实验引导与启迪思维相结合发展学生“证据推理与模型认知”的核心素养*

尚晓凯，赵 钰，车 琼，张一芳，张 甜，冯 勋

(洛阳师范学院化学化工学院，河南 洛阳 471934)

1 问题的提出

“电化学基础”模块知识是以原电池、电解池为核心，结合了氧化还原反应、离子反应、水溶液中的离子平衡等方面的知识，具有理论性强、内容抽象、综合性强的特点，因此在高考中备受青睐。经过对最近五年全国卷中电化学题目的分析得出：试题一般以陌生复杂的新型情境出现，侧重考查学生的信息的处理加工能力、知识的整合迁移能力、分析与推测能力、归纳与论证能力的考查[1]。所以，得分率并不理想，根本原因是：“题海战术”已经不能满足学生的需要，深入理解原理和本质才是教学的重点。

《普通高中化学课程标准(2017年版)》明确提出：重视开展“素养为本”的教学，倡导真实问题情境的创设，开展以实验为主的探究活动[2]。并且在化学学科核心素养中，专门把“证据推理与模型认知”作为一个方面进行描述，也说明了基于证据的逻辑推理能力和对模型的认知应用能力在学生核心素养发展中的重要作用。

经过对48名中学一线教师的调查，在五个维度的化学学科核心素养中，有60.42%的教师认为在电化学中学生最欠缺的和最应该培养的是“证据推理与模型认知”，并且提出可以用原理分析和模型构建的方法来帮助学生学习这部分知识。因此，以“电化学基础”教学作为发展学生证据推理与模型认知能力的载体，具有一定的合理性和可操作性。

2 发展学生证据推理与模型认知能力的方法探索

2.1 实验引导，唤醒证据意识

通过推理可以得出重要的结论，但是没有证据的推理往往只是一种猜测，可能是臆造事实上不成立的问题；即使猜测的是事实，没有证据也不具有说服力[3]。化学是以实验为基础的科学，以实验教学为手段对学生进行思维能力培养是化学学科的最显著的特点。随着课程改革的不断深入，实验探究必将成为化学课堂教学的重要组成部分。通过对教材中实验的进一步改进和优化，用实验现象来唤醒学生的证据意识，让学生发现实验在科学探究中的魅力，有助于培养学生善于从实验中获取信息、勤于思考、乐于探究的学科思维。

2.2 问题驱动，助力推理分析

“学起于思，思源于疑。”问题是学习的源头，是启发学生思维的最积极因素。在教学中，设计有情景、有层次的问题链，有利于驱动学生思维发展，引发学生主动思考、同化和顺应知识。同时，问题链需要符合以下要求：有合适的难度，控制在学生的最近发展区之内，通过仔细思考可以解决；有一定的梯度，环环相扣，让学生的思维沿着问题拾级而上[4]；有一定的效度，经过逐个问题的解决，理解知识。这样的问题链才能真正的引发学生推理分析的热情与动机。

2.3 构建模型，启迪思维

建构主义学习观认为：学习是学习者对外部信息的主动选择、加工和处理，生成个人认知结构的过程[5]。学生在得到结论后将其同化为个人认知结构的时候，通常只是简单的归纳整合，这样的方式学生往往得到的是短时记忆，容易造成知识体系不完整。依托思维导图建立的知识网络和体系，有利于学生从整体上将知识内化，然后通过对思维导图的简化，重新构建认知模型，利用知识模型形成认知体系，用解题模型进行训练，会高效促进模型认知能力的发展。

