摘 要：“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”是化學(xué)實(shí)驗(yàn)探究過程中不可或缺的高階思維品質(zhì)，物質(zhì)的元素組成檢測(cè)是初中化學(xué)實(shí)驗(yàn)探究教學(xué)中發(fā)展“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”素養(yǎng)的典型主題單元?！耙掖嫉脑亟M成檢測(cè)”安排在蠟燭、水、甲烷等物質(zhì)的元素組成檢測(cè)之后，以之為邏輯起點(diǎn)，進(jìn)一步發(fā)展“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”素養(yǎng)值得進(jìn)一步研究。在“乙醇的元素組成檢測(cè)”教學(xué)中，嘗試通過“燒杯倒扣收集法檢測(cè)乙醇中的C、H元素”“錐形瓶收集法檢測(cè)乙醇中的C、H元素”“手持技術(shù)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)法檢測(cè)乙醇中的C、H元素”“進(jìn)一步檢測(cè)檢測(cè)乙醇中的O元素”等四個(gè)子任務(wù)探索基于“證據(jù)推理”建構(gòu)“物質(zhì)的元素組成檢測(cè)”模型的教學(xué)實(shí)施。該案例的設(shè)計(jì)及實(shí)施基于“證據(jù)推理”視角設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，使結(jié)論推理更嚴(yán)謹(jǐn);基于“證據(jù)嚴(yán)謹(jǐn)”視角改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方案，使思維提升更深入;基于“可視化”視角改進(jìn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果輸出，使結(jié)果呈現(xiàn)更科學(xué)。

關(guān)鍵詞：證據(jù)推理;模型建構(gòu);物質(zhì)的元素組成檢測(cè);實(shí)驗(yàn)探究

1 問題的提出

《義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》對(duì)“科學(xué)思維”素養(yǎng)提出“在解決真實(shí)問題中基于實(shí)驗(yàn)事實(shí)進(jìn)行證據(jù)推理、建構(gòu)模型并推測(cè)物質(zhì)及其變化的思維能力”等要求[ 1 ]。但目前化學(xué)實(shí)驗(yàn)探究教學(xué)中對(duì)“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”素養(yǎng)的培養(yǎng)存在如下誤區(qū)：一是重實(shí)驗(yàn)結(jié)果，輕證據(jù)推理。實(shí)驗(yàn)探究教學(xué)過程中以驗(yàn)證性為主，過分重視實(shí)驗(yàn)結(jié)論，而忽略實(shí)驗(yàn)的過程探索。二是重模型應(yīng)用，輕模型建構(gòu)。實(shí)驗(yàn)探究教學(xué)過程中過分重視模型的記憶和模型的應(yīng)用，而對(duì)模型的建構(gòu)過程往往蜻蜓點(diǎn)水，缺乏證據(jù)推理過程中的思維碰撞和模型建構(gòu)過程中的思維外顯。

物質(zhì)的元素組成檢測(cè)是初中化學(xué)實(shí)驗(yàn)探究教學(xué)中發(fā)展“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”素養(yǎng)的典型主題單元。人教版九年級(jí)化學(xué)教科書中涉及檢測(cè)蠟燭、水、甲烷等物質(zhì)的元素組成的實(shí)驗(yàn)。這些經(jīng)典實(shí)驗(yàn)的共同特點(diǎn)是通過檢測(cè)燃燒法的產(chǎn)物（水的元素組成測(cè)定還可以根據(jù)水的分解反應(yīng)），進(jìn)而依據(jù)質(zhì)量守恒定律推斷物質(zhì)的元素組成。乙醇的化學(xué)式、化學(xué)性質(zhì)及用途等的學(xué)習(xí)排在蠟燭、水、甲烷等物質(zhì)的元素組成之后，部分教師在乙醇化學(xué)式的教學(xué)中往往采用直接給乙醇的化學(xué)式，進(jìn)而記住乙醇元素組成的方法。這樣做看似教學(xué)效率很高，實(shí)則錯(cuò)失反正“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”素養(yǎng)的良好時(shí)機(jī)。如何在學(xué)完蠟燭、水、甲烷等物質(zhì)的元素組成檢測(cè)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步在“乙醇的元素組成檢測(cè)”教學(xué)中發(fā)展學(xué)生的“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”素養(yǎng)值得研究。為達(dá)成上述素養(yǎng)發(fā)展目標(biāo)，本節(jié)課擬在“乙醇的元素組成檢測(cè)”的項(xiàng)目教學(xué)中著力解決如下兩個(gè)關(guān)鍵性問題：一是如何從證據(jù)推理的角度建構(gòu)元素組成檢測(cè)的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?？二是如何利用定性和定量相結(jié)合的手段進(jìn)行元素組成的檢測(cè)？

