化学课堂中指向科学推理能力培养的问题链设计策略

【摘要】科学推理能力是科学探究能力的核心，是科学思维的重要要素之一。培养学生的科学推理能力，能够提高学生的理性精神，增强追求真理的意志，发展宏观辨识与微观探析、证据推理与模型认知、科学探究与创新意识、科学态度与社会责任等化学学科核心素养。本文基于科学推理能力的内涵，提出课堂设计问题链培养学生科学推理能力的四项行动策略：一是根据科学推理逻辑环节设计问题链；二是设计引发学生探究为什么的问题链；三是基于真实情境预设适切的问题链；四是根据学生的课堂反馈生成问题链。【关键词】科学推理；学科核心素养；高中化学；问题链《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》明确了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、科学探究与创新意识、科学态度与社会责任［1］。科学推理能力在化学学科核心素养发展过程中起到十分重要的作用，是化学学科开展研究的本质过程与思维要求，是学生学习化学知识和深度开展探究活动中十分必要的高阶思维［2］，是发展学生化学核心素养的关键能力。化学学科五个方面的核心素养中，宏观辨识、微观探析、证据推理、模型认知、科学探究、科学态度等素养的培养均离不开科学推理能力的发展。《普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）》中指出“科学思维”主要包括模型建构、科学推理、科学论证、质疑创新等要素［3］。演绎、归纳、分析、综合、抽象、概括、比较、分类是科学推理的常见思维方式。因此，科学推理能力是科学思维的重要要素之一，是科学探究能力的核心。但在当下，大多数课堂提问只是关注事实性知识，问题之间也缺少逻辑关联，通过问题解答所形成的知识大多是识记型的碎片化知识。比如，在盐类水解的课堂教学中，常见的问题有“醋酸钠溶液、氯化铵溶液的pH等于7吗？”“什么是盐类水解？”“判断盐溶液的酸碱性的方法是什么？”“书写盐类水解方程式要注意什么？”“哪些因素影响盐类水解平衡移动？”“水解平衡常数的表达要注意什么？”“盐类水解在生活生产中有哪些应用？”等。教师应设计知识从哪来、将到哪去的本原性问题，架构围绕是什么、为什么、怎么样以及什么方法等逻辑关系的问题链［4］，如下：【是什么的问题（盐类水解概念从哪来的问题）】什么是弱酸？什么是弱碱？以氨水与醋酸溶液为例说说溶液中存在的微粒，以及这些微粒之间的动态变化。【是什么的问题（盐类水解概念到哪去的问题）】醋酸钠、氯化铵溶液中存在哪些微粒？这些微粒之间会有怎样的动态变化？【为什么的问题】为什么碳酸钠可被当作“碱”使用呢？为什么加热后，碳酸钠的碱性会增強？其他弱酸盐、弱碱盐为什么也会有类似的性质？【怎么样的问题】醋酸钠溶液、氯化铵溶液中弱酸根、弱碱阳离子完全与水反应了吗？怎样的化学变化叫盐类水解？怎样书写盐类水解反应的方程式？还记得怎样描述可逆反应进行的限度吗？醋酸根水解、铵根离子水解的水解平衡常数如何表达，与对应的弱酸、弱碱的电离平衡常数有怎样的关系？【什么方法的问题】用什么方法证明盐类发生了水解？如何设计实验探究影响盐类水解的因素？如何表达盐类水解中各种微粒浓度之间的关系？想一想生活中可用什么试剂除去油污，可以采用哪些措施增加试剂的去油污能力？设计一套简易的泡沫灭火器。以上具有严密逻辑关系的问题链能引发学生运用演绎、归纳、分析、综合、推理等高阶推理思维，不仅能发展学生的科学推理能力，增进学生对盐类水解的本原性认识与结构化理解，建构盐类水解认知模型，还能发展学生的微观探析、证据推理、科学探究等学科核心素养。那么，在具体课堂实践中，如何设计问题链培养学生的科学推理能力？一、根据科学推理的逻辑环节设计问题链科学推理是一种过程性素养，也是一种思维形式。在培养科学推理能力的教学过程中，需要培养学生的归纳、演绎和类比等高阶思维，还要训练学生的分析与综合、抽象与概括、比较与分类等思维方式。这些高阶思维的培养与思维方式的训练是蕴含在科学推理的逻辑环节中的，因此，如图1所示，培养学生科学推理能力的课堂问题设计需要对宏观现象或真实情境进行梳理，转化成需要学生思考、探究的问题链，得出宏观现象背后的微观粒子的组成、结构、性质、转化等概念、规律。