基于CER理论提高学科解释能力的教学实践

摘要：借助CER理论模型，以废水中氨氮去除为真实情境，通过创设“情境问题”搭建脚手架，指导学生能够获取和处理信息以及分析推理获得与论断匹配的证据，形成“证据—推理—论断”的化学学科解释表达范式，提高学生的学科解释能力。关键词：CER理论模型；情境问题；学科解释；证据推理1问题的提出“化学学科解释”作为“科学解释”的一个学科分支，其内涵为解释者基于自身化学学科理解水平，采用化学学科特有的知识、理论、认知方式，通过外显的行为对现象发生的原因或过程用恰当的表征方式予以阐述［1］。化学学科解释类问题是以真实情境和实际问题为测试载体，设计出主题性、开放性、探究性的评价任务，是近几年高考化学试题的难点热点题型。该类问题具有信息处理复杂、信息呈现隐蔽、语言表达严谨、方法运用灵活、思维活动高阶和育人价值导向等特点［2］。面对学科解释类问题，学生表现出一些共同的困难。通过访谈、问卷等形式的调查，分析造成困难的主要因素为：（1）学科理解欠缺。解释能力不仅仅是一种语言行为，而是与头脑中深层次的学科理解息息相关。在建构解释时，证据选择和推理过程中的困难多源自对学科内容的理解不全面、不深刻。（2）解题策略欠缺。在解决复杂问题情境的学科解释类问题时，仅具备基础学科知识还远不够，在陌生情境下，学生往往对情境信息的获取和处理能力不足，不理解什么是证据，不知道如何匹配恰当、充分的证据，不了解题目考查所指向的知识与能力，不清楚从何入手解题。（3）表述方法欠缺。在提取有效证据进行推理时，语言表述缺乏应有的逻辑性，一些解释中虽出现了某些证据和论断，但没能通过推理将两者相连［3］，论断占了较大篇幅但只伴随着零星的理由。如何有效突破学生在学科解释方面的困难，已成为高中化学教学的重要课题，科学解释能力的培养与提高亟待有针对性的教学干预和指导。2基于情境问题的CER理论模型CER理论模型是对英国哲学家图尔敏（S.Toulmin）的论证模型的简化，将科学解释解构为三个要素：论断（Claim）、证据（Evidence）和推理（Reasoning）［4］。该模型旨在让学生像科学家一样，依据已有知识或相关资料，通过挑选和收集证据，在科学原理的支持下进行推理（证实或证伪），呈现证据支持论断的逻辑，形成对科学现象或问题的论断。《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》中明确指出，“情境”和“知识”同时服务于“问题”的提出与解决。在新课标新高考背景下，以真实问题情境为载体，以学科观念为统领，以化学学科知识为分析问题的视角，以发展学生思维的创新性、逻辑性、建模化为指向，以“情境＋问题＋思维”为主线的化学课堂教学范式备受青睐。本文尝试借助CER哲学模型，以废水中氨氮的去除为问题情境，通过创设“情境问题”搭建脚手架，指导学生如何获取和处理信息，分析推理获得与论断匹配的证据，建构化学学科解释思维模型，引导学生把握学科解释的思维路径，形成“证据—推理—论断”的化学学科解释表达范式，以期解决学生在学科解释中遇到的困难，提高学生的学科解释能力（思维模型见图1）。3基于CER理论模型的教学案例3.1情境载体选择合适的高考或重要的模拟考试题，将其设计成为教学情境，可以避免复习中探究问题角度偏、难度大、不严谨等弊端。本课例选择了2021年江苏适应考I第14题，以废水中氨氮的去除为情境，涉及沉淀法和氧化法去除氨氮的离子方程式书写以及相关的化学学科解释问题。选择该情境载体的主要原因是：（1）贴近生活实际。废水中氨氮超标导致水体富营养化，情境素材贴近实际生活，是有价值的学习主题。（2）涉及较多的核心知识。如氮及其化合物的性质、氧化还原反应、化学反应速率与平衡、物质结构与性质等知识内容，为跨模块知识融合提供了平台，有利于促进知识的结构化。（3）蕴含丰富的思想观念。从学生视角看，有利于价-类二维视角理解物质转化、速率与平衡、控制变量等重要学科观念的形成，有利于促进认知模型化；从教师视角看，可以进行单元教学、项目式学习、“教-学-评”一体化教学等实践。本节课的教学目标为：（1）以废水中氨氮的去除为问题情境，能从物质类别和元素价态的角度认识含氮物质之间的转化。