基于“证据推理和模型认知”的元素化合物教学实践
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摘要：鉴于学生困惑的元素化合物知识杂乱繁多的现状，笔者提出基于“证据推理和模型认知”的元素化合物教学结构，指出从类别、价态角度，从元素周期律、价键结构角度，从化学平衡移动角度构建认识模型，从而形成多角度认识物质性质与转化的认识系统，实现化学核心素养的培育和发展。
关键词：证据推理;模型认知;元素化合物教学
中图分类号：G633.8 文献标识码：A 文章编号：1992-7711（2019）02-0003
一、问题提出
现实教学中不难发现，高中学生常常被元素化合物知识的杂乱繁多所困扰：学生在新课学习中纠结于物质性质的多样性和转化关系的复杂性。学生眼中的元素化合物知识需要记背的内容太多，即使花了很多时间记背方程式，到了考试还是用不上，因为考试题常常试题情境新颖，而他们从试题情境中提取有用信息，对信息进行加工、处理能力不够，无法将试题与书本知识进行有效衔接。
要解决以上问题，笔者认为在元素化合物知识教学中，教师要着重指导学生自主建构元素化合物知识的学习框架，充分发挥“证据推理”在学习中的作用，形成物质性质与转化的系统“认知模型”。
二、元素化合物教学中的“证据推理与模型认知”
作为化学学科研究的思维与本质的“证据推理与模型认知”包括以下五个方面的内涵[1]：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，建立模型;能运用模型解释化学现象，揭示现象的本质和规律。
在元素化合物教学中，“证据推理”素养的落实有“实验论证”和“理论论证”。“实验论证”是以实验事实为证据，对物质性质的论证，可以分为定性证据和定量证据、直接证据和间接证据等;“理论论证”是利用概念原理知识从理论层面论证物质性质或反应规律的合理性，此类论证强调从微观角度建立物质结构与性质之间的联系。
元素化合物教学中的“模型认知”是指基于认识模型，形成对特定化学问题系统分析的思维过程。学生面对大量元素化合物事实性知识的时候，不应“散点”式地记忆，而应该基于特定认识模型，将大量事实性知识转化为对某认识对象的认识系统，该系统包括重要的事实性知识、对该认识对象可能的认识角度和认识思路。
三、基于“证据推理和模型认知”的元素化合物教学实例
在课堂教学中，教师要不断引导学生收集证据进行逻辑推理，形成并发展对元素化合物知识的认识模型，从而形成系统分析问题的方法。具体从以下几方面入手。
1. 建构类别、价态角度的认识模型
苏教版《钠的性质和应用》，是高中学生化学学习中第一次系统学习活泼金属元素。通过前面的学习，学生已经能从活泼性顺序、原子结构、类别、价态等角度预测和解释钠的化学性质，也能设计实验验证。因此，教学可以从类别、价态角度，促进学生构建认识金属元素性质与转化的认识模型。
以下是“钠的性质”教学片段。
导入：以“曾青得铁，则化为铜”，从铁与硫酸铜溶液这个学生熟悉的反应导入。预测Na和CuSO4溶液反应的实验现象。
素养发展：利用金属在溶液中的相互置换，类比推理，合理预测。
实验探究一：（演示实验）Na和CuSO4溶液。观察、讨论实验现象，判断产物和发生的反应。
素养发展：利用实验现象与学生认知形成强烈冲突，通过现象分析推理可能反应，发展证据意识;根据实验证据对物质变化提出可能假设，通过分析推理加以证实。
实验探究二：（学生分组实验）Na+H2O。学生亲自切取钠块，观察、讨论、归纳钠的物理性质和化学性质。
素养发展：预测Na和H2O反应产物——说出理论依据——设计实验方案验证，树立电子守恒观念。
实验探究三：若要用Na置换出CuSO4中的铜单质，需要如何控制实验条件？看实验视频。
