初中化學教學中培養學生“證據推理”能力的實踐與思考
——以“水的組成”為例

魏勝波

陜西省商南縣教育教學研究室(726300)

1 問題的提出

新頒布的《義務教育化學課程標準(2022年版)》提出“具有證據意識,能夠給予證據對物質的組成、結構及其變化提出可能的假設;通過分析推理加以證實或證偽;建立觀點、結論證據之間的邏輯關系”[1],“證據推理”是指“基于證據的推理”,它既是科學家從事科學研究的思維方式之一,也是學生化學學科素養的組成部分和具體表現。其中,“證據”是學生通過科學探究開展學習活動的重要基礎,包括已有知識、實驗現象等直接證據和文獻資料、調查數據等間接證據[2]?！八慕M成”是現行人教版九年級化學教材第4單元“自然界中的水”中的課題3,是學生認知從宏觀世界與微觀世界發生聯系的重要一環,是對之前所學知識從理論到實踐的一次經典結合,對以后學習書寫化學式要以實驗為依據、加深對化學實質和化學反應的理解以及構建微粒觀、元素觀、分類觀具有很重要的作用。本文是從宏觀認知到微觀探析的逐步深入,將化學史與學科知識融為一體,幫助學生在物質的認識上由宏觀轉向微觀,從組成轉向結構,建立“宏-微-符”三重表征思想;從化學學科核心素養的視角出發,深入挖掘證據意識形成過程,通過證據推理、模型認知,從而使學生學會建構物質組成與分子結構的思維模型。

2 “水的組成”設計思路

2.1 教學目標

(1)了解氫氣的性質;知道水的化學性質;理解水的組成,鞏固對質量守恒定律的認識;通過實驗設計探究水的組成與分子構成,通過化學實驗掌握水的檢驗方法;養成實驗探究的好習慣,提升實驗素養。

(2)通過電解水的實驗,了解水是由氫、氧兩種元素組成的;通過實驗現象定量推導出水的分子構成。

2.2 “水的組成”教學流程及教學思路

“水的組成”教學流程及教學思路分別如圖1、圖2所示。

圖1 教學流程

圖2 “水的組成”教學知識、育人兩條線

3 “水的組成”教學實踐

[問題導課]水是生命之源。那么水是單質還是化合物?你知道水是由什么元素組成的?

活動一:化學史考證

[史料閱讀]古希臘盛行“燃素說”,認為水是一種元素。1766年,英國科學家卡文迪許發現鋅與硫酸混合產生一種無色、易爆的“可燃空氣”。1775年,英國科學家普里斯特里研究發現這種“可燃空氣”與空氣混合燃燒后會有露珠出現。1781年,卡文迪許用純氧與“可燃空氣”混合多次進行實驗,獲得了水,并證明“可燃空氣”和氧氣相互化合的體積比為2.02∶1,但仍錯誤地認為“可燃空氣”和氧氣中都含有水這種“元素”。1783年,拉瓦錫將水蒸氣通過高溫金屬鐵管,獲得了黑色固體和“可燃空氣”,再將獲得的氣體通過放在冷水中的銅管,收集到純凈的可燃空氣。由此得出水是由“可燃空氣”和氧氣結合形成的化合物,并通過定量分析發現水中含有85 g的氧和15 g的“可燃空氣”。他將“可燃空氣”和氧氣按照16∶84質量比混合,點燃后產生水。1787年,拉瓦錫將該“可燃空氣”命名為氫氣并正式提出“氫”元素。1800年,尼克爾森和卡里斯特爾用“伏打電泡”在常溫下電解水,證明了拉瓦錫的結論。

[提出問題1]結合教材、資料,談談拉瓦錫的化學貢獻有哪些?

[生1]首先測定空氣中氧氣的含量,證明空氣的成分;其次通過水與灼熱的鐵反應及氫氣燃燒的定量實驗,證明水的組成。否定燃素說,使化學正式成為一門學科,推動化學學科的發展。

[提出問題2]灼熱的鐵管和冷的銅管的作用是什么?黑色固體、“可燃空氣”分別是什么物質?

[生2]灼熱鐵管的鐵參與了反應;冷的銅管利用降溫作用除去氣體中的水蒸氣,得到純凈的氫氣。

[生3]黑色固體是四氧化三鐵(Fe3O4),可燃氣體是氫氣(H2)。

[討論]閱讀上述資料你有何收獲?