3 实验引导和启迪思维相结合解决初学原电池疑难问题

现场及课后发现：学生存在以下几个疑难问题：

(1)铜锌原电池实验中，电流表指针发生偏转，能说明有电流产生，但为什么得出锌是负极、铜是正极的结论？

(2)单液原电池存在哪些缺陷？为什么要选择双液原电池？

(3)在做练习题时，遇到很多原电池装置中有离子交换膜，加离子交换膜有什么作用和优点呢？

基于上述问题，设计出以下实验方案，用实验引导和启迪思维相结合帮助学生在克服学习困难的同时，提升分析推理能力。

3.1 实验探究1：认识原电池

3.1.1 实验方案

A.在干电池的两端串联一个电流表(见图1)，观察电流表指针偏转方向[6]。

B.将锌片和铜片插入盛有稀硫酸的烧杯中，用导线在锌片和铜片之间串联一个电流表(见图2)，观察现象。

图1 实验A装置图Fig.1 Device diagram of experiment A

图2 实验B装置图Fig.2 Device diagram of experiment B

3.1.2 实验现象

干电池的电流表指针向正极方向偏转；铜锌原电池中，锌片逐渐溶解，在锌片、铜片上均有气泡产生，电流表指针偏向铜片一端。

表1 探究原电池工作原理Table 1 Explore the working principle of galvanic cells

3.2 实验探究2：再探单液原电池

3.2.1 实验方案

C.将锌片和铜片浸入硫酸铜溶液中，并用导线串联一个电流表(见图3)，观察电流表指针偏转角度，一段时间后，观察现象。

D.将锌片和铜片分别浸入硫酸锌溶液和硫酸铜溶液中，并用导线串联一个电流表(见图4)，观察现象。

E.在D 装置中的两个烧杯之间加入盐桥(含有KCl饱和溶液的琼脂)(见图5)，观察现象。

图3 实验C装置图Fig.3 Device diagram of experiment C

图4 实验D装置图Fig.4 Device diagram of experiment D

3.2.2 预测现象

提问：预测3.2-C的实验中锌片和铜片两极有什么现象，并找出实际现象与预测现象有何不同？

分析：根据原电池工作原理，锌是原电池的负极，失去电子发生氧化反应，生成锌离子，且电子沿着导线流向铜片；铜是原电池正极，溶液中的铜离子得到电子发生还原反应，生成铜单质，所以现象应该是铜片表面有红色物质产生。

图5 实验E装置Fig.5 Device diagram of experiment E

3.2.3 实验现象

C实验铜片上有红色物质产生，锌片上也有红色物质产生，一段时间后，锌片表面逐渐被红色物质覆盖，同时电流表示数逐渐降低；D实验无明显现象，电流表指针无偏转；E实验铜片上有红色物质产生，电流表指针偏转且电流恒定。

表2 探究双液原电池的优点Table 2 Explore the advantages of dual liquid galvanic cells

3.3 实验探究3：探究离子交换膜电池

3.3.1 提出问题

双液盐桥原电池在一定程度上解决了单液原电池由于氧化剂与还原剂直接接触产生的问题，但是在盐桥中的电解质是一定量的，随着K+和Cl-分别进入两个电解质溶液中，就无法保证电池产生持续的电流，那么，如何解决盐桥容量有限的问题呢？

知识拓展：

离子交换膜的原理是一类具有离子交换功能的高分子材料。在溶液中它能将本身的离子与溶液中的同号离子进行交换。按交换基团性质的不同，离子交换树脂可分为阳离子交换树脂和阴离子交换树脂两类。由于离子交换作用是可逆的，因此用过的离子交换树脂一般用适当浓度的无机酸或碱进行洗涤，可恢复到原状态而重复使用，这一过程称为再生。阳离子交换树脂可用稀盐酸、稀硫酸等溶液淋洗；阴离子交换树脂可用氢氧化钠等溶液处理，重新利用。

3.3.2 实验方案

改进铜锌原电池装置，在溶液之间加入离子交换膜(见图6)，离子交换膜使离子选择性定向迁移，能够平衡整个电解质体系中离子电荷守恒。

图6 实验F装置图Fig.6 Device diagram of experiment F

3.3.3 实验现象

铜片上有红色物质产生，锌片上无红色物质产生，电流表指针会偏转且指针偏转位置固定。

3.3.4 结 论

含有离子交换膜的原电池能够一直保持电解质溶液的电中性，产生持续稳定的电流。

4 模型的构建与分析

图7 双液原电池知识结构模型图Fig.7 Knowledge structure model diagram of dual-liquid galvanic cell

在日常教学中，大部分教师会采用提纲式的归纳法将知识简单地加工整合，缺少结构化的整理，学生得到的依然是零散的知识碎片。以“模型认知”素养为基础，结合上述探究过程，构建以下知识结构模型(见图7)，启发学生在学习过程中要用整体的思维完善知识体系，减轻记忆负担。

利用模型可以简化核心知识，整合知识体系，解决实际问题，模型的构建需要准确的理解知识间的逻辑结构。课堂上，通过“认识原电池——再探单液原电池——探究离子交换膜电池”的逐步学习，在教师的引导下进行推理分析，符合认知规律的教学更能刺进对知识的理解，所以在教学实践中，学生可以明显感觉到知识的逻辑性，并且思路清晰的进行科学探究，符合化学学科核心素养的要求。而证据推理也需要借助“宏观辨识与微观探析”、“科学探究与创新意识”等素养的配合才能完成，因此，实验引导与启迪思维相结合发展学生证据推理与模型与认知能力是落实化学学科核心素养的有效途径。