基于“证据推理与模型认知”的初中化学教学实践

周健　胥跃广

摘要：本文围绕着初中化学“证据推理与模型认知”化学学科核心素养的培养，以初中化学教学“铁与某物质反应生成的黑色固体含有哪些成分”为例，将“证据推理与模型认知”核心素养融到化学教学活动中，尝试在化学核心素养的背景下培养学生“证据推理与模型认知”的化学学科核心素养。

关键词：初中化学核心素养 教学实践

高效渗透化学学科核心素养的课堂教学不是教师激情地讲、学生被动地听，而是师为导、生为主，围绕学生精心设计科学实验探究活动，让学生在探究活动中提出问题，做出猜想与假设，观察实验产生的现象，收集证据，根据证据分析推理建立模型，应用模型解决问题。这样的课堂教学才能让学生的化学学科核心素养得到培养。笔者在复习课题2“金属化学性质”时，以“铁与某物质反应生成的黑色固体含有哪些成分”为例，紧紧围绕黑色固体中是否有“单质铁和四氧化三铁”开展一系列科学实验探究活动，让学生自己在实验中收集证据，进行“证据推理和模型认知”的化学学科核心素养培养。

一、教学过程

教学环节1：“金属的化学性质”复习

目的：巩固金属三类化学反应模型。

教师：同学已经学习了金属的哪些化学性质？

学生活动：研讨、交流。

1.金属与氧气的反应

4Al+3O₂2A₂O₃

2.金属与盐酸、稀硫酸的反应

Mg+2HClMgCl₂+H₂↑

Zn+H₂SO₄ZnSO₄+H₂↑

3.金属与金属的盐溶液反应

Fe+CuSO₄FeSO₄+Cu

教师：你们能从做过的实验中总结出金属的活动性有什么不同吗？具体有哪些规律呢？

学生活动：研讨、交流。

1.金属与氧气的反应：不是所有的金属都与氧气反应，“真金不怕火炼”说明金在高温时也不与氧气反应。

2.金属与酸（盐酸、稀硫酸）：不是所有的金属都与之反应，必须是在金属活动顺序里位于氢前面的金属才能置换出酸（盐酸、稀硫酸）中的氢，而位于氢后面的金属就不能置换出酸（盐酸、稀硫酸）中的氢，例如金属铜就不能置换出酸（盐酸、稀硫酸）中的氢。

3.金属与金属的盐溶液：不是所有的金属都与之反应，在金属活动顺序表里，位于前面的金属能把位于后面的金属从它们的化合物溶液里置换出来，但要除去特别活泼金属（钾、钙、钠）。

多媒体投影：金属活动顺序判断依据。（略）

教师：金属有哪三类化学反应模型？

学生活动：研讨、交流。

1.金属与氧气反应模型：金属+氧气=====金属氧化物。

2.金属与酸（盐酸、稀硫酸）反应模型：金属+酸=====金属化合物+氢气。

3.金属与金属化合物的溶液反应模型：金属+金属化合物=====金属化合物+金属。

教师：这节课讨论金属活动顺序判断依据在科学探究实验活动中的具体运用。

设计意图：通过回顾金属化学性质，巩固金属活动性规律及金属三类化学反应模型，为复习判断金属能否发生反应奠定基础。金属活动性及金属三类化学反应模型的复习教学既有必要，也很重要，它将为这节化学课堂教学打下坚实的基础。

教学环节2：铁丝燃烧生成的黑色固体含有哪些成分？

目的：培养证据推理，构建认知模型。

问题2：老师做细铁丝在氧气中燃烧的实验时，观察到细铁丝在氧气中燃烧，生成黑色固体物质，那么这种黑色固体含有哪些成分？

教师引领学生分析：由实验观察到，带有燃着的火柴的细铁丝伸入氧气中，燃烧后有黑色固体生成。我们由教材结论可知道一定含有四氧化三铁这种物质。但集气瓶中氧气的量有限，随着细铁丝的燃烧而消耗，会不会有部分细铁丝没有与氧气反应，只是受热熔融溅落，有可能黑色固體会含有单质Fe？

猜想1：黑色固体只含Fe₃O₄。

猜想2：黑色固体中化合物Fe₃O₄与单质Fe两种物质共存。

分析推理：对于上述两种猜想，只根据它们的物理性质是无法证明的。由于两者物理性质相似——黑色固体，难溶于水，又都能被磁铁吸引，所以验证它们是否共同存在只能利用它们的化学反应特征。

教师：请你们根据提供的试剂，通过实验确定黑色固体含有的成分具体是什么。

提供试剂：稀硫酸、硫酸铜溶液。

学生1：根据金属+酸=====金属化合物+氢气。

实验1：取少许燃烧生成的黑色固体粉碎后装入试管，加入足量的稀硫酸。

收集证据：观察到试管内有气泡生成，黑色固体溶解消失，无色溶液变为黄绿色。

学生2：根据金属+金属化合物=====金属化合物+金属。

实验2：取少许燃烧生成的黑色固体粉碎后装入试管，加入足量的硫酸铜溶液。

收集证据：黑色固体只有部分变为红色物质，仍有黑色固体存在。溶液由蓝色变为浅绿色。

证据推理：由实验1收集证据，若黑色固体只含有四氧化三铁，只能看到黑色固体溶解消失，无色溶液逐渐变为黄绿色。但在观察时却发现试管内有气泡生成，说明黑色固体含有单质铁，与稀硫酸反应生成氢气。由实验2收集证据，若黑色固体只含有四氧化三铁，只能看到黑色固体不溶解消失，蓝色溶液无变化，仍为蓝色。但在观察实验现象时却发现黑色固体只有部分变为红色物质，仍有部分黑色固体存在，溶液由蓝色逐渐变为浅绿色，说明黑色固体含有单质铁，与硫酸铜反应，有红色物质金属铜生成。上述两个实验收集到的证据足以证明猜想2是正确的。E1DED967-DD3A-4EB8-9231-50DDE54DC5DF

