核心素养导向的可视化证据推理模型构建

数字化实验是实现新技术与化学教学融合的重要手段，是中学化学教师培养学生信息素养的重要途径[1]。《教育信息化2.0行动计划》倡导应用信息技术解决教学、学习、生活中问题，并给出了实施路径，即发挥技术优势，变革传统模式，推进新技术与教育教学的深度融合。受传统实验手段的制约，中学化学教师在教学过程中难以让学生捕捉到反应现象的细微变化。“证明CO2与NaOH溶液反应发生”是借助数字化手段建构实验可视化思路模型的良好知识载体，教学中教师基于教材上的原型实验建立模型后对实际问题进行多角度、多方法的实验探究，可提升学生对化学反应是否发生的认知。数字技术的应用可使实验现象可视化。在数据采集及处理技术加持下，学生可以获取准确的数据。实验证据“可视化”有利于他们深刻理解化学反应，发展证据推理素养。学生分析反应物消失或新物质生成检验的实验设计思想，在实践中逐步深化对化学本质的理解，在过程中实现化学思维进阶，提升化学学科核心素养。一、建构可视化证据推理模型（一）证据推理与模型认知《义务教育化学课程标准（2022年版）》（以下简称“课标”）“内容结构”部分，将常见的酸、碱、盐纳入“物质的性质与应用”学习主题由“物质多样性”大概念统摄，指出课程的出发点和落脚点应围绕于设计活动使学生主动应用物质的化学性质实现确定实验方案→进行实验→基于证据的分析、推理、讨论→得出实验结论→实验能力与思维进阶。学生已经学习了酸、碱、盐的性质及转化，了解定量（测定空气中氧气含量、测定溶液的pH等）和定性（检验CO2与H2O反应生成碳酸、燃烧条件等）两种常用实验分析方法。笔者以构建“可视化证据推理”思维模型为载体，帮助学生掌握应用“变化观”解决实际问题的一般思路与方法，加深学生对化学学科本质、科学探究的理解。在信息技术的助力下，笔者开展“证明CO2与NaOH溶液发生反应”的实验教学，引导学生在反应后、反应过程中逐级建构、应用、迭代对化学反应的认知角度，提升思维能力。（二）数字化手段1.前置微课教师引入前置微课可提高课堂教学效率，助力学生在课堂中快速进入深度思维层次。合理利用微课能有效提高教学效率，将复杂的教学内容以明晰的逻辑呈现[2]。微课较短，笔者将正课前置内容分解为一个或几个小课以增强学生学习主动性，使其提前进入学习状态。笔者利用微课1（CO2与H2O反应——验证生成物的产生）、微课2（NaOH溶液与盐酸的反应——验证反应物的消失）以教材上的实验原型向学生展示“可视化证据推理”在学生化学学科素养发展中的重要地位，体现“可视化”证明反应发生的思路，引导学生从典型原型实验中提取原始的思维模型，为课堂教学作铺垫。数字化实验的应用让学生“有备而学”，有利于学生提高学习效率，拓展实验探究的时空，形成系统的“变化观”。2.手持技术课标要求学生学习化学课程能初步学会运用观察、实验等手段获取化学事实，运用比较、分類分析、综合归纳等方法认识物质变化与化学反应。教师开展物质变化与化学反应实验教学，有利于提升学生的科学思维并培养创新意识。为了让学生在理解熟悉的、典型的化学物质的变化中提升化学核心素养，笔者借助手持技术实现无明显现象实验可视化（如图1）。化学学科发展的基础是实验。初中化学课堂教学中实验起着重要的支撑作用，实验与技术的发展是相辅相成的。随着计算机技术和传感技术的发展，数字化手持技术已经成为化学教学开展课堂教学的得力助手[3]。在CO2与NaOH溶液发生反应的实验中，笔者对于CO2的消失引入手持技术（压强传感器）进行测定，引导学生从定量的角度思考问题、从图像信息的角度分析推理得出实验结论。二、教学内容和目标及数字化准备（一）教学内容探究CO2与NaOH溶液是否发生了化学反应是围绕核心物质CO2（氧化物）、NaOH（碱）、Na2CO3（盐）的化学性质展开的探究性学习。以重要反应“CO2+2NaOH=Na2CO3+H2O”为知识载体发展学生对物质变化的认识角度，从外显的反应现象深入到反应物和生成物角度来认识化学变化，建立反应物、生成物的物质种类、物质性质、物质组成等宏观的化学反应发生与否的认识思路，利用化学变化前后物质的性质差异说明反应物消耗和生成物生成为判据，推断无明显现象的化学反应是否发生。