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【原创】基于“证据推理与模型认知”的教学实践（李超）

2021-03-27 15:11阅读：

http://blog.sina.cn/dpool/blog/u/3869891536

基于“证据推理与模型认知”的教学实践
——以“化学反应进行的方向”为例
一、问题的提出
《普通高中化学课程标准（2017年版）》指出化学学科核心素养包括“宏观辨识与微观探析”、“变化观念与平衡思想”、“证据推理与模型认知”、“科学探究与创新意识”、“科学态度与社会责任”五个方面，上述五个方面立足高中学生的化学学习过程，既相辅相成又各有侧重。
当学生在学习和探究活动中遇到和发现问题时，需要调用原有模型，进行假设推理、寻找证据，再通过比较、分析、综合、抽象、概括等思维方式建构假设与证据、证据与结论之间的逻辑关系，并建立认知物质的基本模型，最终利用模型解决问题。从这个意义上讲，“证据推理与模型认知”是化学核心素养的思维核心，也是科学探究与创新的方法。
化学学科核心素养培养最重要的场所是化学课堂，如何在日常教学中落实“证据推理与模型认知”核心素养是广大教师需要认真思考和实践的问题。
二、“证据推理与模型认知”的内涵和教学目标指向
“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；（2
）通过分析推理加以证实或证伪；（3）建立观点、结论和证据之间的逻辑关系；（4）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；（5）能运用模型解释化学现象，揭示现象的本质和规律。
通过对上述内涵分析可知，教学目标指向是培养学生五个方面的意识。一是证据意识，学生能根据已有对物质组成、结构和变化的认识或已有模型对新问题提出可能的假设；二是求证意识，通过设计实验、观察现象、分析数据寻找证据，并基于证据对假设进行证实或证伪；三是逻辑意识，通过比较、分析、综合、归纳、抽象等思维过程建构观点、结论和证据之间的逻辑关系；四是建模意识，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；五是问题解决意识，运用模型描述和解释化学现象、预测物质及变化的可能结果，揭示现象的本质和规律，建立解决复杂问题的思维框架。
由此，可用图1表示“证据推理与模型认知”五个内涵的关联性及其教学目标指向。


【原创】基于“证据推理与模型认知”的教学实践（李超）
图1“证据推理与模型认知”五个内涵的关联性及其教学目标指向
三、基于“证据推理与模型认知”的教学实践
“化学反应进行的方向”是人教版选修4《化学反应原理》的教学内容，其中所包含的焓判据、熵判据、复合判据等概念、原理是发展学生“证据推理与模型认知”核心素养的良好载体，下面以本课中的一些教学片断为例探讨如何在教学中体现“证据推理与模型认知”的内涵，培养学生教学目标指向中的五种意识。
环节一：创设问题情境
[教师]1791年人们在金红石的矿物（主要成分TiO2）中就发现了钛元素，但第一次制得纯净的钛却是在1910年。从钛元素的发现到金属钛的成功制备为什么经历了这么长的时间？
[学生]思考
[教师]科学家最初设计了如下的反应制备金属钛：TiO2（s）+2Cl2（g）=TiCl4(l)+O2(g)，
TiCl4(l)+2Mg(s)=Ti(s)+2MgCl2(s)。后来，实验证明第一步反应在任何温度下都难以发生。
[过渡]并不是任何反应都能实现，那么这个反应为什么不能发生呢？本节课我们就来学习“化学反应进行的方向”。
【设计意图】真实、具体的问题情境是学生化学核心素养形成和发展的重要平台，为学生化学学科核心素养提供了真实的表现机会。通过创设科学家制取金属钛的化学史情境，引出课题，让学生感知研究化学反应进行的方向的必要性和重要性，激发学习、探究热情。
环节二：建构“焓判据”认识模型
[教师]自发过程是在一定条件下，不借助外部力量就能自动进行的过程。请举例说明常见的自发过程。
[学生]水从高处流向低处、苹果从树上掉落到地面……。
高山流水.jpg 【原创】基于“证据推理与模型认知”的教学实践（李超）