[小結]卡文迪許和普利斯特里由于受到錯誤的思想影響得到錯誤的認識,認識物質世界必須依靠實驗,通過定性和定量實驗證據,合理推理,才能得到科學的結論。

設計意圖:核心素養的培養與發展,離不開情境學習。真實的情境和真實的學習中,知識得以創造,素養獲得發展[3]。通過“水的組成”探究的科學史,引導學生認識人類對物質組成與結構的研究是不斷發展的,體會到探索純凈物組成成分的科學精神和學科思維方式。

活動二:實驗尋找證據

[師]演示實驗:水的電解實驗,裝置如圖3所示。

圖3 水的電解實驗實驗裝置

[提示]觀察現象,電源正負接線柱對應導氣管產生氣體的現象。

[提出問題3]分析水的電解實驗,說明其中的哪些現象和事實能夠說明水不是一種元素,而是由氫、氧兩種元素組成的?

[生]觀察實驗,在問題的引領下,思考、理解實驗目的,初步建構證據推理思維模型。

[提出問題4]如何驗證可燃氣體是氫氣?怎么證明氫氣燃燒產物是水?

圖4 氫氣燃燒的現象

圖5 檢驗水生成的實驗現象

[生1]可以用其可燃性,如點燃肥皂水氣泡。

[生2]可以用無水硫酸,遇水會變成藍色。

[生3]氧化鈣也可以,與水會放出大量熱。

[分組討論]討論交流,代表匯報評價后師生合作小結及評價。

[合作探究]探究物質的組成或分子構成,一般需要探究哪些要素?

[結論]密閉條件下,通過分解反應或化合反應探究產物成分,推斷出組成物質的元素種類(見表1)。

設計意圖:通過創設情境和實驗探究,體會人類認識水的組成的歷史過程;進一步理解化學反應的實質;基于證據推理與模型建構,初步建立“宏一微一符”三重表征的化學學科思維;促使學科知識與學科德育有機融合[4]。

表1 水的組成推理過程及模型建構

活動三:微粒觀釋秘

[視頻播放]水的電解演示實驗及微觀分解動態視頻,整體感知水分子分解的過程。

[提出問題5]如何探析一個水分子的構成?

[合作探究]嘗試用球棍模型模擬水的電解過程;畫出水電解的微觀示意圖;嘗試寫出水電解的化學方程式。

[學生討論合作]學生上臺通過舉牌展示模擬水電解過程;對比組別之間微觀示意圖;評比各小組化學方程式書寫。

[閱讀新聞]2004年,科學家借助電子顯微鏡看到了水分子的真實面貌“一個水分子是由兩個氫原子和一個氧原子構成的”。水是人們日常生活中最常見的物質,它是由兩個氫原子和一個氧原子構成。但它們究竟是如何形成水分子的?2014年1月16日,我國科學家解開了這一世界難題,首次清晰拍攝到了水分子的內部結構。這一科研成果已在世界權威科學雜志《自然》子刊上發表。

設計意圖:通過“球棍模型”“圖示模型”“動畫模型”等新的實驗探究形式,學生從微觀角度認識物質的組成與結構,初步學會微粒表征方式(見表2),建立從微觀視角、元素視角認識物質及其變化的學科思想。

[思考]如何利用元素觀和微粒觀解釋物質的分類、化學反應實質?為什么“只要有水、有電”就能為氫動力汽車補充能源?

4 水的組成教學評價

水的組成課堂教學評價見表3。

表2 水的組成、水分子構成的實驗證據及推理結論

表3 水的組成課堂教學評價表

5 教學思考

從化學史入手進行教學探究,引導學生回顧科學家歷經百年的探究之路,體驗歷史上科學家們嚴謹的論證推理、激烈的思想碰撞和豐富的學科思維,強調知識的獲得過程?？隙▽W生質疑權威的行為,培養學生批判的科學精神,讓學生在真實的問題背景下圍繞問題解決,獲得知識[5],體現了化學學科育人價值。

化學學科教學的目的是教會學生利用化學學科知識認識世界的方法。學生在了解水的過程中感受生命與水,在化學史中領悟方法、感悟精神,具體運用“合”與“分”的思想方法,利用多種途徑探究物質的組成和分子的構成,構建認識物質的思維模型,促進學生樹立實驗驗證化學式書寫正確與否的唯一標準。