基于“证据推理”建构“物质的元素组成检测”模型的教学探索

摘 要：“证据推理与模型认知”是化学实验探究过程中不可或缺的高阶思维品质，物质的元素组成检测是初中化学实验探究教学中发展“证据推理与模型认知”素养的典型主题单元。“乙醇的元素组成检测”安排在蜡烛、水、甲烷等物质的元素组成检测之后，以之为逻辑起点，进一步发展“证据推理与模型认知”素养值得进一步研究。在“乙醇的元素组成检测”教学中，尝试通过“烧杯倒扣收集法检测乙醇中的C、H元素”“锥形瓶收集法检测乙醇中的C、H元素”“手持技术数字化实验法检测乙醇中的C、H元素”“进一步检测检测乙醇中的O元素”等四个子任务探索基于“证据推理”建构“物质的元素组成检测”模型的教学实施。该案例的设计及实施基于“证据推理”视角设计实验方案，使结论推理更严谨;基于“证据严谨”视角改进实验方案，使思维提升更深入;基于“可视化”视角改进实验结果输出，使结果呈现更科学。

关键词：证据推理;模型建构;物质的元素组成检测;实验探究

1 问题的提出

《义务教育化学课程标准（2022年版）》对“科学思维”素养提出“在解决真实问题中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”等要求[ 1 ]。但目前化学实验探究教学中对“证据推理与模型认知”素养的培养存在如下误区：一是重实验结果，轻证据推理。实验探究教学过程中以验证性为主，过分重视实验结论，而忽略实验的过程探索。二是重模型应用，轻模型建构。实验探究教学过程中过分重视模型的记忆和模型的应用，而对模型的建构过程往往蜻蜓点水，缺乏证据推理过程中的思维碰撞和模型建构过程中的思维外显。

物质的元素组成检测是初中化学实验探究教学中发展“证据推理与模型认知”素养的典型主题单元。人教版九年级化学教科书中涉及检测蜡烛、水、甲烷等物质的元素组成的实验。这些经典实验的共同特点是通过检测燃烧法的产物（水的元素组成测定还可以根据水的分解反应），进而依据质量守恒定律推断物质的元素组成。乙醇的化学式、化学性质及用途等的学习排在蜡烛、水、甲烷等物质的元素组成之后，部分教师在乙醇化学式的教学中往往采用直接给乙醇的化学式，进而记住乙醇元素组成的方法。这样做看似教学效率很高，实则错失反正“证据推理与模型认知”素养的良好时机。如何在学完蜡烛、水、甲烷等物质的元素组成检测的基础上，进一步在“乙醇的元素组成检测”教学中发展学生的“证据推理与模型认知”素养值得研究。为达成上述素养发展目标，本节课拟在“乙醇的元素组成检测”的项目教学中着力解决如下两个关键性问题：一是如何从证据推理的角度建构元素组成检测的实验模型？二是如何利用定性和定量相结合的手段进行元素组成的检测？

2 案例设计及实施

2.1 教学思想

人教版九年级化学教材对于乙醇的元素组成的介绍仅仅停留在给定其化学式（C2H5OH）的层面，但考虑到学生在蜡烛燃烧、水的组成测定、甲烷的组成测定中已初步形成检测物质的元素组成的基本思路，若将该内容设计成乙醇的元素组成检测的实验探究，对于提升学生的“证据推理与模型认知”素养便是“水到渠成”之事。因此，本节课将在教师的点拨下，师生合作学习对测定蜡烛、水、甲烷等物质的元素组成的思路和方法进行梳理总结，融合证据推理环节，形成定性检测物质元素组成的认知模型，进而将该认知模型进行迁移，应用于解决乙醇的元素组成检测。

2.2 任务设计

资料显示乙醇（C2H5OH）俗称酒精，具有可燃性。某化学兴趣小组对乙醇的元素组成进行探究[ 2 ]。

2.2.1 任务1：烧杯倒扣收集法检测乙醇中的C、H元素

[提出问题] 如何检测乙醇中含有C、H两种元素？

[回顾旧知] 教师引导学生回顾初三上学期已经学过的测定物质组成的实验。例如，蜡烛燃烧、水的组成测定、甲烷的组成测定。利用化学反应（燃烧法、分解反应等），检测反应产物，依据质量守恒定律推断物质的元素组成。

