基于证据推理的化学实验理性思维能力培养

基于证据推理的化学实验理性思维能力培养

胡佳

杭州市萧山区第三高级中学 浙江 杭州 311200

摘要：新课程下，学生总觉得高中化学“难”学，化学实验相关题目很难拿分，实质是学生化学实验理性思维能力的欠缺。本文从仪器评析和创新、实验方案设计、实验习题刺激等角度开展实验理性思维的培养，落实高中化学证据推理核心素养，帮助学生提升化学实验理性思维能力。

关键词：证据推理、实验设计、习题刺激、理性思维

1 问题的提出

随着核心素养的提出，高中化学课程进入了以培养学生化学核心素养为目标的新阶段。化学是一门与实验息息相关的学科，实验教学对发展学生理性思维和科学探究能力尤为重要。新课程强调学生实验的重要性，强调培养学生收集和处理新信息、获取新知识、分析和解决新问题的能力，强调学生思维品质和证据推理能力的形成。但在实际教学中，相当一部分教师以“学校的教学条件有限、时间紧不能完成教学进度”等理由推脱，导致实验课不能较好地开展：有的实验仅通过教师的口头讲解或者板书比划，再加上学生自行想象完成；有的实验通过教师播放互联网上下载的视频完成，看似有声有色，实则还是学生被动记忆；有些即使开展了学生实验，也只是让学生根据实验课本设计的步骤按部就班操作，毫无生气。这样一来，本该在实验过程中激发出来的热情就无法及时转移到实验思维拓展上，无法透过现象看本质，导致学生实验纯粹走场、实验现象全靠记忆、实验思维毫无变化。

“理性思维”是一种有明确的思维方向和充分的思维依据，能对事物或问题进行观察、比较、分析、综合、抽象与概括的一种思维方式。按照新课程标准，“证据推理”旨在培养学生的证据意识，建立观点、结论和证据之间的逻辑关系，能基于证据对物质组成、结构及其变化提出可能的假设，并通过分析推理加以证实或证伪^[1]。

如何通过化学实验教学开展实验理性思维的培养、落实高中化学证据推理核心素养、帮助学生提升化学实验理性思维能力，笔者在教学实践中开展了一系列探索。

2 研究过程

2.1析异同，探所图，改仪器

在高考试题中，我们发现很多仪器都发生了变形，它们往往源于常规仪器，却又高于常规仪器，有的甚至在功能上也发生了变化。学生难以准确分析仪器的变化和功能的改进，这就需要我们在教学中注重培养学生实验理性思维的能力。必修一、必修二中所涉及的化学实验较多，其装置往往都是实验室中常规仪器。我们在给学生呈现常规仪器时，不能让学生觉得所用仪器理所当然就这样存在，而是要重视给学生创造和体验仪器设计的机会，让学生关注仪器的设计意图，并能从合适的角度对仪器设计进行评价，在绿色化、精确化、简约化等导向下产生对仪器改良或改进的想法^[2]。

在教学中，我们把学生已学仪器和功能改进后形似的仪器进行对比展示，由学生分析异同，探其所图。

案例1 仪器评析：对普通漏斗和布氏漏斗仪器设计意图的理解。

教 师引入：漏斗常用来过滤分离难溶物和溶液。大家对比放在桌上的漏斗（见图1），有什么发现吗？

学生A：我的漏斗材质是陶瓷的，上部呈圆柱形，圆柱底面上开了很多小孔，下部连一个狭长的筒状出口，其他人的都是普通漏斗。

教师：这种陶瓷的漏斗叫布氏漏斗。普通漏斗常利用重力作用，使溶液透过滤纸而分离出难溶物，但过滤的速度往往较慢。为了加快速度，我们可以选择减压过滤，利用负压加快溶液透过滤纸的速度。请从用途的角度，分析两者形状设计差异的意图是什么？

学生B：普通漏斗壁较薄，布氏漏斗壁较厚，从适应负压角度，壁厚的能耐低压。但布氏漏斗为什么底部是平的我还是说不出来。

教师：那我们各使用两种漏斗进行减压过滤，分离泥水混合物。

（教师提供减压过滤操作流程资料，学生完成实验）

学生C：使用普通漏斗进行减压过滤，过滤速度略微比常压过滤要快，但一会之后，滤纸底部被吸破了，过滤失败。使用布氏漏斗进行减压过滤，速度明显快于常压过滤，且得到的固体较常压过滤更干燥。

