发展学生证据推理素养的项目式教学

江合佩 陈寒与 张贤金

摘要： 以“科学家首次通过视频捕捉到原子的形成和化学键的断裂”作为真实情境，解构其中蕴含的化学键等学科难点问题，设计成能力不断进阶的四个挑战性学习任务。通过建立数据、图像与核心知识的有效关联，进行证据推理，形成对原子间相互作用的知识系统化、结构化认识，发展学生的证据推理意识，培养学生的科学探究与创新意识素养。

关键词： 情境解构; 模型建构; 证据推理; 创新意识; 项目式教学

文章编号： 1005-6629（2022）05-0050-08

中图分类号： G633.8

文献标识码： B

1 项目教学主题分析

我国基础教育化学课程改革的基本走向之一是课程内容重视反映化学知识的创新与发展，既缩小中学化学与现代化学的距离，又重视中学生的可接受性，让学生更好地适应现代生活化学化的现实[1]。《普通高中化学课程标准（2017年版）》在“基本理念”中指出“以发展化学学科核心素养为主旨，选择体现基础性和时代性的化学课程内容”[2]。分子及其聚集态逐渐成为现代化学主要研究对象，构成分子及其聚集态的微粒运动越来越受到人们的关注。科学家第一次通过视频捕捉到了原子的形成和化学键的断裂[3]，使得过去只能靠猜测和想象的微观原子间化学键的演化、断裂和形成过程变得清晰可见。这样具有鲜明时代特征和高度挑战的情境素材如果引入真实的课堂教学，设计成项目式学习，无疑对培养学生的科学探究与创新意识素养有着不可估量的价值与意义。

科学理论和规律是不同类型的科学知识，但两者都有证据支持，可以根据新的证据或数据解释进行修正[4]。所谓证据是“一系列可用的事实或信息，表明某个信念或主张是真实或有效的”，其具有真实性、关联性、唯一性和同一性[5]。本项目式学习可作为选择性必修《物质结构与性质》第二章“微粒间相互作用与物质性质”单元复习课，通过设计探究活动与小组合作学习，主动发现有用的数据和图像信息，并与已学核心知识建立有效关联，形成证据推理，得出结论。其操作流程如图1所示。

2 项目教学目标

根据课程标准的内容和学业要求，结合学生实际的认知基础，制定教学目标如下：

（1） 通过用于微观结构测定和分析仪器介绍，尝试结合图像证据和数据证据，了解微粒间相互作用的情况，建立科学探究的一般程序，构建化学科学研究过程的方法模型。

（2） 利用科学探究方法模型，引导学生大胆猜想，寻找证据，推理论证，进一步认识共价键的特点。

（3） 通过对Re2分子在电镜下后续的异常行为进行深入分析，进而推测化学键转变的可能性，培养学生敢于质疑和批判，拓展分析和解决问题的角度与思路，激发学生探索未知世界的热情。

3 项目任务及教学流程

根据教学目标，遴选“科学家首次捕捉到原子化学键的形成和断裂视频”真实情境，抽提出原子间相互作用的相关学科核心知识，将其转化为驱动性问题，设计四个不断进阶的学习活动任务，教学思路如图2所示。

4 项目实施及学生学习结果

4.1 情境引入： 科学家首次捕捉到原子化学键形成和断裂视频

[情境导入]请欣赏宏观的冰晶体与微观的水分子结构之间的差异（图略），分析宏观特征与微观结构之间的关系？

[生]宏观特征反映微观结构，微观结构决定宏观特征。

[追问]水分子内H—O键的键长只有0.1～0.3nm，是头发丝60万分之一，能否用肉眼直接观测得到？

[提供信息]研究物质微观结构的工具： 透射电子显微镜（TEM），可观察物质表面结构、解析原子的位置、时空连续性采样成像。

[播放视频]播放2个铼原子形成化学键并断裂的视频。

[设疑]原子以化学键的形成和断裂而闻名，这一过程对宇宙万物来说至关重要。但因为它发生在非常小的范围内，所以很难对其展开研究和记录。前不久，来自诺丁汉大学的安德烈·霍尔比斯托夫教授和乌尔姆大学的曹克诚博士首次通过视频捕捉到了原子的形成和化学键的断裂。如何辨识其微粒间的相互作用力呢？