在解决实际问题、复杂问题的应用中复习酸碱盐的核心知识，在数字化实验和传统实验结合的实验设计和实施中强化核心物质的典型性质，综合建构与应用“可视化证据推理”思维模型，逐步提升学生的科学思维、深化学生对酸碱盐知识的理解能力、提升学生证据推理与实验探究能力，从而在课堂教学中实现化学学科核心素养的落地。（二）教学目标①观看前置微课，应用教材上的经典实验“探究CO2与H2O是否发生了化学反应、证明NaOH溶液与盐酸发生中和反应”，建构“可视化证据推理”的思维模型。②应用思维模型来探究CO2与NaOH溶液是否发生了化学反应，迁移应用酸碱盐的典型性质设计具有明显现象的实验来证明反应发生，提升对核心知识的理解与运用能力。③应用手持技术设计并完成实验，能从反应物消失或生成物消耗的视角判断反应发生，从定性和定量两个角度运用思维模型，发展证据推理意识。（三）教学准备笔者利用前置微课和ClassIn软件、手持技术等做好教学准备。课前录制两个微课：微课1的主题为“建构模型——验证生成物存在”，微课2的主题为“建构模型——验证反应物消失”。设置前置讨论：①归纳可视化证据推理思维模型；②模型的化学本质在于利用物质的化学性质设计有明显现象的实验来验证原本无现象的化学反应的发生，要求学生利用ClassIn虚拟实验室，设计实验验证NaOH溶液与CO2发生了反应，限定实验角度为“验证反应物消失”，要求其提交实验装置图片（前测）。课堂教学初始阶段，笔者带领学生用压强传感器测定CO2与NaOH溶液反应中的气压随反应时间的变化（见表1）。此外，提前制备NaOH溶液和Na2O2反应后溶液（NaOH过量）、酚酞溶液、CaCl2溶液、盐酸、Ca（OH）2溶液、CuSO4溶液等，以及试管、胶头滴管、CO2传感器、平板电脑终端等器材。三、教学过程及模型建构难点突破（一）教学流程笔者以证明CO2与NaOH溶液发生反应的数字化实验为载体，建构可视化证据推理模型，需厘清学生思维盲区，帮助学生突破难点。教学流程如下（如图2）。（二）教学实录：突破重难点1.微课为引，聚焦于学生自主建构思维模型微课1：CO2与H2O发生反应的证明。教师：将CO2通入H2O中发生反应了吗？学生：通入前CO2无色气体、H2O无色液体，通入后有气泡冒出，液体呈无色。由于没有明显现象，无法直观判断该反应是否发生。教师：对于证明CO2与H2O反应实验，如何阐明设计思路？学生：应用物质的化学性质，验证生成物存在从而证明反应发生。微课2：NaOH溶液与盐酸发生反应的证明。教师：将NaOH溶液滴入盐酸中，发生化学反应了吗？学生：由于没有明显现象，无法直观判断是否发生反应。教师：对于检验NaOH溶液与盐酸反应实验，如何阐明设计思路？学生：用物质的化学性质验证反应物不存在。学生学习前置微课1和微课2初步建立可视化证据推理思维模型——若反应发生则在化学变化中证明旧物质（反应物）消失或新物质（生成物）生成。学生在实验探究情境中培养证据推理核心素养，还能提升化学思维能力[4]，其思维建构路径如图3所示。笔者设置前测任务：设计实验装置证明NaOH溶液能与CO2发生反应（利用ClassIn模拟实验室）。2.解决问题，完善可视化实验思维模型笔者展示学生前测作业（如图4），让学生讨论实验设计依据，并基于证据推理阐述设计的优点和不足。学生讨论后总结得出装置1具有如下优点：在装置密封性良好的情况下，CO2与NaOH溶液反应，造成气体减少，装置内压强小于外界大气压，锥形瓶内气球变大，此装置基本满足这一理论的验证需求。该装置的不足：CO2能与水反应并溶于水，也会导致CO2气体减少造成干扰，但未设计对比实验排除水对实验的影响。学生讨论后总结得出装置2的优点：能够排除装置1中水的干扰，从对比实验角度证明CO2与NaOH溶液接触时消耗更多，从而证明NaOH溶液可与CO2反应。该装置的不足：反应时间可能不足，溶解度约为CO2∶H2O=1∶1（体积比），若时间足够两支试管都会充满溶液。学生归纳后得出结论：装置2更能说明问题。手持技术的应用可以直观地呈现反应结果，使实验“可视化”。笔者指导学生利用CO2传感器进行测定（向装有等量CO2的装置中，加入等体积H2O和NaOH溶液），得到相对压强—采样时间图像（如图5）。学生结合操作情况，对曲线进行解释。