基于证据推理的氮及其化合物教学实践研究

刘 怡

(江苏省南京市第十三中学 210008)

1 “证据推理”的内涵解析

《普通高中化学课程标准(2017年版)》对于证据推理的理解为：具有证据意识，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.知道可以通过分析、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.在化学学习中，证据推理一般包含以下四个步骤：发现问题、形成假设、搜集证据、获得结论(如图1所示).其中，证据推理的方式又分为两种：证实或证伪.在证据推理的过程中，证据是获得结论的基石.证据的真实性、客观性、合理性、逻辑性对于结论的获得有至关重要的作用.在学生学习化学的过程中，证据的获得多依赖于观察，如观察实验现象、观察生活中的真实情况、观察已有的资料数据等.学生在完成证据的搜集后，亦需要通过归纳、演绎、类比等逻辑分析的高阶思维能力从而得出结论.证据推理素养的培养，对于学生有较高的要求，需要教师在日常的教学中加以引导和训练，从而培养学生掌握搜集证据的方式方法、在证据和结论间搭建桥梁的思维模式.

图1

2 “证据推理”的教学实践

“氮及其化合物”是人教版《化学》第二册第五章化工生产中的重要非金属元素第二节的内容.新教材在编排中进一步精选学科内容，重视以学科大概念为核心，使课程内容结构化，以主题为引领，使课程内容情境化，促进学科核心素养的落实.这节内容安排在氧化还原反应、离子反应等化学反应原理，以及金属及其化合物等元素化合物的内容之后.在授课中，学生能较为熟练地运用氧化还原反应等知识分析化学反应原理，学生在钠、铝、铁、硅、氯等元素及其化合物的学习过程中也累积了一定学习元素化合物知识的经验.本节内容中教材依次呈现了氮的氧化物、氨、硝酸等氮及其化合物的性质，既符合学生的认知顺序，又体现了氮及其化合物知识内容的一体性.在课堂教学中，教师应帮助学生从证据推理角度发现问题并最终获得结论的方法和途径，提高学生证据推理的素养.

2.1 情境创设与证据推理相联系

教学片段1 农谚“雷雨发庄稼”原理探究

【师】农谚有言“雷雨发庄稼”、“ 一场雷雨一场肥”，是指雷雨季节庄稼生长格外茂盛，你知道其中的奥秘吗？

【师】我们先来分析，自然界为制造肥料提供了什么样的条件？

【生】打雷、闪电、下雨.

【师】那我们就一起来看看，在打雷闪电的条件下，空气中到底发生了什么变化？播放视频《模拟雷电条件下氮气和氧气的反应》.请同学们记录反应现象，并在书本中查找该反应的原理.

【师】这样将大气中游离态的氮转化为氮的化合物的过程叫做氮的固定.

新课程改革倡导真实情境的创设，在本节课的引入中，以农谚“雷雨发庄稼”这一情境，让学生探究其中涉及的化学变化.“雷雨发庄稼”这一自然生活现象证据，就是证据中的一种类型，用这样的方式引入，为后续氮及其化合物的学习，提供了第一份证据资料.在雷雨发庄稼的原理分析中，也包含了证据推理的过程.“雷雨”是反应条件，是证据，“发庄稼”是现象，是结论.教师在授课时，通过问题的引导，突出两者联系，让学生在找寻两者之间的关系时，完成推理过程，建立结论和证据之间的逻辑关系.

2.2 任务引领与证据推理相结合

教学片段2 设计实验，制备NO2

【师】通过刚才的实验视频，我们知道打雷闪电的时候，会在大气中生成二氧化氮.下面我们就来模拟下雨的过程.同学们，问题来了，我这里没有现成的NO2，你能尝试设计制备二氧化氮的实验方案吗？

【生】1.N2制备NO2；2.NH3制备NO2；3.硝酸制备NO2

【师】在实验室中，哪种方案更具有可操作性呢？首先我们来看方案1.

【生】放电条件苛刻，该方案不合适.

【师】方案2是否可行？请同学们在书本中找寻答案.

【师】催化剂为Pt，温度800℃.

【生】该方案不合适.

【师】那我们把目光投向方案3，请问，在该方案中，氮元素的化合价是如何变化的？

【生】氮元素由+5价变化到+4价，被还原，需要添加还原剂，如铜.

