基于“证据推理”的教学设计

程渡安 汪丰云 冯明 叶佳

摘要： “证据推理”中的证据是多样且具有层次的，作者据新课标“证据推理”素养水平将其分为“宏观”“微观”“定量”及“多元”证据，构建“证据—活动”双线教学模式。以“沉淀转化”为载体设计教学活动，丰富学生基于证据推理的活动体验，锻炼学生证据收集、整合、分析和解决问题能力，从而培养学生的科学素养。

关键词：证据推理；证据；沉淀转化

文章编号：1008-0546（2023）07-0055-05 中图分类号：G632.41 文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2023.07.010

党的十九大提出，要以落实立德树人根本任务，发展素质教育，促进教育事业的高质量发展。新课标也明确以“发展学生化学学科核心素养”为主旨的基本理念。作为五大化学核心素养之一的“证据推理与模型认知”，强调以“科学探究”为载体，通过获取证据，基于证据进行推理，并建立认知模型等化学活动锻炼学生的逻辑思维，从而达到培养学生的化学核心素养的目标。因此，获取“证据”是整个素养的基础，本文从“证据”出发，以学生认知进阶的逻辑顺序为基础，将学生引入“证据”的化学世界，通过体验证据的收集、整合和分析过程，以揭开疑惑的“最佳真相”，并建立“证据—推理—结论”间的紧密联系。

一、证据的层次性

通过对新课标“证据推理”中四个水平[1] 的解读，发现每一级水平要求的提升，其证据要素也相应发生变化。结合新课标“证据要素”的表述，对化学学习中不同的“证据”层次进行划分：

第一层次为“事实”也就是“宏观”证据，指对实验现象、物质颜色、状态等客观事实的认知而获取的信息，是处于宏观世界的直接证据，识别与提取较为容易。[2] 教师可借助此类“证据”活动的预设，激发学生的证据意识。

第二层次为“微观”证据，指建立在宏观事实的基础上，借助现代技术展现的微观世界以及建立的相应微观模型，例如反应机理、分子结构模型等，属于间接证据。相比宏观证据，其研究视角趋于细微化、模型化。教师可预设“宏微”活动，拓宽学生证据视角，培养证据整合能力。

第三层次为“定量”证据，是指建立在“定性”的基础上，通过相关化学原理、规律的计算所得的“量”的信息，[3] 相比前两层次的证据而言，更强调“证据”的纵深化与数据可视化，学生需要一定的证据分析能力，以达到问题本质的解决。

第四层次为“多元”证据，[4] 多元证据指不同维度的证据信息或者通过不同推理手段获取的证据。相比前三层次证据，多元证据强调在“获取形式”或“属性”上的多样性、充分性以及相关性。[5] 通过收集与梳理多元证据，结合多种推理手段，建立起“证据-结论”的逻辑联系，[6] 获取最优结论。

综上所述，随着证据层次的递进，证据收集能力的要求逐渐变高，证据的处理方式趋于复杂，推理手段走向多样化，证据与结论的关系逐渐严谨化（见图1）。

二、 “证据—活动”双线教学模式构建

由证据的“事实化→微观化→纵深化→充分化”证据线为思路，设计“实验探究→微观动画→定量计算→讨论交流”活动线。递进的活动充分体现了科学研究视角的转变、研究手段的变更、推理思维的发散。具体模式如图2所示。

整个教学模式凸显“证据”主导，关注学生的思維过程与推理体验。实施策略上，应注意教师的引导及参与角色，注重学生主体的证据收集、分析、整合过程，以满足学生获得最优结论的成就感。

