跨学段推进学生证据推理和模型认知能力的教学方法探究

１ 研究前提

«义务教育化学课程标准（２０２２年版）»和«普通高中化学课程标准（２０１７年版２０２０年修订）»指出，学科核心素养是学生必备的科学素养，是学生终身学习和发展的重要基础．“证据推理与模型认知”，是化学学科核心素养的重要组成部分之一，即“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;知道可以通过分析、推理等方法认识研究对象的本质特征、构成要素及其相互关系，建立认知模型，并能运用模型解释化学现象，揭示现象的本质和规律”．

本项研究基于«普通高中化学课程标准（２０１７年版２０２０年修订）»，以建构主义理论和人本主义学习理论为指导，用对比研究法，研究不同学段的教学内容所涉及的现象和变化，研究如何运用模型对化学现象和变化进行分析、推理和解释，帮助学生逐步建构物质及其变化的信息模型，尝试建立解决复杂化学问题的思维框架．通过推理与建模训练进行学生整体性思维、跨度式思维与综合型思维的培养，探索提高学生学科思维水平的方法，促进学生思维方式的转变和思维能力的发展，以达到提升学生“证据推理与模型认知”能力的目的．

本项研究涵盖初、高中全部学段，体现跨学段知识的阶段性和连续性的统一，既指向各学段学科特有的内容、观念和方法，也指向各学段共通的学科概念、思想、方法和技能．研究采用了课堂观察法、文献资料法、经验总结法，通过对教学案例进行对比分析、归纳综合，形成结论并使之系统化．通过典型课例的分析磨课，提炼出适合不同学段学生的教学方法．

２ 研究分析及课例论证

２.１ 九年级学段

１）学段特点：化学启蒙和打基础阶段．提供给学生未来学习最基础的化学知识和方法，调动学生的学习积极性，形成持续的学习兴趣，培养运用化学知识和方法分析和解决简单问题的能力，使学生从化学的角度逐步认识人与自然、环境的关系．

因此，推进九年级学生“证据推理与模型认知”能力发展，应尽量借助符号表征过程，引导学生“在解决化学问题中运用比较、分类、分析、综合、归纳等科学方法，基于实验事实进行证据推理、建构模型并推测物质及其变化的思维能力”．同时，在教师指导下合作制订实验方案、完成证据分析并形成结论，积累知识经验，转变思维方式，提升学习能力．

２）教学课例：以“雾霾”为素材，利用汽车尾气净化实验，对学生进行“证据推理与模型认知”能力的培养．

先 通过汽车尾气净化实验示意图（如图１），学生很容易得出一氧化碳和一氧化氮转化为氮气和二氧化碳这一结论．然而，该反应的微观过程及所得氮气和二氧化碳的体积比、质量比对初中学生而言难度较大．如何利用“证据推理与模型认知”来解决所得氮气和二氧化碳的体积比、质量比呢？

根据图１，教师带领学生一起补充出图２．在图２所示的微观示意图中，可看到一氧化碳分子和一氧化氮分子分裂为碳原子、氮原子和氧原子，每两个氮原子结合为１个氮分子，每１个碳原子与２个氧原子结合为１个二氧化碳分子．

让学生用化学符号依次表示出反应后两个框中的分子或原子，很容易写出N２ 和２CO２，接着延伸讲解：同温同压下气体的体积与分子个数成正比，从而解决了V（N２）∶V （CO２）＝１∶２ 的问题．再让学生求出这两个框中氮气和二氧化碳的质量关系：２８∶２×４４，从而解决了m （N２）∶m （CO２）＝７∶２２的问题．

在教学中，教师充分利用微观示意图，让学生分别用化学符号表示出图２各框中的分子或原子，学生可写出：（２CO、２NO），２C，２N，４O，N２，２CO２，更加深刻地体会“证据推理与模型认知”在解决初中化学问题中的重要作用，同时感受微观探析的过程．

３）教学分析：九年级是学生化学学习的起始学段，学生对“宏观辨识与微观探析”的掌握仍存在一定难度．所以，对学生核心素养的培养应立足“宏观辨识与微观探析”来推进“证据推理与模型认知”．同时，在学生认知能力允许的情况下，顺势拓展延伸，为高中学习打好基础．