（2）从“价-类”二维视角寻找廢水中氨氮去除的方法，学会运用化学知识解决实际问题，促进化学学科理解。（3）体会化学学科的价值与魅力，增强社会责任意识。教学重点为：建构化学学科解释思维模型，形成“证据—推理—论断”的化学学科解释表达范式。3.2教学过程根据教学目标，通过情境问题，基于CER模型引导学生建构学科解释思维模型。本节课可分为三个环节：第一环节，如何证明废水中氨氮的存在。运用氮元素的价-类二维图，分析推理水体中氮元素的存在形式，并通过实验进行定性和半定量检测；第二环节，如何去除废水中的氨氮。运用氮元素的价-类二维图，通过CER理论模型，初步认识学科解释思维程序；第三环节，如何深度去除氨氮。通过师生互动外显思维，建构并应用学科解释模型解决学科问题。教学设计示意图如图2所示。3.2.1如何证明废水中氨氮的存在［情境1］2007年太湖爆发了严重的蓝藻污染，太湖水污染问题引起了广泛关注。从化学学科的视角分析，“蓝藻”事件是什么元素给我们“颜色”看呢？［学生分析解释］N、P元素超标所致。［情境问题1.1］结合氮元素的价-类二维图（图3）分析水体中氮元素可能的存在形态。［学生］可能有NH3、NH+4形式以及NO-2或NO-3。［教师］在水溶液中，氨氮的存在形式主要由什么因素决定？［学生］主要由水溶液的酸碱性决定，主要存在形式是NH3或NH+4。［资料卡1］氨氮随pH变化的分布系数图，如图4所示。［情境问题1.2］设计实验证明废水中是否存在氨氮污染？［实验方案］取样，加浓氢氧化钠溶液并加热，若能产生使湿润的红色石蕊试纸变蓝的气体，则说明存在NH+4。［学生汇报］不同浓度的氨氮废水中，有的检测出，有的没有检测出NH+4。［教师］给同学们提供的是四种不同水样，分别是皮革厂氨氮废水、生活污水、小区旁河水和阳澄湖水。而该方法适用于浓度较高的氨氮废水的检测，氨氮浓度较低时往往无法通过该方法检测，故有的水样没有检测出NH+4。［过渡］检测部门通常利用检测仪直接准确测定氨氮的含量。［资料卡2］氨氮的定量测定方法通常有：纳氏比色法、水杨酸-次氯酸盐比色法、滴定法、氨气敏电极法等。污水中氨氮检测时，常使用氨氮检测试纸（纳氏比色法）初步检测氨氮的含量。此方法具有操作简便、灵敏等特点。其方法原理为：以氨或铵离子等形式存在的氨氮与纳氏试剂反应生成淡红棕色络合物（该络合物的色度与氨氮含量成正比），并将之与标准比色卡进行对比。［学生实验］用氨氮试纸检测上述四种水样中氨氮的含量，与氨氮排放标准对照分析是否超标。操作步骤：取出试纸，迅速盖上盖子。（1）试纸反应区部分浸入待测水样中2秒，取出甩掉多余的水样。（2）在反应端加1滴激活剂，15秒后甩出多余的水珠。（3）放置60秒后与比色卡对比，颜色接近的色块即为被测样品的浓度值（见表1）。［资料卡3］城镇污水处理厂水污染物排放标准（2003年7月1日执行）见表2。［小结］阳澄湖水、小区旁河水均是达标的，生活污水氨氮超标，皮革厂废水中氨氮严重超标。设计意图：聚焦问题情境，运用氮元素的价-类二维图，引导学生调用已有知识，了解含氮废水中氮元素的存在形式与影响存在形式的因素，并通过定性及半定量实验证明废水中氨氮的存在。3.2.2如何去除废水中的氨氮［过渡］请结合氮元素的价-类二维图，设计氨氮去除的可行方案？［追问］如何理解氨氮的去除？［学生1］将氨氮从废水中转化成气体或沉淀而除去。［学生2］加氢氧化钠后加热将氨氮转化为NH3除去——吹脱法。［学生3］加氧化剂将氨氮氧化为N2除去——氧化法。……［教师］从物质状态角度分析，可将NH+4转化为气体（NH3或N2）除去，为什么没有借助沉淀法呢？［学生］一般铵盐均易溶，不能转化为沉淀。［教师实验］模拟氨氮废水与Fe2（SO4）3溶液混合，有黄色沉淀生成。［资料卡4］黄铵铁矾沉淀：NH4Fe3（SO4）2（OH）6；磷酸铵镁（MgNH4PO4·6H2O）俗称鸟粪石，简称MAP，它的养分释放速率比其他可溶肥慢，可作缓释肥。［情境2］皮革厂的废水中含有一定量的氨氮（以NH3、NH+4形式存在），可向酸性废水中加入适量Fe2（SO4）3溶液，废水中的氨氮转化为NH4Fe3（SO4）2（OH）6沉淀而除去。