基于“证据推理和模型认知”的元素化学教学

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  摘要:以氨和铵盐的教学为例,探讨元素化学中培育“證据推理和模型认知”的教学实践;通过关联性问题和任务的设置,培育学生发现证据,逻辑推理,实验验证,建立模型,完善模型能力,并尝试建立“证据推理和模型认知”的教学流程。
  关键词:核心素养;氨和铵盐;证据推理;模型认知
  文章编号:1008-0546(2020)10-0077-04
  中图分类号:G632.41
  文献标识码:B
  doi: 10.3969/j.issn.1008-0546.2020.10.020
  高中化学学科核心素养包括“宏观辨识与微观探析、变化观念与平衡思想、证据推理与模型认知、实验探究与创新意识、科学精神与社会责任”共五项素养[1]。但是核心素养的培育从来都不是一蹴而就,需要贯穿到整个高中化学学习的始终。五大核心素养是相辅相成的整体,这需要一线的教师从学生全面发展角度综合思考,如何在不同的阶段、不同的教学内容上实施策略。有的教学内容侧重于某一核心素养在不同水平的培育[2],有的则需要综合考虑各个核心素养培育。元素化学是落实“证据推理和模型认知”素养的重要载体,本文以氨和铵盐性质学习为例探讨在元素化学学习中着重落实“证据推理和模型认知”素养。
  一、基于“证据推理和模型认知”素养的教学目标分析
  “氨和铵盐”是人教版必修l第四章第四节内容,课程标准要求:能结合真实情境中的应用实例或通过实验探究,了解氮及其重要化合物的主要性质,认识这些物质在生产中的应用和对生态环境的影响。在进行氨和铵盐的学习之前,学生已经学习了氯、硫及其化合物,具备基本的微粒观念;也学习了氮的氧化物的性质,对于氮元素不同价态物质之间的转化具备一定的认知水平;初中已经完成了铵盐化肥的学习,对于铵盐的性质有一定了解。然而受限于学科知识和学习经验,学生对于氨态氮元素的存在感知不足,综合以上分析,氨和铵盐知识和素养分析如表l所示。
  二、证据推理和模型认知教学设计思路
  证据推理和模型认知的实施,往往离不开科学探究,需要以具体的化学问题的解决为载体。在解决具体化学问题的任务中,发现证据线索,提出猜想,设计实验并得出结论,从而建立认知模型,并运用模型。然而对于物质的认识从来都不是一步到位的,学生在应用模型的过程中,发现新的证据,完善模型,从而实现认知水平的螺旋上升。学生主体的活动及其能力素养目标关系如图1所示:
  三、教学实施——基于证据推理和模型认知
  1.真实情景——基于生活经验的素材
  【情境导入】老师刚刚从卫生间路过,发现里面的气味似乎不太好闻。不知道大家留意到了没有?
  【学生】热烈积极响应,纷纷表示印象深刻,特别是夏天更加明显。
  【提出问题】①依据生物知识,尿液的主要成分有哪些?
  ②该成分和刺激性气味有何关系?为何夏天更加突出?
  ③有什么方法可以减少或消除这种气味?
  【素材展示】这个尿液中的一种成分——尿素的性质。
  【学生讨论】学生具备基本的生物学知识,容易得出①的结论为水和尿素等;依据元素组成,推测问题②的成因可能是:温度升高容易分解,而生成含CO2和NH3,进一步推断出该刺激性气味可能为氨气。对于问题③则不容易得出结论。
  设计意图:青春期的学生具有强烈的好奇心,基于生活的真实情景往往更能够吸引他们的注意力。这个情景虽然“不雅”,但是对于生活中的现象的研究和解释却是重要的科学精神。
  2.证据推理——科学认知氨气
  【教师引导】问题1:如何用简单的方法证明该刺激性气味就是氨气导致?
  【学生讨论】直接闻氨气的气味,相对比就可以了。
  【实验证据】分组实验,分别煽闻浓氨水,发现该气味和厕所刺激性气味的一致。
  【教师引导】问题2:那为何厕所里该气味久久不能散去?
  【学生讨论】分组讨论,提出猜想:①通风不好;②水(尿液)中有较多的氨气,不利于扩散;
  【教师追问】若猜想②正确,其可能原因是什么?
