黃媛媛 陳凱 丁小婷

摘要： 基于論證的科學(xué)教學(xué)活動注重證據(jù)的收集與獲取，強調(diào)社會交互過程中的知識建構(gòu)，有利于學(xué)生理解科學(xué)的本質(zhì)。以人教版初中化學(xué)“我們周圍的空氣”部分內(nèi)容為基點進行拓展，以國際上倡導(dǎo)的科學(xué)論證模式為結(jié)構(gòu)框架展開“氮氣”性質(zhì)和用途關(guān)系的論證活動，創(chuàng)新性地在中學(xué)生初學(xué)化學(xué)時滲透科學(xué)論證啟蒙教育。

關(guān)鍵詞： 科學(xué)論證; 證據(jù); 空氣; 氮氣; 啟蒙教育

文章編號： 10056629（2018）12005505中圖分類號： G633.8文獻標(biāo)識碼： B

1?關(guān)于科學(xué)論證

論證是一種推理的過程，運用具有合理性的理由支持所闡述的觀點，說明數(shù)據(jù)與結(jié)論之間的合理聯(lián)系;通過對話互動來建構(gòu)知識、達成共識或解決問題與爭辯。傳統(tǒng)的化學(xué)實驗探究教學(xué)，太注重操作技能和程序化的活動過程，容易忽略對證據(jù)和理由的深度思考。學(xué)生在化學(xué)課堂上不僅需要學(xué)習(xí)運用觀察、實驗等方法獲取信息，還需要主動與他人進行交流討論，論證并明確地表達自己的觀點，促進對科學(xué)本質(zhì)的理解，通過科學(xué)活動的實踐感知科學(xué)文化。

國外的課程改革較早注重培養(yǎng)學(xué)生的論證能力，例如美國在“下一代科學(xué)標(biāo)準(zhǔn)”（Next Generation Science Standards，以下簡稱NGSS）里，已經(jīng)將論證練習(xí)作為培養(yǎng)科學(xué)家活動的中心環(huán)節(jié)。英國國家科學(xué)課程（National Science Curricufum）十分重視“觀點和證據(jù)（Ideas and Evidence）”和“科學(xué)如何運作（How Science Works）”，培養(yǎng)證據(jù)意識和具備論證能力已經(jīng)成為教育目標(biāo)，明確提出學(xué)生需要了解更深層次科學(xué)知識的意義，課標(biāo)需要理解科學(xué)觀點是如何被提出、修改和評價——這些都是通過論證環(huán)節(jié)獲得[1]?！镀胀ǜ咧谢瘜W(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》首次將“證據(jù)推理”確立為化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的重要組成，表明我國化學(xué)課程改革開始重視論證教學(xué)[2]。

王磊教授指出，化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)是學(xué)生在初中化學(xué)啟蒙課程和高中化學(xué)的必修課程（包括選擇性必修課程）、選修課程的學(xué)習(xí)過程中逐步形成和發(fā)展的，所以“證據(jù)推理”不只限于高中階段的化學(xué)課程，同樣適用于義務(wù)教育階段的化學(xué)課程，區(qū)別在于各學(xué)段核心素養(yǎng)的具體內(nèi)涵和發(fā)展水平上的差異[3]。

目前我國科學(xué)論證教學(xué)課例常見于高中化學(xué)教學(xué)，我們試圖在九年級化學(xué)課程中嘗試進行科學(xué)論證教學(xué)的設(shè)計與組織。

2?基于科學(xué)論證的課堂教學(xué)設(shè)計

2.1?教學(xué)設(shè)計思路初探

人教版初中化學(xué)第二單元第一節(jié)“空氣”主要關(guān)注三點：“空氣是由什么組成的”、“空氣是一種寶貴的資源”和“保護空氣”。教師用書建議2課時完成。時間有限，所以在教學(xué)實際中重點往往落在空氣中氧氣含量的測定上，對于空氣的組成只要求初步認(rèn)識混合物和純凈物。氧氣的性質(zhì)作為重要的考點，往往和后面章節(jié)相關(guān)內(nèi)容合并詳加探討，而氮氣、稀有氣體的主要用途及相關(guān)性質(zhì)往往略過。由于在中考化學(xué)試題中這部分考點往往簡單甚至不重要，在“以考定教”的觀念之下，許多“好玩”和有教育價值的學(xué)習(xí)內(nèi)容會被忽視。如果化學(xué)學(xué)習(xí)的啟蒙階段，新授課教學(xué)就直奔中考化學(xué)考點而去，將帶給學(xué)生乏味、機械、模糊的科學(xué)學(xué)習(xí)氛圍，只怕學(xué)習(xí)效果會適得其反[4]。

