基于“证据推理和模型认知”的初中化学教学

杨海燕

摘要：“证据推理与模型认知”是科学思维的重要组成部分，也是化学教学的重要目标。本文设计了初中“分子和原子”课堂教学，创设了三个驱动型问题，引导学生在解决问题时，从日常生活、课堂实验、科学史和其他学科已学知识中寻找证据，通过分析、归纳等推理活动得到结论，最后建构认知模型。

关键词：分子和原子；证据推理；模型认知；实验证据

文章编号：1008-0546（2023）08-0043-04   中图分类号：G632.41   文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2023.08.009

一、问题的提出

《义务教育化学课程标准（2022年版）》将“科学思维”作为四大核心素养之一，要求学生具有“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”。这一目标也与《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》的“证据推理与模型认知”核心素养衔接，体现出化学学科在培育证据、推理、建模等科学思维方面的重要价值。[1]证据推理是模型认知的前提和基础，模型认知是证据推理的进阶和高级形式，[2]两者应在学生的化学学习中相辅相成、相互促进地得到培育。

然而，现阶段初中化学教学仍然以知识点灌输、死记硬背为主，导致学生仅识记了知识，缺少思维和素养的发展。本文以人教版《化学》九年级上册“物质构成的奥秘”分子和原子教学为例，设计了基于演示实验、分组实验、小组讨论、模型建构等环节的深度教学课堂，旨在促进学生证据推理和模型认知素养的发展。

二、教学主题内容

本节课内容包括两部分：第一部分是物质由微观粒子构成，第二部分是分子可以分成原子。这是继学习了物质的性质和变化之后，用微观粒子解释宏观物质现象的第一课，是本单元探索物质构成的奥秘，第五单元理解质量守恒定律和解释一切化学变化实质的基础，在教材中起到了承上启下的作用。

本节课的重点包括：（1）分子的基本特征；（2）分子、原子的概念；（3）用分子的观念认识物理变化和化学变化。难点包括：（1）用分子的观念认识物理变化和化学变化；（2）培养学生抽象思维能力、想象力和分析、推理的能力。

三、教学目标

在实现上述知识目标的基础上，本节课致力于发展学生的“证据推理和模型认知”素养，相关目标如下：

（1）从日常生活经验、课堂实验、科学史和其他学科已学知识等不同来源的知识，寻找解决问题所需的证据，培养学生的证据意识、证据收集能力。

（2）基于证据做出推理，得到结论。尤其是基于宏观现象做出微粒行为的推理，培养学生的想象能力、抽象思维能力和推理能力。

（3）通过类比和构建模型等方法，进一步理解分子、原子等微粒，培养模型认知能力。

四、教学流程

教学流程见表1。

五、教学过程

1.任务一：分子等微粒真实存在吗？

【教师】同学们，请看这本化学书，从书的封面上，你看到了什么？

【学生】冰川、河流、水……

【教师】水在自然界中一般以哪些状态存在？

【学生】自然界中的水存在三种状态，分别是固体、液体和气体。

【教师】同学们，请你们想一想，水为什么能在自然界中以固体、液体和气体三态存在呢？

【学生】因为水的状态是可以转变的，比如液态水蒸发就能变成水蒸气。

【教师】这个过程你能看见吗？

【学生】不能。有可能水蒸气非常小，小到我们看不见了。

【教师】那有办法让我们能看见“水蒸气”呢？变色硅胶就是一个帮助我们看见水蒸气的工具，它遇到水蒸气后会从蓝色变成粉色。让我们用它来证明水可以转化为水蒸气。

【演示实验】如图1所示，在试管中加入少量的蒸馏水，用镊子夹持棉花擦净试管内壁残余的水。在细长塑料片上粘贴3-4个变色硅胶颗粒，伸入试管中。塞上试管塞，静置并观察变色硅胶的变色情况。过了一会儿，最下方的1号变色硅胶先开始变成粉色，随后2号、3号变色硅胶也依次变成粉色。