设计意图： 以宏观世界冰晶体与微观世界水分子内作用力的关系引发学生对微观世界探秘的兴趣;播放铼原子化学键的形成和断裂视频，设计挑战性任务，激发学生主动探究的愿望。

4.2 任务1： 辨识微粒间作用力

[活动与探究]观察2个铼原子与铼金属簇运动以及核间距的差异性（如图3），提出合理的猜想。你是根据哪些证据得到相关结论的？

[组1]2个铼原子为独立的原子，猜想是弱作用力即范德华力。

[组2]2个铼原子虽然为独立的原子，查阅铼原子半径为0.188nm，测得其核间距为0.22nm<0.376nm（原子半径之和），因此猜想是强作用力即化学键。

[师]非常好，组1是从定性的视角、组2是从定量的视角，到底是哪一组的分析是正确的呢？证据是否充分呢？

[提供信息]铼原子在碳纳米管基底上从72～87s的运动情况如图4所示。

[生]根据图4可获得“在电子束激发下，两原子以整体形式移动”的证据，由此可推理得出2个铼原子间存在强作用力即化学键。

[方法导引]科学研究的一般过程如图5所示。

[提供信息]铼（Re），原子序数为75，过渡金属元素，电负性为1.9，原子半径为0.188nm。

[追问]2个铼原子间的化学键属于哪种类型，提出猜想，提供证据，分析得出合理结论。

[组1]无得失电子情况，不属于离子键。

[组2]不存在“自由电子”和金属阳离子之间的强相互作用，不属于金属键。

[組3]观察到两个铼原子沿着碳纳米管移动，原子振动过程中从圆形变为椭圆形，说明有电子云重叠，因此可从电子云形状判断为共价键。

[组4]分析数据： （1）电负性1.9，接近2.0;（2）核间距<半径之和，因此倾向于共用电子;又原子轨道重叠，所以化学键为共价键。

设计意图： 通过呈现2个铼原子在碳纳米管上的运动数据，有效关联化学键、范德华力;离子键、共价键、金属键等核心知识，通过证据推理，得出合理结论，打破学生认为金属原子之间作用力为金属键的错误认知，发展学生证据推理意识，培养学生创新思维。

4.3 任务2： 共价键模型的再认识

[提供信息]Re2分子键长与成键数目的关系见表1。

[设疑]结合图4和表1数据，分析81s时碳纳米管上吸附的Re2分子中铼原子间的共价键数目及类型。

[组1]透射电镜中呈现出的Re2分子中Re—Re键平均键长为0.22nm，因此Re2主要形成四重键。

[组2]两原子间形成共价键，原子轨道仅能形成一个“头碰头”重叠，其余为“肩并肩”重叠，因此Re2分子内含有1个σ键、3个π键。原子轨道重叠程度大，键能大。

[拓展分析]分子轨道理论认为，有d轨道参与成键，形成的是1个σ键、2个π键、1个δ键，如图6所示。

[提供信息]铼原子在碳纳米管基底上从89～132s的运动情况（如图7所示）。

[提问]根据图7电镜图像，找出异常现象，并推测Re原子间作用力变化情况。

[组1]分析89～94s透射电镜图可知，89s时，原子变椭圆，核间距略大于单键键长;94s时，原子变圆，核间距大于2倍半径，基于以上证据可得共价键逐渐断裂。

[组2]分析94～132s运动情况可知，94s时，原子为圆形，核间距略大于2倍半径;132s时，原子变椭圆，核间距接近单键与四重键键长，基于以上证据可得共价键逐渐形成。

