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基于“证据推理与模型认知”的核心素养培养案例研究 ——以《离子反应》为例

基于证据推理与模型认知的核心素养培养案例研究

——以《离子反应》为例

上海市中国中学  童兰

上海市徐汇区钦州南路85  200235   13818521876

【摘要】化学是以实验为基础并通过缜密逻辑推理来获取结论的自然学科之一。实验在化学教学中至关重要,本文即以离子反应教学片段为例,通过证据推理与模型认知在教学活动的验证与应用,探讨优化课堂效率的方法及教学方式转变的现实意义,为以素养为本的教学模式提供更多思路与创新点。

【关键词】核心素养;离子反应;证据推理与模型认知

 

随着高考从知识立意走向能力立意以及社会对人才的综合素养要求越来越高,核心素养渐渐成为热门词汇。2016年,关于《中国学生发展核心素养》一文就提出将根据不同学年阶段学生及课程的特点制定出具有一定操作性的学生核心素养结构框架;其后,2017年又重新修订的高中阶段课程标准,在各学科新的课程标准中都渗透着学科核心素养,以高中化学来说,其核心素养包括:“宏观辨识与微观探析变化观念与平衡思想实验探究与创新意识证据推理与模型认知科学精神与社会责任五大素养。其中,证据推理与模型认知是化学核心素养的思维核心,它又被称为上位素养[1]。因此,在教学实践中如何有效的培养学生的学科核心素养?特别是学习和掌握证据推理与模型认知这一上位素养成为摆在学校和教师面前的难题。

   一、证据推理和模型认知的概念及辩证关系

什么是证据推理?从概念上来说,证据推理是基于一定证据的推理,它主要通过分析收集的数据(或证据)对结论做出逻辑推理。但这里的推理并非完全正确,所以需要相关的实验进一步验证它。在化学学科教学过程中,这一过程主要表现为:学生根据所收集到的数据或观察到的实验现象,对物质的结构或性质等做出预定的假设,再通过相关的实验来检验真伪,并在这个过程中获取相关的化学知识。

狭义上来说,模型认知是指人们对于模型的认识与理解,这里的模型多指客观实物模型。但在化学学科中,模型可分为实物模型和非实物模型大类别。比如常见的以公式或方程等用数学语言描述的模型,就属于实物模型的一种。而像用文字语言描述的语义模型或者用二维、三维坐标系描述的数学图像模型,则属于非实物模型的范畴。[2]

在化学核心素养培养中,想要出色的完成教学任务,证据推理模型认知缺一不可,前者是后者的认知基础,后者是对前者的进一步完善和验证,两者相辅相成辩证统一。在实际的教学课堂上,教师先通过理论分析、发现客观规律完成证据推理这一步,再构建相关模型展示该规律,最后以模型为载体解决实际问题,是从而达成从推理到论证的化学学科核心素养培养。

二、基于证据推理与模型认知核心素养的教学案例

  (一)离子反应的课程价值与现实教学困境

高中化学作为化学学科基础性内容,存在大量能体现证据推理与模型认知这一核心素养的知识点,离子反应就是其中之一。学生掌握离子反应可为后续进一步学习和认识溶液中的反应奠定基础。既有助于学生微粒观的形成[3]又有助于提升学生对化学反应的认知水平。同时,从学习到掌握离子方程式书写这一过程,也是学生逐步形成从微观视角探讨水溶液物质反应思路与方法的过程。

综上所述,离子反应是一节蕴含丰富知识点与基础理论的课程,而如何将这一知识点高效且准确地传授给学生,成为当代化学教师们在教学设计中需要思考的重点。基于此,将离子反应课程作为案例研究也就具有极高的现实指导意义。

但令人失望的是,眼下大部分化学教师对离子反应的教学已形成固定思维模式——直接给出实验原理、展示实验的步骤、讲解实验的细节和实验误差分析。虽然学生在这种教学模式中接受了事实性知识以及记忆实验原理和步骤,能快速而被动的接受知识点,但对于整个实验的理解停留在思维浅层,并不能让真正理解和消化实验的意义,无法融会贯通和举一反三。长此以往,这样的教学方式只会扼杀学生对化学学习的兴趣和失去对新鲜事物的探索欲望。

(二)以证据推理为基础构建模型认知的教学设计分析

基于上述缘由,笔者在课程设计中采用三个层级递进的问题层层深入、步步紧扣,以证据为出发点,提炼观点,通过缜密的逻辑关系建立起模型,让学生可以深刻地理解离子反应的实质。

1.以核心素养为目标的教学环节设计

本节课在学生已有的强弱电解质的知识储备上,分析盐类在水溶液中存在的微粒形式,根据实验现象分析现象产生的原因,并对其进行化学语言描述,通过以实验现象及数据搭建解决问题的模型,最后回归到离子方程式的书写再一次对模型进行应用。

教学环节

教师活动

学生活动

设计意图

环节一:

回顾旧知

模型初建

1、 判断CuSO4BaCl2在溶液中存在的微粒形式

2、 提问:哪类物质在溶液中主要以离子形式存在?

