基于证据推理与模型建构培养科学思维教学实践

叶坤灵 温勇康

摘要：通过对人教版初中化学“二氧化碳的性质”内容中探究实验的微改进，引导学生通过化学真实情境发现化学问题，提出合理假设，通过对实验事实的加工、分析，进行推理、验证等证据推理，实现认知模型的建构，并能通过模型应用解决化学问题，从而实现培养义务教育阶段学生化学学科“科学思维”核心素养的目标。

关键词：科学思维;证据推理;模型建构;核心素养

文章编号：1008-0546（2022）10-0059-05中图分类号：G632.41文献标识码：B

一、问题的提出

《义务教育化学课程标准（2022年版）》对义务教育阶段化学学科核心素养中的“科学思维”素养进行了如下界定：科学思维是在化学学习中基于事实与逻辑进行独立思考和判断，对不同信息、观点和结论进行质疑和批判，提出创造性见解的能力;是从化学视角研究物质及其变化规律的思路与方法;是从宏观、微观、符号相结合的视角探究物质及其变化规律的认识方式。[1]

科学思维主要包括：在解决化学问题中所运用的比较、分类、分析、综合、归纳等科学方法，基于实验事实进行证据推理、建构模型并推测物质及其变化的思维能力，在解决与化学相关的真实问题中形成的质疑能力、批判能力和创新能力。[1]

化学作为一门以实验为基础的自然学科，基础教育化学课程中所涉及的化学知识、概念和模型，大多可以通过教学过程的观察、实验等方法，通过对比分析、归纳分类和逻辑推理等方式进行证据推理，从而构建能很好地反映物质本质规律、构成要素及其相互关系等认知模型。化学学科核心素养中“证据推理”和“模型认知”的关系见图1。此类模型不仅仅能再现物质及其变化的基本规律，而且能用于预测、解释相关化学现象，揭示物质及其变化的基本规律。对于中学阶段的学生而言，基于证据推理与模型建构的科学思维核心素养的培养是创造性解决问题能力、创造性思维能力的集中体现，也是学生建构从化学视角认识事物和解决问题的思想、方法、观点的必备要求。[2]

模型对于化学科学而言非常重要，甚至可以说，化学科学的发展离不开模型。[3]

义务教育阶段的化学作为化学科学的启蒙课程，如果没有培养基于证据推理和模型建构的意识和基本观念的科学思维，没有清楚准确地掌握认识物质性质的基本认知模型，对后续的化学学科学习会有很大障碍。本教学设计主要采用建模教学的教学模式，旨在解决传统的“讲授—示范”教学中普遍存在的问题，通过创设真实问题情境，引導学生“做中学”“用中学”“创中学”，促进学生对建模思想的深刻认识，掌握建模过程的思路和基本范式，运用模型解决问题，实现素养为本的有效教学。

二、教学理念与设计

1.教学理念

本论文在综合考虑教学内容特点、学生能力特点和有效教学策略的基础上，以“建模教学”为主要教学模式，辅之“情境创设教学法”“任务驱动式教学法”“半开放性实验探究”“STSE理念教学法”“教学评一体化教学法”五种教学方法。具体教学思路为：首先通过真实情境的创设提出问题，通过任务驱动式引导学生进行模型的初构和强化，然后通过基于教学评一体化的学生主体式教学进行深度的模型辨析，培养学生对认知模型建构过程的认识，再通过模型应用拓展，最后进行归纳总结，形成模型结构的系统化。具体教学思路见图2。

2.教评目标

见表1。

3.教学过程——“3×6”问题解决教学结构的实践研究

见图3。

三、教学问题解决实施

1.创设真实情境，引出化学问题

【教师】播放电视剧西游记主题曲，脸盆内放入开水，加入适量干冰。老师拿着冒着白雾的盆“腾云驾雾”走进教室。提供资料：干冰是固态的二氧化碳，常用来制作舞台云雾缭绕的效果。生活中，人们还利用二氧化碳做灭火器、汽水等。

