岳睿 莫尊理 楊梅

摘? 要? “證據(jù)推理與模型認(rèn)知”屬于化學(xué)學(xué)科基本思想和重要方法，對學(xué)生化學(xué)學(xué)科學(xué)習(xí)具有深刻意義，且證據(jù)推理思想是實(shí)驗(yàn)探究的思維核心。通過應(yīng)用證據(jù)推理的線性模型和循環(huán)模型，對“乙烯”進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)，達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”核心素養(yǎng)的目的，為今后實(shí)驗(yàn)探究教學(xué)提供思路。

關(guān)鍵詞? 化學(xué)；證據(jù)推理；模型認(rèn)知；乙烯；核心素養(yǎng)；線性模型；循環(huán)模型

中圖分類號：G633.8? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2022）07-0080-04

0? 引言

化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)是以化學(xué)學(xué)科本體為出發(fā)點(diǎn)，在發(fā)展學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)學(xué)科知識的基礎(chǔ)上，發(fā)展學(xué)科觀念，利用化學(xué)技術(shù)解決生活實(shí)際問題，反映出化學(xué)學(xué)科對學(xué)生未來發(fā)展的重要價(jià)值。在教學(xué)中利用證據(jù)背后隱藏的事物發(fā)展規(guī)律構(gòu)建模型，并在構(gòu)建解釋的過程中用科學(xué)證據(jù)支撐所持觀點(diǎn)，在合作交流中得到答案，這既能使教學(xué)有據(jù)可依，又能不斷培養(yǎng)學(xué)生收集信息、整理信息、分析信息以及邏輯推理等能力[1]。目前，在實(shí)際課堂中，教師已經(jīng)有意識地培養(yǎng)學(xué)生證據(jù)推理的核心素養(yǎng)，但教學(xué)過程對這一素養(yǎng)的體現(xiàn)不夠顯性，推理過程的邏輯性、嚴(yán)謹(jǐn)性比較欠缺，學(xué)生不能達(dá)到預(yù)期的素養(yǎng)目標(biāo)，由此可以看出培養(yǎng)學(xué)生證據(jù)推理核心素養(yǎng)的教學(xué)需要根據(jù)一定的標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范進(jìn)行。本文根據(jù)證據(jù)推理的線性模型以及循環(huán)模型，對“乙烯”進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)，為今后教學(xué)提供一定思路。

1? 證據(jù)推理的內(nèi)涵與證據(jù)推理過程模型

高中化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的五個(gè)維度中，“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”是實(shí)驗(yàn)探究的思維本質(zhì)與基礎(chǔ)，其內(nèi)涵是“具有證據(jù)意識，能基于證據(jù)對物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)及其變化提出可能的假設(shè)；通過分析推理加以證實(shí)或證偽；建立觀點(diǎn)、結(jié)論和證據(jù)之間的邏輯關(guān)系；知道通過分析、推理等方法認(rèn)識研究對象的本質(zhì)特征、構(gòu)成要素及其相互關(guān)系，建立認(rèn)知模型；能運(yùn)用模型解釋化學(xué)現(xiàn)象，揭示現(xiàn)象的本質(zhì)和規(guī)律”[2]。

證據(jù)推理一詞起源于司法活動(dòng)，其在處理決策問題的未知性及不確定性方面具有優(yōu)勢，因此在可靠性分析、模式識別等領(lǐng)域被廣泛使用[3]。證據(jù)推理作為合成詞，可以分別理解。首先，證據(jù)指“一系列可用的事實(shí)或信息，表明某個(gè)信念或主張是真實(shí)的或無效的”；其次，邏輯學(xué)中的推理指根據(jù)一個(gè)或一些命題得出另一個(gè)新命題的思維形式，通常有歸納、演繹、類比等[4]。作為化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的證據(jù)推理主要有以下兩方面表現(xiàn)：