[建构模型] 师生合作对学过的三个测定物质元素组成的实验进行梳理提炼，抽提出定性检测物质元素组成的思维模型（图1）。

设计意图：从学生的最近发展区入手，对之前所学的测定物质组成的实验探究进行梳理总结。通过典型个案的提炼分析，进而抽提建构出定性检测物质元素的思维模型。

[模型应用] 依据图1的思维模型，设计检测乙醇中含有C、H两种元素的实验方案，并简述其证据推理过程（表1）。

[进行实验并搜集证据] 实验1的现象与预期一致;实验2的石灰水变浑浊不明显。

[查阅资料]

（1）酒精灯所使用燃料为工业酒精，工业酒精含有水分;

（2）酒精灯的灯芯成分为纤维素（含C、H、O三种元素）;

（3）在1个标准大气压下，酒精的沸点为78.5℃。

[讨论与交流]

（1）实验1的推断是否严谨？为什么？

（2）为什么实验2中石灰水变浑浊不明显？

[反思与评价]

（1）不严谨，“白雾”可能是工业酒精中的水（或是灯芯燃烧生成的水）气化后冷凝成的小水滴。

（2）烧杯罩在火焰上方形成一个敞开体系，生成的CO2容易逸散到空气中。

设计意图：运用定性检测物质元素的思维模型设计出“烧杯倒扣收集法”，检测乙醇中含有C、H两种元素的实验方案并简述证据推理过程，培养了学生的“证据推理与模型认知”素养。综合对实验环境（CO2易逸散）和实验证据（水的来源存在多个干扰）两方面的深度分析，教师组织学生对“烧杯倒扣收集法”进行“讨论与交流”和“反思与评价”。初步建立“观点-证据-结论”的逻辑关系，培养了学生思维的批判性、缜密性，为任务2的实验改进（锥形瓶收集法）奠定基础。

2.2.2 任务2：锥形瓶收集法检测乙醇中的C、H元素

[提出问题] 如何改进烧杯倒扣收集法检测乙醇中的C、H元素的实验，保证实验的严谨性和实验现象更明显？

[改进思路] 结合任务1中“烧杯倒扣收集法检测乙醇中的C、H元素”实验的“讨论与交流”“反思与评价”，从存在问题及根源、改进方法、改进类型、改进目的等角度改进思路进行梳理归纳（见表2），为提出任务2的“锥形瓶收集法检测乙醇中的C、H元素”实验提供思维可视化。

[进行实验并搜集证据] 按图4的实验装置进行检测乙醇中的C、H元素的实验。

检查装置气密性;将装有乙醇的燃烧匙放在酒精灯火焰上点燃，伸人锥形瓶中，塞紧瓶塞;待火焰熄灭后，将澄清石灰水注人锥形瓶中，振荡。实验时观察到锥形瓶壁上有小液滴生成。

[讨论与交流]实验时观察到锥形瓶壁上有小液滴生成。根据该现象得出乙醇含有氢元素，该推断是否严谨？为什么？

[反思与评价]

（1）不严谨，酒精的沸点低（78.5℃），燃烧时部分乙醇汽化后又液化，凝结在瓶壁上。故无法排除小液滴是燃烧产物水还是乙醇。

（2）定性测定无法有针对性地排除乙醇干扰。

设计意图：通过对“烧杯倒扣收集法”存在的“证据-结论”不完全匹配的问题及根源分析，在思维碰撞过程中梳理归纳出改进目的、改进类型和改进方法，进而提出“锥形瓶收集法”。同时，从小液滴来源收反应物（乙醇也是液体）自身的干扰出发，通过“讨论与交流”和“反思与评价”，培养学生思维的批判性、缜密性，为下一步的实验改进（手持技术数字化实验法）奠定基础。

2.2.3 任务3：手持技术数字化实验法检测乙醇中的C、H元素

[提出问题] 如何改进上述实验，保证实验的严谨性？

[改进思路] 改“定性检测”为“定量检测”。利用手持技术数字化实验，实时测定CO2浓度和相对湿度。

[进行实验并搜集证据] 按图5实验装置进行实验。用二氧化碳传感器和湿度传感器检测乙醇燃烧过程CO2浓度和相对湿度随时间的变化并得到图6、图7的变化曲线。

[讨论与交流] 结合图6、图7的曲线图可以看出在燃烧过程中，CO2的浓度（1000 ppm→10000 ppm）和相对湿度（55%→83%）都在增加，该现象（证据）说明了乙醇燃烧生成了CO2和H2O，进而推理出乙醇组成中一定含C、H元素，可能含有O元素。

