模型认知在科学探究中的教学实践研究——以“氢氧化钠和二氧化碳的反应是否发生”为例

成斌斌

（苏州文昌实验中学校 江苏 苏州 215100）

一、问题的提出

科学探究是学习化学、提高学生学科素养的有效途径。在进行科学探究专题复习时，可以某一个典型实验为“小切口”，以学生当前亟待解决的问题为出发点，用化学学科思想方法来引领，设计合适且递进的问题链，帮助学生快速梳理知识点和总结方法经验，引导学生自主探究，发现问题、解决问题，最终建立知识方法体系与问题解决之间的联系，提高学生的参与积极性。［1］

模型是人们为了达到对目标对象进行解释、认识或研究等特定目的，对目标对象所作的一种简化的、直观的、定性或定量的、文字或图形的描述，具有描述（利用模型对物质的结构、变化进行简单化、可视化的表征）、解释（利用模型解释现象与本质的关系）、预测（利用模型对性质、变化进行预测）、系统化知识（利用模型将知识系统化、有序化、结构化）的功能。［2］通观江苏省近年中考化学卷中的科学探究题，对学生的考查已逐渐由“知识主体”转向“能力主体”。因此，在科学探究专题复习过程中，关注模型建构，外显思维过程与方法，有益于启发学生掌握科学方法，实现在学习中从分析“一个变化”到研究“一类变化”的转变。

二、内容分析和模型建构

1.整合前经验，建立基本模型

化学变化通常伴随有发光、放热、产生气泡、生成沉淀、颜色变化、气味变化等现象。而氢氧化钠与二氧化碳的反应并无明显现象，如何证明反应是否真的发生了呢？以此问题为支点开展科学探究。在进行问题解决时，可先梳理已有知识，找到可借鉴的事例，总结其方法原理。通过类比、迁移、归纳等方法由点及面得出解决此类问题的一般思路，将相关化学知识结构化，并迁移到当前问题中来。经梳理后，从教材中找到可被借鉴的实验如表1所示：

表1 教材中可借鉴实例

对以上事例进行分析汇总可知，证明一个无明显现象的化学反应是否发生，通常有三种基本方法。据此，通过讨论建立研究“无明显现象的化学反应是否发生”的基本模型如图1所示。

图1 基本模型的建构

2.结合微专题，深化模型细节

将图1 中的基本模型适配到本微专题的研究中。先从宏观、微观两个角度分析氢氧化钠与一定量二氧化碳反应过程中的物质和微粒变化情况，将分析结论与模型相结合，找到合适的研究路径，将微专题科学探究细化成几个子实验探究过程：①（宏观）证明二氧化碳的消失或水的生成；②（微观）证明氢氧根离子的消失或碳酸根离子的生成。结合离子的检验方法，温度、压强、二氧化碳浓度等物理量变化，梳理每个子实验目的的研究方法，形成本专题研究的细化模型如图2所示。

图2 细化后的模型

3.进行科学探究，建构学习模型

科学探究可促进对学科的理解，激发兴趣与动机，培养创新意识、怀疑求证精神（证实或证伪）。成功的科学探究过程可帮助学生养成科学思维习惯，理解科学本质。以实例1（见表1）的分析过程为例，过程中学生的思维发展过程见图3。

图3 实例1中学生思维发展路线

成功实施科学探究教学还存在一些需关注的问题和要点。一是要多维度挖掘科学探究的教学功能价值，不能以完成验证性实验和夯实实验基本操作为主要指导思想；二是教学过程中需“探”“究”结合，鼓励学生“动手”“动脑”；三是科学探究的实验设计要与时俱进，增强对数字化技术手段的应用，不断提高实验的科技含量。［3］