  【学生推理】氨气的溶解度比较大。
  【实验证据】用矿泉水瓶收集一瓶氨气,将吸有少量水(5mL)的注射器插入瓶盖中,将注射器内的水注入其中,学生观察并记录实验现象。
  【学生汇报】矿泉水瓶发出“咔咔”的声音,并剧烈收缩。
  【学生推理】矿泉水瓶收缩→瓶内压强减小→瓶内气体减少→气体溶解于少量水→氨气极易溶于水。
  【数据支持】查阅溶解度信息,发现l体积水最多能溶解700体积的氨气。
  【小结】可见,厕所刺激性气味不易散尽,氨气在水中溶解很大是主要原因之一。将氨气溶于水,便可制得肥效高于有机农肥的氨水。
  【认知迁移】演示喷泉实验如图2:
  学生观察并记录、汇报实验现象:①烧杯中液面倒吸人烧瓶中,②液体变为红色。
  【教师引导】问题3:使酚酞变红的微粒是什么?原理是什么?
  【学生推理】该物质能电离出氢氧根→有碱性物质生成。
  【学生质疑】氨气的分子式中并无氧元素,那氢氧根从何而来?
  【学生推理】所得水溶液中水分子有氧元素,推测可能是与水反应生成碱,电离出氢氧根。
  【教师追问】能否设计进一步的实验,证实上述推断?
  【设计实验】可以和铁盐、铝盐作用。
  【学生实验】分组实验,交流汇报。
  【教师引导】已知氨气与水反应得到一种一元弱碱,写出该弱碱的化学式,并写出其电离方程式。
  【认知建模】NH3 H2O=NH3·H2O=NH4 OH-
  设计意图:从了解厕所刺激性气味到研究刺激性气体成因——“氨气”的性质,从生活经验到科学探析。通过探究厕所刺激性气味久久不能散去的原因,认知氨气的物理性质。在研究溶解性的过程中,发现了新的线索,从物理性质(气味、溶解性等)自然过渡到化学性质。并通过理论分析、设计实验并验证等认知氨水(主要成分NH3·H2O)具有碱性的本质特征,宏观和微观相结合,初步运用模型,迁移认知其化学性质。   3.模型认知——迁移应用形成能力
  【教师引导】问题4:保洁人员常常使用洁厕灵(其有效成分为HC1)来消除气味,该原理是什么?
  【迁移认知】NH3 ·H2O呈碱性,与盐酸发生中和反应。
  【教师引导】请大家在试管中模拟该过程,注意收集两者反应的证据。
  【学生实验】汇报方案:向滴加有酚酞的氨水中滴加几滴洁厕灵;
  现象:①红色变浅或褪去,②同时观察到大量的白烟,片刻后消失,③氨气刺激性气味消失。
  【教师引导】问题5:①和③都能证明两者起反应,现象②中白烟是什么?如何产生的呢?
  【学生推理】学生思考推理(见图3):
  【教师引导】如何设计实验验证我们的猜想呢?
  【学生讨论】分组讨论,设计实验。
  实验方案一:将盐酸分别替换为硫酸和硝酸;
  实验方案二:用分别沾有浓盐酸和浓氨水的玻璃棒靠近。
  【学生实验】分组实验,交流汇报。
  【认知建模】氨气和挥发性酸反应,会在溶液上方产生白烟现象。
  【认知迁移】演示实验:向试管中加入少量氯化铵固体,在酒精灯上加热。
  学生观察,记录实验现象:试管底部氯化铵消失,试管中有大量白烟,试管上部有白色晶体。
  【学生交流】汇报实验现象:略。
  【教师引导】问题6:上面的白色晶体是什么呢?设计实验验证你的猜想。
  【学生推理】观察到白烟的现象,推测可能为氯化氢和氨气化合生成氯化铵。
  【学生交流】取两支试管,分别取少量上部样品于试管中,其中一支滴加浓碱液,并加热,再用红色石蕊试纸检验逸出的氨气;另一支滴加硝酸和硝酸银,观察白色沉淀,检验氯离子。
  【学生实验】略。
  【教师引导】问题7:上述氯化铵为何会“搬家”到上部?
  【学生思考】氯化铵受热分解,生成氨气和氯化氢,两种气体在上方再次化合。
  NH4Cl△=NH3↑ HCl↑ NH3 HCl= NH4C1
  【教师引导】农业生产中使用的氮肥大部分都是铵盐,铵盐受热都容易分解。
  问题8:结合以上知识,请你就铵盐氮肥的使用注意事项,给农业工作者在使用铵盐化肥上提供一些建议。
  【学生讨论】结合上述讨论,并给出建议:避免高温、碱性环境。
  设计意图:用化学知识解释和解决遇到的化学现象,也是化学学科价值。通过模拟“洁厕灵除臭”,迁移和运用氨相关的化学知识,又通过发现和研究模拟过程中出现的“意料之外”的现象,通过线索,提出假设,设计实验验证假设,并得出结论。通过解释证据和结果之间的关系,形成逻辑思维,并能够简单运用证据和结论,与实际生产生活相联系。
  4.认知升华——价值取向
  【实验证据】向浓氨水的锥形瓶中通入空气,同时将经加热的铂丝插入锥形瓶内(图4)。学生观察,记录实验现象。
  【学生交流】观察到锥形瓶内有红棕色的气体出现,且上方有大量白烟生成,铂丝保持红热;
  【教师引导】问题9:①白烟是什么?②请结合价类图分析,白烟是如何产生的?③铂丝保持红热的原因是什么?