教师：为何普通漏斗滤纸会破，布氏漏斗滤纸不会破，你们能用已有经验解释吗？

学生讨论，得：普通漏斗内壁紧贴着滤纸，负压对其不起作用。只有漏斗下顶角处产生压强差。由于该口较大，湿滤纸不牢，很容易破裂。布氏漏斗底部有许多均匀分布的小孔，小孔处均能产生压强差，故滤纸均匀受力而不易破裂且过滤速度较快。

教师：仪器不同的用途对其设计有不同的需求。我们曾遇到过一种改良后分液漏斗（图2右侧），知道橡皮管平衡了反应瓶和分液漏斗上方的气压，使得分液漏斗中液体能顺利滴下，再来看图3中的两个漏斗，你能说出它们的设计意图吗？

学生D：图3左侧装置把橡皮管改为玻璃管后直接连在分液漏斗上，并和反应瓶内联通，功能应该和图2右侧装置相同，但在使用的时候方便了很多。图3右侧装置多了刻度，更方便知道滴加液体的体积。

教师追问：分析的很正确，图3右侧装置叫恒压滴液漏斗，为什么它不是球形的呢？

学生E：跟针筒一样，细长圆筒形的身体有利于刻度均匀，便于读数。

在介绍改进后的仪器时，我们通过“发现仪器构造上的差异→分析功能上的不同→理解仪器的设计意图”这样一条路线来培养学生的逻辑思维。在遇到直接理解设计意图有困难的时候，放手让学生自己进行实验、发现问题，并引导其用已有经验解释。学生通过切身体验悟出的结论效果远超教师的陈述灌输，这样一来，不用教师多说，学生已在潜移默化中形成了“从实验需求出发并结合现有仪器功能对其进行调整设计”的理性思维。

案例2 仪器创新：关于移液管的教学

教师：用0.1000mol/L的盐酸滴定50.00mL未知浓度的NaOH溶液操作时，需要准确的量取NaOH溶液的体积。若缺少碱式滴定管，该如何完成实验？（提供10mL量筒，50mL烧杯，胶头滴管等仪器）

学生A：烧杯口径太大，加水时液面上升不明显；量筒细，可以精确测得。我们的量筒是10mL的，可连续量5次NaOH溶液。

学生B：取5次太麻烦，而且误差会累积。要是把10mL量筒的口径不变，长度延长五倍就好了。

学生C： 10mL的量筒精确到0.1mL，也不能达到0.01的精确度，需要把量筒的口径再做细，类似带刻度的且一端开口的细长玻璃管。

学生D：好像有点太长了，而且向一端封闭的细长的玻璃管中装液体不是一件容易的事。

教师：如何往细长玻璃管中注入液体，你有这样的经验吗？

学生E：胶头滴管的工作原理就是用挤压橡胶产生负压，把液体吸入玻璃管中。若是将上述玻璃管两端都打通，一端浸入溶液中，另一端使用橡胶头产生负压，应该能把液体吸入管中。

学生F：太长的问题可以借鉴容量瓶设计来解决，保留上下两段细长的玻璃管，把中间部分变大变粗。这样既方便取用，又不影响精确度。

……

类似的案例有很多，总的设计思路是：源于需求→改变仪器→增强功能→调整设计。学生能基于常规仪器，并结合逐渐建立的知识拓展，对常规仪器进行改进和创新，并借助仪器发展思维。

在整个过程中，笔者也发现了一些问题，主要是分析不够全面，导致思维被限制。学生脑海中仅有书本上的几种仪器，无法进行理性思维拓展。这就需要教师加以引导，精心选择有探究意义的仪器，为设计思维提供生长点，让学生演绎一种仪器，说明相关的特点与作用，注重细节变化带来功能的提高。

2.2设方案，基证据，证实伪

化学实验教学要求学生注意每一个细节，对于实验过程中每一处细微的变化都要善于问为什么。整个教学过程中教师要重视证据推理这一核心素养目标， 培学生识别、筛选证据，转换、形成证据，应用、评价证据的能力。学生基于证据对学习过程中所遇到的问题提出假设，通过分析推理加以证实或证伪，能把观点、结论和证据之间的逻辑关系建立起来，最终达到培养学生领悟科学研究的实证方法和实事求是的科学态度^[3]。