2 案例設(shè)計(jì)及實(shí)施

2.1 教學(xué)思想

人教版九年級(jí)化學(xué)教材對(duì)于乙醇的元素組成的介紹僅僅停留在給定其化學(xué)式（C2H5OH）的層面，但考慮到學(xué)生在蠟燭燃燒、水的組成測(cè)定、甲烷的組成測(cè)定中已初步形成檢測(cè)物質(zhì)的元素組成的基本思路，若將該內(nèi)容設(shè)計(jì)成乙醇的元素組成檢測(cè)的實(shí)驗(yàn)探究，對(duì)于提升學(xué)生的“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”素養(yǎng)便是“水到渠成”之事。因此，本節(jié)課將在教師的點(diǎn)撥下，師生合作學(xué)習(xí)對(duì)測(cè)定蠟燭、水、甲烷等物質(zhì)的元素組成的思路和方法進(jìn)行梳理總結(jié)，融合證據(jù)推理環(huán)節(jié)，形成定性檢測(cè)物質(zhì)元素組成的認(rèn)知模型，進(jìn)而將該認(rèn)知模型進(jìn)行遷移，應(yīng)用于解決乙醇的元素組成檢測(cè)。

2.2 任務(wù)設(shè)計(jì)

資料顯示乙醇（C2H5OH）俗稱酒精，具有可燃性。某化學(xué)興趣小組對(duì)乙醇的元素組成進(jìn)行探究[ 2 ]。

2.2.1 任務(wù)1：燒杯倒扣收集法檢測(cè)乙醇中的C、H元素

[提出問題] 如何檢測(cè)乙醇中含有C、H兩種元素？

[回顧舊知] 教師引導(dǎo)學(xué)生回顧初三上學(xué)期已經(jīng)學(xué)過的測(cè)定物質(zhì)組成的實(shí)驗(yàn)。例如，蠟燭燃燒、水的組成測(cè)定、甲烷的組成測(cè)定。利用化學(xué)反應(yīng)（燃燒法、分解反應(yīng)等），檢測(cè)反應(yīng)產(chǎn)物，依據(jù)質(zhì)量守恒定律推斷物質(zhì)的元素組成。

[建構(gòu)模型] 師生合作對(duì)學(xué)過的三個(gè)測(cè)定物質(zhì)元素組成的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行梳理提煉，抽提出定性檢測(cè)物質(zhì)元素組成的思維模型（圖1）。

設(shè)計(jì)意圖：從學(xué)生的最近發(fā)展區(qū)入手，對(duì)之前所學(xué)的測(cè)定物質(zhì)組成的實(shí)驗(yàn)探究進(jìn)行梳理總結(jié)。通過典型個(gè)案的提煉分析，進(jìn)而抽提建構(gòu)出定性檢測(cè)物質(zhì)元素的思維模型。

[模型應(yīng)用] 依據(jù)圖1的思維模型，設(shè)計(jì)檢測(cè)乙醇中含有C、H兩種元素的實(shí)驗(yàn)方案，并簡(jiǎn)述其證據(jù)推理過程（表1）。

[進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并搜集證據(jù)] 實(shí)驗(yàn)1的現(xiàn)象與預(yù)期一致;實(shí)驗(yàn)2的石灰水變渾濁不明顯。

[查閱資料]

（1）酒精燈所使用燃料為工業(yè)酒精，工業(yè)酒精含有水分;

（2）酒精燈的燈芯成分為纖維素（含C、H、O三種元素）;

（3）在1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，酒精的沸點(diǎn)為78.5℃。

[討論與交流]