比如，如图2所示，将NaCl溶液滴在一块光亮清洁的铁板表面上，一段时间后发现液滴覆盖的圆周中心区（a）已被腐蚀而变暗，而液滴外沿则是棕色铁锈环（b）。对于这个实验现象，大多数的教师会以铁发生吸氧腐蚀来解释。其实，教师可以按照科学推理逻辑环节设计问题链，增进学生对电化学腐蚀的理解：此现象发生的金属腐蚀是电化学腐蚀吗？是哪一类电化学腐蚀呢？是简单的吸氧腐蚀吗？能设计实验证实你的猜想吗？铁的生锈部位和腐蚀发生的部位为什么不同？以此为背景，设计能解决问题的问题链（如图3），建构学生对于金属的电化学腐蚀的结构化认识，发展学生的证据推理与模型认知、宏观辨识与微观探析等学科核心素养，培养科学推理能力。在帮助学生形成“氧浓差电池腐蚀的原理”认识思路时，科学推理思维可视化的实验探究活动可设计如下：【问题1】设计怎样的模拟实验探究氧浓差电池？【类比推理】学生采用类比推理的思维，模仿氢氧燃料双液电池，设计如图4所示的以铁作正负电极的双液电池，发现电流计指针发生偏转。【问题2】图4的氧浓差电池装置符合原电池的形成条件吗？【分析与综合】往图4的左边烧杯中加入K3Fe（CN）6溶液，检测到有Fe2+生成，往右边烧杯中加入酚酞试剂，检测到有OH-生成，电流计指针发生偏转。通过综合分析实验现象，学生形成左边铁作负极、右边铁作正极的氧浓差电池认知模型。【问题3】图2所示的铁板是发生了氧浓差电化学腐蚀吗？【比较与分类】学生通过比较图2中（a）与（b）处O2浓度的差异，类比图4的氧浓差电池的实验现象，肯定了图2发生的是氧浓差电化学腐蚀。【问题4】氧浓差电化学腐蚀在工农业生产与生活中广泛存在吗？【抽象与概括】学生通过对图2与图4的实验进行归纳分析，抽象与概括出氧浓差电池的4个特征：有O2参加；不同区域的O2浓度不同；活泼金属作电极；腐蚀与生锈分布在2个区域。进一步通过演绎，学生可以发现生活中的金属裂缝处的锈蚀，钉在木板中锈蚀了的铁钉，浸入水中的锈蚀了的铁闸等。二、设计引发学生探究为什么的问题链培育学生科学推理能力的课堂与指向学科素养发展的教学是一样的，都是关注化学知识的生长过程，都是基于观察到的现象（或情境），通过模型建构、证据推理、微观探析、科学探究等学科素养训练，形成化学概念、规律，如图5所示。但传统教学中比较关注化学知识是什么，然后应用学到的知识去解决问题，在解决问题的过程中进一步去理解知识的内涵与外延，这容易导致学生获得的知识是识记型，而非生长型，学生的科学推理能力培养缺失了场域。因此，教师需要在课堂上设计引发学生探究“为什么”的问题链，在学生内化化学概念、规律的过程中培养学生的科学推理能力，发展学生的学科核心素养。表1为引发学生探究“为什么”的问题和传统教学中知识识记型问题的对比分析。“为什么”的问题不仅能培养学生的理解能力、阐述能力，更能引发学生开展归纳、演绎和类比等高阶思维活动，训练学生的分析与综合、抽象与概括、比较与分类等思维方式，发展学生的模型建构、证据推理、微观探析、科学探究等学科核心素养，进而培养学生的科学推理能力。三、基于真实情境预设适切的问题链激发学生的学习动机需要真实情境，维持学生的深度学习状态需要真实情境引发的有意义的问题情境［5］。同时，科学推理需要严密的逻辑，所以问题链的设计也必须要逻辑清晰、结构严密。因此，要创设真实合适的情境，根据科学推理的逻辑环节设计问题链，让学生采用分析与综合、抽象与概括、比较与分类等思维方式解决问题，在解决问题的过程中继续生成挑战性问题，增进对所学内容的理解，从而培养科学推理能力（如图6）。以人教版高中化学必修第二册第六章第二节“化学反应的速率与限度”教学为例。传统的教学中，教师会通过迁移物理学科中的速率来得出化学反应快慢的表达方式，进而形成化学反应速率的概念。接着应用反应速率概念进行解题练习，通过练习得出，同一个反应的不同反应物与生成物的速率大小与化学反应的配平系数成正比。如图6所示，培育学生科学推理能力的情境教学设计，应该从生产生活中选择涉及化学反应快慢的事件，如爆炸、溶液中的离子反应、大多数的有机反应、牛奶变质、铁生锈、溶洞形成等，从真实情境出发预设挑战性问题链：①化学中为什么要提出反应速率的概念？