本课的科学探究过程是在对氢氧化钠和二氧化碳的微专题复习过程中围绕阶段性的特定问题展开的。教师以问题解决为主要目标，以实验为线索，以问题为驱动，组织了包括归纳讨论、动手实验（传统实验及数字化实验）、设计实验、表达交流、收集证据和查阅资料等多样化的学习方式。学生在探究过程中解决了原有问题，并通过优化认知模型形成了解决此类实验问题的思路模型，并通过实验设计加以运用，提升了学生的化学学科素养。［4］在此过程中，学生通过思考、体验和总结，对科学探究进行了模型建构（如图4所示），并将该模型运用到每个子问题的解决中。

图4 科学探究模型建构

三、科学探究实施过程

1.基于问题，构建模型

【情境1】氢氧化钠溶液中通入二氧化碳，观察现象，并基于元素化合物的相关知识推断反应的发生及反应前后物质、微粒种类的变化。

【问题1】如何证明氢氧化钠与二氧化碳确实发生了反应？

【学生活动】寻找教材中类似无明显现象的反应的观察方法（见表1），并总结思路，构建解决此类问题的基本模型（见图1）。

【问题2】从宏观和微观两个角度分析氢氧化钠与二氧化碳反应的本质。

【学生活动】从宏观和微观两个角度分析反应本身，对本课科学探究几条可能路径进行思考，细化基本模型（见图2）。

【问题3】实例1 中紫色石蕊试液变红一定能说明二氧化碳能与水发生反应吗？如何基于问题进行科学探究？

【学生活动】分析二氧化碳溶液中的物质种类，对实验进行分析和改进，并总结进行科学探究时需注意的问题（见图3），构建科学探究的一般模型（见图4）。

设计意图：通过本环节的学习，帮助学生分析已学知识，建构研究问题的方法模型，培养模型建构能力；强化宏微结合看反应的意识，引导对反应实质的理解；强化实验设计的科学性、严谨性，帮助构建科学探究的研究模型，为本课学习打下基础。［5］

2.迁移运用，深入探究

【情境2】从宏观角度看，反应的发生可依反应物的消失或新物质的生成进行判断。本反应中具体落实在“反应前二氧化碳的消失”和“反应后水的生成”。

【问题4】如何设计实验证明反应后二氧化碳是否消失，从而推断出反应的发生？

【学生活动】结合学习经验和物理学相关知识，提出可通过气体检验、压强变化、数据测定来表征。基于科学探究模型（见图4）对本问题进行研究，其过程见表2。

表2 通过证明二氧化碳消失推断反应发生的研究过程

【问题5】欲证明有水生成，需排除原反应物里的水。结合相关知识，你能提出相应的验证方案吗？

【学生活动】见图5。

图5 通过检验水的生成表征反应发生的研究过程

3.宏微结合，发展认知

【情境3】从微观角度看，反应发生时应该伴随有反应前某微粒的消失和反应后新的微粒的生成。本反应中具体落实在“氢氧化钠中OH-的消失”和“碳酸钠中CO2-3的生成”。

【问题6】从微粒的角度看，随着反应的发生，氢氧化钠溶液中哪种微粒在不断减少？结合该微粒的检验方法，你能提出相应的验证方案吗？

【学生活动】见表3。

表3 通过证明OH-的减少推断反应发生的探究过程

【问题7】从微粒的角度看，随着反应的发生，溶液中除了水分子，还有什么新的微粒生成了？结合该微粒的检验方法，你能提出相应的验证方案吗？

【学生活动】交流讨论，提出多种可行方案如表4所示。

表4 通过证明的生成推断反应发生的实验设计

【演示实验】向氢氧化钠溶液中加入不同浓度的氯化钙溶液，观察现象如图6所示。

图6 向氢氧化钠溶液中加入不同浓度的氯化钙溶液

【学生活动】查阅资料：氢氧化钠与氯化钙反应需要看反应物的浓度，氢氧化钙是微溶物，两个溶液中钙离子和氢氧根离子达到一定浓度，就会生成氢氧化钙沉淀。因此方案二有局限性。

