◎ 許廣慧

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱《2020修訂版課標(biāo)》）提出“以發(fā)展化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)為主旨，重視開展素養(yǎng)為本的教學(xué)”。［1］化學(xué)學(xué)科的五大核心素養(yǎng)各有側(cè)重，但不孤立，相互支撐，其中“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”核心素養(yǎng)是化學(xué)學(xué)科的重要思維方法，同時屬于多學(xué)科并重素養(yǎng)，與物理核心素養(yǎng)中的“科學(xué)思維”和數(shù)學(xué)核心素養(yǎng)中的“邏輯推理”本質(zhì)相同，體現(xiàn)科學(xué)探究的基本方法和過程，值得深入研究和探討。

一、“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”的內(nèi)涵與培育策略

“證據(jù)推理”是基于證據(jù)意識，通過收集證據(jù)，進(jìn)行分析推理，建立證據(jù)與結(jié)論之間的邏輯關(guān)系，預(yù)測物質(zhì)變化，證實或證偽假設(shè)，從而獲取新的認(rèn)知。在教學(xué)中應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生從多角度多層次尋找可靠證據(jù)進(jìn)行推理，可以是宏觀證據(jù)、微觀證據(jù)，也可以是定性證據(jù)、定量證據(jù)、史料證據(jù)等。

“模型認(rèn)知”是基于建模意識，通過類比抽象，建立模型，并運用模型系統(tǒng)理解概念和原理。模型認(rèn)知的一般過程為：構(gòu)建與認(rèn)知、完善與豐富、應(yīng)用與發(fā)展。在教學(xué)中引導(dǎo)學(xué)生歸納總結(jié)，建立模型，可以是實物模型、非實物模型，也可以是圖像模型、文字描述模型、符號模型等。

證據(jù)推理與模型認(rèn)知相輔相成，既可以通過證據(jù)推理來認(rèn)知和豐富模型，也可以通過模型認(rèn)知完善證據(jù)推理的過程?；瘜W(xué)是一門以實驗為基礎(chǔ)的學(xué)科，實驗探究是實現(xiàn)證據(jù)推理與模型認(rèn)知的有效途徑。結(jié)合證據(jù)推理的一般生成模式和課堂實踐，嘗試構(gòu)建通過實驗探究進(jìn)行證據(jù)推理與模型認(rèn)知的培育策略（見圖1）。

圖1 基于實驗探究的證據(jù)推理與模型認(rèn)知的培育策略

二、教學(xué)案例分析

現(xiàn)以“鋼鐵的電化學(xué)腐蝕與防護(hù)”的教學(xué)實踐為例，根據(jù)上述策略，通過實驗探究，從定性、定量、史料三個角度，探討“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”這一核心素養(yǎng)的發(fā)展和落實。

（一）教材分析

本課例選自滬科版高中化學(xué)教材選擇性必修一中化學(xué)反應(yīng)原理模塊，是氧化還原反應(yīng)中電化學(xué)基礎(chǔ)知識原電池和電解池的實際應(yīng)用環(huán)節(jié)，內(nèi)容相對綜合和獨立。在學(xué)習(xí)本節(jié)內(nèi)容之前，學(xué)生已經(jīng)了解鋼鐵腐蝕的宏觀條件，但并不了解鋼鐵生銹的微觀本質(zhì)；學(xué)習(xí)過銅鋅原電池和電解飽和食鹽水，掌握了原電池、電解池的基本構(gòu)造和工作原理，但沒有接觸過鐵碳微型原電池，同時缺乏將理論知識應(yīng)用于解決實際問題的能力。

（二）教學(xué)設(shè)計與實施

本課例秉持“教師為主導(dǎo)，學(xué)生為主體”的教學(xué)理念，緊緊圍繞“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”這一核心素養(yǎng)，以學(xué)校所處東海之濱的實地環(huán)境創(chuàng)設(shè)真實學(xué)習(xí)情境，以實際問題為明線，學(xué)科知識為隱線，通過實驗探究進(jìn)行證據(jù)推理，完成模型認(rèn)知與應(yīng)用過程，最終落實學(xué)科核心素養(yǎng)。教學(xué)流程如圖2所示。

