基于“证据推理与模型认知”在《乙醇》教学中的应用探究

林振浩

随着素质教育的不断推进实施，培养学生解决问题能力、创新意识乃至创造性思维受到越来越多的重视。培养学生分析、解决化学问题的能力，培养学生与化学相关的创造性思维能力，不仅强调学生要善于寻找证据，分析推理、归纳综合，而且应能够以理想化的形式重现物质及其变化中的各种复杂的结构、功能及联系，建立起简约化、通用性的化学模型。只有如此学生才能够更好地利用事实证据、利用化学模型去创造性的解决实际问题和化学理论问题。这正是学生具备创造性解决问题能力、创造性思维能力的表现，也是学生建构起从化学的视角认识事物和解决问题的思想、方法、观点的必备要求。因此，立足于学生能力发展和素质培养的要求，化学教学中需要培养与发展学生“证据推理与模型认知”相关素养。

化学是在原子、分子水平上研究物质的组成、结构、性质、变化及其应用的一门基础学科，其特征是从微观层次认识物质，以符号形式描述物质，在不同层面创造物质。化学不仅与经济发展、社会文明的关系密切，也是材料科学、生命科学、环境科学、能源科学和信息科学等现代科学技术的重要基础。

高中化学学科核心素养是学生发展核心素养的重要组成部分，是高中生综合素质的具体体现，反映了社会主义核心价值观下化学学科育人的基本要求，全面展现了通过化学课程学习对学生未来发展的重要价值。化学学科核心素养包括“宏观辨识与微观探析”“变化观念与平衡思想”“证据推理与模型认知”“科学探究与创新意识”“科学态度与社会责任”五个方面。

随着“新课改”的推进，化学学科已经成为高中的选修学科，因此在教学中，教师应注重化学教学的选择性，以提升学生化学综合能力，强化学生对化学的学习兴趣。核心素养作为高中化学中的重要组成部分，是高中学生日后发展的延伸。在高中化学学习中，由于化学知识点较多，且知识点之间连接较少，无法探寻知识点之间的规律。因此，学生对于化学没有学习兴趣，觉得化学知识枯燥乏味，因此教师可以采用证据推理与模型认知的教学方法提高学生的学习兴趣。化学学科核心素养的证据推理与模型认知，是通过在头脑中通过证据推理、建立模型，将化学学科的抽象知识变得具体化。化学研究通常表现为不可见，常在分子水平上进行，导致教授高中化学知识时十分抽象。因此，教师可以利用证据推理与模型认知提高学生的化学综合能力，使学生可以通过模型认知将所学知识具体化，进而促进学生通过证据推理与模型认知建立对化学学科的兴趣，并以此来进行化学学科的有效探索。

《普通高中化学课程标准（2017年版）》对“理论推理与模型认知”素养提出如下的界定：具有论据意识，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证伪;建立观点、结论和证据之间的逻辑关系;可以通过分析、推理等方法认识研究对象的本质特征、构成要素及其相互关系，建立认知模型，并能运用模型解释化学现象，揭示现象的本质和规律。

化学学科的本质力量来自于学科价值，即化学学科所具有的促进学生主体生存和发展的属性力。具体分析，学生学习不同的科目培养的思维、意义不同，学生通过初高中以及大学阶段化学知识的学习，逐渐形成一种从化学视角看待问题、 分析问题、处理问题的能力。化学视角强调一切要以实验为基础，讲究真凭实据，这种属性能力是对已学过的化学知识的再升华，这种属性能力也正是化学核心素养所要培养的。作为化学核心素养中的一个维度，“证据推理与模型认知”目标是指通过化学实验探究活动培养学生收集信息、整理信息、分析信息的能力，既要学生树立独立分析问题的意识，又要培养学生的团队合作精神，尤其是引导学生基于证据的推理、判断和探究建构模型，提高学生的科学探究能力具有重要作用。

化学作为建立在实验基础上的自然科学，十分重视实证研究。化学科学强调基于观察与实验开展研究，并在获取事实证据基础上，经过分析比较，归纳概括、演绎推理等认知加工活动，揭示化学规律、建构化学理论。同时运用所建立的化学规律与理论去分析，解决更多的化学问题，从而检验化学规律与理论的科学性;发展与完善化学科学体系，凸现化学科学的价值。

随着素质教育的不断推荐推进实施，培养学生解决问题的能力、创新意识乃至创造性思维已经引起各方面的重视。培养学生分析、解决化学问题的能力，培养学生与化学相关的创造性思维能力，不仅强调学生要善于寻找证据，分析推理、归纳综合，而且应能够以理想化的形式重现物质及其变化中的各种复杂的结构、功能及联系，建立起简约化、通用性的化学模型。只有如此，学生才能够更好地利用事实证据、利用化学模型去创造性地解决实际问题和化学理论问题，这正是学生具备创造性解决问题能力、创造性思维能力的表现，也是学生建构起从化学的视角认识 事物和解决问题的思想、方法、观点的必备要求。因此，立足于学生能力发展、素质培养的要求，化学教学中需要培养与发展学生“证据推理与模型认知”相关素养。

