基于证据推理的初中化学教学实践与探索

［摘 要］文章以“揭开‘锡纸’的奥秘”一课为例，围绕金属的物理性质和化学性质，通过驱动性问题引导学生综合运用生活经验、化学史实、文献资料、化学实验等多种证据进行推理，进而培养学生的证据推理能力，提升学生的化学学科核心素养。

［关键词］证据推理；金属的性质；初中化学

［中图分类号］" " G633.8" " " " " " " " ［文献标识码］" " A" " " " " " " " ［文章编号］" " 1674-6058（2024）32-0062-04

一、问题的提出

《义务教育化学课程标准（2022年版）》将“科学思维”列为四大核心素养之一，要求学生具备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[1]。证据推理是一种基于证据进行思考和判断的过程。它特别强调“证据”的重要性，重视识别、转换、形成证据的过程，以及证据意识的培养。“基于证据的推理”是科学发生和发展的基础，如能将证据推理融入化学课堂教学中，必将能够提升学生搜集与处理信息的能力，启迪学生缜密的科学思维，增强学生的科学探究能力，从而落实核心素养。基于此，本文以“揭开‘锡纸’的奥秘”一课为例，深入探讨初中化学教学中“证据推理”素养培育的相关问题。

二、基于证据推理的教学活动设计

（一）教学内容、学情及教学模式

“揭开‘锡纸’的奥秘”一课是新授课，内容选自沪教版化学九年级上册第五章第一节“金属的性质和利用”的第一课时，主要探讨金属的物理性质及部分化学性质（金属与氧气、酸溶液的反应）。在此之前，学生已凭借生活经验对部分金属的用途及其性质有所了解，并在第二章第一节“性质活泼的氧气”的学习中，了解到氧气能与铁、镁等金属反应。然而，学生从认知一种金属的性质到认知金属这一类物质的性质时存在困难，难以灵活运用物质的性质对实际问题进行分析和判断。为了提升学生的认知能力，笔者选择了以学生为主体的基于证据推理的教学模式（如图1）。

（二）教学流程

本课以“锡纸”为教学的主要载体，围绕金属的物理性质和化学性质，通过驱动性问题引导学生从生活经验、化学史实、文献资料以及化学实验中识别、转换并形成证据，进而进行推理，最终自主建构关于金属性质的认知模型。具体教学流程如图2所示。

三、教学过程

环节一：归纳金属的物理性质

【师引入】展示“锡纸”，并投影两张日常使用的“锡纸”图片。

【师问】“锡纸”是厨房日常用品，同学们能否根据观察和生活经验总结其物理性质？

【生答】银白色、熔点较高、导热性好、延展性良好、密度较小等。

【师问】你还能列举其他常见金属吗？它们有什么用途？这些用途体现了金属的哪些物理性质？请填写在表格（如表1）中。

【师问】上述物理性质中，哪些是金属的共性？哪些是金属的个性？

【生】总结回答。

设计意图：本环节以生活中常见的物品为教学载体引入新课，创设真实的教学情境，以激发学生的学习兴趣和主观能动性；引导学生从生活经验及物质的用途出发，归纳金属的物理性质，以深化学生“性质决定用途”的化学观念。