圖2 基于“情境、活動、知識、素養(yǎng)”的教學(xué)流程

（三）基于“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”的教學(xué)過程

1.定性證據(jù)推理，構(gòu)建和認(rèn)知模型

定性證據(jù)推理是通過觀察、實驗和分析等非量化手段來收集證據(jù)進(jìn)行推理的過程。根據(jù)呈現(xiàn)的具體形式，定性證據(jù)可分為宏觀證據(jù)、微觀證據(jù)。基于鋼鐵的成分及所處環(huán)境，根據(jù)原電池的構(gòu)成條件，構(gòu)建鐵碳微型原電池模型（見圖3）引導(dǎo)學(xué)生基于原電池模型，有針對性地獲取解決問題所需的證據(jù)，定性分析推理，完成鐵碳微型原電池模型的認(rèn)知。本課例的創(chuàng)新之處是除了U形管實驗（見圖4）外，還設(shè)計了簡易環(huán)保的暖寶寶-塑料瓶實驗，通過雙重實驗證據(jù)來定性探究鋼鐵腐蝕原理，使推理更科學(xué)和嚴(yán)謹(jǐn)，從而全面深化認(rèn)知模型。

圖3 鐵碳原電池模型

圖4 U形管實驗裝置

（1）證據(jù)推理與認(rèn)知在探究鋼鐵在中性環(huán)境中的腐蝕原理的應(yīng)用

探究負(fù)極反應(yīng)方面基于鐵碳原電池模型，易判斷負(fù)極，引出學(xué)生對負(fù)極反應(yīng)產(chǎn)物的疑問。結(jié)合學(xué)生已有認(rèn)知，提出負(fù)極電極可能的假設(shè)；基于鐵鹽與亞鐵鹽性質(zhì)不同進(jìn)行分析推理，提出假設(shè)的檢驗方案；基于模型認(rèn)知設(shè)計U形管探究實驗，證實假設(shè)。

探究正極反應(yīng)方面基于得失電子守恒，引出學(xué)生對負(fù)極電子的去向產(chǎn)生疑問。結(jié)合學(xué)生已有的知識，通過分析、推理預(yù)測元素化合價可能的變化，提出正極電極反應(yīng)的假設(shè)?；谏蓺怏w與消耗氣體引起不同壓強變化進(jìn)行分析推理，設(shè)計U形管探究實驗進(jìn)行驗證；但該實驗證據(jù)不充分，繼續(xù)尋找證據(jù)修正假設(shè)?；谏钪惺煜さ呐瘜殞毰c鋼鐵成分相近，創(chuàng)新設(shè)計了利用暖寶寶的塑料瓶實驗（見圖5），證實有氣體消耗。

圖5 中性環(huán)境塑料瓶實驗

相較于以往的液柱實驗和微型實驗等，在科學(xué)性和安全性的基礎(chǔ)上，塑料瓶實驗的裝置和操作更加簡約，實驗現(xiàn)象（證據(jù)）更直觀明顯，同時賦予實驗新的活力；暖寶寶、鐵釘和塑料瓶都源于生活中熟悉物品，可以增強學(xué)生探究的積極性。

（2）證據(jù)推理與認(rèn)知在探究鋼鐵在酸性環(huán)境中的腐蝕原理的應(yīng)用

基于電鍍廠、電池廠等企業(yè)生產(chǎn)設(shè)施和設(shè)備腐蝕嚴(yán)重，教師引出探究鋼鐵在強酸性環(huán)境中腐蝕原理的必要性，從而引發(fā)學(xué)生對強酸性環(huán)境下鐵失去電子的去向以及與中性環(huán)境下是否相同的疑問。根據(jù)鋼鐵成分及鋼鐵所處強酸性環(huán)境，構(gòu)建鐵碳微型原電池模型。基于強酸性環(huán)境與中性環(huán)境中，主要微粒的種類基本不變，提出正極電極反應(yīng)與中性環(huán)境相同的假設(shè)?；谧C據(jù)分析推理，設(shè)計探究實驗，向之前癟了的塑料瓶加強酸模擬強酸性環(huán)境，進(jìn)行實驗（見圖6），證實是否有氣體生成；在該實驗證據(jù)之上，進(jìn)一步通過強酸性溶液的U形管實驗，探究反應(yīng)現(xiàn)象，通過多重證據(jù)，增強推理的嚴(yán)密性。