２.２ 高一学段

１）学段特点：高一学段包含了几乎所有化学理论知识的基础部分，要求学生接触大量元素化合物知识及有机物基本知识体系，研究素材极其丰富．高一学段的学生思维活跃，求知欲强，逻辑思维能力较强，抽象思维能力较弱，喜欢直观感性知识的学习，对抽象内容的学习则需要教师加以引导，学科素养、思维能力、学习能力和感性经验都较初中有了明显的提高．

鉴于教材内容和学生认知能力的发展状况，笔者建议在高一年级尝试抛锚式教学法，围绕素材特点创设问题情境，启发学生分析讨论、设计论证、推理探究，最终通过归纳总结建立较为完整的知识模型，并收集汇总证据与结论之间的联系，培养证据推理能力．

２）教学课例：以乙醇与氢溴酸发生取代反应为例．

教学分为以下４个环节：a）观察乙烷和乙醇的结构式，分析异同;b）结构决定性质，预测乙烷和乙醇在化学性质上的异同，理论分析与数据支持有机结合，进行论证;c）实验演示乙醇和氢溴酸的反应（所用试剂为乙醇、浓硫酸和溴化钠）;d）通过观察发现有油状物（溴乙烷）生成，证明推理的合理性．

教师首先引导学生比较乙烷和乙醇在结构上的异同点，据此猜测乙烷和乙醇在化学性质上的异同．类比烷烃取代反应，可推测乙醇的取代应断裂C—H键或者C—O 键．继而引出新问题：C—H 键与C—O键相比，哪个键更易断裂？ 从而引出羟基的取代问题，完成研究的第一环节：收集证据，对物质的性质及其变化提出假设．基于学生的已有认知：共价键的键能越大，该共价键越不容易断裂．提供给学生C—H 键与C—O 键的键能，顺利解决第一个疑问：乙醇取代时断裂的是C—O 键．基于科学数据，从预测阶段过渡到下一阶段，引出进一步研究．

进一步挖掘羟基取代对象的特点．在此前学习中，学生已经掌握元素周期表中的相关规律．由于O 的非金属性比C 强，故C—O 键中共用电子对更偏向于O，从而使O 显负电性，C显正电性．那么在断裂C—O 键之后取代—OH 的原子或者原子团也应该显负电性．进一步解决了第二个问题：取代—OH 的是负电性的原子或原子团，即溴原子．从而完成了第二个环节：基于证据进行分析推理，解释证据与结论的关系．

整个过程涉及观察法、实验法、分类法、比较法，教学中教师作为学生研究的设计者和引领者，充分引导学生在研究乙醇取代反应过程中建立思维模型，帮助学生在知识的形成、联系、应用过程中理解学科特征和本质．

３）教学分析：与初中生相比，高一学生逻辑思维和抽象思维能力、符号表征能力、微观探析能力均明显增强，也掌握了一些基本的原理、规律，足以在教师引导下完成简单推理．教师应合理利用素材进行训练，强化其利用证据进行推理的能力，指导学生在证据推理过程中辨别真伪、厘清思路、建构知识模型或问题分析模型．

２.３ 高二学段

１）学段特点：高二学段化学课程进入选修部分，更加注重前后知识的逻辑关联，对学生的知识运用能力、分析归纳能力、探究推理能力、实验设计与验证能力、收集证据进行推理的能力均有更高要求．建议以习题为线索引导学生整合知识模型，通过习题或典例分析，深化概念内涵和外延，厘清反应原理的研究对象、基本假设、理想模型、实际修正，逐步理顺证据与结论之间的逻辑关系;通过课前复习组织学生合作整理思维导图，对学生的归纳总结和模型建构能力进行训练，提高其证据推理和知识的综合运用能力．

２）教学课例：以“化学反应与能量”复习课为例．

任务１：章节知识思维导图建构．在课堂上，教师展示了学生制作的精美的思维导图，掀起一个小高潮，在赏析中厘清本章知识分布与相互关联，在相互交流学习中增强学生信心，营造和谐的课堂氛围．

任务２：章节建模．教师在学案中和学生推荐的习题中精选，从反应热的概念和符号表征开始，到反应热的计算方法，再到反应热的表达方式（热化学方程式的书写），归纳反应热的测定方法以及反应热的应用形式（能源），沿着习题构成的知识主线进行分析、板书，在黑板上逐渐建构出本章的章节小结模型，与学生建构的思维导图相比，教师板书模型更加突出知识之间的关联和应用．