[师]非常好，89～132s过程中，核间距增大→轨道重叠减小（89s）→原子伸缩振动→共价键断裂（94s）→形成共价单键（97s）→碰撞、轨道重叠→轨道进一步重叠、核间距减小，形成共价四键（132s），通过图像证据观察到了共价键断裂与形成的真实过程。

[提问]Re2分子中

四重键键能很大，为何会自行断裂？大胆猜想，收集证据进行合理推理。

[生]通过化学键成键与断裂的过程可知，Re2分子中四重键断裂可能是因为受到外力作用或吸收额外能量。

[活动与探究]Re2分子受到哪些外力作用，找出相应的证据，进行合理的推断;Re2分子可能会采取哪种方式吸收能量，找出相应的证据，进行合理的推断。

[小组合作]提出猜想，寻找证据，进行分析推理。

[师]哪个小组愿意分享成果？请用表格进行展示。

[组1]见表2。

[组2]见表3。

[追问]根据表4提供的数据分析，碳纳米管中碳原子杂化类型是什么？随着碳纳米管管径的增大，碳原子杂化类型的变化趋势是什么？据此分析碳纳米管具有导电性的原因。

[生]碳纳米管的碳碳键长介于金刚石（sp3杂化）和石墨（sp2杂化）之间，且更接近于石墨的碳碳键键长，因此以sp2杂化为主，类似于单层石墨烯，具有离域大π键，具有很好的电学性能。

设计意图： 通过“Re2分子内共价键类型”“共价键断裂与形成的真实过程”“稳定的四重键为何会断裂”三个学习活动的设计，层层深入，利用数据与核心知识层层推进，寻找证据，有序推理，深度解构该学术前沿问题探索情境的内核与价值。

4.4 任务3： 化学键的转变

[提问]根据图8观测可知，铼原子在电镜上的黑点距离变小（无法测量N/A），铼原子轨道能否进一步重叠，由四重键转变为五重键？提出你的猜想并进行实验模拟。

[活动与探究]铼原子在电镜上的黑点距离变小的原因是什么？尝试从电镜视角进行如下模拟实验（如表5）： （1）推测Re2分子可能的运动形态;（2）绘制运动形态的俯/侧视图。

[提供信息]模拟Re2与碳纳米管相互作用的运动形态如图9所示。

[生]从原子轨道重叠角度，如果铼原子核间距进一步减小，极有可能是铼原子轨道进一步重叠，转变为五重键，但是受限于原子核以及电子之间的排斥，铼原子轨道无法进一步重叠，四重键无法转变为五重键。

[提问]根据图10所示，Re2最终并入了铼原子簇，铼原子间作用力发生了什么变化？

[提供信息]单层铼原子簇排列情况的电镜图像如图11。

[生]Re2分子并入铼原子簇时，共价键转化为金属键，证据是单层的铼原子簇呈现单层晶体铼的密置层紧密排列。

设计意图： 通过“化学键的转变”两个活动与探究，进一步学会寻找有效数据与核心知识建立有效关联，形成证据，进行合理的推理，得出化学键在一定条件下可以相互转化的结论，向纵深处发展学生证据推理的化学学科核心素养。

4.5 任务4： 构建探寻微观化学键的奥秘分析模型

[师生归纳]从探寻微观化学键的奥秘，带领学生体验科研过程，运用最新技术探寻化学模型的证据中抽提出基于证据推理构建化学键模型的一般思路，从原子间作用力辨识、共价键的断裂与形成、化学键的相互转化三个视角构建分析模型，如图12所示。

设计意图： 从学术探索情境抽提出核心知识并寻找证据，建立知识与证据之间的逻辑关系，进行演绎推理，建构思维模型，从解决具体问题远迁移至解决更加开放、复杂的问题。

5 项目式教学效果及反思

本项目通过设计四个进阶的学习任务，从学生已有的认知出发，以解决学术探索情境问题——“人类第一次观察到化学键的斷裂与形成”为主线，精心设计探究活动，在问题解决过程中，形成基于证据推理构建化学键的思维模型。学生在学习过程中获得以下三个方面的成长。