[问题1]从能量变化角度看，和有什么共同点？
[学生]水和苹果的势能都降低。
[问题2]在一定的温度和压强下，不借助外部力量就能自动进行的反应叫做自发反应。
类比和两个自发过程，思考下列三个反应为什么能自发进行？
2H2(g)+O2(g)=2H2O(l) H=-572kJ/mol
NaOH(aq)+HCl(aq)=NaCl(aq)+H2O(l) H=-57.3kJ/mol
4Fe(s)+3O2(g)=2Fe2O3(s) H=-1648kJ/mol
[证据推理]都是放热反应，反应后体系能量降低，能量越低体系越稳定。
[建立模型]自发反应趋向于从高能状态转变为低能状态，称之为“焓判据”（能量判据）。
【设计意图】从生活中势能降低的自发过程出发，引导学生类比迁移并结合放热反应的事实证据进行分析概括、归纳推理得出自发反应趋向于从高能状态转变为低能状态的结论，并建构“焓判据”认知模型。
环节三：建构“熵判据”认识模型
[问题3]下列两个自发反应，能用“焓判据”解释吗？
2N2O5(g)= 4NO2(g)+ O2(g) H = +56.7kJ/mol
(NH4)2CO3(s)=NH4HCO3(s)+NH3(g) H =+74.9kJ/mol
[修正模型]都是吸热反应，不满足“焓判据”，说明“焓判据”具有片面性，应该存在
其它能影响反应化学反应进行方向的因素。
[问题4]请观察下面三个自发过程，从体系混乱度的角度考虑，有什么共同点？
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[学生]体系中的微粒趋向于从有序状态转变为无序状态，混乱度增加。
[史实] 1865年，德国化学家克劳修斯首次提出“熵”的概念，用以表示封闭体系无序程度
的物理量。1877年，奥地利科学家波尔兹曼建立了熵和系统微观状态数(无序程度)的关系，
用公式表示为：S=kln，说明体系的混乱度越大熵值越大。
【原创】基于“证据推理与模型认知”的教学实践（李超） 【原创】基于“证据推理与模型认知”的教学实践（李超）
克劳修斯 波尔兹曼
[教师]若体系混乱度增大，则熵值增大、熵变S>0，反之，熵变S<0。同一物质不同状态
下的熵值：气态>液态>固态。
[问题5]类比三个自发过程，思考下列两个反应为什么能自发进行？
2N2O5(g)= 4NO2(g)+O2(g) H = +56.7kJ/mol
(NH4)2CO3(s)=NH4HCO3(s)+NH3(g) H =+74.9kJ/mol
[证据推理]反应体系的混乱度增大，即熵变S>0。
[建构模型]自发反应趋向于从有序状态转变为无序状态，即熵变S>0，称之为“熵判据”，熵增是化学反应自发进行的另外一个动力。
【设计意图】首先呈现出“反常的”能自发进行的吸热反应，当已有模型与新的实验事实相矛盾的时候，便会引发认知冲突，从而让学生认识到焓判据模型的局限性，激发学生进一步修正、完善模型的欲望。再从生活中的自发过程出发，让学生认识到自发过程体系还一种微粒趋向于从有序状态转变为无序状态即混乱度增加的倾向，最后结合化学史进一步介绍熵的概念，依据熵增自发反应事实证据建构“熵判据”认知模型。
环节四：应用“熵判据”认识模型
[问题6]工业上制备金属钾的方法是在850时，用钠还原熔融态氯化钾：
Na(l)+KCl(l)=K(g)+NaCl(l) H >0（钾的沸点：756.5 ，钠的沸点： 881 ）
请分析这一“反常”反应自发进行的原因？
[学生] Na的还原性弱于K，从能量角度是不利的，但在850下K变成了气体，导致体系
熵增从而拉动了此反应自发进行。
[问题7]工业制粗硅的反应：SiO2(s)+2C(s)=Si(s)+2CO(g) H>0，请分析相对于生成CO2
为什么生成CO更有利？
[学生]若发生反应SiO2(s)+C(s)=Si(s)+CO2 (g)，熵增的程度较小，所以更倾向于生成CO。
【设计意图】培养学生运用模型分析问题和解决问题的能力，发挥模型的描述、解释功能，同时通过问题的解决可以诊断学生模型建构的水平，体现“教、学、评 ”一体化。
环节五：建构“复合判据”认知模型
[问题8]下列反应能自发进行吗?再分析反应的熵变，你又得到什么结论？