【学生】蒸馏水的上方虽然没法直接看到水蒸气，但变色硅胶是从下到上依次变色的，让我仿佛看到了水蒸气“升腾而上”！

【教师】刚刚的实验中，我们找到了水蒸气“微粒”存在的间接证据，我们把这种微粒称为水分子。为了寻找更可靠的证据，科学家们已经过上千年的研究。

【PPT投影】微粒的发现史：德谟克利特和道尔顿提出物质是由不可分割的原子构成的；阿伏伽德罗又提出有些物质是由分子构成；布朗用显微镜观察到物质中粒子的运动；通过扫描隧道显微镜看到微观粒子的影像。

【教师】科学史中的证据更加有说服力地证明了分子、原子等微小粒子是真实存在的，也就是说物质由分子和原子等微观粒子构成的。

设计意图：用同学们熟悉的物质设计情境，通过实验和科学史获得解决问题的关键证据，激发学生的兴趣与思维，在熟悉物质世界的基础上进行想象，提升学生的思维能力，有助于知识的构建和迁移。

2.任务二：分子有哪些基本性质？

【教师】扫描隧道显微镜才能看到水分子，水分子究竟小到什么程度呢？

【PPT 投影】：一个水分子的质量约是3×10-26 kg，一滴水中有1.67×1021个水分子，假如10亿人来数，夜以继日每人每分钟数100个，将要数多少年呢？

【学生】3万多年。

【教师】说明水分子的质量和體积都很小。

【教师】同学们可以尽情想象，水分子具备哪些特征？并受到外界的影响导致水的状态不断的改变？

【学生】小组讨论得到，水分子在不断运动，受到外界条件的变化，水分子间隔发生变化，所以水的状态也不断改变。

【教师】很好，这些都是大家的合理猜测。你能用证据证明你的猜测吗？

【学生】刚刚的实验就是个证据，蒸馏水没有直接与变色硅胶接触，而是通过水蒸气分子的运动，扩散到硅胶，让它变色的。

【教师】很好，那么其他微粒也有同样的性质吗？如果有，也请大家通过生活经验或以前的实验来证明。

【学生】路边的臭水沟，隔了很远都能闻到臭味。如果有臭味的分子不运动，远处就闻不到了。

【学生】有一个物理实验是铜块和锌块挤压在一起后，交界处发生了融合。

【教师】很好，这些证据都证明了微粒在不断运动。

【教师】同学们一般是左手力气大还是右手力气大，想不想试试？

【学生实验】将两支微型注射器分别抽等体积的空气和水，插在橡胶塞上，用左手大拇指按压装有空气的活塞，右手大拇指按压装有水的活塞。

【学生】我觉得应该是我的右手力气大，但是装有空气的注射器易压缩，装有水的注射器难压缩，说明气态分子间距离大于液体分子间的距离。

【教师】请以一杯水变为水蒸气为例，用水分子表示状态变化的示意图（如图2）。

设计意图：运用数据分析和实验，帮助学生进行宏观辨识和微观探析，在证据的基础上进行推理和分析，并用模型表征，获得事物的现象和微观本质的联系。

3.任务三：如何定义分子和原子？

【教师】水蒸发时，水分子的种类改变吗？为什么？

【学生】不变，因为水这种物质种类没有改变。

【教师】水分子种类会不会改变呢？我们来做一个电解水实验看一看。

【演示实验】电解水的演示实验，包括对生成氢气和氧气的检验。

【教师】同学们，电解水是物理变化还是化学变化？你的证据是什么？

【学生】电解水属于化学变化，证据是实验中有新物质氢气和氧气生成。

【教师】太对了，请同学们讨论，电解水实验前后分子种类改变了吗？物质的化学性质改变了吗？为什么？

【学生】因为水是由水分子构成，氢气由氢分子构成，氧气由氧分子构成，所以，电解水时，分子种类改变。

【学生】水不具有可燃性和助燃性，而氢气具有可燃性，氧气具有助燃性，所以，反应前后物质的化学性质改变了。

【教师】比较水蒸发和水电解两个实验，水分子和水的化学性质之间有没有联系？

【学生】水在电解时，水分子改变了，水的化学性质改变了，而水蒸发成水蒸气时，水分子本身不变，水的化学性质也不会改变。

【教师】由此可见，保持水的化学性质的最小粒子是什么呢？

【学生】水分子。

【课堂活动】科学家发现水分子由更小的原子构成，每个水分子中由2个氢原子和1个氧原子构成。根据这一信息，请同学们用卡片在黑板上演示出水分子的模型，白色圆圈是氢原子，黑色圆圈是氧原子。几位学生积极地上台摆弄模型，展示出了不同可能的形状图3。