1、 回顾强弱电解质,学会从物质类别上进行分析

2、 归纳概括

学会从新的视角——离子的角度看问题,初步建立模型

环节二:

实验探究

模型深入

 

1、两溶液混合后观察、描述实验现象,用化学语言表示出过程

2、引入离子反应概念,通过微粒观分析什么叫离子发生了反应?,引导模型进一步深入

 

3、继续滴加过量的BaCl2,观察溶液颜色

1、根据实验现象得出

Ba2+ +SO42-=BaSO4

 

2、从微粒存在形式上分析:反应后微粒数量发生了变化;思考Cu2+是否发生反应,并从微观上进行解释

 

3、从宏观证据上推理佐证Cu2+没有反应,并对实验过程、目的进行描述和解释

根据实验现象得出参加反应的 微观离子,构建宏观和微观的初步模型;通过对未反应的离子的取证过程,初步建立观点、证据和结论的逻辑关系,培养证据推理及模型认知的核心素养

环节三:

深度探究

揭示本质

1、 利用建立的模型,思考如何判断离子发生了反应?

2、 判断HCl+CH3COONa是否发生反应,并通过pH传感器进行数字化实验

1、 回顾初中总结:生成沉淀、气体或水,用微粒观解释原因

2、 观察实验现象,得出结论,能用更先进的知识理论去完善固有的知识体H

引发学生的认知冲突,激发学生思考问题本质的兴趣,运用实验证据帮助同学运用模型,发现问题并解决问题,进一步落实证据推理及模型认知的学科素养

环节四:

模型应用

首尾呼应

1、 CuSO4BaCl2反应的方程式进行书写

2、 用离子方程式来表示实际参加反应微粒的过程

3、 从根本上区分化学方程式和离子方程式

1、对微观粒子的变化情况作解释

2Ba2+ +SO42-=BaSO4

3、从模型出发总结写离子方程式的过程

透过现象看本质,再次将离子反应模型回归到离子方程式的书写,在这一过程中加深对离子反应本质的认识

整个教学分为4个环节,运用前面课程所学的强弱电解质的概念分析物质在溶液中微粒存在的形式,创建第一个模型——哪类物质在溶液中主要以离子形式存在?为后续理解离子方程式中学生对哪些物质化学式该拆,哪些物质化学式不该拆奠定了基础。再结合实验的证据推出反应的过程,引出离子反应的概念,从而创建第二个模型——什么叫离子发生了反应?通过宏观的实验现象和微观的理论分析巩固对模型的认知,帮助学生认识到离子反应中有哪些离子参加了反应,哪些离子并没有参加反应;随后自然过渡到第三个模型——如何判断离子发生了反应?在初中复分解反应发生条件的基础上,引导同学用微粒观思考,把三个条件最终指向微粒数量发生改变这同一种结果,同学自然就豁然开朗了,紧接着用pH传感器探究盐酸和醋酸钠的反应,同学们的思维得到进一步升华;最后通过探讨离子方程式的书写来进一步加深巩固离子反应的本质,解决实际问题。

化学核心素养的培养要以具体案例研究为载体,在实际教学中,教师要合理地且充分的挖掘教学内容的学科核心素养价值,开设高水平实验探究活动,以达到培养学生化学核心素养的目的。此次教学设计中,逐层建模的直观目的在于引发学生思考和论证,终极目的则是要学生充分理解和掌握离子反应的内涵及应用,完成化学学科的核心素养培养。

2.证据推理与模型认知与教学的内在关联

相较于传统的化学教学,上述以证据推理和模型认知为基础的教学设计更符合双新背景下的教学需求。这其中的教学逻辑是教师基于对学情及对教学问题进行思考后,依赖教学语言和教学行为,将离子反应这一教学内容内化后再传授给学生。事实上,这一举措也是符合优质课堂标准的。我们常说的优质课堂[4],是在教学过程中以问题驱动来进行概念认知,比如老师鼓励学生通过提出问题、分析问题,进而解决问题,在逐层击破的环节中全面且深刻的理解知识点。

在本节课堂上,教师以证据推理和模型认知为理论和实践的桥梁,对离子反应进行知识系统的分解,通过鼓励学生根据已有的知识点进行理论假设(证据推理阶段),再进一步要求学生通过实验进行求证(模型认知阶段)。从推理到求证,既能引导学习自主构建模型,又能启发学生的高层次思维,充分发挥他们在学习中的主观能动性,从而形成老师和学生能良性互动的高效率课堂。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


(三)从灌输式教学转向对话中心教学的转型尝试

2001年起,教育部在全国范围内推行《基础教育课程改革纲要》,提出了新课程改革的目标——灌输中心教学转向对话中心教学[5]。简单的说,就是创造条件让学生从排斥性学习过度到协同学习,以此来确保每个学生都能获得自主且生动的发展。