  【认知迁移】白烟可能为硝酸和氨气反应得到的硝酸铵。
  【学生讨论】独立思考,画出氮元素的价类图,并小组交流。
  【结论】产生白烟的原因:氨气被氧气带出,遇到红热铂丝,依次发生:
  4NH3 5O2Pt=△4N0 6H2O
  2NO O2=2N02
  3N02 H2O=2HN03 NO
  NH3 HN03=NH4N03
  【价值引导】氨气可不仅在生活中常见,还可以通过一定的化学反应,制得在农业和工业生产中具有重要价值的铵盐和硝酸盐。
  【教师引导】问题10:结合本节课的内容,思考氮在自然界中如何循环。
  【学生讨论】略。
  设计意图:通过分析硝酸铵的生成过程,整合含氮物质之间的关系,学会对化学知识进行迁移、分析和评价。思考含氮物质自然界的循环,体会人类、环境、化学物质之间的关系,科学地认知化学物质,体现应有的价值取向。
  四、教学反思
  1.创设丰富的素材是证据推理的前提保证
  证据推理需要大量的情景素材,而素材必须有大量的线索和证据以供学生去挖掘。素材可以是贴近学生生活实际、学生生活中能够感知,却没有深入思考的化学现象;素材也可以是实验室模拟的工业生产过程,有利于学生认识到化学学科对于社会发展、人类生活的重大意義;素材还可以是同一实验现象的不同认识,这样的素材不仅能够引起学生的兴趣和共鸣,还有利于培育学生收集证据、逻辑推理、科学论证能力,也有助于不断完善实现模型的完善和化学知识的生成。
  在本案例中,通过分析“厕所刺鼻原因”“科学除臭原理”“白烟生成原因”等情景,为学生提供了丰富的线索,包括了“提出猜想——实验验证——建立模型——应用模型——修正模型——科学认知”的过程。
  2.设计逻辑合理的教学环节,让证据推理富有层次
  科学探索的过程从来都不是一蹴而就的,总是由点到面,由局部到整体,认知过程也是这样。在更普遍的教学实践中,素材往往不是“完美”,许多的情景素材体现化学原理的一部分“面貌”,能实现教学环节的部分功能。这就要求我们在设计教学环节时,要充分考虑这些环节和素材之间的逻辑联系,让学生体验科学发现的过程,在对证据抽丝剥茧的分析中认知规律,在证据推理中形成模型,在应用模型中完善模型,在完善模型的过程中寻找更多的证据,从而形成教学的闭环。
  3.基于证据推理和模型认知的教学要体现学科价值
  基于“证据推理和模型认知”的教学,要求的是实现学科思想和方法[4]。其最高水平为要求学生能够迁移、分析和评价化学知识,要揭示更高层次的价值追求。在形成、应用模型的过程中要注重体现解释化学现象,应用化学规律,在解决问题的过程中,逐步提升能力和“证据推理与模型认知”的水平等级,在巩固模型的同时也牢固确立知识的学习要服务于学生思维的发展[5]。
  参考文献
  [1] 中华人民共和国教育部.普通高中化学课程标准(2017年版)[M].北京:人民教育出版社,2018
  [2]杨玉琴,倪娟,证据推理与模型认知:内涵解析及实践策略[J].化学教育(中英文),2019,40(23):3-29
  [3]韩冬,核心素养视角下的观念建构教学的研究——以《氨和铵态氮肥》为例[J].课程教育研究,2017,32:159-160
  [4] 中华人民共和国教育部.普通高中化学课程标准(2017年版)[M].北京:人民教育出版社,2018
  [5] 王利国.基于“证据推理与模型认知”的高三复习教学——以“洗涤剂的选择”为例[J].中学化学教学参考,2019(3):31-34
  *本文系江苏省十三五重点规划课题“社会课程资源开发应用于初中化学教学的研究”(编号B-b/2020/02/08)研究成果之一。
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