环节二：探究“锡纸”的化学性质

【师过渡】同学们再来看看这款“锡纸”的说明书（如图3）。

【师问】从“锡纸”的说明书中你发现了什么信息？你想要进一步探究什么问题？

【生答】不能长时间加热，是否说明“锡纸”可能易与氧气反应？不宜盛放或包裹酸性食物，是否说明“锡纸”可能会与酸反应？

【探究活动1】学生设计实验方案并进行实验：在空气中用酒精灯加热“锡纸”。可观察到，“锡纸”加热后很快就熔化了，但不滴落，也无法燃烧。

【生猜想】“锡纸”在空气中不燃烧的原因可能是空气中的氧气浓度不够，也可能是金属表面存在氧化膜。

【探究活动2】学生用砂纸打磨“锡纸”的表面后放入纯氧中燃烧。

【生推理】出现了“发光放热，产生新物质”的现象，证明“锡纸”能与氧气反应。

【生疑惑】在空气中加热“锡纸”时，为何会出现熔化但不滴落的现象呢？

【师引导】我们先留个悬念，在接下来的教学环节中再寻找答案。下面我们来验证第二个猜想。

【探究活动3】学生设计实验方案，并进行“锡纸”与稀盐酸反应的实验。

【生推理】出现了“产生气泡”的现象，证明“锡纸”能与酸反应。

【师问】金属与酸反应产生的气体是什么？如何验证呢？

【生寻找证据】根据质量守恒定律可推出产生的气体是氢气，可以采用点燃法来验证。

【师提示】用点燃法验证氢气的方案虽然可行，但是从安全性和操作简便性的角度考虑，还有更好的方案，比如使用数字化仪器——氢气传感器来检测。

【探究活动4】学生用氢气传感器检测氢气。

【生推理】根据氢气传感器示数由0变为102 PPM（如图4），可推断产生的气体是氢气。

【师拓展】播放科普短视频，让学生了解：1766年，英国化学家卡文迪许通过金属和酸反应制得一种“可燃空气”，并经过多方收集证据证实该气体是氢气，推翻了当时“世界上只有一种气体——空气”的普遍认知。

设计意图：在此环节中，教师并未直接给出探究任务，而是引导学生根据“锡纸”的说明书自主提出想要探究的问题。这一做法旨在培养学生分析和处理信息的能力，并将传统的验证性实验转变为探究性实验。在探究过程中，学生依据现象推理反应的本质，从而发展科学思维，提升实验探究素养和创新精神。此外，氢气传感器的使用，让学生体会到物质检测方法的多样性，进而培养学生的发散性思维。同时，用化学史实作为证据，有助于学生了解化学的发展史，增进学生对科学本质的理解，让学生领悟科学家不畏艰难、勇于探索的精神，树立正确的人生观和价值观。

环节三：揭秘“锡纸”的材料成分

【师过渡】“锡纸”的成分究竟是什么呢？

【生猜想】是锡。

【师引导】请看资料：锡的熔点为231.9 ℃，而烤箱的最高温度为250 ℃，酒精灯的最高温度为800 ℃。

【生推理】根据锡的熔点低于烤箱的最高温度，可以得出“锡纸”中的金属不可能是锡。

【师启发】那可能是什么金属呢？能否从前面总结的物理性质中找到一些线索呢？

【生推理】先根据使用的安全性及成本，推测“锡纸”应该是生活中的常见金属，再根据银白色的外观，排除铜和金的可能性，把范围缩小为铝、锌、铁、银这四种常见金属。

【师问】表2是几种常见金属的熔点，结合“锡纸”的说明书，你们能进一步推出什么呢？

【生推理】在前面的实验中发现用酒精灯加热“锡纸”，“锡纸”易熔化，这说明“锡纸”的熔点低于酒精灯的最高温度，因此可以排除铁、银的可能性，而有可能是铝或锌。

【师引导】那么，如何检验“锡纸”是铝还是锌呢？老师带来了铝及锌离子的检测试纸，同学们可以取“锡纸”与酸反应后的溶液少许进行检测。

【探究活动5】学生进行试纸检测实验。

【生推理】根据铝试纸显色与比色卡匹配，可推断“锡纸”的成分是铝。

【师引导】是时候揭开“锡纸”加热后熔化但不滴落的奥秘了。请看资料：氧化铝的熔点为2054 ℃，铝的熔点为661 ℃。

【生推理】根据资料推断“锡纸”加热后熔化但不滴落的原因，即氧化铝的熔点非常高，它会在铝的表面形成一层保护膜阻止铝滴落。

设计意图：本环节通过设问、反问、追问等构建递进式问题链，进而启发学生思考，引导学生从生活经验、提供的资料、实验现象以及物质本身所具有的性质中寻找证据，通过逻辑推理，最终揭开“锡纸”成分的奥秘。