在离子反应这节课上,以证据推理和模型建立构建了新的教学模式,摒弃了以往的灌输式教学,一方面可以帮助教师完善课程改革背景下的教学设计,另一方面还可以为学生提供多元化的学习方式和创造更优质的学习环境。这一举措在一定程度上起到提高课堂效率的作用,符合双新背景下所提倡和鼓励的优质课堂标准,对现实具有指导意义:

1.增强高中化学课堂的互动性

化学是以实验为基础的学科,向来注重推理与逻辑。但长久以来在应试教育环境下,为了能让学生快速取得高分,教师们多采取如死记硬背知识点等灌输式教学方式。虽然也能帮助学生取得高分,但这种教学容易将学生培养成书呆子,严重挫败学生的学习积极性,课堂自然也是枯燥乏味,缺乏生机,更不用提互动性了。

本节离子反应课堂教学尝试以探究型问题作为引导,通过提出问题——合情推理——实验探究等步骤,一步一步引导学生完成课堂教学活动,到最后学会书写离子方程式。学生们坦言这节课的知识点较以往更容易理解和记忆,围绕着生活中常见的离子反应展开了激烈的讨论。可见,采用平等对话方式的教学,除了能激发学生学习化学的兴趣,还能开阔他们的视野,更能起到增进课堂互动与加强师生粘性的作用。

2.促进学生核心素养的培养

当今社会注重人才,比起分数更看重学生的个人素质和能力,鼓励和培养终身学习者。作为教育改革的重点科目之一的化学科目,在传统课堂中掺入合作探究式学习,培养学生完成证据推理与模型认知核心素养,以此来提升学生收集信息、整理信息的能力。本节离子反应的学习,就是基于大家在原有旧知识基础上,用新知识转换、重组,并逐渐内化自我认知的过程。就整个化学学科的学习来看,这种周而复始逐渐完成新知识体验,就是化学学科的核心素养的完善过程,它将有助于学生的全面发展及自学能力的提高。

三、加强学生证据推理与模型认知核心素养的有效措施

(一) 需要学校提供多种有效途径

在大力倡导新课改的当下,核心素养的培养不能只停留在课堂上,它需要贯穿在学生学习的各个层面和各种环境中。为此,学校和相关社会组织都需要思考可运行的方案和措施。比如说,学校及相关机构定期或不定期举办与化学相关的,诸如知识竞赛、知识讲座、公开课或实验技能大赛等课外活动,通过多元化的教学途径,强化学生对证据推理与模型认知这一核心素养能力的理解与掌握。

(二) 需要教师对教学做出充分准备

对学生进行证据推理与模型认知核心素养培养,需要教师以身作则,在新课改的理念指导下,明确教材改革方向和内容,更新自我教育理念;同时,要熟悉掌握教育教学理论并运用到实际教学中去。教师可将化学实验作为课堂载体,让学生通过观察实验、预设结论、推理论证等环节提高证据推理与模型认知的意识。但在不断的摸索真理的过程中,教师也要及时收集学生反馈的信息,并以此为方向调整后续的问题,宗旨是让学生在主动的态度下用实验来摸索真理并得出结论。这就需要教师不断完善教学方案,准确把握探究课堂的讨论方向,引导学生围绕化学知识进行深度思考,以核心素养为目标切实的行动提高学生的能力,确保课堂教学的圆满完成。

(三) 需要学生不断加强自我学习能力

在高中化学教学中培养学生证据推理与模型认知素养的时候,学生可以通过老师布置的一些开放性的作业,如,以小组为单位讨论化学知识的形成过程,梳理知识间的逻辑关系并自主绘制相关的思维导图;联系实际生活自主设计微型化学实验,对化学知识的科学性进行验证等。学生在完成这些开放性作业过程中,通过不断搜集证据、建立模型,从被动学习者变为主动学习者,从而实现自身化学核心素养的提升。 

综上所述,培养学生的证据推理与模型认知素养是双新背景下教学的客观要求,是高中化学教学过程中促进学生综合发展的关键所在。但就目前的教学经验来看,证据推理与模型认知在教学中的普及程度还不高,想要切切实实在高中化学阶段落实学生们的证据推理与模型认知素养培养,恐怕还需要一段时间。为此,广大化学教师需要不断提升自我和反思教学情况,遵循新课改要求,设计更加符合学生学习的有创新意识的教学方案,以培养学生的证据推理与模型认知素养。

 

【参考文献】

[1] 张雪.高中化学教学中证据推理与模型认知核心素养的培养.[D]哈尔滨师范大学,2018

[2] 陆军.化学教学中引领学生模型认知的思考与探索.[J]化学教学期刊,2017

[3] 李德文,李秀.发展学生化学学科核心素养的课例研究——离子反应为例[J].现代中小教育期刊,2020

[4] 历晶,郑长龙.如何优化课堂教学逻辑——优质课的分析与启示[J].化学教学期刊,2015

[5] 钟启泉模型.课堂转型:静悄悄的革命[J].上海教育科研期刊,2009