形成结论：黑色固体中化合物Fe₃O₄和单质Fe两种物质共存。

设计意图：教师引领学生对生成的黑色固体成分进行分析，提出两种猜想，根据复习的金属反应模型设计两种实验方案，开展实验探究活动。通过黑色固体与稀硫酸反应、黑色固体与硫酸铜反应两个实验，收集证据，分析推理，得出黑色固体中化合物Fe₃O₄与单质Fe两种物质共存的结论。在引导学生结合证据进行分析推理的同时确立结论和证据之间的逻辑关系，构建探究实验的认知模型，促进学生证据推理能力和模型认知能力的提升。

教学环节3：中考演练

目的：利用实验探究构建认知模型解决实际问题，巩固证据推理能力和利用模型解决问题的能力。

教师：实验探究是培养学生“证据推理与模型认知”能力的重要手段。“铁与某物质反应生成的黑色固体是否含有Fe与Fe₃O₄”，一直是中考实验探究试题命题的热点。题干中适当增加科学探究的若干步骤，考查学生观察现象、寻找证据、进行推理、构建探究实验“认知模型”、利用模型解决问题的能力。

某地中考实验探究题（节选）：某同学用如图所示装置探究铁粉在高温下与水蒸气能否发生反应及反应的产物。在硬质玻璃管中放入还原铁粉，对烧瓶加热生成水蒸气通入盛有铁粉的玻璃中，并对其加强热。

加热一段时间后，观察到B装置玻璃管内灰色铁粉逐渐变成黑色，D装置玻璃管内黑色氧化铜逐渐变成红色，右端导管有水滴流下。

请回答下列问题：

（1）D装置中的黑色氧化铜变成红色是________物质与氧化铜反应，反应的化学方程式是________________________。B裝置玻璃管内黑色固体含有哪些成分？

（2）同学们讨论后认为：根据质量守恒定律可知，铁与水蒸气反应生成气体能使氧化铜由黑色变成红色，B装置玻璃管内黑色固体一定有“铁的一种氧化物”，还可能含有没有反应的“单质铁”。

资料：铁有三种氧化物（FeO、Fe₂O₃、Fe₃O₄），其中黑色FeO接触到空气会变为红棕色;铁的三种氧化物都不与硫酸铜溶液反应;铁粉、Fe₃O₄均能被磁铁吸引。

探究结论：铁与水蒸气发生________（反应类型），化学方程式是________________。

试题分析：虽然此题起点较高，有些学生感到茫然，但仔细观察该试题可以发现，让学生探究的主线没有变化，仍是检验铁与水蒸气反应后黑色固体是否含有单质Fe和Fe₃O₄。学生若能想到该题用到的与前面学习的是同一种解题模型，就能很快解答此题。因此要求学生独立思考，同学之间可以互相交流如何解答试题，再全班展示。

设计意图：学生在课堂学习中构建实验探究认知模型，在解决生产生活中遇到的各种问题时从多角度考虑，让思维在分析推理的过程中碰撞，形成证据意识，在答题思考中多维度巩固认知模型，在实验探究活动中结出化学学科核心素养的硕果的。

二、教学反思

本节课教学，以“铁与某物质反应生成的黑色固体含有哪些成分”作为科学探究活动的明线，以培养学生模型认知和证据推理能力作为暗线，进行科学探究课堂教学，层次清晰，首尾呼应，相互促进。三个例题，既各自独立，又层层递进，将“证据推理与模型认知”的化学学科核心素养培养不断向前推进，使化学学科核心素养背景下的教学融于学生实验探究活动中、转化于思维之间、变换于中考试题里，让学生在解决实际问题的过程中增强证据推理意识、提升模型认知能力。

“证据推理与模型认知”是化学学科核心素养的思维核心，是初中化学探究实验教学的“灵魂”。在核心素养指引下，教师要有智慧地引领学生自主设计实验收集证据，以互动生成的先进理念促使人人参与问题讨论，对在探究实验过程中观察到的各种现象进行有条不紊的分析推理，从多方面进行探讨论证，揭示现象的本质或规律，对生产生活中遇到的各种问题做出有理有据的合理解释。学生通过证据推理和模型构建，使头脑中的模糊认知逐渐清晰，享受豁然开朗带来的快感，不断激发学习兴趣。

总之，在落实“证据推理与模型认知”的化学学科核心素养培养的教学过程中，学生能在教师的引导下学会基于“证据”进行推理、判断、认识、理解，建构模型并利用模型处理问题。学生化学学科核心素养的培养不能一蹴而就，要在学生已有认知起点上，创设情境，以问题为导向，以科学探究活动为载体，真正落实在课堂教学中，实现科学育人的目的。教学要植根于课堂，从知识教学转向学生素养培养，要着眼于学生能力的发展，让每节课都为化学学科核心素养培养目标的达成添砖加瓦。

参考文献：

[1]韦兰萍.指向“证据推理和模型认知”的初中化学教学案例研究[J].中小学教育，2019（4）.

[2]李娜.基于“证据推理和模型认知”核心素养的高中化学探究性教学实践[J].化学教与学，2019（5）.

[3]孟新新，张小燕.浅谈基于证据推理和模型认知的中学化学教学设计案例研究[J].中学课程辅导，2018（32）.

责任编辑：黄大灿E1DED967-DD3A-4EB8-9231-50DDE54DC5DF