基于证据推理与模型认知素养的教学实践

刘凤珠

摘 要：证据推理与模型认知素养是化学学科核心素养的重心之一。在初中化学核心素养漫长的培养过程中，教师需要在教学过程中耐心教导学生。教师可以通过初中化学实验室制取气体的化学实验，培养学生的证据意识，使其通过证据推理的方法，在实验中建构认知模型，从而培养学生基于证据推理与模型认知的化学学科素养。

关键词：证据推理与模型认知素养;初中化学;中学教育

在我国中学课程改革的背景下，各学科的教育模式往创新的方向发展。传统的教学模式已经不能满足学生的发展需要。在中学阶段，初中化学教师要重点培养学生利用证据推理建构模型的能力。

一、证据推理与模型认知能力在初中化学教学中的重要作用

证据推理与模型认知能力在中学课程体系中发挥着重要的作用。该能力可以有效发展学生的化学学科核心素养。化学是初中阶段一门重要的课程，课程总体难度较高，构建化学反应模型可以帮助学生更好地理解化学知识。化学是一门充满魅力且实用性很强的自然学科，学生在学习化学知识的过程中要充分体会化学的学科魅力，避免出现死记硬背的学习行为。因此，教师在传授化学知识的过程中，应该重视培养学生证据推理与模型认知的学科素养。在初中化学学习中，物质的性质是学习的重要内容，而初中化学涉及物质比较多，包括氧气、碳及碳的化合物、金属、酸碱盐等，如果学生在学习初期，没有在教师的引导下构建学习物质性质的模型，学生在之后的物质性质学习中容易感觉吃力，甚至会对学习化学失去兴趣。在初中化学学习中，化学实验也是学习的重要内容，实验是学生获取化学知识最直接的途径之一，也是激发学生学习化学兴趣的有效手段[1]。因此，在初期的实验操作中，教师要引导学生进行规范的实验操作，认真观察实验现象，并根据实验现象获得证据，从而推导出正确的结论，初步构建起化学实验的“操作—现象—结论”的学习模型。通过实验，逐步培养学生证据推理和模型认知的能力，让学生掌握学习化学的科学方法。

二、培养学生的证据意识，建立基本的证据库

（一）分析中考试题，培养证据意识

在近些年的中考试卷中，对于实验室制取气体的考查一直是热点之一，且其难度相对较高，在中考卷中，一般会放在第16题的位置，考查的内容主要是实验室制取气体的化学方程式、实验操作及注意事项。但是近几年的考查方式發生了变化，突破了原有的命题模式（以装置图为载体），选择条理清晰的实验报告模式。这样的考查方式不局限于文字形式的考查，还通过图形、表格的方式进行考查。试卷采用让学生自主提炼数据的形式出题，让学生通过对题目中的材料进行分析，找到对解题有重要作用的证据。学生通过提取证据可以找到解题的突破口。在对中考题目进行分析的过程中，教师帮助学生分析证据，可以培养学生的证据意识，建立相应的证据库，并使学生在遇到新的题目的时候，能够联想到脑海中的证据库，从而将新的问题转化为之前已经能够解决的问题，其再通过对证据库中的信息进行比对，找到解题的思路和方法。培养储存证据意识属于最开始的一步，但是也是最难的一步，学生需要对证据有深刻的理解，并能在日常的积累过程中总结。

（二）掌握基础知识和基本技能，建立基本的证据库

所谓证据库就是推理过程中需要用到的所有证据。知识点的关联使证据之间联系密切，学生通过逻辑推理的方法，可以由某一个证据联想到其余的证据，所有的证据相互串联，于是构成证据库。例如我们在学习实验室制取氧气的过程中，就需要掌握氧气的化学性质和物理性质。氧气的化学性质和物理性质就是组成关于氧气的证据库中的证据。再如我们学习了元素周期表后，看到原子序数为8的元素，就可以推理出此元素为氧元素。考查知识的过程中就是对证据库的考查。所以证据库的建立是非常必要的，学生通过建立证据库可以实现知识点的整合处理，及建构推理模型认知。