圖6 強酸性環(huán)境塑料瓶實驗

在定性探究推理鋼鐵腐蝕原理的過程中，從中性到強酸性，從負(fù)極反應(yīng)到正極反應(yīng)，在過渡上，通過宏觀創(chuàng)設(shè)情境代替微觀離子濃度變化，有事實證據(jù)，學(xué)生更容易接受；在知識上，考慮到學(xué)生對于鐵與鹽酸的反應(yīng)相對熟悉，不便于兩極電極反應(yīng)探究的開展；在實驗上，向之前癟了的塑料瓶中加酸后恢復(fù)原狀，直觀感受強烈，學(xué)生探究興趣濃厚，同時體現(xiàn)實驗探究的連續(xù)性，融入科學(xué)探究的創(chuàng)新意識。通過實驗探究觀察宏觀現(xiàn)象、驗證微觀粒子，最后分析推理得出電極反應(yīng)，實現(xiàn)“宏微符”三重表征；由易到難，符合學(xué)生的認(rèn)知水平，實現(xiàn)螺旋式上升的學(xué)習(xí)過程，體驗科學(xué)研究的一般過程和方法，感悟嚴(yán)謹(jǐn)求實的科學(xué)態(tài)度和科學(xué)精神。鐵碳原電池模型的構(gòu)建和認(rèn)知，是輸入和思維內(nèi)化的過程。

2.定量證據(jù)推理，完善和豐富模型

定量證據(jù)推理是通過數(shù)字形式的量化手段來收集證據(jù)進(jìn)行推理的過程。在探究鋼鐵在中性環(huán)境的正極反應(yīng)時，為增強證據(jù)推理的嚴(yán)謹(jǐn)性，在傳統(tǒng)實驗推測的定性證據(jù)之上，進(jìn)一步設(shè)計數(shù)字化實驗，補充定量證據(jù)，深層次完善和豐富模型。通過圖像（見圖7），更加直觀、高效、準(zhǔn)確地分析，從而實現(xiàn)了吸氧腐蝕的“宏微符圖”四重表征，同時體驗了從“無氣體生成”到“有氣體消耗”，再到“消耗了氧氣”的邏輯推理。結(jié)合滴加酚酞驗證產(chǎn)物，定量證實正極電極反應(yīng)假設(shè)，再根據(jù)正負(fù)極的電極反應(yīng)分析推理出電池的總反應(yīng)，整個證據(jù)推理過程富有邏輯性和嚴(yán)謹(jǐn)性。

圖7 中性環(huán)境氧氣傳感器

在探究鋼鐵在酸性環(huán)境中的正極反應(yīng)時，基于酸性環(huán)境中也有氧氣存在，產(chǎn)生該環(huán)境中析氫腐蝕和吸氧腐蝕競爭關(guān)系的疑問，提出酸性環(huán)境中同時發(fā)生析氫腐蝕和吸氧腐蝕的假設(shè)。基于證據(jù)進(jìn)行分析推理，設(shè)計定量實驗探究：最直接的證據(jù)推理是直接監(jiān)測酸性環(huán)境中氧氣含量的變化，嘗試分別用氧氣傳感器和溶解氧傳感器監(jiān)測不同酸性條件下的氧氣含量變化，但在用證據(jù)推理的過程中要注重分析證據(jù)與假設(shè)和結(jié)論之間的邏輯關(guān)系，學(xué)會篩選證據(jù)，氧氣傳感器和溶解氧傳感器測的都是氧氣的體積分?jǐn)?shù)變化，出于科學(xué)的嚴(yán)謹(jǐn)性，酸性條件下氧氣的體積分?jǐn)?shù)降低并不能作為氧氣含量減少的有力證據(jù)；有文獻(xiàn)用壓強傳感器監(jiān)測不同酸性條件下的壓強變化（見圖8）［2］，通過圖像中壓強變化，證實在強酸性環(huán)境中以發(fā)生析氫腐蝕為主，在中性或弱酸性環(huán)境中以發(fā)生吸氧腐蝕為主；理想的證據(jù)推理是用恰當(dāng)?shù)难鯕鈧鞲衅骱蛪簭妭鞲衅魍瑫r監(jiān)測不同酸性條件下的氧氣含量變化和壓強變化（見圖9），目前還在研究中，尚未實現(xiàn)。