②怎么样表达化学反应速率？③我们可以从哪些视角表达化学反应速率的快慢？紧接着，教师提出“如何表达相同质量块状与粉末状的CaCO3和等体积等浓度稀盐酸反应的快慢”的问题。学生在此基础上生成挑战性问题：①观察产生气泡的快慢，可行吗？②观察剩余CaCO3固体的多少，可行吗？③用手触摸反应容器，感受外壁温度的高低，可行吗？④将两种反应器分别置于托盘天平两边，反应慢的一边会下沉，可行吗？可根据学生提出的挑战性问题，开展实验探究，发现①④可行，②③不可行。教师进一步提出挑战性问题：问题①中，可以用哪一种物质在单位时间里的什么量的变化来明确反应速率的快慢？问题④中，是利用反应体系中哪种物质的什么量在单位时间里的变化来表达反应速率的快慢？你认为同一个反应用不同的物质表达反应速率时，不同的反应速率之间有关系吗？这样思维显性的教学，让学生在真实情境中体会化学学科开展化学反应速率研究的价值与意义，理解反应速率表达方法的内涵与外延，经历化学反应速率是用反应物或生成物的浓度在单位时间的变化来表达的概念生成过程，明确同一个反应中用不同反应物与生成物表达的反应速率大小与化学反应的配平系数成正比等。这样的教学设计，不仅帮助学生建构了结构化的化学反应速率概念认识，而且发展了证据推理与模型认知、宏观辨识与微观探析等学科核心素养。举个浅显的例子，对于同一个目的地，非科学推理的教学，学生是从中间某个点（化学反应速率概念的模型）上车的，而指向科学推理能力培养的教学，学生是从起点（生活与生产中纷繁复杂的化学反应）上车的，这样做的优点是：①能让学生体验到化学源于生活；②学生亲身经历了概念的科学推理过程，这是学生从化学视角认识众多生活与生产中的化学现象的第一步。四、根据学生的课堂反馈生成问题链当下的大多数课堂，学生沿着教师预设的学习过程开展学习，教师不了解学生的想法，导致学生缺乏持续学习的动力，被動接受知识，课堂不仅难以达到思维碰撞的最佳教与学状态，而且因为缺失学生对学习内容的质疑和学生自主提出的有挑战性的问题，导致科学推理能力的培养缺失了学生自我生长的场域。因此，笔者结合图1与图6的问题链的设计思路，提出如图7所示的根据学生课堂反馈生成问题链的设计思路。以人教版化学教材选择性必修1《化学反应原理》第三章第一节“电离平衡”的第一部分“强电解质和弱电解质”教学为例。教材中实验3-1的目的是探究醋酸是弱电解质，安排了3个比较实验，即浓度都是0.1moL/L的盐酸与醋酸，分别比较pH值的大小，导电能力的强弱，与镁条反应的快慢，得出等同浓度盐酸与醋酸中H+的浓度是不同的，醋酸只有部分发生电离，即醋酸是弱电解质。但这样的学习过程，对于学生而言，并不能够理解弱电解质电离是动态的可逆过程，即未电离的醋酸分子还能继续电离，已电离出的醋酸根离子与溶液中的氢离子会重新结合成醋酸分子。因此，教师要根据教学中的重难点，结合学生的课堂反馈，动态生成挑战性问题链，组织学生进行科学推理。具体按照图7所示的思路进行教学设计：【现象（情境）】盐酸与醋酸是生产生活中常见的酸，请同学们举一些生产生活中的例子，说说这两种酸的腐蚀性，参加反应速率的快慢，酸性强弱等。【问题链】问题1：盐酸与醋酸从分类的角度讲，属于哪一类物质？（属于酸）理由是什么？（电离出的阳离子都是H+）根据生产生活中的实例，盐酸与醋酸的酸性有区别吗？（宏观辨识：“是什么”的问题。）问题2：设计实验方案，证明醋酸在水溶液中不能完全电离。（证据推理与模型认知：“怎么样”的问题。）学生开展教材中3-1实验，测出等浓度盐酸与醋酸的pH、导电能力以及与镁条反应的快慢等，得出结论——醋酸在水溶液中没有完全电离。【挑战性问题】问题3：为什么醋酸没有完全电离？没有电离的醋酸分子还会电离吗？能用实验方法证明已电离出的醋酸根离子与氢离子会结合成醋酸分子吗？能用实验证实未电离的醋酸分子还能继续电离吗？还有其他方法能证明醋酸分子在水溶液中是进行动态的可逆电离吗？（属于学生课堂质疑，开展微观探析，产生“为什么”的科学推理过程，也是激发学生产生“还能怎么样”的科学推理、科学探究与科学创新的过程。）教师设计问题链引导学生逐步分析、推理，建