【提问】性质决定用途，用途反映性质。二氧化碳在生活中有这么多的用途，那它具有什么性质呢？

【学生】在真实情境中感受化学的魅力与中国传统文化的结合，思考与交流：二氧化碳为什么可以做灭火器、汽水？二氧化碳有什么性质？

设计意图：通过创设“腾云驾雾”的真实情境，激发学生的兴趣和求知欲，同时通过设置问题，让学生发挥想象力，自由提出问题，引出本节课要探究的问题，为后续的教学埋下伏笔。

2.模型初构强化，拨开模型疑云

（1）模型认知初构

【教师】真实情境：二氧化碳灭火器用于灭火的视频。提问：根据二氧化碳用于灭火的事实，请你预测，二氧化碳具有什么性质？追问：如何验证我们的猜想？

【学生】①提出假设：二氧化碳不燃烧也不支持燃烧;

②验证假设：分组实验：a.先将高低两支蜡烛放入空烧杯中，观察蜡烛燃烧情况;b.再将二氧化碳倒入烧杯中，再次放入蜡烛，观察蜡烛是否熄灭，并记住顺序（见图4）。

③加工分析：

为什么空烧杯中的蜡烛不熄灭，倒入二氧化碳后再放入蜡烛却熄灭？高低蜡烛自下而上熄灭，说明了什么？

【总结】通过对比实验，知道蜡烛熄灭是因为二氧化碳不能燃烧也不支持燃烧，体会到二氧化碳能像“液体”一样被倒入烧杯中，并结合蜡烛熄灭顺序，说明二氧化碳密度比空气大。

（2）模型认知强化

【教师】真实情境：证据展示——一瓶汽水和它的配料表图片。打开瓶盖，听到“噗”的声音。

讲解并提问：增大压强下，人们将二氧化碳充入汽水中，加上配料做成可口的饮料。请你预测，常压下二氧化碳能否溶于水？追问：如何验证我们的猜想？

【学生】①提出假设：常压下二氧化碳能溶于水。

②验证假设：根据教材和分组实验用品，合作探究，完成实验验证，联想“空气中氧气含量”测定实验进行迁移拓展（见图5）。

③加工分析：合作完成验证二氧化碳溶于水的实验，观察到塑料瓶变瘪的现象。并进行拓展实验：将带导管的单孔橡胶塞塞紧标有刻度的软塑料瓶，弹簧夹夹住橡皮管，导管一端放入盛有水的烧杯中，待塑料瓶变瘪后打开弹簧夹，观察到水倒吸的现象，根据瓶内液面上升的高度了解二氧化碳的溶解情况。

【总结】通过探究实验，知道二氧化碳常压下可以溶于水的性质。

设计意图：本环节是模型认知初步建构和强化阶段，首先让学生进行预测，目的是树立学生证据意识;其次通过实验验证，为预测寻找证据，最后通过教师和学生互评得出结论，以任务驱动式探究活动为依托，目的是让学生基于实验证据进行推理、分析，引导学生学会研究物质性质的过程，培养学生证据收集、知识迁移、分析推理、建构模型的能力。

3.模型辨析应用，系统模型认知

【教师】提问：我们是如何学习物质性质的？

【学生】性质决定用途，用途反映性质。了解物质的用途就能预测物质的性质。

【教师】追问：那如何验证预测是否正确呢？

【学生】可以通过设计实验进行验证。

【教师】讲解：化学学习中，我们以生活经验、科学资料等作为证据，推测出物质所具有的性质，再设计实验进行验证，运用观察法、实验法、分类法、比较法、归纳法等逻辑思维，去伪存真，得出结论，这样可以揭示客观事实的本质。证据推理流程见图6。

设计意图：帮助学生直观回顾学习二氧化碳性质的过程，教师对模型进行解释和表征，引导学生对零散的模型认知进行条理化、系统化总结。

4.创新实验设计，服务模型建构

【教师】化学问题：我们已经知道二氧化碳能溶于水，那二氧化碳溶于水后究竟有无新物质生成呢？

【资料卡片】石蕊是从一种植物中提取的色素。石蕊溶于水配制成的紫色石蕊溶液，遇酸变红色。

布置任务：（1）应用模型认知解决为什么溶液变红的问题;（2）写出相关的化学方程式。

【学生】（1）积极思考、阅读资料、提取信息;（2）进行预测，根据老师提供的创新实验用品，合作设计出实验方案（见图7），并完成探究;（3）分组讨论，得出结论：二氧化碳与水反应生成酸性物质（碳酸），书写化学方程式;（4）分组汇报学习成果。