1）能夠基于證據(jù)提出假設(shè)，通過尋找證據(jù)并進(jìn)行分析與推理對假設(shè)進(jìn)行證實(shí)或證偽；

2）能夠建立起假設(shè)、證據(jù)、結(jié)論之間的邏輯關(guān)系[3]。

證據(jù)限定推理，而推理強(qiáng)調(diào)思維?；谝陨戏治觯疚恼J(rèn)為證據(jù)推理即學(xué)生基于已有認(rèn)知結(jié)構(gòu)對問題進(jìn)行假設(shè)，并通過直接或間接方式收集證據(jù)，對假設(shè)進(jìn)行證實(shí)或證偽，從而調(diào)整認(rèn)知結(jié)構(gòu)的深度思維過程[3]。證據(jù)的類型根據(jù)分類標(biāo)準(zhǔn)的不同，所得類型也不同，例如：以“宏觀—微觀—符號”進(jìn)行分類，證據(jù)可分為宏觀證據(jù)、微觀證據(jù)以及符號證據(jù)；從定性、定量的角度進(jìn)行分類，證據(jù)又可分為定性證據(jù)與定量證據(jù)[5]；還可以根據(jù)證據(jù)的獲得是否來自學(xué)習(xí)者本身經(jīng)驗(yàn)，分為直接證據(jù)與間接證據(jù)。在日常學(xué)習(xí)中，證據(jù)的分類并不是非此即彼的關(guān)系，而是有所重疊。如“乙烯使高錳酸鉀溶液褪色”這一實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，既可以作為宏觀證據(jù)，亦可以作為定性證據(jù)；若此實(shí)驗(yàn)由學(xué)生實(shí)驗(yàn)探究所得，則可以作為直接證據(jù)；若由學(xué)生通過觀看視頻、閱讀材料所得，則可以作為間接證據(jù)。

實(shí)驗(yàn)探究教學(xué)中證據(jù)推理一般有兩種模型，分別為直線型與循環(huán)型。直線型是指“提出問題、形成假設(shè)、收集證據(jù)、得出結(jié)論”這樣簡單、單向的推理過程。循環(huán)型是指在明確問題之后，依據(jù)已有的認(rèn)知經(jīng)驗(yàn)等證據(jù)對問題進(jìn)行初步分析解釋，目的在于對問題進(jìn)行進(jìn)一步表征，若無圖示激活則形成新的問題，繼續(xù)從記憶中調(diào)用舊知識，或通過一定手段尋求新知識，圖示激活則形成假設(shè)；進(jìn)一步收集證據(jù)，若無法證實(shí)或證偽原假設(shè)，則需要拆解假設(shè)，即提出新的問題，進(jìn)行分析解釋，形成新的假設(shè)，根據(jù)所收集的證據(jù)對新的假設(shè)進(jìn)行證實(shí)或證偽，最后得出結(jié)論[5]。由此，得出實(shí)驗(yàn)探究教學(xué)中證據(jù)推理過程的模型，如圖1所示。

在實(shí)際教學(xué)中由于問題設(shè)置的漸進(jìn)性與復(fù)雜性，通常將兩種模型綜合使用。對證據(jù)推理的過程進(jìn)行深度分析，不僅能夠幫助教師更加清晰地認(rèn)識證據(jù)推理的過程，從而對教學(xué)設(shè)計(jì)進(jìn)行更加科學(xué)化的完善，彌補(bǔ)證據(jù)推理教學(xué)中可靠性、嚴(yán)謹(jǐn)性不足的缺陷，而且可以為學(xué)生解決探究性問題提供一定的解題思路。

2? 教學(xué)分析

2.1? 基于課程標(biāo)準(zhǔn)分析

本節(jié)內(nèi)容屬于《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》主題4：簡單的有機(jī)化合物及其應(yīng)用。首先，內(nèi)容涉及乙烯分子的空間結(jié)構(gòu)，通過對乙烯空間結(jié)構(gòu)的認(rèn)識，并且與甲烷當(dāng)中碳原子成鍵特點(diǎn)進(jìn)行比較，掌握乙烯中碳原子的成鍵特點(diǎn)；其次，以乙烯為典型代表，認(rèn)識烯烴類物質(zhì)官能團(tuán)特點(diǎn)；最后，從乙烯的結(jié)構(gòu)認(rèn)識、乙烯化學(xué)性質(zhì)的掌握到乙烯生活生產(chǎn)重要用途的了解，初步形成“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)，性質(zhì)決定用途”的思想。對課程標(biāo)準(zhǔn)中教學(xué)提示分析可知，一方面，關(guān)于官能團(tuán)的學(xué)習(xí)應(yīng)當(dāng)以典型化合物為代表，實(shí)現(xiàn)從具體到抽象的認(rèn)識過程，因此，烯烴類物質(zhì)有關(guān)性質(zhì)的學(xué)習(xí)應(yīng)當(dāng)以乙烯的學(xué)習(xí)為起點(diǎn)，逐步進(jìn)行遷移與深化；另一方面，由于分子空間結(jié)構(gòu)屬于微觀層次，學(xué)生空間想象能力不足，因此，教師在教學(xué)中應(yīng)當(dāng)化微觀為具體宏觀，通過分子結(jié)構(gòu)實(shí)物模型或者通過3D模型對乙烯分子空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行展示，幫助學(xué)生更直觀地理解乙烯分子空間結(jié)構(gòu)。