设计意图：在2、3 两个环节的研究过程中，将科学探究的模型代入具体问题的研究过程进行运用，在问题驱动下让学生有条理地设计实验，进行反思，改进实验，将传统实验、数字化实验、生活实验有效结合在一起多角度解决同一问题。在使用模型的过程中不断完善模型，从而使模型更完整。［6］在实验设计方面，从定性和定量相结合的角度让学生直观体会氢氧化钠与二氧化碳反应过程中压强、二氧化碳浓度、温度、pH 等物理量的变化。学生积极参与了思考、讨论、分析、预测、批判、创新等活动，通过“高投入”的学习与同组成员及教师进行了“高互动”的交流，有效达成了知识、思维、能力多重发展的目标，充分体现了在学习过程中进行模型建构的必要性。

4.类比迁移，拓展思维

【情境4】水是最常用的溶剂。但在有些过程中，为提高溶质的溶解能力，得到更明显的反应现象，可以将溶剂更换成酒精、汽油等有机溶剂。如：水不能清洗油污，但汽油可以；碘微溶于水，却易溶于酒精；提取大豆中油脂时，用己烷为溶剂等。根据上述实验经验，验证氢氧化钠与二氧化碳是否发生反应时，水是重要的干扰因素。对此，若用纯酒精作为溶剂进行反应，是否会有现象出现？

【查阅资料】

表5 20 ℃时，各物质在无水乙醇中的溶解度

【演示实验】将1.5 g 氢氧化钠与10 mL 酒精配制成无色透明的溶液，向其中通入二氧化碳，观察到出现浑浊现象如图7所示。

图7 向氢氧化钠的酒精溶液中持续通入二氧化碳

设计意图：通过更换溶剂种类，使原本无明显变化的反应无需通过外力即表现出明显现象，拓宽了学生的思维角度，并可以引发学生对于“如果仍用水为溶剂，能否根据各物质在水中的溶解度不同而使反应产生现象”，将对反应的认知从定性认识发展为定量认识，体会化学的变化性。

四、教学反思

本课是基于“证据推理和模型认知”的微专题科学探究课。以“氢氧化钠与二氧化碳是否发生了化学反应”为专题，开展了一系列的科学探究活动。在此过程中，着力培养学生以下几个维度的能力：

1.模型建构能力

搜集类似实验，对其研究方法进行总结提炼，建构出判断无明显变化的化学反应发生的几条基本路径，以此为基石，对本课研究问题进行拆解和细化，先明确研究的角度，再设计研究的方案，在实验过程中再根据实际结论进行修改和完善。在应用中不断完善模型，通过反复修正、填充使模型更完整。

2.证据推理能力

在本课的科学探究过程中，多次遇到了困难。如向滴有酚酞的氢氧化钠溶液中通入二氧化碳，红色为何不褪去。通过查阅资料，学生明白了碳酸钠溶液为何显碱性的原因，以反应现象和资料信息为证据，推理出要检验原溶液中的OH-是否有剩余，需先将溶液中的CO2-3除去，从而设计出有效的实验方案。再如最后进行思维拓展时，以前经验中酒精、汽油、己烷在溶液配制、清洗油污、油脂提纯中的应用为切入点，以氢氧化钠、碳酸钠、碳酸氢钠在无水乙醇中的溶解度数据为证据，推理出通过更换溶剂可以使无明显现象的化学反应表现出现象，从而设计出有效的实验方案。传感器的引入使实验的科学性和数据的有效性大大增强。在证据推理过程中，学生的思辨能力得到了加强，意识到事实证据、现象证据、数据证据的有效性，体会证据推理的严密性和逻辑性。

3.科学探究能力

科学探究能力是指从事科学探究所必需的能力。一般包括发现科学问题、设计解决方案、进行科学实验、合理进行科学解释、搜集科学信息和必要的科学反思能力。本课以“氢氧化钠与二氧化碳是否发生了反应”为科学探究目的，学生通过前经验对方法进行提炼，对解决问题的路径提出几点猜想。再通过设计实验，进行实验验证证明该方法的可行性，并建构出解决此类问题的基本模型。在此过程中，学生独立思考，自主探索，人人有观点，事事皆可能，充分调动了学生的实验热情和探究欲望。在实验中思辨，不断提升其科学探究能力。