归纳小结：钠参与以上反应的反应类型？显示出钠的什么性质？怎样解释？能从微观角度解释物质性质，形成“结构决定性质”的观念。能从宏微结合的视角分析与解决实际问题。
本节课从氧化还原反应角度（价态）、类别角度构建钠的性质和转化，从原子结构微观角度解释钠的性质。通过归纳，学生得出钠的还原性强。只有树立了钠具有强还原性的牢固认识，学生在遇到以下问题时，才不会受干扰信息影响：“单质（Na）在高温隔绝空气的条件下与不溶物红棕色粉末（Fe2O3）反应生成化合物丙和另一种单质。化合物丙与空气接触可转化为可溶性盐。”解答此题的关键有两点：一是辨识该反应是金属的相互置换反应（书本认识模型是铝热反应），二是判断反应产物是Na2O和Fe，并非Na2O2和Fe。若产物判断为Na2O2和Fe，不符合氧化还原反应基本原理。
2. 建构周期律、价键结构角度的认识模型
《化学1》关注从类别、价态角度认识物质，但是缺乏对物质性质规律性研究，同类物质遵循怎样的递变规律，如何由已学物质预测未知物质的性质？导致物质性质产生递变规律的原因是什么？要求我们在教学中，充分发挥元素周期律、价键理论、物质结构对元素化合物学习的解释、指导作用。
以下是“探究第三周期元素性质递变规律”的教学片段。
学生活动一：结合之前所学金属性强弱的判断方法，尽可能多地设计实验方案探究同周期元素钠、镁、铝金属性强弱顺序。
学生小组讨论后找到了证据①金属单质之间的置换反应来确定活泼性（比如Fe置换Cu）;证据②金属单质在空气中燃烧的剧烈程度来确定强弱;证据③金属单质与水或等浓度稀盐酸反应的剧烈程度来确定（如Na、Mg、Al分别和水反应）;证据④组装成原电池装置。根据“信息提示”，学生还找到证据⑤碱性强弱：氢氧化钠>氢氧化镁>氢氧化铝。
师生总结：比较金属性强弱的方法。
学生活动二：复习回顾氯溴碘元素非金属性强弱的判斷方法，根据教材P6表格所提供的实验事实，总结同周期元素硅、磷、硫、氯的非金属性强弱顺序。
学生小组讨论后找到了实验证据：与氢气化合的难易程度、气态氢化物的稳定性、最高价含氧酸的酸性、非金属单质之间的相互置换、单质与变价金属化合时的产物不同。
师生总结：第三周期元素金属性、非金属性强弱规律。试从原子结构的角度加以解释。
本环节把学生从过去被动接受转化为主动探索的过程，并通过资料分析、概括总结，实验验证、观察辨析来推理、判断，建立严密的理性思维模式。
当我们有了以上反应机理模型，我们就能更有序地破解多机理的反应关系。抽象的机理具体化，解决问题更有针对性。
四、反思与结论
在元素化合物教学中，要充分展现“证据推理”的思维过程，指导学生从类别、价态角度，从元素周期律、价键结构角度，从化学平衡移动角度建构“认识模型”，从而形成多角度认识物质性质与转化的认识系统，这是一个认识螺旋上升的过程。
培育化学学科核心素养的教学更注重反映学生的学习过程，特别是在其认识活动中发展起来的认识角度和认识方式，强调了学生脱离书本后面对陌生情境运用化学知识和化学思维解决问题的能力。这就要求我们一线教师用智慧从“证据推理”出发，构建“模型认知”的教学结构，注重从证据推理到模型认知的引导，完整体现化学学科的价值魅力。
参考文献：
[1] 教育部.《化学课程标准》（实验稿）[S].北京：人民教育出版社，2017.
[2] 江宏伟.NaClO溶液、Ca（ClO）2溶液与CO2反应的生成物探究[J].化学教与学，2014（2）.
[3] 陈进前.分阶段促进学生化学学科认识方式发展[J].化学教学，2018（3）.
[4] 王磊.基于学生核心素养的化学学科能力研究[M].北京：北京师范大学出版社，2017.
（作者单位：浙江省杭州市余杭高级中学 311100）
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