一是激发了主动探究的欲望。以前对于学生来说，科学家正在做的事情高不可攀，总觉得科研工作神秘感特强。本项目带领学生利用核心知识寻找证据，有序推理，层层抽丝剥茧，最终实现了问题解决。实践表明，精心设计挑战性的学习任务，不仅不会吓跑学生，相反会激发学生内在的学习动力，引导学生像科学家一样思考问题，从基于知识的教学走向基于发展学生化学学科核心素养的教学。

二是打破了知识之间的壁垒，实现了知识的结构化。化学键由于概念抽象难以理解，因此在日常教学中教师们习惯将离子键、共价键、金属键等基本概念用表格的形式进行严格的区分，并让学生强行记忆，这样的结果是学生面对真实复杂情境的时候往往一筹莫展，解决问题的思路和方法过于僵化。学生在学习本项目之前，解答2017年海南卷第21题“结合SiX4的沸点和PbX2的熔点的变化规律（如图13），可推断： 依F、 Cl、 Br、 I次序，PbX2中的化学键变化趋势”这一设问的时候，大部分学生找不到解决问题的角度，有少部分学生虽然找到解决问题的思路和方法，但又因为日常教学中教师对离子键、共价键的界限区分太严格，没有勇气从“化学键的离子性减弱、共价性增强”进行阐述，严重阻碍学生创新思维的发展。创新的前提是知识的结构化，即知识的有效融通，从知识的结构化走向知识的功能化。怎么打通知识之间的壁垒，选择一个适切的情境就显得很有必要。本项目很好地从“化学键→化学键种类→共价键的断裂→金属键的形成”思路出发，将真实情境问题解决与知识结构化双线并行，打通了学生的认知壁垒，破除了前概念的束缚，实现了知识

的多点结构向拓展抽象结构进阶。

三是实现了知识的功能化向素养化的进阶。本项目实施后，通过“科学家合成联苯烯（如图14）”[6]之间的相互作用力分析，探查学生分析“物质b之间可采取‘HF拉链’相互识别活化位点的原因”等问题的理解，实验班95%以上都能找到“电负性”与“静电作用”并进行有效关联，65%以上的学生从“共用电子，电子对偏向”的角度进行准确的阐述，而对照班的学生因为该情境过于前沿，设问过于新颖，基本没有角度或者思路，整个问题的难度陡然上升。通过对照实验说明在教学中引入前沿学术情境，实行“情境解构，模型建构”双线并行的教学策略在帮助学生形成认知角度和认识思路方面效果显著。这也告诉我们，进行教学设计的时候，不应仅仅聚焦某个具体问题的解决，而要在具体问题解决的基础上，抽提出解决一般问题的思路和方法，远迁移到更加真实、復杂、陌生的情境，实现知识的功能化向素养化发展。

参考文献：

[1]吴俊明. 刍议新阶段我国基础教育化学课程的发展走向[J]. 化学教学， 2021， （7）： 1～7.

[2]中华人民共和国教育部制定. 普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）[S]. 北京： 人民教育出版社， 2020： 2， 90～91.

[3]Cao K.， Skowron S.T.， Biskupek J.， et al.. Imaging an unsupported metal-metal bond in dirhenium molecules at the atomic scale [J]. Science Advances， 2020， 6（3）： eaay5849.

[4]裴新宁， 郑太年. 国际科学教育发展的对比研究——理念、主题与实践的革新[J]. 中国科学院院刊， 2021， 36（7）： 771～778.

[5]李晓明. 浅析化学教学中证据应具有的“四性”[J]. 化学教学， 2021， （7）： 27～32.

[6]Qitang Fan， Linghao Yan， Matthias W. Tripp， et al. Biphenylene network： A nonbenzenoid carbon allotrope [J]. Science 2021， 6（3）： 852～856.