（1）實(shí)驗(yàn)1的推斷是否嚴(yán)謹(jǐn)？為什么？

（2）為什么實(shí)驗(yàn)2中石灰水變渾濁不明顯？

[反思與評(píng)價(jià)]

（1）不嚴(yán)謹(jǐn)，“白霧”可能是工業(yè)酒精中的水（或是燈芯燃燒生成的水）氣化后冷凝成的小水滴。

（2）燒杯罩在火焰上方形成一個(gè)敞開體系，生成的CO2容易逸散到空氣中。

設(shè)計(jì)意圖：運(yùn)用定性檢測(cè)物質(zhì)元素的思維模型設(shè)計(jì)出“燒杯倒扣收集法”，檢測(cè)乙醇中含有C、H兩種元素的實(shí)驗(yàn)方案并簡(jiǎn)述證據(jù)推理過程，培養(yǎng)了學(xué)生的“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”素養(yǎng)。綜合對(duì)實(shí)驗(yàn)環(huán)境（CO2易逸散）和實(shí)驗(yàn)證據(jù)（水的來源存在多個(gè)干擾）兩方面的深度分析，教師組織學(xué)生對(duì)“燒杯倒扣收集法”進(jìn)行“討論與交流”和“反思與評(píng)價(jià)”。初步建立“觀點(diǎn)-證據(jù)-結(jié)論”的邏輯關(guān)系，培養(yǎng)了學(xué)生思維的批判性、縝密性，為任務(wù)2的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)（錐形瓶收集法）奠定基礎(chǔ)。

2.2.2 任務(wù)2：錐形瓶收集法檢測(cè)乙醇中的C、H元素

[提出問題] 如何改進(jìn)燒杯倒扣收集法檢測(cè)乙醇中的C、H元素的實(shí)驗(yàn)，保證實(shí)驗(yàn)的嚴(yán)謹(jǐn)性和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更明顯？

[改進(jìn)思路] 結(jié)合任務(wù)1中“燒杯倒扣收集法檢測(cè)乙醇中的C、H元素”實(shí)驗(yàn)的“討論與交流”“反思與評(píng)價(jià)”，從存在問題及根源、改進(jìn)方法、改進(jìn)類型、改進(jìn)目的等角度改進(jìn)思路進(jìn)行梳理歸納（見表2），為提出任務(wù)2的“錐形瓶收集法檢測(cè)乙醇中的C、H元素”實(shí)驗(yàn)提供思維可視化。

[進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并搜集證據(jù)] 按圖4的實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行檢測(cè)乙醇中的C、H元素的實(shí)驗(yàn)。

檢查裝置氣密性;將裝有乙醇的燃燒匙放在酒精燈火焰上點(diǎn)燃，伸人錐形瓶中，塞緊瓶塞;待火焰熄滅后，將澄清石灰水注人錐形瓶中，振蕩。實(shí)驗(yàn)時(shí)觀察到錐形瓶壁上有小液滴生成。

[討論與交流]實(shí)驗(yàn)時(shí)觀察到錐形瓶壁上有小液滴生成。根據(jù)該現(xiàn)象得出乙醇含有氫元素，該推斷是否嚴(yán)謹(jǐn)？為什么？

[反思與評(píng)價(jià)]

（1）不嚴(yán)謹(jǐn)，酒精的沸點(diǎn)低（78.5℃），燃燒時(shí)部分乙醇汽化后又液化，凝結(jié)在瓶壁上。故無法排除小液滴是燃燒產(chǎn)物水還是乙醇。

（2）定性測(cè)定無法有針對(duì)性地排除乙醇干擾。

設(shè)計(jì)意圖：通過對(duì)“燒杯倒扣收集法”存在的“證據(jù)-結(jié)論”不完全匹配的問題及根源分析，在思維碰撞過程中梳理歸納出改進(jìn)目的、改進(jìn)類型和改進(jìn)方法，進(jìn)而提出“錐形瓶收集法”。同時(shí)，從小液滴來源收反應(yīng)物（乙醇也是液體）自身的干擾出發(fā)，通過“討論與交流”和“反思與評(píng)價(jià)”，培養(yǎng)學(xué)生思維的批判性、縝密性，為下一步的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)（手持技術(shù)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)法）奠定基礎(chǔ)。