我們將“氮氣”主題放大、強化，挖掘出豐富多彩的素材進行有效組織，既有生活中實用的知識又有對社會性科學(xué)議題的思索。教學(xué)設(shè)計融入國際上流行的科學(xué)論證模式——圖爾敏論證模型[5]和基于波普爾科學(xué)發(fā)展模式的論證式探究教學(xué)框架。

圖爾敏論證模型中的主張、資料和根據(jù)是論證模型的核心成分，也將其稱為基本模式。它還包括支援、限定詞和反駁三成分組合的拓展模式。一個典型的論證往往由一系列的主張組成。主張也是觀點，是由證據(jù)支持的陳述;論證的資料即為支持主張的根據(jù);根據(jù)即為理由，用于清晰地說明主張和資料之間的關(guān)系;支援用于解釋為什么根據(jù)是有效的;限定詞指定論證是在何種前提下有效;反駁需要舉出例子說明根據(jù)沒有必然權(quán)威，或者舉出例子說明主張不是有效的，反駁可以針對主張，也可以針對根據(jù)。圖爾敏論證模型強調(diào)論證的普遍程序性結(jié)構(gòu)，更關(guān)注論證的過程而不是論證的具體內(nèi)容[6]。

波普爾論證教學(xué)框架由問題、猜想、理性批判、結(jié)論構(gòu)成，其核心是理性批判。理性批判表現(xiàn)為通過討論、評價，否定不合理的猜想，為合理的觀點提供辯護的行為[7]。

在“氮氣有什么用”這部分教學(xué)設(shè)計中，論證環(huán)節(jié)1與論證環(huán)節(jié)3采用了圖爾敏論證模型，分別以學(xué)科主題和社會性科學(xué)議題為載體開展論證教學(xué)實踐活動;在論證環(huán)節(jié)2中，則借鑒了基于波普爾科學(xué)發(fā)展模式的論證式探究教學(xué)框架，幫助學(xué)生將已有知識應(yīng)用到實際情境中，引導(dǎo)學(xué)生對生活、社會中的化學(xué)問題進行深入思考并體驗科學(xué)思維。

由于空氣是學(xué)生化學(xué)學(xué)習(xí)中首次專題學(xué)習(xí)的化學(xué)物質(zhì)，并且由于學(xué)生積累的自然科學(xué)知識基礎(chǔ)目前多來自于小學(xué)科學(xué)以及初中物理和生物課程學(xué)習(xí)，學(xué)科思維的差異和已有方法的訓(xùn)練尚不能支撐學(xué)生很好地融入化學(xué)課程的科學(xué)論證學(xué)習(xí)。因此，一開始主要由教師盡可能提供較多的證據(jù)給學(xué)生，讓學(xué)生從中選取利用，隨后引導(dǎo)學(xué)生嘗試提出觀點并進行論證，逐步構(gòu)建證據(jù)與觀點之間的聯(lián)系。

2.2?教學(xué)過程設(shè)計

2.2.1?引入氮氣的穩(wěn)定性

[教師提問]空氣中氧氣含量的測定實驗中，為什么汞和紅磷都只能消耗體積分?jǐn)?shù)為五分之一的氧氣？

[學(xué)生活動]列表對比氮氣和氧氣的化學(xué)性質(zhì)。

[教師提問]根據(jù)對這兩種成分的已有了解，還可以設(shè)計怎樣的實驗比較它們的化學(xué)性質(zhì)？

[學(xué)生活動]圍繞氮氣和氧氣可能具有的化學(xué)性質(zhì)，提出驗證性實驗方案。例如，能否使帶火星的木條復(fù)燃，能否支持小白鼠呼吸、蠟燭燃燒等。

[教師反饋]提供證據(jù)和理由，闡明學(xué)生設(shè)計的實驗是否可行。

[教師提問]聯(lián)系生活實際，這些性質(zhì)有什么用？

[學(xué)生活動]舉例回答。

[教師提問]組成空氣的成分還有二氧化碳、稀有氣體，你認(rèn)為它們的化學(xué)性質(zhì)跟氧氣、氮氣相比是穩(wěn)定還是活潑？請嘗試給出證據(jù)。

設(shè)計意圖： 由于學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)過空氣中氧氣含量的測定，對于初學(xué)化學(xué)的學(xué)生來說，這部分內(nèi)容學(xué)科知識的交叉與滲透強、思維要求高，所以有必要在本課一開始以表格的形式梳理對氮氣和氧氣的已有認(rèn)識，并嘗試引導(dǎo)他們結(jié)合證據(jù)和理由解決疑難問題。同時開始啟蒙“性質(zhì)決定用途、用途反映性質(zhì)”的認(rèn)識，為后面設(shè)計中的多元活動打下基礎(chǔ)。