环节四：总结金属的化学性质

【师过渡】是否可以考虑用其他金属制成类似“锡纸”的材料呢？

【生答】可以选用熔点较高、价格适中且在生活中常见的金属，如铜和铁。

【师问】那么，铜和铁是否也具备铝那样的化学性质呢？它们是否具有可燃性？

【生答】在第二章已经学过铁、镁、铜等金属与氧气的反应，从中可以获知铜、铁也具有可燃性。

【师问】是不是所有的金属都能与氧气反应呢？请看投影“真金不怕火炼”文献资料（略）。

【生推理】根据资料推测黄金不与氧气反应。

【师引导】请描述铁、镁、铜在氧气中燃烧的现象，并写出相关的化学方程式。

【小结】大部分金属能与氧气反应。

【师过渡】那么，镁、铜、铁也和铝一样能与酸反应吗？如果能，反应速度是否一样？请大家用老师提供的试剂进行探究。

【探究活动6】学生进行镁、铜、铁、铝与稀盐酸或稀硫酸反应的对比实验。有的学生使用不同形状的同种金属与同种酸反应，有的学生使用相同金属与不同种类的酸反应。

【生疑惑】为什么得出的结论不一样呢？

【师引导】启发学生思考影响酸与金属反应速率的因素，并引入控制变量法。

【生活动】改进实验，最终得出正确结论。

【师追问】在前面的探究中，我们已经知道了金属与酸反应产生的气体是氢气，那么此类反应的微观实质是什么呢？

【生活动】绘制微观示意图。

【师展示】投影部分学生绘制的微观示意图（如图5、图6），要求学生点评。

【生点评】在图5中，Fe在置换反应中应生成+2价的铁离子。在图6中，应生成一个氢气分子，而非两个氢原子。

【师引导】要求学生根据金属与酸反应的微观本质，书写化学方程式。

【师小结】只有活泼金属才能与稀酸反应生成氢气，且反应速率各不相同；排在H后的金属不能与稀酸反应。

设计意图：本环节旨在通过回顾旧知和实验探究相结合的方式，引导学生学习金属与氧气、酸反应的化学性质，将对一种金属性质的研究拓展至对金属这一类物质性质的研究。从宏观的实验现象，到体现化学反应微观本质的示意图，再到化学方程式的书写，以此来培养学生的“宏—微—符”三重表征的学科思维，提升学生的科学探究、证据推理等核心素养。

四、教学反思

（一）问题情境引领证据推理

“学起于思，思源于疑。”问题是思维的源泉和动力，也是培养学生证据推理能力的“引路者”。本课中，教师依托真实的情境，围绕教学目标提出了富有启发性的问题，引导学生深入思考。同时，学生也根据提供的资料或实验中出现的异常现象自主提出了想要探究的问题。在这些问题的驱动下，学生依据资料、说明书等证据，结合原有认知进行正向推理，并提出假设和设计方案，再通过实验获取证据并分析证据，最终利用有效证据逆向推理，验证假设的真伪，从而解决问题。在此过程中，学生的思维得到了拓展，证据推理能力得到了提升。

（二）科学探究助力证据推理

科学探究是学生积极主动地获取化学知识、认识和解决化学问题的重要实践活动。科学探究的过程包含收集证据、利用证据和推理分析的过程，是培养学生证据推理能力的重要途径[2]。例如，在本课的核心教学环节“探究‘锡纸’的化学性质”中，教师先投影“锡纸”的说明书，引导学生自主提出探究问题，然后依次进行猜想与假设、设计实验方案、实验获取证据、推理得出结论以及评价反思。整个探究过程凸显了学生的主体地位。同时，教师的主导作用也至关重要。在探究过程中，教师引导学生运用控制变量法优化实验；利用鼓励性语言及时疏导学生在实验失败时产生的消极情绪；指导学生合作完成收集证据、分析处理证据等任务；督促学生及时对探究结果进行评价反思。在教师的指导下，学生在寻找证据、推理建模的过程中激发出知识火花，提升了证据推理能力。

（三）证据推理发展高阶思维

证据推理的过程是指向学生高阶思维发展的过程。本课不仅涉及回顾旧知、理解新知等低阶思维活动，还包括分析、评价、创造等高阶思维活动[3]。例如，在“探究金属与酸反应”的教学环节中，学生观察到金属与酸反应的现象后，运用批判性思维审视方案的可靠性，运用决策性思维分析并选择证据，运用创造性思维优化实验方案设计以获取更准确的证据，最终得出结论。而本课的整个教学流程都是围绕“揭开‘锡纸’的奥秘”这一任务展开的，在此过程中，学生需要运用化学知识和方法解决实际问题，需要基于证据进行推理和展开深度学习，这些都是高阶思维的集中体现。

［" "参" "考" "文" "献" "］

[1]" 杨海燕.基于“证据推理和模型认知”的初中化学教学：以“分子和原子”为例[J].化学教与学，2023（8）：43-46，73.

[2]" 杨林全.初中化学教学中“证据推理”素养的培育：以“酸和碱的中和反应”为例[J].化学教学，2021（6）：49-54.

[3]" 曾海辉.基于“证据推理”的化学教学设计：以“解密自热包”为例[J].化学教学，2022（9）：46-50，56.