在Fe²⁺、Fe³⁺的鉴别传统教学中，教师在实验前提供一列仪器和试剂于实验桌上，先引导学生回忆离子的检验方法，然后学生参照实验手册进行实验，并记录实验现象，有的同学甚至早按照书本描述，连现象和结论也早就填写完毕。一堂课下来，课堂气氛很活跃，学生学习化学的兴趣也很浓厚，但是真正对学生的思维提升不大。

案例3 改进教学：Fe²⁺、Fe³⁺的鉴别:

任务1：课前小组研讨，根据已学知识设计实验方案（见表1）

表1

任务2、列出实验所需的仪器和试剂，上报给教师准备

试剂：FeCl₃溶液，FeCl₂溶液、NaOH溶液，KSCN溶液，苯酚溶液，K₃Fe(CN)₆溶液、K₄Fe(CN)₆溶液、双氧水溶液，高锰酸钾溶液，硫酸，KI溶液，淀粉溶液，铁粉等

仪器：试管、胶头滴管

任务3、学生实验并记录实验现象，基于证据进行结论推断。

学生动手操作实验后发现，大部分现象确如预测的一样，但也有一些异常现象：

a、很稀的FeCl₃溶液和FeCl₂溶液很难直接通过颜色鉴别

学生得出结论：痕量Fe²⁺、Fe³⁺的鉴别不适合此法

b、分别向FeCl₃、FeCl₂溶液中滴加酸性KMnO₄溶液后，两支试管颜色均褪去。

教师：如何从组成元素入手分析可能存在的原因？

学生：Fe³⁺不与酸性高锰酸钾溶液反应，而FeCl₃溶液能使高锰酸钾褪色，推测可能是Cl^-使高锰酸钾褪色。

教师引导： 若Cl^-能使高锰酸钾褪色，可能发生的反应类型是什么？如何设计实验验证你的推断？

学生讨论得出：Cl^-有还原性，可能与高锰酸钾发生氧化还原反应。设计并完成实验：

a. 向少量 NaCl溶液中滴加两滴KMnO₄溶液，无明显现象

b. 向少量 NaCl溶液中滴加两滴KMnO₄溶液，无明显现象，再滴加几滴稀硫酸，紫红色慢慢退去

学生结论：Cl^-在中性条件下不能使高锰酸钾褪色，在酸性条件下能使高锰酸钾褪色。用酸性高锰酸钾鉴别Fe²⁺、Fe³⁺时，应考虑溶液中Cl^-的干扰，可以选择用铁元素的硫酸盐代替氯盐，或者用其他检测试剂代替酸性高锰酸钾溶液。

学生自己设计实验进行探究，给了学生充分的自主权和探究的空间，不仅能激发学生的兴趣，还可以学以致用，提高思维能力。学生自己动手实验，能让学生真实地认识物质的变化过程，体会物质变化的神奇。学生认真观察实验现象，发现现象中的微妙差异，能基于证据对物质的性质提出可能的假设并加以证实或证伪，进一步培养了化学实验的理性思维能力

^[4]。

2.3实验试题刺激思维，解决问题

我们既可以在化学实验过程中进行学生思维能力的培养，也可以通过试题刺激学生思维，让实验中体现的思维更为完美。

案 例4：（2022年1月浙江选考试题28题节选）：化合物X由4种元素组成。某兴趣小组按如下流程进行实验：

请回答：

⑴组成X的元素有__________，X的化学式为__________。

⑵溶液C中溶质的成分是__________(用化学式表示)；

根据C→D→E的现象，给出相应微粒与阳离子结合由弱到强的排序________。

本题为物质检及其性质的推断题，学生在根据现象和数据得出X为FeH(SO₄)₂，考虑到加入了过量的BaCl₂，溶液C中的溶质应是FeCl₃、HCl、BaCl₂。而在根据C→D→E的现象，排列相应微粒与阳离子结合由弱到强的顺序时，大部分的学生回答的是Cl⁻ < SCN⁻−,能把微粒写全且排序正确（Cl⁻ < H₂O < SCN⁻−）的同学凤毛麟角。究其原因是对C溶液中能与阳离子（Fe³⁺）结合的微粒不够清楚，大部分学生忽视了H₂O和Fe³⁺的结合。