2.2.2?氮氣有什么用途

[教學(xué)過渡]氮氣雖然穩(wěn)定，但是不意味著沒有實用價值;除了同學(xué)們提出的以上觀點，我們補充幾條幫助大家深入思考。

論證環(huán)節(jié)1?跨學(xué)科主題的論證啟蒙

[引出論點]網(wǎng)上流傳汽車輪胎充氮氣更好，利用學(xué)過的理化知識加以判斷，支持還是不支持？

[教師演示]提供網(wǎng)絡(luò)搜集的信息如下：

觀點1： 支持

（1） 充入氮氣后汽車輪胎不易熱脹冷縮，不會頻繁出現(xiàn)“熱炸了”的現(xiàn)象;

（2） 平常充入的壓縮空氣中含有水分，而充入的氮氣幾乎不含水分;

（3） 充入氮氣后汽車輪胎不易老化，不會頻繁出現(xiàn)裂痕;

（4） 氮氣的化學(xué)性質(zhì)不活潑，氧氣化學(xué)性質(zhì)活潑，輪胎易氧化;

（5） 充入氮氣后，可以降低耗油量;

（6） 充入氮氣后汽車輪胎壓力增大，同時氮氣分子大，不易漏氣，輪胎氣足足的，減少了與地面之間的滾動摩擦;

（7） 充入氮氣能有效減少輪胎在行駛過程中的噪音。

觀點2： 不支持

（1） 我們平常充入的是壓縮空氣，其中78%是氮氣，不必耗費物資獲取高純度的氮氣，即便跟空氣相比有差異，應(yīng)該也是極小的;

（2） 充入氮氣降低噪音不科學(xué)，噪音主要是通過外界空氣傳播而不是通過輪胎內(nèi)部傳播;

（3） 氮氣的分子是比空氣中其他分子稍大些，但對泄漏的影響微乎其微，而且氣體泄漏的速度也與輪胎胎壁有關(guān);

（4） 沒有理論支撐輪胎出現(xiàn)裂痕、老化是由于氧化，應(yīng)該是長期使用后磨損導(dǎo)致的。

[教師提問]判斷哪些是證據(jù)，哪些是理由？哪些屬于物理研究范疇，哪些是化學(xué)問題？

[小結(jié)啟發(fā)]網(wǎng)絡(luò)上獲取的解釋和證據(jù)一定是正確的嗎？請在課后思考上述說法的科學(xué)性，并思考如何才能獲取權(quán)威的解釋或證據(jù)。

設(shè)計意圖： 該主題聯(lián)系物理、化學(xué)以及汽車制造等多學(xué)科領(lǐng)域，雖然學(xué)生未必都明白，但教師提供已經(jīng)搜集好的信息，請學(xué)生閱讀并從中了解論證的基本概念，區(qū)別證據(jù)和理由，也強化了上一單元的核心概念——“化學(xué)變化”。

論證環(huán)節(jié)2?基于生活主題的論證訓(xùn)練

[教學(xué)過渡]南京鹽水鴨馳名中外，一般有兩種包裝： 充氣包裝和真空包裝。包裝袋里充入的可能是什么氣體？

[學(xué)生猜想]氧氣;氮氣;二氧化碳;稀有氣體;氫氣。

[教師引導(dǎo)]請?zhí)峁┳C據(jù)和理由，論證你的觀點。

（準(zhǔn)備必要的實驗儀器和藥品： 注射器、木條、酒精燈、火柴、小燒杯、小氣球、澄清石灰水等，按照學(xué)生尋找證據(jù)的實驗手段需要來做相應(yīng)的實驗）

[學(xué)生活動]見表1。

[師生合作]針對學(xué)生的觀點、尋找證據(jù)的方法提供必要的實驗支持，并對學(xué)生反駁的理由進行肯定和補充。

[腦洞大開]氫氣是世界上已知的最輕的氣體，如果往鹽水鴨或薯片包裝袋里充入氫氣，包裝袋可能會滿天飛，非常有趣，或許能開發(fā)出一種新式的食品包裝模式，但是氫氣易燃易爆，也給這種創(chuàng)意帶來了安全隱患。

[進階問題]薯片和蛋糕包裝袋常常是充氣包裝，能否真空包裝？

[教師總結(jié)]食品包裝袋里一般充入氮氣，氮氣化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、無毒無害，可以營造缺氧環(huán)境，抑制細(xì)菌、霉菌的生長，延長食品的保質(zhì)期。

設(shè)計意圖： 用實驗手段研究生活中的化學(xué)問題，既激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，又突出了科學(xué)的嚴(yán)謹(jǐn)性;提出大膽有趣的開創(chuàng)性問題，啟發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維。本環(huán)節(jié)的論證教學(xué)，試圖引導(dǎo)學(xué)生提出科學(xué)主張和觀點，形成論證思路和方法，而不是傳統(tǒng)學(xué)習(xí)中對于教師的講授全盤接受與肯定。