NH3(g)+HCl(g)=NH4Cl(s)
Ag+(aq)+Cl-(aq)=AgCl(s)
[修正模型]两个反应均能很容易的自发进行，但熵变S<0，说明单独使用“熵判据”也有
片面性。
[建构模型]为了全面判断一个化学反应能否自发进行，需要将焓变和熵变结合起来，从而得
到复合判据G= H-TS，判断的方法如下图所示。
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【设计意图】通过呈现出“反常的”能自发进行的熵减反应，再一次引发认知冲突，学生又认识到单独使用熵判据也有局限性，只有将焓变和熵变综合考虑，才能全面、准确判断化学反应进行的方向，从而建构复合判据认知模型，在这个过程中，学生进一步体会模型的作用，模型与证据之间的关系，增强了模型认知能力。
环节六：应用“复合判据”认知模型
[问题9]请用已学知识判断当初科学家为了制备金属钛而设计的第一步反应为什么不能进
行？
TiO2(s)+2Cl2(g)=TiCl4(l)+O2(g) H =+161.9kJ/mol
[学生]此反应H>0同时S <0，H-TS恒大于0，所以在任何温度下都不能自发进行。
[问题10]从熵增可拉动反应自发进行的角度考虑，借鉴工业制粗硅的原理，思考如何改
这个反应，使其能够顺利自发？
[学生]可以加入碳，让其与O2反应生成CO，熵增拉动反应进行。
[教师]2C(s)+O2(g)=2CO(g) H =-221kJ/mol，将此反应叠加，应用盖斯定律可得：
TiO2(s)+2Cl2(g)+2C(s)=TiCl4(l)+2CO(g) H =-59.1kJ/mol，同时S=+141J·mol-1·K-1，
最终反应得以自发进行，将制备金属钛变为现实。
【设计意图】通过真实、复杂问题的解释、解决进一步增强学生应用模型的能力，培养学生的创新精神，同时让学生体会化学学科的重要价值，落实核心素养。
四、实践感悟
1．创设问题情境，引领学生建构。
化学学科核心素养必须而且只能在化学问题解决学习中形成和发展。本节课通过精心设计10个与生产、生活、学科相联系的核心问题以串联教学过程，引导学生提出假设、分析证据、建立模型和应用模型，让学生经历和体验科学家建立模型、解决问题的过程。同时，学生在解决这些问题的过程中全面调用和运用了已有的化学知识和生活经验，发展了分析、评价和创造等高阶思维，增强了解决复杂问题的素养和能力。
2．重视建模过程，促进知识生成。
获取知识的过程本质上就是建立模型的过程，学生通过建构焓判据→设计方案→实施实验→获取证据→分析解释→形成结论→建立模型的过程对卤代烃的化学性质有更为深入的理解和认识，最终形成认识有机物性质的思路方法，深刻体会基于证据的推理和模型的建构解决实际问题的一般过程。
3．重视模型应用，体现学科价值。
学科核心素养是学生运用从学科课程中所获得的知识和技能解决真实而有意义、复杂甚至不可预测的情境问题的过程中表现出来的综合品质和关键能力。而模型的应用正是学生运用模型解决真实、复杂问题的过程，因此，本节课最后引导学生利用卤代烃的性质完成修正带中是否含有三氯乙烷等卤代烃的探究，可以进一步诊断、发展学生对知识的理解水平和解决实际问题的能力，实现对模型的迁移和固化，同时让学生体会化学的学科价值。

3．“证据推理与模型认知”核心素养的落实有助于体现化学学科价值。
化学学科价值即化学学科所具有的促进学生主体生存和发展的属性能力，具体而言，就是学生通过化学知识的学习，所形成的从化学的视角认识事物和解决问题的思想、方法、观点，具体表现为个体主动运用化学思想方法认识事物和处理问题的自觉意识或思维习惯，是对化学知识再升华的基础上获得的总观性认识。
“证据推理与模型认知”目标指向是通过探究活动帮助学生树立独立分析的意识，提高依据目标设计实验的能力以及依据物质变化的内在规律做出模型假设与模型建构的能力，帮助学生建立解决化学问题的基本框架，由此实现“从化学的视角认识事物和解决问题的思想、方法、观点”的化学学科价值。
五、结束语

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