发展证据推理水平的主题教学实践与思考*——以氯化铜和氨水反应为例

何银华 肖中荣

（1.杭州市余杭第二高级中学 浙江 杭州 311100；2.杭州市基础教育研究室 浙江 杭州 310000）

《普通高中化学课程课标（2017版）》要求教师积极开展素养为本的课堂教学实践，主动探索素养为本的有效课堂教学模式和策略，［1］“我们已经确定了8项核心素养，目前的关键是如何评价它们，这方面的工作还很薄弱”［2］。证据推理是化学学科核心素养，其内涵如何解构，如何基于主题教学发展学生证据推理水平，本文以氯化铜和氨水反应为例进行研究。

一、证据推理的内涵解构

证据推理的内涵为具有证据意识，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。［3］本文从上述描述抽提出关键词：证据意识、提出假设、分析推理、逻辑关系。“证据意识”是科学的循证思维，指说话办事不能主观臆测，要讲事实、有根据。“提出假设”是发现问题的意识、提出观点的能力。“分析推理”是由一个或几个已知的判断，推导出一个未知结论的思维过程。“逻辑关系”指事物或活动间的依赖关系，“观点、结论和证据之间的逻辑关系”是指观点、证据、结论之间要相互支持，形成关联规则和因果机制，［4］符合科学论证的“相关性、充分性和可接受性的论证评价三角标准”［5］。

总之，化学学科核心素养证据推理是基于证据进行推理，本质是科学论证，涉及识别、筛选证据，转换、形成证据，应用、评价证据，推理、形成结论的高级思维过程，［6］它强调收集证据的必要性、突出分析推理的过程性，彰显观点、结论和证据之间的逻辑性。

二、证据推理的水平解构

研究表明，证据、推理和结论都具有复杂性。［7］证据的复杂性表现为熟悉与陌生、显性与隐性等，证据呈现的方式越陌生越隐性，对思维能力要求越高。推理的复杂性表现为推理前提的多少、推理步骤的长短，推理前提越多、步骤越长，对思维能力要求越高。证据推理形成结论的过程具有科学性、准确性、充分性和相关性。证据来源应该科学、准确，收集过程应体现“科学性和准确性”；要收集不同类型的证据、从不同的角度证明结论，体现证明的“充分性”；推理过程要体现证据和结论的紧密关系、因果关系等“相关性”。

《普通高中化学课程课标（2017版）》将证据推理划分为4级水平，本文基于收集证据的类型、推理形成结论的过程，从操作性角度解构证据推理的4级水平，如表1。

表1 证据推理的4级水平

本文将收集证据类型分为如下水平：熟悉宏观→熟悉宏观和陌生微观→显性定性和隐性定量→多元证据、解释证据。推理形成结论过程分为如下水平：一步推理，科学地得出结论→多步推理，科学地、准确地得出结论→多步推理，科学地、准确地、充分地得出结论→多步推理，科学地、准确地、充分地得出结论，解释证据和结论的相关性。低级的证据推理水平主要侧重某个角度和能力，高级的证据推理水平包含低级的水平要求。

三、发展证据推理水平的主题教学实践——以氯化铜和氨水反应为例

主题教学活动指课堂教学以项目式探究形式或问题解决形式统整书本知识和现实生活、生产和社会中的学科问题，以教学主题为枢纽，在系统内各要素相互联系、作用和运行中达成学习主体心理结构的完善和自我实现的整体性教学设计。［8］如何判断物质发生了化学反应、为什么发生化学反应，这是化学研究的中心问题。本文以氯化铜和氨水反应为教学主题，以判断化学反应是否发生为教学背景，以学科方法逐渐深化为教学线索，设置4个关联的教学环节，发展学生从低级到高级的证据推理水平。

【环节1】收集宏观证据推理发生反应

【教师】演示实验1：将5mL0.1mol/LCuSO4溶液和10mL0.1mol/LNH3·H2O混合，生成蓝色絮状沉淀，久置后上清液几乎为无色。CuSO4和NH3·H2O发生了化学反应吗，证据是什么？

【学生】观察、回答：因为溶液混合生成蓝色沉淀、溶液颜色变浅，证明发生了化学反应，方程式为：CuSO4+2NH3·H2O=Cu（OH）2↓+（NH4）2SO4

【总结】化学反应常常伴随发光、放热、产生气体、生成沉淀、变色等现象，可以根据上述宏观现象判断是否发生了化学反应。

设计意图：本环节中，学生收集熟悉的宏观证据证明硫酸铜和氨水发生化学反应。推理路径为：观察蓝色絮状沉淀，证明硫酸铜和氨水发生化学反应。学生分析显性的宏观证据，经过一步推理，科学地证明发生化学反应，发展水平1。