2.2? 基于教材分析

“乙烯的化學(xué)性質(zhì)”是人教版化學(xué)必修2第七章第二節(jié)“乙烯與有機(jī)高分子材料”的內(nèi)容，位于烷烴之后，乙醇、乙醛、乙酸之前，是學(xué)生對不飽和烴的首次學(xué)習(xí)，對醇類、醛類、酸類物質(zhì)的學(xué)習(xí)起到鋪墊作用。通過梳理乙烯與相關(guān)知識點(diǎn)之間的關(guān)系，如圖2所示，可以看到乙烯對于學(xué)生鞏固烷烴以及學(xué)好烴的衍生物具有關(guān)鍵作用。

2.3? 基于學(xué)情分析

學(xué)生在之前的學(xué)習(xí)過程中了解了經(jīng)典價(jià)鍵理論，并且知道化學(xué)反應(yīng)的實(shí)質(zhì)是化學(xué)鍵的斷裂與生成，化學(xué)鍵的斷裂需要吸收能量等。通過學(xué)習(xí)甲烷及烷烴，學(xué)生已經(jīng)初步了解有機(jī)物中碳原子的成鍵特點(diǎn)，能初步從組成和結(jié)構(gòu)的角度認(rèn)識烷烴的性質(zhì)，具有“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)”這一思想儲(chǔ)備。這些知識有利于促進(jìn)學(xué)生對乙烯的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和主要性質(zhì)及其相互關(guān)系的理解[6]。由于乙烯是學(xué)生學(xué)習(xí)的第一種不飽和烴，缺少對共價(jià)鍵類型及其本質(zhì)的認(rèn)識，以及容易受烷烴結(jié)構(gòu)的影響，易犯經(jīng)驗(yàn)主義錯(cuò)誤，在不飽和烴結(jié)構(gòu)及性質(zhì)的學(xué)習(xí)中陷入誤區(qū)。

基于以上分析，首先，采用3D動(dòng)態(tài)模型，幫助學(xué)生直觀地認(rèn)識乙烯空間結(jié)構(gòu)，這也有助于對后續(xù)有機(jī)物空間結(jié)構(gòu)的學(xué)習(xí)；其次，通過解決生活中的真實(shí)問題，使學(xué)生深化“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)，性質(zhì)決定用途”這一思想；最后，通過乙烯與溴的四氯化碳溶液反應(yīng)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與鍵能參數(shù)作為乙烯與溴的四氯化碳溶液反應(yīng)類型判斷的實(shí)驗(yàn)證據(jù)以及微觀證據(jù)，改定性為定性定量相結(jié)合方式學(xué)習(xí)乙烯的化學(xué)性質(zhì)，不僅能夠幫助學(xué)生深入學(xué)習(xí)乙烯的化學(xué)性質(zhì)，而且為學(xué)生學(xué)習(xí)有機(jī)物化學(xué)性質(zhì)提供以鍵能判斷化學(xué)鍵的斷裂的分析角度，同時(shí)有效培養(yǎng)證據(jù)推理核心素養(yǎng)。

3? 教學(xué)目標(biāo)與素養(yǎng)目標(biāo)

3.1? 知識與技能

通過對乙烯結(jié)構(gòu)的認(rèn)識，能夠辨認(rèn)烯烴類物質(zhì)的官能團(tuán)，并且能概括碳原子的成鍵類型，能描述乙烯的分子結(jié)構(gòu)特征；通過對乙烯化學(xué)性質(zhì)的探究，能描述乙烯的主要化學(xué)性質(zhì)及相應(yīng)性質(zhì)實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象，能書寫相關(guān)的反應(yīng)式。