任务３：模型运用．利用练习，引导学生运用模型强化概念间的关联和知识间的因果关系，提升学生运用知识和模型进行分析和推理的能力．

３）教学分析：相比初中和高一学生，高二学段学生知识和经验较为丰富，掌握了大量的基本概念和规律，并有一定的证据推理和模型认知能力，拥有建模经验以及利用模型解决问题的意识．教师要引导学生细化概念关系，逐步完成主要知识板块的模型建构．

２.４ 高三学段

１）学段特点：高三总复习的任务之一是使中学化学知识系统化、结构化、网络化．而能力的培养是化学总复习的另一个重要任务，包括观察能力、思维能力、实验能力和计算能力，其中思维能力是核心．要让学生的思维能力得到提高，最重要的是让学生的思维能真正展开，充分活动．鉴于高三学生的实际情况，建议以例题为核心引导学生进行“滚雪球式”模型建构，在整合知识的同时对证据推理过程进行细化，要注重知识的灵活运用能力和分析能力，在学生已有知识模型的基础上进行拔高，使模型建构更加精细化、系统化，更加注重实用性和灵活运用能力．

２）教学课例：以微专题“混合物成分定量分析模型”教学为例．

第一阶段：问题解决模型的整体框架建构．给出问题：测定碳酸钠和碳酸氢钠混合物中碳酸钠的质量分数．指明：一定会有的条件１为混合物质量，将学生顺利导向条件２的探究．经过简单的合作交流，学生顺利指出较为熟悉的４种实验思路：沉淀法、气体体积法、气体质量法和热重分析法．

第二阶段：问题解决模型的操作性建构．引导学生对４种实验思路进行精细化研究，在每种思路的具体落实过程中进行考点剖析、易错点分析、实验操作及答题要点细化、数据获得与处理、误差来源及方向判断训练．向学生展示难度较大、不常见到、不够熟悉的实验方法，如双指示剂滴定分析法，通过对数字化实验中获得的数据进行分析对比，体会科学研究的精细，引导学生将追求应试能力转化为提升问题解决能力，从而积极思考，主动进行思维训练．

第三阶段：模型应用范围的拔高与拓宽．在课堂练习的选择方面，教师跳出本节课的定量分析问题，选择仪器连接和设计方案评价方面的问题，针对本节课实验设计与实验手段进行训练，引导学生利用黑板上刚刚建好的模型进行思考分析，使学生对本节课的模型有新的认识，利用例题实现了“滚雪球式”的建构．

利用例题引导学生去体验用已有知识进行模型建构的完整过程，体会建模对问题研究的指导和简化，从而激发学生自主整合知识的积极性和主动性．在模型建构过程中，学生需要充分调动已有知识储备，又要互补不足共同提高;从建模效果来看，解决问题时能够帮助学生从整体上对设计思路进行把握，准确找到考点，熟悉问题模式，有利于增强学生自信心，同时也对学生证据推理与模型认知能力进行检验．

３）教学分析：高三学段微专题式的模型建构，更适合教师以例题为中心开展教学，学生以问题研究为目标进行训练．在模型建构中，教师要引导学生贯通各学段，甚至不拘泥于中学教材知识体系，围绕问题解决这一目标，调用相关知识和原理，进行论据查找并剖析真伪，从而巩固已有知识，提高解决问题的能力．

２.５ 分析综述

１）“证据推理与模型认知”能力是学生化学学科思维能力的核心，对学生未来的可持续发展具有至关重要的作用．推进学生此项能力的提升，必然有科学方法和规律可循，与其他技能一样，要找到行之有效的训练方法．促进学生此项能力的发展是一个科学性、长期性和持续性的工作．各学段教师要打破壁垒，探索加强学段之间联动贯通的教法，有利于教师转变观念，提高综合素养，推进课程高质量发展．

２）存在的问题．a）课堂教学研究不可忽视学情．本项研究跨越４个年级，涉及两所学校，近２０００名学生．但学生总体学习程度较好，基础比较扎实，每一个年级均有相当比例的绩优生引领，有较好的研讨氛围，研究成果是否能更广泛地适用于其他学校和学生群体中，仍需检验．b）探究立足于推动学生思维能力的提高，但思维能力较难量化，因时间的关系虽然在考试测量方面做了一些尝试，但仍需寻找更为科学的测量工具进行评价．

（完）