三、 “沉淀转化”设计流程

课题以实验探究中“AgCl转化为AgI”和“ZnS不能转化为MnS”两个事实证据，创造认知疑惑，引发学生对沉淀转化微观行为的求知欲。再以微观动画活动为载体，引导学生整合微观证据，做出“Ag + 与I - 结合倾向性大”的判断，即整合“宏” “微”证据推理出的第一条结论；为认清“倾向性”的本质，引入计算活动，借助资料数据，学生通过计算以“量”的“证据”揭露“沉淀转化”本质，得出“沉淀由K sp 大的向K sp 小的转化”的第二条结论。对于该结论的科学性，教师抛出论点问题，引发讨论思考，通过梳理“多元证据”以及“逻辑反推法”，对结论进行修正，逻辑关联“证据”与“结论”（见图3）。

四、教学实录

1. 生活化引入——打开沉淀转化的“大门”

【图片】蛀牙；含氟牙膏

【问】为什么长蛀牙？蛀牙与含氟牙膏又有什么关系？

【栏目资料】见图4。

【师】防蛀牙的本质是促使“Ca 5 （PO 4 ） 3 OH”转化为溶解度更小、更耐腐蚀的“Ca 5 （PO 4 ） 3 F”。那么沉淀转化的原理是怎样的？

【过渡】工业实践中需将一种沉淀转化为其他沉淀，下面从实验中探究沉淀转化奥秘。

2. 实验探究——认识沉淀转化事实

【学生实验1】沉淀转化实验探究（见表1）

【学生实验2】ZnS 转化MnS实验探究（见表2）

3. 动画模拟——走进沉淀转化微观世界

【矛盾的提出】

（1）为什么实验1中的沉淀可以实现转化，而实验2中却不能？

（2）一种沉淀是为何溶解又逐渐生成新沉淀的呢？其微粒行为是怎样的？

【过渡】尝试画出 AgCl 沉淀平衡状态、 “AgCl→AgI”沉淀转化的微观历程。

【动画】“AgCl→AgI”沉淀转化的微观历程（见图5）。

【师】AgCl在水中存在着可逆过程，AgCl表面会溶解，产生Ag + 和Cl - 进入水中；另一方面，同时存在AgCl形成的过程，刚溶解出的Ag + 、Cl - 附着于表面，和进入水中的Ag + 、Cl - 产生吸引力，水中的Ag + 、Cl - 又在表面重新结合形成AgCl。

【生】通过AgCl 转化为AgI的动画发现，起初的AgCl处于沉淀溶解平衡状态，随着I - 的加入，解离出的Ag + 和I - 结合形成了AgI，最终大部分转化为AgI沉淀。

【提问】基于已有证据谈谈AgCl转化为AgI的微观行为。

【生甲】AgCl原有沉淀溶解平衡随着I - 的加入而被破坏，Ag + 会结合I - 生成新沉淀。

【生乙】我觉得沉淀转化本质是因为：Ag + 更倾向于与 I - 结合而不是 Cl - ，从而刺激原平衡右移，导致AgCl溶解，最终形成AgI沉淀。

【思维梳理】见图6。

4. 定量计算——证据纵深发展，定量探求本质

【疑惑的提出】请同学们思考2个问题。

（1）随着I - 的进入，原AgCl沉淀溶解平衡为什么会被打破？

（2）为什么Ag + 更倾向于与I - 结合生成AgI？

【生】可能与沉淀性质有关；可尝试从K sp 思考。

【资料】见表3。

【师】问题（1）：达到平衡状态的Ag + 浓度约为多少？

问题（2）：需要结合多少浓度的I - ，可以将Ag + 抢走？

【计算】AgCl存在沉淀溶解平衡：AgCl （s） Ag +（aq）+ Cl - （aq） ， 查表得K sp （AgCl）=c （Ag + ）·c （Cl - ）=1.8×10 -10 ，即c（Ag + ）≈10 -5 。所以平衡状态Ag + 浓度约为10 -5 mol/L。

