问题，促进了他们证据推理能力的提升。

4.3关注课堂评价推动证据推理能力发展

关注课堂评价，就是在课堂教学中适当运用激励性的语言，对学生的态度、学习的方法和认知的结果等进行及时的评价。评价的重点是学习过程中表现出的长处和不足，让学生在学习过程中体验失败和成功都是快乐的，从而让学生主动探索，敢于表达，乐于合作，提升科学探究的能力，促进学生证据推理能力的发展。本节课利用激励性的课堂评价，肯定学生有效思考的同时，引导学生进一步分析证据、推理解释，对酸碱中和反应的微观模型有一定的认识，有利于学生从微观的角度分析化学变化的本质，为今后学好化学奠定基础。课堂评价要注意尽可能让学生自己去描述，在学生思维外显的活动中，教师要不断地追问，提供证据去弥补学生思维的漏洞，然后对学生进行适时评价，这样的教学过程能丰富他们的认知角度，拓展认知深度，指引学生的证据推理能力进一步发展。