3.2? 過程與方法

通過對乙烯分子空間結(jié)構(gòu)的認(rèn)識以及乙烯化學(xué)性質(zhì)的學(xué)習(xí)，建立“結(jié)構(gòu)—性質(zhì)—用途”的認(rèn)知模型；通過乙烯分別與酸性高錳酸鉀溶液、溴的四氯化碳溶液反應(yīng)，掌握對比的學(xué)習(xí)方法；通過對乙烯與溴的四氯化碳溶液反應(yīng)類型的探究，熟悉證據(jù)推理在實(shí)驗(yàn)探究過程中的作用。

3.3? 情感態(tài)度與價(jià)值觀

通過了解乙烯在食品運(yùn)輸、石油工業(yè)中的用途，增強(qiáng)對有機(jī)化學(xué)的認(rèn)識，感受有機(jī)化學(xué)對社會(huì)所作貢獻(xiàn)以及體會(huì)有機(jī)化學(xué)的獨(dú)特價(jià)值。

3.4? 素養(yǎng)目標(biāo)

教學(xué)中要培養(yǎng)的學(xué)科核心素養(yǎng)如圖3所示。

4? 教學(xué)過程

判斷乙烯與高錳酸鉀溶液反應(yīng)類型的教學(xué)環(huán)節(jié)應(yīng)用證據(jù)推理過程模型中的線性模型。學(xué)生在學(xué)習(xí)本節(jié)課之前，已經(jīng)掌握高錳酸鉀溶液具有強(qiáng)氧化性這一知識點(diǎn)，因此，對問題分析解釋之后形成假設(shè)：如果乙烯能與高錳酸鉀溶液發(fā)生反應(yīng)，則乙烯被高錳酸鉀氧化，發(fā)生氧化還原反應(yīng)。學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象得出乙烯能夠與高錳酸鉀溶液發(fā)生反應(yīng)，獲得實(shí)驗(yàn)證據(jù)；通過分析該化學(xué)反應(yīng)方程式，可以發(fā)現(xiàn)錳元素與碳元素反應(yīng)前后化合價(jià)發(fā)生降低與升高，獲得符號證據(jù)；并且掌握高錳酸鉀溶液具有強(qiáng)氧化性以及氧化還原反應(yīng)的定義，以上兩方面知識點(diǎn)為已有認(rèn)知結(jié)構(gòu)；經(jīng)過證據(jù)收集以及對“乙烯與高錳酸鉀溶液反應(yīng)類型是什么”這一問題進(jìn)行推理，推理之后對其假設(shè)進(jìn)行證實(shí)，最終得出結(jié)論。從表1可以看出，該教學(xué)環(huán)節(jié)遵循證據(jù)推理過程模型的直線模型：問題—分析解釋—形成假設(shè)—證據(jù)推理—得出結(jié)論。

判斷乙烯與溴的四氯化碳溶液反應(yīng)類型的教學(xué)環(huán)節(jié)應(yīng)用證據(jù)推理過程模型中的循環(huán)模型。在學(xué)習(xí)本節(jié)課之前，學(xué)生已經(jīng)掌握常見物質(zhì)的檢驗(yàn)方法，并且能夠設(shè)計(jì)簡單的實(shí)驗(yàn)方案，以及學(xué)習(xí)過烷烴的相關(guān)內(nèi)容，以上內(nèi)容均可作為已有認(rèn)知。學(xué)生在已有知識基礎(chǔ)上，進(jìn)行分析解釋并形成假設(shè)：乙烯與溴的四氯化碳溶液發(fā)生取代反應(yīng)。并且設(shè)計(jì)出實(shí)驗(yàn)方案：用石蕊指示劑對取代產(chǎn)物溴化氫進(jìn)行檢驗(yàn)，若溶液顏色變?yōu)榧t色，則證明有溴化氫的生成，二者發(fā)生取代反應(yīng)。課堂中利用仿真模擬實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行該實(shí)驗(yàn)方案的操作，通過對實(shí)驗(yàn)的操作以及觀察可以看到：在乙烯與溴的四氯化碳溶液產(chǎn)物中滴加石蕊指示劑，溶液顏色并無明顯變化。這一過程作為證據(jù)推理的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。經(jīng)過證據(jù)的收集以及對問題“乙烯與溴的四氯化碳溶液反應(yīng)類型是什么”進(jìn)行推理，推理之后對假設(shè)進(jìn)行證偽，得出結(jié)論：乙烯與溴的四氯化碳溶液反應(yīng)產(chǎn)物中并無溴化氫的生成，因此，該反應(yīng)的類型不是取代反應(yīng)。到此為第一輪循環(huán)，如表2所示。