已知K sp （AgI）=9.3×10 -17 ，求得至少所需c （I - ）≈10 -12 。

因此，当加入的碘离子浓度只需超过10 -12 mol/L时（很易实现），Ag + 会与I - 结合生成AgI沉淀。

【教师】可用K来表示转化程度，K值越大，该转化反应进行程度越大。

用方程式表达转化过程：AgCl（s）+ I - （aq）AgI（s）+ Cl - （aq）

【计算】计算 K=c（Cl - ）/c（I - ），即 c（Ag + ）·c（Cl - ）/c（Ag + ）·c（I - ）=1.8×10 -10 /9.3×10 -17 ，得K为1.96×10 6 ，故该沉淀转化易实现。

【引导】按照该逻辑，请用数据证明ZnS无法转化为MnS。

【学生计算】假设ZnS转化为MnS可以实现，则理想转化方程为：

即c（Zn 2+ ）·c（S 2- ）/c（Mn 2+ ）·c（S 2- ）=1.6×10 -24 /1.4×10 -15 ，得K为1.14×10 -9 . 所以，K值极小，

转化难以完成。

【证据分析】见图7。

【生】可利用这条规律快速判断沉淀转化的可能性。

5. 讨论与证明——修正“沉淀转化”规律

【师】抛出论点问题：

（1）同学们总结出的规律，对所有沉淀间转化可能性的判断都一定适用吗？

（2）如果不适用，请同学们利用多元的证据或不同的推理方式去修正我们的结论，保证规律的科学性。

【讨论与证明】

生甲：通过对计算原理的概括以及翻阅资料，通过比较K sp 大小来判断“沉淀转化”可能性，需要基于“同型沉淀”的要求；例如AgCl与AgI，它们同属于AB型，符合判断规律。

生乙：Ag 2 S與AgI不为同型沉淀，之所以能转化，是因为K sp （Ag 2 S）极小。

生丙：结合活动所涉及的多元证据，可证明该结论的存在。

从事实证据：AgCl→AgI客观事实；微观证据：I - 的加入破坏了原平衡体系，与Ag + 结合生成新沉淀；定量证据：K值（1.96×10 6 ）较大；多元化的证据都充分证明了这一点。

教师：根据甲乙丙同学的论点，结论修正为：对于同型沉淀而言，沉淀可由K sp 大的向K sp 小的转化。

生丁：证据与结论的关系是要经得起推敲的。但是该结论的证明的手段单一，我对该规律的适用性提出质疑。

生戊：用反推法来获取证据，判断该规律的适用性。

【小组交流研究后，给出方案】见图8。

师：通过同学们集思广益，我们从多元化证据肯定了沉淀转化一般规律的存在，并通过不同的推理方式优化了沉淀转化结论，为今后学习与判断沉淀转化带来了便利。

五、教学反思

1. 充分利用教学中“证据”设计活动

“证据”为问题解决的首要信息，它是多样化的，或直观，或隐晦，证据的收集及推理更是需要一定的科学思维。认识到教学中证据的多样性与层次性，结合具体课例设计活动，有利于提高课堂中学生参与的质量，帮助学生建立起“证据”主导的研究思路。

2. 善用“问题”引导，带动活动进程

“证据-活动”双线教学模式需要教师的问题引导，教师预设的“问题串”是学生思维的“助力器”，引导学生证据推理活动的递进，让学生能够有方向、有创造力地逐步达成课程目标。

参考文献

[1] 中华人民共和国教育部. 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] 罗玛. “证据推理”科学能力的实证研究[D]. 上海：华东师范大学，2018.

[3] 杨玉琴，倪娟. 证据推理与模型认知：内涵解析及实践策略[J]. 化学教育（中英文），2019，40（23）：23-29.

[4] 赵铭，赵华.“证据推理与模型认知”的内涵与教学研讨[J]. 化学教学，2020（2）：29-33，60．

[5] 罗秀玲，李铭冰，肖信. 论“证据推理”素养及其培养[J].课程·教材·教法，2020，40（4）：114-119.

[6] 李斌，李继良. 从化学学科核心素养到学生学习活动——基于证据推理与模型认知的“空气”教学[J]. 化学教育（中英文），2020，41（3）：52-60.