2.2.3 任務(wù)3：手持技術(shù)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)法檢測(cè)乙醇中的C、H元素

[提出問題] 如何改進(jìn)上述實(shí)驗(yàn)，保證實(shí)驗(yàn)的嚴(yán)謹(jǐn)性？

[改進(jìn)思路] 改“定性檢測(cè)”為“定量檢測(cè)”。利用手持技術(shù)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，實(shí)時(shí)測(cè)定CO2濃度和相對(duì)濕度。

[進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并搜集證據(jù)] 按圖5實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。用二氧化碳傳感器和濕度傳感器檢測(cè)乙醇燃燒過程CO2濃度和相對(duì)濕度隨時(shí)間的變化并得到圖6、圖7的變化曲線。

[討論與交流] 結(jié)合圖6、圖7的曲線圖可以看出在燃燒過程中，CO2的濃度（1000 ppm→10000 ppm）和相對(duì)濕度（55%→83%）都在增加，該現(xiàn)象（證據(jù)）說明了乙醇燃燒生成了CO2和H2O，進(jìn)而推理出乙醇組成中一定含C、H元素，可能含有O元素。

設(shè)計(jì)意圖：通過對(duì)“錐形瓶收集法”等定性檢測(cè)方法存在干擾因素出發(fā)，引導(dǎo)學(xué)生從定性檢測(cè)走向定量檢測(cè)，進(jìn)而提出“手持技術(shù)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)法”。CO2、H2O的檢測(cè)由CO2濃度傳感器、相對(duì)濕度傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，同時(shí)結(jié)合同步繪制出的CO2濃度、相對(duì)濕度隨時(shí)間的變化曲線的直觀表征，不僅讓證據(jù)推理的數(shù)據(jù)更加直觀、可重復(fù)，而且也讓證據(jù)收集能力由定性走向定量，由單一走向多元。

2.2.4 任務(wù)4：進(jìn)一步檢測(cè)檢測(cè)乙醇中的O元素的設(shè)想

[提出問題] 乙醇組成中是否含有O元素，能否進(jìn)一步檢測(cè)？

[設(shè)計(jì)方案] 為進(jìn)一步測(cè)定乙醇是否含有氧元素。

興趣小組測(cè)定的主要過程：通過乙醇在密閉容器中燃燒，測(cè)定實(shí)驗(yàn)前乙醇的質(zhì)量及實(shí)驗(yàn)后裝置中二氧化碳和水的質(zhì)量，推算乙醇是否含有氧元素。

[討論與交流]

（1）簡(jiǎn)述該實(shí)驗(yàn)方案的測(cè)定原理。

（2）上述實(shí)驗(yàn)方案是否嚴(yán)謹(jǐn)？為什么？

[反思與評(píng)價(jià)]

（2）不嚴(yán)謹(jǐn)。乙醇可能發(fā)生不完全燃燒生成CO或碳單質(zhì)。實(shí)驗(yàn)后僅測(cè)定裝置內(nèi)CO2和H2O的質(zhì)量，不能準(zhǔn)確推測(cè)是否含有O元素。

[改進(jìn)思路] 在上述實(shí)驗(yàn)方案的基礎(chǔ)上增加測(cè)定實(shí)驗(yàn)后裝置中一氧化碳的質(zhì)量m（CO）和單質(zhì)碳的質(zhì)量m0（C）。

設(shè)計(jì)意圖：在乙醇中含有C、H元素檢測(cè)的實(shí)驗(yàn)探究的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生從元素守恒的角度設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，檢測(cè)乙醇中是否含有O元素并簡(jiǎn)述其檢測(cè)原理，培養(yǎng)了學(xué)生的元素觀、變化觀等化學(xué)觀念和思維的批判性、縝密性。

3 案例啟發(fā)及反思

3.1 基于“證據(jù)推理”視角設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，使結(jié)論推理更嚴(yán)謹(jǐn)