由于問題沒有得到解答，學(xué)生從“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)”認(rèn)知模型出發(fā)，重新對問題進(jìn)行分析解釋：有機(jī)物結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)，可以通過乙烯的結(jié)構(gòu)等微觀視角進(jìn)行判斷，并以此形成假設(shè)：該反應(yīng)類型與碳碳雙鍵結(jié)構(gòu)有關(guān)。通過對鍵能數(shù)據(jù)的收集與運(yùn)算，獲得π鍵鍵能的數(shù)值，并與其他鍵的鍵能數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)π鍵鍵能最低。這一過程作為證據(jù)推理的微觀證據(jù)。學(xué)生此時(shí)已掌握有機(jī)化學(xué)反應(yīng)的本質(zhì)為化學(xué)鍵的斷裂與重新組合，并且了解鍵能越低越容易斷裂，從而發(fā)生反應(yīng)。這一知識點(diǎn)作為證據(jù)推理的邏輯證據(jù)，經(jīng)過對問題“乙烯與溴的四氯化碳溶液反應(yīng)類型是什么”的二次證據(jù)推理，對假設(shè)進(jìn)行證實(shí)，得出結(jié)論：乙烯與溴的四氯化碳溶液反應(yīng)中π鍵發(fā)生斷裂。最后由教師給出定義：有機(jī)物中雙鍵或三鍵兩端的碳原子與原子或（原子團(tuán)）直接連接發(fā)生的反應(yīng)類型為加成反應(yīng)。學(xué)生將所得結(jié)論與定義相結(jié)合，得出乙烯與溴的四氯化碳溶液反應(yīng)類型為加成反應(yīng)。到此為對該問題證據(jù)推理的第二輪循環(huán)，如表3所示。

5? 啟示與反思

將證據(jù)推理過程模型應(yīng)用于實(shí)際教學(xué)過程當(dāng)中，既檢驗(yàn)證據(jù)推理過程模型的有效性，又提高基于證據(jù)推理核心素養(yǎng)角度教學(xué)的嚴(yán)謹(jǐn)性與科學(xué)性。同時(shí)，該模型的提出也為學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究提供一定的思路與方法。學(xué)科核心素養(yǎng)的落實(shí)離不開知識，知識是發(fā)展學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的重要載體。有機(jī)化合物主題重點(diǎn)發(fā)展的學(xué)生的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)是“宏觀辨識與微觀探析”“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”，同時(shí)承擔(dān)“變化觀念與平衡思想”“實(shí)驗(yàn)探究與創(chuàng)新意識”“科學(xué)態(tài)度與社會(huì)責(zé)任”的素養(yǎng)發(fā)展功能[7]。在實(shí)際教學(xué)中，教師要認(rèn)真研究教材，挖掘知識背后隱含的育人功能，并且把握學(xué)科核心素養(yǎng)的內(nèi)涵、目標(biāo)以及學(xué)科核心素養(yǎng)培養(yǎng)的途徑、方法，實(shí)施突出核心素養(yǎng)導(dǎo)向的教學(xué)，使學(xué)科核心素養(yǎng)真正“落地”。

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*項(xiàng)目來源：甘肅省優(yōu)秀研究生“創(chuàng)新之星”項(xiàng)目“中學(xué)化學(xué)教科書（人教版）中部分實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新性設(shè)計(jì)研究”（項(xiàng)目編號：2021CXZX-234）。

作者：岳睿，西北師范大學(xué)教育學(xué)院在讀碩士，研究方向?yàn)榛瘜W(xué)教學(xué)；莫尊理，西北師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，教授，研究方向?yàn)椴牧匣瘜W(xué)、化學(xué)教學(xué)、科學(xué)哲學(xué)；楊梅，西北師范大學(xué)教育學(xué)院在讀博士，研究方向?yàn)檎n程與教學(xué)論（730070）。