［情境问题2.1］写出沉淀法去除氨氮反应的离子方程式，该反应的本质是什么？［學生分析解释］由题给信息可知，废水中的氨氮转化为NH4Fe3（SO4）2（OH）6沉淀，化合价没有发生变化且溶液呈酸性，故该反应的离子方程式为NH+4＋3Fe3+＋2SO2-4＋6H2ONH4Fe3（SO4）2（OH）6↓＋6H+。由上述反应可知，生成沉淀是由于NH+4或Fe3+的水解所致。［情境问题2.2］从上述反应分析，如何提高沉淀法去除氨氮的去除率？［学生］增大Fe2（SO4）3溶液浓度、降低氢离子浓度、升高温度、充分搅拌等。［情境问题2.3］沉淀法去除氨氮时，随pH的变化氨氮去除率如图5所示，氨氮去除率随pH升高先升高后降低，可能的原因是什么？［证据推理］与氨氮沉淀反应有关的微粒有NH+4、Fe3+、SO2-4、H+，其中c（SO2-4）不受pH影响。随pH增大，c（H+）减小，促进NH+4或Fe3+的水解，有利于氨氮的去除。当1.3＜pH＜1.8时，随pH增大氨氮去除率不升反降，可能的影响因素只剩下pH对NH+4和Fe3+的影响。由氨氮分布系数图可知，氨氮在这个pH范围内基本全部以NH+4形式存在，只能是Fe3+的影响。Fe3+是极易水解的，pH增大促进Fe3+水解生成Fe（OH）3沉淀，Fe3+浓度减小，导致氨氮去除率降低。但下降幅度并不是很大，应为部分Fe3+水解生成Fe（OH）3。［学科解释］随pH增大，c（H+）减小，促进NH+4或Fe3+的水解，有利于氨氮的去除。当pH＞1.3时，随pH增大部分Fe3+水解生成Fe（OH）3，溶液中c（Fe3+）减小，氨氮去除率降低。［教师］沉淀法去除废水中的氨氮，能否达到排放标准呢？［资料卡5］查找文献发现，利用硫酸铁生成黄铵铁矾沉淀去除氨氮，当氨氮浓度为2800mg/L时其去除率为81%，残留氨氮浓度为532mg/L［5］；利用MgCl2·6H2O和Na2HPO4·12H2O生成MgNH4PO4·6H2O沉淀去除氨氮，当氨氮浓度为1305mg/L时，其pH为9.0，反应时间为25min，按n（N）∶n（Mg）∶n（P）＝1.5∶1∶1.5配比投料，其去除率高达98.10%，氨氮浓度降低到28.54mg/L［6］。［教师］从沉淀法去除氨氮的去除率数据看，可除去大部分氨氮，但未达到排放标准，需进一步降低氨氮的含量才能排放。设计意图：以真实的情境问题促使学生自主调用价-类二维认识视角，寻求氨氮去除的解决方案。将氨氮以沉淀形式去除，是对自然界中氮循环的补充与丰富，同时进一步增进学生从价-类二维视角分析问题的能力，提升学生对价-类二维视角认识物质转化的学科理解。通过创设情境问题组，引导学生聚焦反应原理，从化学反应速率和化学平衡等视角，挑选和收集证据，分析推理证实或证伪，获得与论断匹配的证据，并形成对情境问题的解释，让学生初步体悟学科解释的思维模型。3.2.3如何深度去除废水中的氨氮［过渡］如何深度去除氨氮，请提出你的设想（借助氮元素的价-类二维图）。［学生］可采用氧化法深度去除氨氮，即使用氧化剂将氨氮氧化为N2而去除。［教师］请找出将氨氮氧化为N2可能的氧化剂。［学生］次氯酸钠、过氧化氢、氯气、KMnO4、Na2O2等。分析评价选择合适的氧化剂。［情境3］工业上采用投加足量的氯气或者NaClO将废水中的氨氮转化为N2的方法叫做折点氯化法。皮革厂的废水可通过氧化法深度去除氨氮。调节经沉淀处理后的废水pH约为6，加入NaClO溶液进一步氧化处理。［情境问题3.1］请用离子方程式表示该氧化反应的实质。［学生分析解释］氧化法去除氨氮反应的原理为3ClO-+2NH+4N2↑+3Cl-+3H2O+2H+。［情境问题3.2］如何提高氧化法去除氨氮的去除率？［学生］增大浓度、升高温度。［情境问题3.3］n（ClO-）/n（氨氮）对废水中氨氮去除率和总氮去除率的影响如图6所示。当n（ClO-）/n（氨氮）＞1.54后，总氮去除率有所下降，其可能的原因是什么？［证据推理］追问1：图像中两个去除率分别是什么含义？如何理解图6中两条曲线的变化趋势？［学生分析解释］氨氮去除率是指氨氮被转化为其他物质的比率，总氮去除率是指氮元素从废水中被去除的比率。