设计意图：通过对“锥形瓶收集法”等定性检测方法存在干扰因素出发，引导学生从定性检测走向定量检测，进而提出“手持技术数字化实验法”。CO2、H2O的检测由CO2浓度传感器、相对湿度传感器进行实时显示，同时结合同步绘制出的CO2浓度、相对湿度随时间的变化曲线的直观表征，不仅让证据推理的数据更加直观、可重复，而且也让证据收集能力由定性走向定量，由单一走向多元。

2.2.4 任务4：进一步检测检测乙醇中的O元素的设想

[提出问题] 乙醇组成中是否含有O元素，能否进一步检测？

[设计方案] 为进一步测定乙醇是否含有氧元素。

兴趣小组测定的主要过程：通过乙醇在密闭容器中燃烧，测定实验前乙醇的质量及实验后装置中二氧化碳和水的质量，推算乙醇是否含有氧元素。

[讨论与交流]

（1）简述该实验方案的测定原理。

（2）上述实验方案是否严谨？为什么？

[反思与评价]

（2）不严谨。乙醇可能发生不完全燃烧生成CO或碳单质。实验后仅测定装置内CO2和H2O的质量，不能准确推测是否含有O元素。

[改进思路] 在上述实验方案的基础上增加测定实验后装置中一氧化碳的质量m（CO）和单质碳的质量m0（C）。

设计意图：在乙醇中含有C、H元素检测的实验探究的基础上，进一步引导学生从元素守恒的角度设计实验方案，检测乙醇中是否含有O元素并简述其检测原理，培养了学生的元素观、变化观等化学观念和思维的批判性、缜密性。

3 案例启发及反思

3.1 基于“证据推理”视角设计实验方案，使结论推理更严谨

在实验探究过程中如果仅仅按照教材中给定（或教师给予）的实验步骤照方抓药，学生做完实验后往往“知其然不知所以然”。一则缺乏对“证据-观点-结论”三者自洽性的严谨认识，导致结论推理不合理;二则缺乏对实验思想方法的整体认识，导致系统思维不严谨。例如，在本节课乙醇组成中C、H元素检测中，若是仅仅简单套用甲烷中C、H元素测定采用燃烧烧法（即烧杯倒扣收集法）测定其元素组成，学生容易掉入“死记硬背结论”的陷阱。若能从证据推理的角度进行严谨的实验探究方案设计及改进，进而建构物质的元素组成检测的认知模型，无疑对学生严谨求实、质疑批判、探索创新的科学思维的形成起到重要作用。

3.2 基于“证据严谨”视角改进实验方案，使思维提升更深入

“证据推理”过程中应注意证据的严谨性，排除证据中可能存在的干扰因素，确保“证据-观点-结论”三者的一致性。在实验探究过程中，只有排除干扰因素才能进行有效的证据推理。例如，在本节课乙醇组成中C、H元素的确定是通过乙醇燃烧生成的CO2和H2O作为事实证据，应用质量守恒定律中化学反应前后元素种类不变进行推理分析，获得乙醇组成中含C、H元素。但是CO2和H2O的来源存在干扰因素。比如，H2O的来源可能来自乙醇燃烧生成的水、工业酒精中的水、灯芯燃烧生成的水等因素，后两个来源为干扰因素[ 3 ]。只有排除这些干扰因素，才能保证证据推理的思维深度，从而培养学生思维的缜密性、批判性。

3.3 基于“可视化”视角改进实验结果输出，使结果呈现更科学

“证据推理”过程中除了保证证据的严谨性外，也要保证证据的直观呈现（即“眼见为实”），如能以“可视化”形式呈现效果更佳。手持技术数字化实验的引入，让相关证据的呈现由定性走向定量，由静态走向动态，同时输出的数据可重复性强，为物质的检测提供了新视角。例如，本节课中CO2、H2O的检测由“烧杯倒扣收集法”到“锥形瓶收集法”，尽管实验手段得到了改进和优化，但在结果呈现的科学性、“可视化”方面仍存在改进空间。手持技术数字化实验法的使用，让CO2、H2O的检测由二氧化碳传感器、湿度传感器输出的CO2浓度和相对湿度随时间的变化曲线来直观表征。不仅数据直观可靠、操作可重复性强，而且促进学生的证据收集能力的进阶发展（由宏观证据到微观证据，由定性证据到定量证据，由单一证据到多元证据）[ 4 ]。

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，2022：6.

[2] 刘国豪.乙醇中碳、氢元素的检测探究实验[J].化学教学，2020（8）：70-73.

[3] 王锋.初中化学“证据推理”教学策略研究[J].中小学教学研究，2021，22（4）：3-8.

[4] 方弯弯，龚正元.关于化学学科证据推理能力及评价的思考[J].化学教学，2019（12）：15-20.