本环节的任务的设计中，从中心元素氮元素入手，向学生展示了这一系列反应的核心，即关注中心元素氮元素在化学反应中是如何转化的.学生在用化学元素观分析物质间的转化时，须搜集证据并在证据信息的指导下解决问题，不能仅凭主观想象推测产物和反应原理，也不能随意写出化学方程式.学生在完成“设计制备二氧化氮的方法”这一学习任务中，主要分为三个阶段.(1)提出假设阶段，在该过程中，学生提出了一系列制备的NO2方法.(2)证据寻求阶段，学生根据已掌握知识，书本中查找信息等直接、间接证据.(3)推理分析阶段，学生根据搜集到的信息进行证实或者证伪，最终寻找到课堂中制备NO2的方法，由硝酸与铜制备NO2.

2.3 实验设计与证据推理相渗透

教学片段3 【实验探究1】铜与浓硝酸的反应.

【师】分析U型管的使用方法和步骤.如图2所示，向U型管里注入略多于一半高度的浓硝酸溶液，如何使铜丝和浓硝酸相接触.

图2

【生】将U型管朝左倾斜，浓硝酸流向铜丝段，浓硝酸与铜丝接触.

【师】完成以上步骤，将U型管正放，取下右端的胶塞.

【生】观察实验现象.铜片与浓硝酸接触后，铜片表面生成气泡，一段时间后，可以观察到气体为红棕色，溶液变成蓝色.从以上实验现象，证明了用铜和浓硝酸反应制备二氧化氮的可行性.

【师】注射器中的无色液体是什么？

【生】是水.下面可以进行二氧化氮溶于水的实验.

【师】将U型管的左侧的注射器的活塞向外拉，将生成的红棕色气体吸入注射器.将U型管的左侧的注射器向内推动，将其中液体和部分气体挤入U型管.

【生】观察实验现象.二氧化氮溶于水，气体颜色由红棕色变为无色，证明二氧化氮溶于水是一个化学变化.

【师】无色气体是什么？如何证明？

【生】可能是NO.将其与氧气混合.可将其与U型管另一侧的空气混合.

【师】肯定学生的想法.用橡胶塞塞住右管，将U型管朝右倾斜，待气体混合后，将U型管正放.

【生】观察现象.气体颜色由无色又变成红棕色，验证了二氧化氮与水反应的产物为NO.

化学是以实验为基础的一门科学，在元素化合物的学习中，涉及方方面面的实验，而实验证据又是证据推理中最有力的一环.该片段的设计，使学生在实验证据的搜集中，不仅仅着眼于实验现象的观察，亦对于实验装置如何使用进行分析推理，从而最终配合教师共同完成实验过程.在该教学片段中，浓硝酸与铜能否制备NO2，二氧化氮溶于水是否是化学变化，生成物是什么，实验一做，一目了然，让学生感受这就是实验证据的作用.教师在授课时，强调实验证据等事实证据的重要性，让学生进一步认识到科学是实证的.

2.4 实际应用与证据推理相呼应

教学片段4

【师】二氧化氮溶于水时生成硝酸和一氧化氮，工业上利用这一原理生产硝酸.你能设计实验，让二氧化氮尽可能地转化成硝酸吗？

【生】将生成的NO与氧气和水继续反应.

【师】你的设计对工业生产硝酸有什么启示？(从原料的充分利用，减少污染物的排放等方面考虑.)

【生】提高硝酸的产量，减少大气污染物NO的排放.

【师】实际生产中是否这样操作呢？请同学们查找文献以验证大家的看法.

教师在引导学生完成实际应用时，首先帮助学生建立目标，即氮元素尽可能由反应物转化为产物这一中心思想，学生通过分析推理不难得出，要想提高产率，必须将产物之一一氧化氮中损失的氮元素转化到最终产物硝酸中.从而得出答案，即通过充入一定体积的氧气，完成氮元素从反应物完全转化为产物的目的.这样的思路是否符合工业生产实际呢？学生需要通过查找文献，以验证自己的想法.这样的设计，目的是强化学生的证据意识，培养学生的质疑精神.让他们把尊重事实，搜集证据证实或证伪成为他们的一种学习习惯，一种思维品质，也成为教师的一种课堂文化.

教师在日常教学中培养学生的证据推理素养，将“尊重事实依据，有实证意识和严谨的求知态度，逻辑清晰，能运用科学的思维方式认识事物、解决问题、指导行为”等要求成为学生的自觉行为.这样的课堂，师生展开真正的平等对话，疑问有依，论证有据，互相尊重，平等交流，以理服人.

证据推理素养的培养不可能一次形成，需要经过螺旋式递进，在证据积累和推理能力发展的交互过程中形成.在今后的教学中，还需要不断地去尝试、去总结.