【教师】哪个模型更能符合实际？请看科学家用扫描隧道显微镜拍摄的水分子图像。

【学生】第一个V形的符合实际。

【课堂活动】电解水时，水分子又是如何变成氢分子和氧分子的呢？请同学们再次用卡片模型摆出反应过程。学生拖动2个水分子的模型，先把水分子拆成氢原子和氧原子，然后每2个氢原子构成1个氢分子，每2个氧原子构成1个氧分子（图4）。

【教师】因此，电解水中，发生变化的微粒是什么？什么微粒不变？

【学生】发生变化的是水分子，氢原子和氧原子不改变。

【教师】像电解水一样，发生化学变化时，分子可分成原子，原子不可再分，只是再重新组合成新的分子，这就是道尔顿和阿伏伽德罗提出的化学变化的实质。如何定义分子和原子呢？请阅读教材。

【学生】分子是保持物质化学性质的最小粒子，原子是化学变化中的最小粒子。

设计意图：通过对比实验以及搭建模型，帮助学生理解分子的结构，运用模型解释物质变化现象，揭示现象的本质和规律，[3]大大降低了学生理解的难度，符合学生的认知规律，为后续学习奠定了基础。

【教师】请同学们根据图示，用微粒观试着描述一下加热氧化汞反应的过程。

【学生】加热时，氧化汞分子分成汞原子和氧原子，每2个氧原子构成1个氧分子，许多氧分子构成氧气，许多汞原子直接构成了汞。

【教师】由此可见，物质不仅由分子构成，有的物质也是由原子构成。关于分子和原子更多的知识，我们可以在后面课再学习。

六、教学反思

1.基于证据推理，提升思维能力

初三学生虽然已有多年的学习经验，但基于证据的逻辑推理能力还有待提升。而本节课的内容不是靠学生简单背诵就能理解的，而是注重多来源证据的获得，以及结论和证据之间逻辑关联的起点。因此，本节课知识的获得需要经过学生认知的深度加工，从而进一步发展学生高阶思维，达成深度教学的效果。

2.搭建模型，使教学“深入浅出”

本节课的教学内容非常抽象、枯燥，知识点难以内化和理解。为了调动学生的学习兴趣，教学中运用了多样化的教学手段，大大降低了教学的难度。通过搭建微粒模型，让学生积极主动参与，增进学生对知识的深刻理解，形成以模型分析和解决问题的思路和方法。

3.以水为主线贯穿始终，发展核心素养

本节课以“水”为一条情境主线贯穿始终。宏观物质世界的变化真相，被一个个实验证据揭秘开来：水是由水分子构成的，水分子非常小，水分子会运动，水分子有距离，水分子会分成原子等，均由学生基于证据推理提出，最后形成了物质、分子、原子之间的联系，达到了知识间的融合。这样不仅激发了学生的学习兴趣，“证据推理和模型认知”的深度教学得到了充分落实，而且学生的化学学科核心素养也得到了发展，为他们进一步了解和学习微观世界作了良好的铺垫。

参考文献

［1］范梦怡，刘鹂.聚焦“证据推理与模型认知”：内涵探析及其培育案例——以“葡萄糖”教学为例［J］.化学教学，2022（5）：33-39.

［2］白建娥，李奇，宋兆爽，等.发展“证据推理与模型认知”素养的單元整体教学——以鲁科版选择性必修模块“原子结构”为例［J］.化学教学，2021（8）：43-47.

［3］李春红，曹艳彤，张可欣.发展“模型认知”素养的教学实践——以“化学方程式”为例［J］.化学教育（中英文），2022，43（7）：47-51.