在使用证据库之前，学生需要先建立起完整的知识证据库，而完整的知识数据库的建立，需要教师长期有意识地引导学生掌握扎实的化学基础知识和基本技能等。笔者以教学氧气的相关内容为例，探究如何在学习过程中建立完整的证据库。教师在教学过程中，应该有意识地培养学生不断将所学过的有关氧气的零散知识有机地串联起来，组成氧气的知识网络，再不断完善有关氧气的证据库。如在第三章的章节学习中，学生初步学习了氧气的物理性质和化学性质、氧气的用途以及氧气的实验室制法和工业制法。此时，教师可以引导学生结合第二章中涉及的氧气在空气中的体积含量及元素概念初步建立有关氧气的证据库：氧气在空气中的体积分数为21%、氧气的物理性质和化学性质、氧气的用途、氧气的制法、组成氧气的氧元素的核电荷数为8以及氧元素在地壳中的含量分布为第一位。在第五章的章节学习中，学生掌握氢气、碳、一氧化碳以及甲烷等有机物的化学性质之后，又在第六章学习了金属的化学性质，基于此，教师可以引导学生在氧气的证据库中完善有关氧气的化学性质：氧气会和金属单质、非金属单质、化合物燃料反应。因此，在学完第六章后，教师就可以引导学生构建较为完善的有关氧气的证据库，并且在此基础上，逐步培养学生的模型认知能力，使其能够独立建构物质的相关证据库。

中考试卷中的第16题不仅考查实验室制取气体的相关知识，还考查实验的基本操作和注意事项。因此，学生还需要建立有关实验仪器的证据库。所以，教师在教学中，也要引导学生在学习中逐步完善有关仪器的证据库，对使用到的仪器的功能有明确的认识，熟练掌握实验仪器的使用方法，掌握仪器连接、加热、气密性检查等基本操作。这些构成有关仪器使用、实验操作的证据库，它也是需要学生在学习化学过程中不断累积和完善的[2]。

学生在日常的学习过程中积累化学基本知识，建立基本的证据库，可以使这些知识内容以证据的形式储存在学生的脑海中，学生可以随用随取。学生在学习中建立证据库是一个长久的过程。证据库包含仪器设备知识、化学基本知识、实验操作技能这三个方面，学生在初中化学学习的过程中必须要全部掌握。如有部分的知识学生没有掌握，不能够建立完整的证据库，后续的实验开展就无从谈起。

三、训练学生的推理方法，构建模型认知

当学生掌握足够的化学基本知识，在脑海中形成证据库后，就可以通过推理的方法构建模型认知。笔者通过初中化学制取氧气的实验，探究如何训练学生的推理能力和构建模型认知的能力[3]。逻辑推理过程如下：当我们在制取氧气的时候，就要思考氧元素从哪里得到。根据化学反应前后元素守恒定律，我们从含有氧元素的物质中提取出氧元素，从而形成氧气。这还要在理论上具有可行性，含有氧元素的物质是非常多的，我们要选择经济成本低的物质。很明显我们可以联想到以下几种物质，分别是高锰酸钾、氯酸钾和过氧化氢溶液。我们需要结合它们的化学性质及反应的条件选择实验装置。高锰酸钾是固体，并且需要在加热的条件下才能制取到氧气，所以我们会选择固固加热型装置。氯酸钾也是固体，反应条件是需要二氧化锰作为催化剂，并且在加热条件下氯酸钾才会较快分解出氧气，所以氯酸钾制氧气的发生装置也是选择固固加热型实验装置。过氧化氢溶液是属于液体，它在化学反应中不需要加热，但是需要催化剂，所以我们选择固液不加热型的装置。当我们完成制取氧气之后，我们会面临一个问题，如何将所有产生的氧气单独收集起来。这时候就要联想到氧气的性质。氧气属于气体，不易溶于水，并且它的密度是大于空气的，所以我们可以采用排水法或者向上排空气法收集氧气。收集到氧气之后，我们需要验证实验有没有成功，就需要对收集到的氧气进行检验，观察是否真的收集到氧气。这个时候就需要用到氧气助燃的性质，检验生成的氧气碰到带火星的小木条是否会发生剧烈的燃烧反应，从而判断产生的氧气的浓度[4]。