圖8 酸性環(huán)境壓強傳感器

圖9 氧氣傳感器和壓強傳感器

3.史料證據(jù)推理，應(yīng)用和發(fā)展模型

模型的應(yīng)用和發(fā)展是模型輸出和思維升華的過程。在鋼鐵腐蝕原理的防腐應(yīng)用中，通過對比身邊東海大橋和調(diào)研的其他腐蝕現(xiàn)象，對東海大橋常年處于強腐蝕環(huán)境中卻要使用100年的事實產(chǎn)生疑問?；阡摌兜某煞?、所處環(huán)境和安裝鋁塊的防腐措施，根據(jù)鐵碳原電池模型，提出鐵做正極、鋁做負(fù)極的原電池原理的電化學(xué)防腐方案。最后通過文獻(xiàn)史料證實東海大橋和蘆潮港鋼閘門確實均利用犧牲陽極的陰極保護(hù)法進(jìn)行電化學(xué)防腐［3，4］。基于電解池模型，對金屬類文物的修復(fù)與保護(hù)中“將待清洗的器物與低電壓負(fù)極，一種惰性物與正極相連”的電化學(xué)清洗法［5］進(jìn)行分析推理，理解外加電流的陰極保護(hù)法。

為降低推理上的思維難度，循序漸進(jìn)，在提出具體電化學(xué)防腐方案之前，通過生活中電熱水器通過定期更換鎂棒減緩內(nèi)膽腐蝕和長距離地下鋼制管道通過連接電源負(fù)極減緩管道腐蝕兩個事實進(jìn)行啟發(fā)。通過上述證據(jù)推理的過程，能提煉電化學(xué)模型，并運用電化學(xué)模型來解決電化學(xué)防腐的實際問題。

基于鐵碳原電池模型的進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用，利用金屬腐蝕原理還可以直接化“腐朽”為“神奇”，即轉(zhuǎn)危為機，為人類生活服務(wù)。如實驗探究過程中用到的暖寶寶、醫(yī)療上可降解的鎂合金血管支架、生活上以“鋁-空氣-海水”為能源的海洋電池、工業(yè)上處理廢水的鐵碳微電解技術(shù)等。通過對科技前沿和實際工業(yè)生產(chǎn)的了解，培養(yǎng)學(xué)生樹立根據(jù)信息建構(gòu)模型、建立解決實際問題的思維框架，贊賞化學(xué)對社會發(fā)展的重大貢獻(xiàn)，體會學(xué)科價值，培養(yǎng)社會責(zé)任感。

三、教學(xué)總結(jié)與反思

本課例通過組織學(xué)生課前調(diào)研和復(fù)習(xí)銅鋅原電池基礎(chǔ)模型、課中探究推理和認(rèn)知豐富鐵碳原電池新模型、課后開放性作業(yè)和發(fā)展應(yīng)用鐵碳原電池新模型的整體設(shè)計，采取情境問題引導(dǎo)、小組討論、實驗探究、教師答疑等教學(xué)方法，協(xié)助學(xué)生運用日常生活中熟悉的物品探究和應(yīng)用化學(xué)原理，以培養(yǎng)和發(fā)展學(xué)生“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”學(xué)科思想為主線，同時滲透“宏觀辨識與微觀探析”和“變化觀念與平衡思想”的方法，提高“科學(xué)探究和創(chuàng)新意識”的能力，強化“科學(xué)態(tài)度與社會責(zé)任”的意識，注重學(xué)生綜合運用化學(xué)知識解決實際問題的能力，真正做到“從生活走近化學(xué)，從化學(xué)走進(jìn)生活”。通過教學(xué)實踐，結(jié)合學(xué)生對探究推理表現(xiàn)及課后學(xué)習(xí)內(nèi)容評價，達(dá)到了教學(xué)目標(biāo)的落實。

高中化學(xué)知識點繁多瑣碎，而模型認(rèn)知是對知識的歸納總結(jié)，證據(jù)推理是科學(xué)的思維方法，一線教師必須具有落實“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”教學(xué)要求的意識，充分挖掘教材，創(chuàng)設(shè)真實的教學(xué)情境，提出有價值的化學(xué)問題，設(shè)計符合學(xué)生認(rèn)知的科學(xué)探究，多角度尋找證據(jù)，尊重實驗事實，學(xué)會篩選科學(xué)可靠的證據(jù)，強化證據(jù)推理的過程，增強教學(xué)的邏輯性和嚴(yán)謹(jǐn)性，凸顯化學(xué)的學(xué)科價值，體現(xiàn)科學(xué)的內(nèi)在思維。學(xué)科素養(yǎng)的培養(yǎng)和發(fā)展不是一朝一夕的事情，需要落實到每一堂課中，潛移默化影響學(xué)生，最終達(dá)到育人目的。