基于证据推理与模型认知的教学实践探索

成迎春

摘要：以“原子的结构”教学为例，复原化学史实、创设驱动任务，培养学生形成基于证据推理与模型认知的核心素养，提升学生化学学科观念和学科思维能力，对在理论教学中落实化学核心素养教学进行有效探索。

关键词：证据推理;模型认知;核心素养;原子结构;教学设计

文章编号：1008-0546（2020）02-0045-03 中图分类号：G632.41 文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2020.02.014

《中国学生发展核心素养》认为核心素养是学生应具备的，能够适应终身发展和社会发展需要的必备品格和关键能力。高中化学核心素养包括“宏观辨识与微观探析”“变化观念与平衡思想”“证据推理与模型认知”“科学探究与创新意识”“科学态度与社会责任”5个维度，五类素养各有侧重，相辅相成，全面展现了学生通过化学课程学习形成的关键能力和必备品格。本文就“证据推理与模型认知”谈一谈个人的认识，并结合“原子的结构”一课的教学说一说具体的做法。

一、借助于实证推理、模型认知研究化学物质是化学思维的典型特征

科学家经过一定的观察、调查、实验，收集大量数据，利用想象、比对和对比的方法，建立一个仿真的、简洁的描述，这就是科学模型。在科学研究中，科学家总是使用各种科学模型来表示难以直接观察的东西，模型认知是一种重要的思想方法，它可以帮助人们理解并解释我们看到的宏观表现，并能用来预测物质可能会表现出哪些性质。

科学的发展过程是一个不断建立科学模型和用新的科学模型代替旧的、不完善的科学模型的过程。在建立模型和修正模型的过程中，对信息进行加工的思维方式就是证据推理。

二、证据推理与模型认知的科学素养的养成需要通过深度教学来推动

深度教学指教师借助于一定的活动情境带领学生超越一般的表层知识符号学习，进而进入知识内在的逻辑形式和意识领域。根据知识内涵的丰富价值，完整地实现知识教学对学生的发展价值。深度教学并不是要求教授更难的知识，而是要求教师根据学情的实际情况，尽可能让学生掌握更多的知识，追求教学的广度，创造真实的情景，提升学生的学科思维、学科观念。

三、证据推理与模型认知的科学方法的落实需要以学生为主体

学生只有通过自主、合作、探究等多样化的亲身经历，才能很好的获取知识，让学生经历“收集证据一建立模型一再收集证据一修正模型”这一过程，使学生不断探索与实践，有利于形成化学学科观念和化学核心素养，培养科学的发现者。

下面以“原子的结构”一课教学为例谈谈在教学中如何让学生经历和体验“证据推理与模型认知”。

四、教学设计

1.学情分析及设计思路

通过八年级物理的学习，学生已经初步了解了一些分子、原子的知识。知道微粒性，并能够解释一些常见的现象：蒸发、升华、热胀冷缩等。在九年级化学第1章学习中，学生也接触了一些关于物质构成的初步知识，并通过对金刚石与石墨微观结构模型的观察，认识到物质都有一定的组成和结构，结构决定性质。这些内容对本课的学习具有铺垫作用。

值得关注的是，学生虽然已有微观构成的一些印象，但九年级学生的想象能力偏弱，对本节内容学习不利。因此在教学中应辅以丰富的具体事实作为抓手，以丰富的活动作为载体，引导学生抓住证据，学会分析、推理、想象、抽象、比对的科学方法，通过亲历化学探索活动建立相关科学模型，了解原子的结构，形成一定的化学学科思维，体验科学研究的艰辛与喜悦，形成一定的科学观念。

2.教学过程

（1）巧设开场活动，激发学生探究兴趣，培养科学推理的方法

宏观的、具体的事物容易被学生接受，在化学中，我们所做的观察都是从宏观开始，然后再去探索微观层面的结构。因此，课前给每一小组准备了一个包装精美的礼盒，里面放了2盒不同颜色粘土、三种颜色的磁球（多个）、几小袋曲奇饼干和半个洋葱。要求学生在不打开礼盒的情况下，想尽办法推测礼盒里物质形状、大小、数量等信息。