論證環(huán)節(jié)3?基于社會性科學(xué)議題的論證思考

[教學(xué)過渡]如圖1所示，食品包裝氣應(yīng)該具備怎樣的特征？

[教師提問]如何得到高純度的氮氣？

[教師補充]化學(xué)方法： 向純度較低的氮氣中加入一定物質(zhì)（不能和氮氣反應(yīng)）與氧氣發(fā)生反應(yīng)生成水，進行干燥;物理方法： 低溫液化。

[播放視頻]（1）液氮在醫(yī)療、飲食等方面的應(yīng)用，展示液氮冰淇淋的制作過程;（2）關(guān)于液氮的趣味實驗（有條件可以現(xiàn)場完成）。

設(shè)計意圖： 承上啟下，從食品包裝用氮氣的技術(shù)要求過渡到高純度氮氣的制備，引出氮氣的工業(yè)制法。生活氣息濃厚的情境，豐富多彩的實驗現(xiàn)象，有利于活躍學(xué)生思維，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣。

[情境創(chuàng)設(shè)]霧霾是近年來全國普遍的環(huán)境問題。有媒體報道，將液氮泵入空中，使之在地面上方形成高度至少達10米的薄霧。液氮在塵埃和其他污染物的細(xì)小顆粒上形成晶體，隨后掉落到地面，同時還能阻止被污染的空氣降落到街道上。

[教師提問]科學(xué)家正在研究向大氣中注入超冷氣體能否幫助減少空氣污染。你是否支持這一研究方向？請說出你的理由，必要時提供證據(jù)。

[學(xué)生活動]見表2。

設(shè)計意圖： “大氣污染”是經(jīng)典的社會性科學(xué)議題之一，向大氣中注入超冷氣體的措施能否幫助減少霧霾，這個問題絕非是僅靠中學(xué)生的知識與能力就能解決的，所以在教學(xué)過程中不強求標(biāo)準(zhǔn)答案，而注重在論證過程中學(xué)生所能收獲的舉證能力與批判性思維。在本環(huán)節(jié)中，學(xué)生可以從他人的反駁中發(fā)現(xiàn)自己觀點和證據(jù)的不足，意識到化學(xué)知識系統(tǒng)的復(fù)雜性。

2.2.3?氮氣真的是“惰性”的嗎

[教學(xué)過渡]上述氮氣的用途大多利用了氮氣“不活潑”的化學(xué)性質(zhì)。氮氣真的是“惰性”的嗎？

[補充資料]（1）放電條件下，氮氣可以和氧氣反應(yīng);（2）點燃條件下，氮氣可以和鎂條反應(yīng)等;（3）氮氣和氫氣在一定溫度、壓強和催化劑作用下反應(yīng)。

[教學(xué)小結(jié)]化學(xué)物質(zhì)的“惰性”不絕對，條件改變，物質(zhì)可能表現(xiàn)出不一樣的化學(xué)性質(zhì)。

設(shè)計意圖： 學(xué)生越來越能體會到科學(xué)知識的不確定性，意識到在九年級階段所學(xué)到的化學(xué)知識是發(fā)展中的、片面的，由此構(gòu)建自身科學(xué)知識觀。

3?基于科學(xué)論證進行教學(xué)設(shè)計的幾點補充說明

整個論證過程表現(xiàn)為支持觀點的推理建立在證據(jù)的基礎(chǔ)之上，鑒于學(xué)生已有的知識基礎(chǔ)和學(xué)科視野有限，所以需要教師提供盡可能多的證據(jù)給學(xué)生，讓他們從中選取利用;學(xué)生需要在學(xué)習(xí)中積極表達自己的理解和意見，構(gòu)建證據(jù)與觀點之間的聯(lián)系;此外，“性質(zhì)決定用途、用途反映性質(zhì)”是化學(xué)學(xué)習(xí)的重要思路，也是尋找證據(jù)的突破口。同時，在本節(jié)課整個推進過程中，師生合作，逐步繪制、完善氮氣的思維導(dǎo)圖，既強化建構(gòu)過程體驗，又避免太多活動堆砌容易導(dǎo)致部分主動性欠缺的學(xué)生收獲浮于表面。

本文是南京曉莊學(xué)院職前科學(xué)教師工作室組織的九年級化學(xué)深度備課活動成果之一，以“準(zhǔn)教師（化學(xué)師范生）高?；瘜W(xué)教學(xué)論教師初高中化學(xué)一線教師”為學(xué)習(xí)共同體，針對一定主題展開創(chuàng)新備課的教學(xué)研修，以期對職前職后化學(xué)教師提供必要的支持。本設(shè)計各在一家民辦教育集團培訓(xùn)機構(gòu)和一所公辦學(xué)校九年級的化學(xué)課程班講授實施。

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