在上面这个实验中，我们充分利用了逻辑推理的方法。一是从实验的原理出发，寻找到相应的化学物质。二是根据反应物的状态和反应条件，设计反应发生装置。三是根据生成的气体的物理性质和化学性质，设计气体的收集装置。学生在实验过程中，想方设法地解决反应中存在的问题，设计最科学的实验步骤，最后再检验实验的成果。在整个实验的过程中，我们利用逻辑推理的方法，构建出实验室制取气体的实验模型：药品选择—反应原理—实验装置—实验问题—实验步骤—实验检验。

四、落实证据推理与模型认知素养的培养

在培养学生的模型认知的过程中，教师需要注意循序渐进。在前文制取氧气的实验过程中，初中的学生刚刚接触化学学科，对于化学知识的内容还不熟悉，综合能力比较低。教师需要及时做好引导工作，要注重培养学生模型认知的构建能力[5]。对于学习而言最好的方法就是模仿。教师可以通过制取氧气的实验，让学生观察在这个实验中教师的实验设计思路是怎样的，然后再引导学生初步构建实验室制气体的基本思路的模型。在学习实验室制取二氧化碳时，学生就可以根据之前构建的实验室制气体的模型来设计实验室制取二氧化碳的实验。据此，实验室制二氧化碳可以按以下思路展开：第一是药品选择，根据反应前后元素守恒和实验室制气体条件的可行性及成本上的考虑，实验室制二氧化碳采用的药品是石灰石（或大理石）和稀盐酸;第二是反应原理，CaCO3+2HCl==CaCl2+H2O+CO2↑;第三是实验装置，因为石灰石（或大理石）是固体，稀盐酸是液体，反应在常温下就可以进行，所以，实验室制二氧化碳的发生装置就可以采用固液不加热型，根据常温常压下，二氧化碳的密度大于空氣，且不跟空气中的成分反应，所以收集二氧化碳的装置选择了向上排空气法;第四是实验问题，如果在发生装置中使用长颈漏斗，为了防止生成的二氧化碳从长颈漏斗末端散逸，长颈漏斗末端必需伸入液面以下;第五是实验步骤，因为实验室制二氧化碳和实验室用过氧化氢溶液制氧气所用的发生装置都是固液不加热型，它们的实验步骤是一样的，即检查装置的气密性—装药品（先装固体，再加液体）—收集气体;第六是检验，根据二氧化碳能使澄清石灰水变浑浊的性质，检验生成的气体是否是二氧化碳的操作是往装有气体的集气瓶中倒入适量的澄清石灰水，振荡，澄清石灰水变浑浊，说明瓶中收集的气体是二氧化碳。在学习了实验室制氧气和二氧化碳之后，学生的证据推理和模型认知的素养得到进一步的培养，再通过日常的学习与实践，学习不断深入，学生脑海中的证据库会越来越完善。学生在后续学习中，还会学习到有关其他气体的实验室制取。学生可以沿用之前建构的模型认知：药品选择—反应原理—实验装置—实验问题—实验步骤—实验检验。不同的物质性质虽然不同，但是模型的构建是类似的，学生通过模型构建出从特殊到一般的方法。从特殊到一般的思维，可以培养学生的抽象能力，将一般的实验纳入更加广阔模型中，逐步提升学生的证据推理能力，构建应用模型认知，使其将零散的化学知识统一归纳起来。

五、总结

众所周知，教学是一门艺术，也是一门技术。教师的教学过程和学生的学习过程是相互匹配的，教师需要在传授化学学科知识的过程中，根据我国的新课程改革的标准，反思教学方法，创新教学模式，改善教学过程中存在的问题，使用证据推理与模型认知结合的方法，培养学生强大的推理能力，使学生受益。学生通过模型的构建，将零碎的知识点整合起来，形成结构化的认识，提高了自身的化学应用能力，能够将书本中的知识灵活运用，促进综合发展。

[参考文献]

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唐龙生.目前农村乡镇学校化学实验教学的不足及改进措施[J].数理化学习（教研版），2020（05）：51-52.

税凤梅.证据推理与模型认知素养培育的教学策略研究[D].成都：四川师范大学，2019.

吴克勇，蔡子华.证据推理解读及教学思考：以化学学科为例[J].教育研究与评论（中学教育教学），2018（01）：79-83.

李刚.五段，段段相扣：以《氧气的实验室制取与性质》教学为例[J].湖北教育（教育教学），2018（03）：38-39.