在實(shí)驗(yàn)探究過程中如果僅僅按照教材中給定（或教師給予）的實(shí)驗(yàn)步驟照方抓藥，學(xué)生做完實(shí)驗(yàn)后往往“知其然不知所以然”。一則缺乏對(duì)“證據(jù)-觀點(diǎn)-結(jié)論”三者自洽性的嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)識(shí)，導(dǎo)致結(jié)論推理不合理;二則缺乏對(duì)實(shí)驗(yàn)思想方法的整體認(rèn)識(shí)，導(dǎo)致系統(tǒng)思維不嚴(yán)謹(jǐn)。例如，在本節(jié)課乙醇組成中C、H元素檢測(cè)中，若是僅僅簡(jiǎn)單套用甲烷中C、H元素測(cè)定采用燃燒燒法（即燒杯倒扣收集法）測(cè)定其元素組成，學(xué)生容易掉入“死記硬背結(jié)論”的陷阱。若能從證據(jù)推理的角度進(jìn)行嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)驗(yàn)探究方案設(shè)計(jì)及改進(jìn)，進(jìn)而建構(gòu)物質(zhì)的元素組成檢測(cè)的認(rèn)知模型，無疑對(duì)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)、質(zhì)疑批判、探索創(chuàng)新的科學(xué)思維的形成起到重要作用。

3.2 基于“證據(jù)嚴(yán)謹(jǐn)”視角改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方案，使思維提升更深入

“證據(jù)推理”過程中應(yīng)注意證據(jù)的嚴(yán)謹(jǐn)性，排除證據(jù)中可能存在的干擾因素，確?！白C據(jù)-觀點(diǎn)-結(jié)論”三者的一致性。在實(shí)驗(yàn)探究過程中，只有排除干擾因素才能進(jìn)行有效的證據(jù)推理。例如，在本節(jié)課乙醇組成中C、H元素的確定是通過乙醇燃燒生成的CO2和H2O作為事實(shí)證據(jù)，應(yīng)用質(zhì)量守恒定律中化學(xué)反應(yīng)前后元素種類不變進(jìn)行推理分析，獲得乙醇組成中含C、H元素。但是CO2和H2O的來源存在干擾因素。比如，H2O的來源可能來自乙醇燃燒生成的水、工業(yè)酒精中的水、燈芯燃燒生成的水等因素，后兩個(gè)來源為干擾因素[ 3 ]。只有排除這些干擾因素，才能保證證據(jù)推理的思維深度，從而培養(yǎng)學(xué)生思維的縝密性、批判性。

3.3 基于“可視化”視角改進(jìn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果輸出，使結(jié)果呈現(xiàn)更科學(xué)

“證據(jù)推理”過程中除了保證證據(jù)的嚴(yán)謹(jǐn)性外，也要保證證據(jù)的直觀呈現(xiàn)（即“眼見為實(shí)”），如能以“可視化”形式呈現(xiàn)效果更佳。手持技術(shù)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的引入，讓相關(guān)證據(jù)的呈現(xiàn)由定性走向定量，由靜態(tài)走向動(dòng)態(tài)，同時(shí)輸出的數(shù)據(jù)可重復(fù)性強(qiáng)，為物質(zhì)的檢測(cè)提供了新視角。例如，本節(jié)課中CO2、H2O的檢測(cè)由“燒杯倒扣收集法”到“錐形瓶收集法”，盡管實(shí)驗(yàn)手段得到了改進(jìn)和優(yōu)化，但在結(jié)果呈現(xiàn)的科學(xué)性、“可視化”方面仍存在改進(jìn)空間。手持技術(shù)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)法的使用，讓CO2、H2O的檢測(cè)由二氧化碳傳感器、濕度傳感器輸出的CO2濃度和相對(duì)濕度隨時(shí)間的變化曲線來直觀表征。不僅數(shù)據(jù)直觀可靠、操作可重復(fù)性強(qiáng)，而且促進(jìn)學(xué)生的證據(jù)收集能力的進(jìn)階發(fā)展（由宏觀證據(jù)到微觀證據(jù)，由定性證據(jù)到定量證據(jù)，由單一證據(jù)到多元證據(jù)）[ 4 ]。

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