设计意图：学生完成模型认知建构后，如果不再加以应用，就会浅尝辄止，不利于今后化学的学习。本环节通过模型的应用活动，使学习到的模型认知更加系统化。二氧化碳与水反应是本节课的难点，教材中设计了对比实验，探究使石蕊纸花变红的物质，但是该实验更加适合教师进行演示，让学生自主探究是具有挑战性的。因此，本环节教师引导学生设计半开放性创新实验方案，让学生应用模型认知，解决真实情境的问题。学生能够体验到成功，增加学习化学的信心，从而使证据推理和模型认知的核心素养得到提升。

四、教学反思与建议

1.创设真实问题情境，激发学生学习热情

创设真实情境是教学中不可缺少的环节，它是学生进行学习的“触发器”。如果教学中缺乏了情境，那么课堂就变得枯燥无味，学生的学习是被动的、机械式的。教学情境是知识的载体，要尽可能地贴近学生的生活，让学生感受到化学源自生活，化学知识就在身边。本教学实践通过创设“腾云驾雾”、二氧化碳灭火器的原理、汽水的配料等真实情境引入教学，引导学生从新的角度重新审视熟悉的事物，学生的学习积极性自然被调动起来，进而进入“做中学”“用中学”“创中学”的状态，接受知识的效率也会大大提高，会更加主动地参与课堂活动。

2.教学评一体化，突出学生主体性

王云生认为：教师的教学活动、学生的学习活动、教学评价三者的地位是平等的，互相影响，互相促进。教学评价为教学融通搭建桥梁，教学评价主要目的是关注学生的学习表现，观察学生是如何学习的，学习的达成度，同时也能监测出教学的情况是否良好，教师教得怎么样等问题。教学评价能持续地激励学生，产生学习的驱动力，同时也能优化教学。[4]在实验探究阶段，教师应通过这样一系列系统的思维活动，在实验前、中、后都利用元认知反思，不断鼓励学生建立宏观现象与微观机制间的联系，加深对模型推理和证据推理思维方法融合的体验。[3]将教学评价贯穿于教学活动中，能真实捕捉到学生的学习状态，及时发现学生学习的障碍，提醒老师及时调整和优化教学策略，同时能促进师生互动，凸显学生学习主体地位。

3.注重培养学生的核心素养

本教学实践注重培养义务教育阶段的学生基于证据推理与模型建构的科学思维核心素养。指向“证据推理与模型认知”的化学教学，使科学探究成为融知识理解、思维发展及科学本质观深化的学习过程。[5]在此课程目标基础上，本教学实践主要是探索证据推理与模型建构在教学中的实践，在实践中发现的与二氧化碳相关的真实生活情境、物质用途、实验现象，教师都应加以引导学生收集证据，指导学生聚焦证据，對物质性质进行预测，再运用实验验证、比较分析、类比迁移、总结归纳等推理方式，对预测加以证实或证伪，揭示化学知识的本质。初中阶段，学生虽已对物质的性质和用途有了认知模型的基础，但是学生的思维方式比较肤浅，学习方式更多的是停留在机械重复的记忆、巩固化学知识和提高化学成绩上。教师应重视证据推理与模型建构发展学生科学思维核心素养，将证据推理和模型建构融入到课堂探究活动，引导学生参与化学探究过程、学会研究物质的规律，进而促进科学思维核心素养的提升，提高学生解决实际问题的能力，为今后学习化学形成新方法和新思路。

参考文献

[1]中华人民共和国教育部.义务教育化学课程标准（2022年版）[S].北京：北京师范大学出版社，2022.

[2]杨梓生，吴菊华.化学学科核心素养研究及实践培育[M].上海：上海教育出版社，2020.

[3]胡欣阳，毕华林.化学科学思维的内涵及其发展路径——让学生像化学家一样思考[J].化学教育（中英文），2022，43（05）：1-7.

[4]王云生.“教、学、评”一体化的内涵与实施的探索[J].化学教学，2019（5）：8-11.

[5]杨玉琴，倪娟.证据推理与模型认知：内涵解析及实践策略[J].化学教育（中英文），2019，40（23）：23-29.