【环节2】收集微观证据推理发生反应

【教师】提问：实验1硫酸铜溶液和氨水混合，溶液为什么由浅蓝色褪为无色？反应前后体系离子浓度如何变化，如何设计实验证明？

【学生】讨论、回答：因为生成氢氧化铜沉淀导致c（Cu2+）减小、溶液褪为无色。根据方程式判断反应前后不变增大。证明不变的方案：向滤液中加入足量BaCl2溶液，称量生成的m（BaSO4），证明反应前后溶液中m()不变。证明c(N)增大的方案：向滤液中加足量NaOH溶液并加热、收集生成的NH3，证明增大。教师分别测如下溶液的电导率：取25mL0.1mol/LNH3.H2O于50mL小烧杯中，磁力搅拌下逐滴加入蒸馏水，溶液电导率变化如图1所示（注：蒸馏水体积约为16mL）。

图1 氨水稀释电导率的变化

取25mL0.1mol/LCuSO4溶液于50mL小烧杯中，磁力搅拌下逐滴加入蒸馏水，溶液电导率变化如图2所示（注：蒸馏水体积约为16mL）。

图2 硫酸铜溶液稀释电导率的变化

取25mL0.1mol/LNH3.H2O于50mL小烧杯中，磁力搅拌下逐滴加入0.1mol/LCuSO4溶液，溶液电导率变化如图3所示（注：CuSO4溶液体积约为16mL）。

图3 氨水和硫酸铜溶液混合电导率的变化

【学生】分析解释：图1说明氨水稀释电导率减小、图2说明硫酸铜溶液稀释电导率减小，图3说明硫酸铜和氨水混合后溶液发生化学反应，c(N）增大是电导率增大的主要原因，查阅离子的摩尔电荷电导率（描述物质中电荷流动难易程度的参数）：

【总结】溶液中发生离子反应，参与反应的某些离子浓度会发生变化（增加或减少），可以比较反应前后离子浓度变化判断是否发生了化学反应。

设计意图：本环节中，学生收集陌生的微观证据证明硫酸铜和氨水发生化学反应。学生需要将可观察的溶液蓝色褪去与c（Cu2+）减小建立关联，将看不见的转化为可称量的硫酸钡沉淀、将看不见的转化为可测的电导现象，推理路径为：溶液颜色变浅→c（Cu2+）减小；混合前后m（BaSO4）不变不变；设计对照实验、分析溶液电导率变化变大。学生分析显性宏观证据和隐性的微观证据，经过多步推理，科学地、准确地证明离子浓度变化可以作为化学反应发生的证据，发展水平2。

【环节3】收集定量证据推理发生反应

【教师】演示实验2：向1000mL蒸馏水分别加一滴0.0001mol/LCuSO4溶液、0.0001mol/LNH3·H2O，无沉淀生成，思考为什么。设1滴液体体积约为0.04mL、溶液总体积为1000mL，KspCu（OH）2=2.2×10-20，KbNH3·H2O=1.75×10-5。

【学生】讨论，当Q＞KspCu（OH）2生成沉淀；Q=KspCu（OH）2建立沉淀溶解平衡；Q＜KspCu（OH）2不生成沉淀。估算如下：c（Cu2+）=0.0001×0.04/1000=4×10-9mol/L，c（OH-）2=［（0.0001×0.04×kb/1000）］=［（0.0001×0.04×1.75×10-5/1000）］=7×10-14mol/L，Q=c（Cu2+）×c（OH-）2=2.8×10-22＜KspCu（OH）2，实验2不能生成Cu（OH）2沉淀。

实验1中，将5mL0.1mol/LCuSO4溶液和10mL 0.1mol/LNH3·H2O混合，c（Cu2+）=0.1×5/15=0.03mol/L，c（OH-）2=［（0.1×10×Kb/15）］=［（0.1×10×1.75×10-5/15）］=0.12×10-5mol/L，Q=c（Cu2+）×c（OH-）2=3.6×10-8＞KspCu（OH）2，所以能生成Cu（OH）2沉淀。

【总结】CuSO4与NH3·H2O能否反应生成沉淀Cu（OH）2，需要通过定量计算、比较Q与KspCu（OH）2大小进行判断。溶液中生成沉淀的条件遵守溶度积规则，当难溶物的浓度商大于溶度积才能生成沉淀，发生化学反应。