以《乙醇》的教学为例，论述在实际教学活动中，如何指导学生运用证据推理和模型认知的方法学习。

1. 史话点题，探究成分

【情境导入】古人常以诗会友，以酒会友，酒究竟有什么样的魅力呢？

我们通过今天的学习一起来了解一下。 观察下我手中的这瓶酒的颜色、状态是什么样的呢？

【学生归纳】乙醇是无色的液体

【讲述用途】通过观察实物我们知道乙醇的颜色、状态，那么生活中的乙醇究竟有什么用途呢？含酒精的饮料中含有浓度不等的乙醇。 75% （体积分数）的乙醇溶液常用于医疗消毒。

【提出问题】在化学中结构决定性质，性质又决定用途。既然乙醇有如此多的用途，我们今天就来研究下乙醇的结构。在初中阶段，我们学过几种简单的有机物知道乙醇的分子式是 C2H6O，那么乙醇究竟具有怎么樣的结构呢？

2. 结构猜想、证明推理

【学生猜想】对乙醇的结构进行推断，得出结构式

CH3CH2OH或CH3OCH3。此时教师可以使用球棍模型拼出两种同分异构体，随后让学生在头脑中具有两种同分异构体模型。

【师生评价】所写的结构符合乙醇的分子式中原子守恒规律，且符合 C 原子的四价成键原则。

【问题讨论】现在猜想中乙醇有两种结构，要得出乙醇真正的结构，就要用实验来证实，你能想到哪些实验方案？

【方案确定】最简单的方法，就是用乙醇和钠反应，验证乙醇能否被置换出H2，进而判断两种结构中原子的断键方式。

【实验探究】观察钠的保存方法，并向1-2毫升无水乙醇中投入一小粒金属钠，观察实验现象。

【实验证据】氢气的来源可能是 O-H 键断裂也可能是 C-H 键断裂，但是由于钠保存在煤油中，煤油是多种烷烃的混合物，实验表明这些烷烃分子中与碳原子相连的氢不能被金属钠置换。因此钠不能使 C-H 键断裂，放出氢气。但是在必修一《钠及其化合物》的研究中，钠是可以与水反应放出氢气的，因此氢气的来源只能是 O-H 键断裂。

【学生汇报 1】对于该实验产生的无色气体，我们进行实验验证，从其外观上看，没有颜色，用手轻轻煽动闻其气味，并没有刺鼻性感觉，因而只能采用其他检验方法比如燃烧法进行验证，发现该气体在空气中燃烧发出同前面学习过的甲烷燃烧相类似的淡蓝色火焰，那么，该种气体能否是甲烷呢？再对燃烧后的生成物进行验证，发现该生成物并不能使澄清石灰水变浑浊，说明该无色气体并非甲烷。

【学生汇报 2】通过前面的学习，我们知道钠是一种非常活泼的金属，与水或酸甚至是盐溶液都能发生化学反应。以钠与水反应为例，钠与水反应放出氢气，水中的 H-O 键断裂，也就是说钠与一种溶液反应产生氢气的原因是 H-O 键断裂，那么乙醇也可以与钠反应生成氢气，根据知识类比法可知也应该是 O-H 键断裂。在上述两种结构中，第一种结构中含有 6 个 C-H 键，第二种结构中除了 C-H 键外还含有 O-H 键，因此得出乙醇的结构式是第二种。

【得出结论】乙醇的分子式中具有羟基（—OH），属于醇类物质。

金属钠与乙醇的反应可以用化学方程式表示为

2CH3CH2OH+2Na→ 2CH3CH2ONa+H2↑

3. 结构分析，性质猜想

【证据推理】从分子式组成上看乙醇与乙烷分子就差一个氧原子，但是乙烷分子中却没有官能团，乙醇分子比乙烷分子多出的的氧原子与氢原子形成羟基，因此乙醇具有羟基的性质。

【性质研究】乙醇属于醇类物质，可以用作燃料，在空气中点燃能放出大量的热。

【问题思考】由于乙醇能燃烧，说明乙醇具有还原性，能否通过实验来证明这一点呢？

【实验探究】“乙醇的催化氧化”实验。

【问题思考】（1）能否将两步化学反应用一个化学方程式表示？

（2） Cu 在整个反应中起什么作用？

（3） 反应中乙醇断裂了哪些键？

【实验结论】在该实验中，乙醇与氧气发生氧化反应，生成的物质再与氧气发生

氧化反应，因此连续发生两步氧化反应，反应方程式如下：

2CH3CH2OH+O2→ 2CH3CHO+2H2O，

观察实验可知，铜在反应前后并没有发生变化，因此铜是做催化剂的。

在當前的高中化学教学中，为了使学能可以更好地发挥运用天赋，应合理使用证据推理与模型认知培养学生化学核心素养。在高中的化学学习过程中，多数情况都可以利用创新性理念构建证据推理与模型认知理念，使学生最终树立模型构建意识，具备建立模型的能力，因此合理引导学生利用证据推理与模型认知思维构建解决化学问题十分重要。

证据推理与模型认知是紧密相关的两个方面。证据推理要求根据观察和实验的学习活动获取有关物质及其运动变化的事实依据，并通过严密的推理跟逻辑论证，从而得出科学结论。模型认知是对所研究的问题，基于已有的认识与经验，提出假设，在此基础上获取物质以及运动变化的事实及其结果。通过抽象和模型思维，提出反映物质及其变化的本质与规律的简约化模型，并经过进一步验证与完善以形成科学化学模型。因此模型的建构离不开证据推理，证据推理是建构模型的前提，两者往往统一于化学问题的研究之中。