教师引导：C溶液中，铁元素的存在形式有哪些？

学生讨论，得出：C溶液中含FeCl₃、HCl、BaCl₂。在H⁺的抑制下，除极少部分Fe³⁺水解成Fe(OH)₃外，其余均以Fe³⁺形式存在。

教师展示图片信息（如图5）：人教版必修1中氯化钠在水中的溶解和电离示意图

学生恍然大悟：离子在水溶液中主要以水合离子的形式存在，既然Na⁺和Cl^-表面均有聚集的水分子，那么Fe³⁺表面是否也会有聚集的水分子？

教师提问：我们把一小块钠投入到FeCl₃溶液中，会有什么现象？

学生：钠先和水反应，生成的NaOH再和FeCl₃反应产生红褐色沉淀。

教师追问：我们知道Fe³⁺氧化性强于H⁺，若用氧化还原反应先后规律判断，金属钠与FeCl₃溶液反应时，应该先和Fe³⁺反应。为何结果并非如此？

学生推测：根据刚才的结论：Fe³⁺表面有聚集的水分子，金属钠先遇到水，所以先与其发生反应。

教师追问：如何验证水分子的聚集影响Na和Fe³⁺反应的顺序？

（学生小组讨论，设计如下实验方案）。

方案1：用熔融的FeCl₃与钠反应，观察现象，若出现黑色固体，则说明结论正确。

方案2：选择一种不与钠反应的有机溶剂，把FeCl₃溶解其中后再与钠反应，观察现象，若出现黑色固体，则说明结论正确。

方案3：切取足量的一片钠，滴入一滴饱和FeCl₃溶液，待水消耗后观察，若出现黑色固体，说明结论正确。

学生查阅资料，点评方案： FeCl₃为共价化合物，熔融状态下不电离，所以方案1、方案2均行不通。方案3操作简单，试剂易得，可行。

学 生用方案3进行实验，发现饱和FeCl₃溶液滴到Na表面后，立即产生气泡和红褐色固体，随后在红褐色固体的周围和中心出现了黑色固体（如图6），得出结论：Fe³⁺表面有聚集的水分子，金属钠先遇到水，所以先与其发生反应。水消耗殆尽后，过量的Na又能与Fe³⁺反应，并说明水分子结合Fe³⁺的能力强于Cl^-。

在全面促进学生核心素养发展的大环境下，教师要注重挖掘习题的教学价值，让学生用已获得的知识、技能和方法来解决真实情境中的问题。培养学生主动探索未知领域的好奇心，建立运用化学学科思维解决问题的思路，获得结构化的化学核心知识，其价值远高于把结论直接呈现给学生。

3 研究反思

传统实验教学只能活跃课堂气氛，侧重于通过证据推理来培养学生实验理性思维能力目标下设计的实验教学方法，学生由“被动完成实验”变成了“主动找实验做”，积极性大幅提高。笔者也注意到，改进实验教学方法后，防止了所谓的“规律”束缚学生的认识，学生基于证据对学习过程中所遇到的问题提出假设，通过分析推理加以证实或证伪，能把观点、结论和证据之间的逻辑关系建立起来，最终达到培养学生领悟科学研究的实证方法和实事求是的科学态度^[5]。

学生实验思维的培养要求教师从实际出发，实事求是，同时不拘泥于教材，摆脱束缚，勇于对教材实验进行创新和改进。作为教育者，只有树立终身学习的意识和理念，不断自我成长，提高自身的专业水平，才能改进和创新出既简单可行又能引起学生震撼的实验。这些课堂中的闪光点，也让我们教师在教学过程中体验了创造和收获的快乐。

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）[S]. 北京：人民教育出版社, 2018.

[2]马翠翠. 促进化学核心素养发展的思维可视化教学研究[D]. 广西：广西师范大学, 2019.

[3]樊会武, 单晓海, 张贤金. 基于“证据推理与模型认知”的元素化合物教学实践——以“亚铁盐和铁盐的性质”为例[J]. 中学化学教学参考, 2021 (5)：10-14.

[4]庄晓松, 王祖浩. 基于证据推理的金属化学性质教学[J]. 化学教学, 2021 (8)：47-51.

[5] 陈进前. 基于证据推理解答电化学试题[J]. 化学教学, 2017 (11)：80-83.

6