当n（ClO-）/n（氨氮）＞1.54后，ClO-大大过量。通过图6中两条曲线的对比分析发现，氨氮能够被有效去除，但总氮去除率略有下降。追问2：当n（ClO-）/n（氨氮）＞1.54后，推测能留在废水中超预期的产物可能有哪些？总氮去除率曲线的降低幅度有多大？［学生分析解释］说明氮元素没有全部转化为N2逸出，由氮元素的价-类二维图，可推测氮元素应以NO-3或NO-2等离子形式存在于废水中。总氮去除率的降低幅度并不大，说明只有部分氨氮被进一步氧化为NO-3或NO-2。［学科解释］随着ClO-浓度的增大，有部分氨氮被氧化为NO-2或NO-3而留在废水中。［情境问题3.4］氧化法去除氨氮时，随pH的变化氨氮去除率如图7所示，当pH>8时，随pH增大氨氮去除率下降，可能的原因是什么？［证据推理］由氧化法去除氨氮反应原理3ClO-+2NH+4N2↑+3Cl-+3H2O+2H+可知，随pH增大，c（H+）减小，有利于氨氮去除。但pH>8时氨氮去除反而下降，原因可能是pH增大对ClO-或NH+4产生影响所致。随pH增大，抑制ClO-的水解，c（HClO）减小，氧化氨氮能力下降；随pH增大，NH+4可转化为NH3逸出，则氨氮去除率上升与实际不符。［学科解释］随pH增大，c（HClO）减小，氧化氨氮的能力下降。［情境问题3.5］随温度升高氨氮去除率如图8所示，当温度大于28℃时，废水中氨氮去除率随着温度升高而降低，可能的原因是什么？［证据推理］温度一般只能对ClO-或NH+4产生影响。若温度升高促进NH+4水解生成NH3逸出，氨氮去除率上升则与实际不符；ClO-在较高温度下不稳定，温度升高会受热分解，导致ClO-浓度降低，氨氮的去除率降低。［学科解释］温度过高，ClO-受热分解使浓度降低，氨氮去除率降低。［资料卡6］折点氯化法常用于处理氨氮浓度较低的工业废水，或是对氨氮浓度较高的废水进行深度处理。与其他方法相比较，该方法具有反应速率快，脱氮效果稳定，去除氨氮效率高，改造投资成本低等特点。在最佳操作条件下，经处理后的废水氨氮浓度<0.5mg/L［7］。［总结］归纳总结氨氮去除的解决方案，提炼学科解释类问题的思维模型（PPT展示图1的思维模型）。设计意图：建构并应用学科解释思维模型，重点在证据推理的过程，外显学生的思维，指导学生如何匹配证据，如何进行证据推理，通过辩证思维抓住矛盾的主要方面，帮助学生建构化学学科解释的思维程序，提高学生的学科解释能力。3.3基于CER理论模型学习效果测试本课例实施后，让上课班级完成如表3所示的评价量规，得分情况见图9。本次问卷数据表明，通过基于CER理论模型下情境问题的解决，课前与课后学生对化学方程式书写和规范表述掌握情况相差不大，但在信息提取、解释视角选择、可能因素寻找和证实与证伪方面的得分情况相差较大。这些数据的比较说明，该理论模型下的学习对学生的学科解释能力以及证据推理意识提升较大，但对化学方程式书写和规范化表述方面提高不明显。4教学反思通过基于CER理论模型的情境问题解决的教学，将“证据推理与模型认知”这一素养在课堂中落地，培养学生的化学学科核心素养，较大提升了学生的学科解释能力。（1）提升证据推理意识。证据推理是化学学科重要的核心素养，“初步学会收集各种证据，基于证据进行分析推理，加以证实或证伪，能解释证据与结论之间的关系，确定形成科学结论所需要的证据或寻找证据的途径”［8］。基于CER理论模型的学习，学生在面对真实情境问题时，需要学会收集和处理相关信息，需要學会提出质疑，分析问题的各个方面，需要学会对证据分析推理加以证实或证伪，提升学生的证据推理意识。（2）建構学科解释模型。在一系列情境问题的解决中，通过独立或协作的方式开展活动，外显学生的思维，指导学生调用化学原理相关知识，从诸多影响因素中筛选出与论断相匹配的证据，建立论断与证据之间的逻辑关系，提炼学科解释表达范式，对学科解释各要素进行针对性训练，基本达成了建构学科解释模型的目标。（3）训练形成规范表述。基于CER理论模型的情境问题，在教师的引领和示范下，学生以口头或书面方式进行模仿，初步建构自己的学科解释，经由师生点评修改和完善，使表达更加清晰，逻辑更为严谨，逐步形成规范表述，提升学科解释品质。因此，科学语言的培养