设计意图：本环节中，学生需要通过收集隐性的定量证据证明硫酸铜和氨水能否发生化学反应。学生根据硫酸铜和氨水混合c（Cu2+）、c（OH-）计算浓度商，充分证明实验1能生成沉淀、实验2不能生成沉淀。推理路径为：计算混合溶液的c（Cu2+），估算稀氨水中的c（OH-）→计算Q=c（Cu2+）×c（OH-）2→比较Q和KspCu（OH）2大小→解释能否发生反应。学生收集定量证据，经过多步推理，科学地、准确地、充分地证明溶度积规则可以作为化学反应发生的证据，发展水平3。

【环节4】收集多元证据推理发生反应

【教师】演示实验3：将2mol/LNH3·H2O逐滴加入0.5mol/L5mLCuSO4溶液，生成蓝色沉淀，滴加过量氨水、振荡试管沉淀不消失，如何解释现象呢？

【教师】演示实验4：向0.5mol/L5mLCuSO4溶液加入氯化铵固体，再滴加2mol/LNH3·H2O，生成蓝色沉淀，滴加过量氨水、振荡试管，沉淀消失，最终生成深蓝色溶液。［9］如何解释现象呢？

【学生】讨论，分析如下：实验3中，浅蓝色溶液→蓝色沉淀，证明氢氧化铜不溶于氨水。实验4中，浅蓝色溶液→蓝色沉淀→深蓝色溶液。两个实验现象为什么不同？学生计算实验3中反应①的平衡常数K：

K很小，从限度上判断氢氧化铜不能溶于氨水（实际上溶解速率很慢）。

实验4涉及如下反应：

则①+②=反应③：

向氨水、氢氧化铜加入足量铵盐，NH4+耦合OH-，使平衡常数增加3.24×109倍，有效促进了氢氧化铜的溶解、生成更稳定［Cu（NH3）4］2+，减少c（Cu2+）。

【总结】Cu（OH）2与NH3·H2O不能反应生成铜氨络离子，向溶液中加入足量的铵盐，铵盐和OH-反应耦合，极大增加化学反应平衡常数，生成深蓝色、更稳定的铜氨络离子。沉淀能否有效转化为络离子，可以通过耦合反应等条件调控增大反应常数、发生化学反应。

设计意图：本环节中，学生需要收集多元证据判断氢氧化铜和氨水能否发生化学反应。学生要根据宏观证据判断氢氧化铜不能溶于氨水、加入铵盐可以生成铜氨络离子，然后收集微观证据书写氢氧化铜和氨水、铵盐反应的离子方程式，最后通过定量计算解释原因。推理路径为：沉淀颜色是否变化→基于多重平衡规则计算简单反应和复杂反应的平衡常数→比较K的变化→解释能否发生反应→基于“N和OH-耦合”解释氢氧化铜与氨水发生反应的原因。学生收集多元证据，经过多步推理，科学地、准确地、充分证明耦合反应可以拉动化学反应，解释证据对结论形成支撑的因果关系，发展水平4。

【课堂作业】

问题1将0.1mol/L5mLCuSO4溶液和0.1mol/L 10mLNH3·H2O混合，生成蓝色沉淀常含有碱式硫酸铜CuSO4·Cu（OH）2，如何证明沉淀中含有硫酸根？

问题2［Cu（NH3）4］2+是稳定存在的络离子，你能否从结构的角度收集证据说明原因？

设计意图：问题1基于沉淀的复杂性，培养学生设计实验方案、收集熟悉证据的能力：加足量盐酸溶解、再加氯化钡检验。问题2培养学生收集结构证据理解［Cu（NH3）4］2+稳定存在原因：基于晶体场理论知Cu2+形成的八面体场，失去能量较高、z轴方向的2个配体水分子，4个氨分子在x轴和y轴方向成平面正方形，获得更多的晶体场稳定化能（John-Teller效应）。上述2个问题是主题教学内容的延伸，培养学生从实验探究、文献查阅的角度进行科学论证的能力，发展学生证据推理的综合素养。

四、结束语

证据推理是重要的学科思维方法，本文解构了证据推理的内涵，从收集证据的类型、推理形成结论的过程划分证据推理的水平。教学中以氯化铜和氨水反应为例，基于真实的实验情境，以学生活动为主体，采取多样的教学活动，基于宏观沉淀颜色变化、微观粒子浓度变化、溶度积规则、耦合反应等证据判断化学反应是否发生，促进学生认识思路的结构化发展，提升学生的证据推理水平。