该活动旨在帮助学生建立结论和证据之间的关系，知道通过收集证据、分析、推理等方法研究物质是一种常用的科学方法。

（2）立足化学史实，引导学生推理，初步建立科学模型

科学理论是要经过反复验证的，长期以来，人们根据各种实验数据提出了各种原子理论，相应的建立了对应的科学模型。随着收集的证据越来越丰富，原子理论和模型也在不断完善。课前整理并选择一些原子发现的化学史实，制作成微课或图形并茂的PPT，带领学生一起站在巨人之肩，重温原子发现之旅，像科学家那样去思考，像科学家那样去探索（表1，图1-6）。

（3）精设练习和问题，培养学生收集证据的意识和分析推理的素养，修正模型认知

设计一系列的问题或练习，引导学生产生矛盾、困惑、顿悟，丰富证据，不断修正完善模型认知。

问题1：让学生用硬币为模板在纸上画一个圆，以此代表居于原子中间的原子核，量出直径，要求学生估算原子的直径边缘大约在哪里，通过计算用数据证实观点。

问题2：已知氢、氦、碳原子的电子数分别为1、2、6，要求学生用玩具磁球在黑板上摆出卢瑟福的原子模型。

问题3：原子核带正电，几乎集中了原子所有的质量，核外电子带负电荷且质量非常小，为什么电子不会被原子核吸在一起呢？

问题4：一个原子有几个原子核？原子核还能不能再分？

通过一系列的问题链，可以让学生加强已有的原子模型认识，又可以为丰富学生的证据，进一步完善模型认知作好铺垫。学生搭建多电子的原子模型时就会心存疑问：一个原子有几个原子核？原子带不带电？多个电子怎样排列？教师则可抓住学生的思维的矛盾，引领学生分析、推理得出正确的认知，并适时抛出新的证据。

通过微课或PPT展示近代原子的发展：1913年，汤姆生和卢瑟福的学生波尔提出：电子具有一定数量的能量，这些能量使得它们能够在特定的轨道上运动。就像行星在稳定的轨道上绕太阳旋转，或者像洋葱的各个皮层。1919年卢瑟福和他的助手用α粒子“轰击”氮原子核等，发现原子核里面有带正电荷的质子，每个质子所带的电与电子所带的电荷量相同，电性相反。1932年查德威克用α粒子“轰击”铍原子核等实验，从原子核中得到了一个不显电性的粒子，命名为中子。中子的质量与原子的质量几乎相等。

问题5：观察部分原子结构表（表2），要求学生分析得出信息，并用磁球搭建具体中子和质子的原子模型。

学生通过对表格中数据的收集，比对，可以推理出很多结论：不是所有的原子核中都要中子;中子數目不一定等于质子数;质子数=核外电子数;不同原子中子数可能相同……

问题6：在磁性黑板上用硬币画一个圆代表原子核，每隔一定距离画几个同心圆或用安全的飞镖玩具，让学生用磁球扔原子核。

1920年化学家海森堡提出测不准原理：实验发现无法精确测量某个电子在某个时刻的位置与动量。通过图片展示现代原子的电子云模型。

五、教学反思

综上，在教学生不仅关注学生学科知识的掌握，更在于关注学生通过以上的探索和学生亲历，形成分析问题、收集证据解决问题的思路。培养学生的证据意识，推理、想象和建立模型的能力，提高科学素养。问题探究和实验探索是培养化学核心素养中“证据推理与模型认知”的主要手段。通过真实的化学情景，精心设计问题和学生活动，重复展开讨论，培养学生收集并丰富证据，依据证据进行推理和修正科学模型，养成良好的科学思维，真正做到像科学家那样思考，像科学家那样探索，知识能力方法并重，动手动脑趣味无穷，让科学成为习惯。