初始阶段，加入同等体积的H2O和NaOH溶液后，加入NaOH溶液的装置压强小于加入H2O的装置，说明NaOH与CO2发生反应且反应速率较大，CO2在短时间内减少很多。后一阶段，曲线基本不变表示反应停止，NaOH装置中压强减小更多，在控制变量条件下能够证明NaOH溶液与CO2发生化学反应。学生经过思考与实践发现在微课前测中自己设计实验的问题所在。学生在控制变量法的实际运用中借助手持技术对实验进行定量研究，完善思维模型，为思维进阶奠定了基础。3.自主设计，应用模型解决新情境下的实际问题笔者抛出新情境新问题：若只提供“将CO2通入NaOH后的溶液”（不能确定是否反应，若反应也不能确定NaOH是否剩余），又如何证明发生了反应？学生分组讨论，填表提出自己的实验设计方案（见表2）。学生可基于思维模型解决新问题，从证明碳酸钠存在或NaOH不存在两个角度设计实验。笔者为学生提供试剂引导他们做初步设计，选取一例进行演示（如图6）。实验小组在归纳总结基础上继续填写实验表格，进行小组间的交流点评。设计的依据是什么？学生讨论后明确实验角度，利用试剂筐中的药品做实验，以“使反应现象可视化”为据，推理CO2與NaOH溶液是否发生化学反应。笔者汇总实验方案并组织学生分析（如图7）。学生在分析中逐步认识到证明生成物碳酸钠的存在需要考虑干扰因素。在CO2与NaOH溶液反应后的溶液中可能存在未反应完的NaOH，其化学性质呈现碱的通性。由此进一步分析：酚酞溶液、NaOH溶液和Na2CO3溶液都可以使实验中的液体变红，因存在这些干扰因素，故不能证明发生了反应。对于盐酸而言，加入足量盐酸后NaOH的干扰被排除，但若只加入少量盐酸则会造成无气体推断“没有Na2CO3生成”的假象。对于氢氧化钙溶液而言，NaOH不与其反应，不造成干扰，可以用来检验是否生成碳酸钠。对于硫酸铜溶液而言，其与NaOH和Na2CO3都发生复分解反应产生沉淀，NaOH对Na2CO3的检验造成干扰，无法证明生成了Na2CO3。學生综合应用酸、碱、盐知识解决问题，有利于其深度学习，深化对核心知识的理解。学生在交流点评设计实验方案时，笔者利用课堂生成的资源，板演酸、碱、盐知识网络结构，建立系统化的知识体系。学生在应用使无明显现象实验可视化的思维模型实践过程中，表现出对新问题的深度思考，理解了“干扰”对证据推理的影响，提高了对复杂问题的深入探究能力。4.思维进阶，换角度应用模型“我们设计的上述实验都是通过探究CO2与NaOH溶液反应后的溶液进行认知，证明反应发生。能否设计实验，在CO2与NaOH溶液的反应过程中验证反应发生？”在笔者的启发下，学生利用ClassIn的虚拟实验室从装置角度设计实验（如图8）：证明反应过程中CO2减少，判断CO2与NaOH溶液发生了化学反应。笔者展示模拟实验的过程和结果（如图9）。教师：A中液面高于B，A中石蕊溶液变蓝等实验现象，都能用于证明CO2与NaOH溶液发生化学反应了吗？学生：A中液面高于B说明，因通过控制变量法设置了对比实验，排除了水对实验的干扰。但A中石蕊溶液变蓝不能说明，因碳酸钠溶液显碱性、剩余的NaOH溶液也显碱性，出现NaOH剩余对实验造成干扰。5.归纳整理，建立结构化知识体系笔者基于学生课堂生成情况进行归纳整理，引导学生将知识结构化、系统化，建立完善的“可视化证据推理”思维模型（如图10）。笔者让学生认识到运用思维模型时可从定性、定量两个角度设计实验，有意识地借助数字技术使无明显现象实验可视化。学生在课后需要完成拓展任务：解读“测定空气中氧气含量实验的设计思路”搭设脚手架（后测）。四、总结与反思（一）应用数字技术引导学生“做中学”扩展化学反应认知视角学生在以往学习中暴露的问题是：运用知识解决问题的能力和获取证据的能力较弱，特别是对反应现象不明显的化学反应是否发生存在困惑。笔者导入前置微课，应用虚拟实验室和手持技术等数字技术，改进传统实验，提高了实验教学的功效。围绕“应用物质的化学性质设计实验，实现无明显现象实验的可视化”让学生在“做中学”提升相应的能力。在建立“可视化”实验证据推理模型的同时，笔者设计了干扰因素（有干扰物质共存）扩大了思维容量。教师应重点引导学生在模型建构与应用中逐步进阶思维，使其能从反应体系中确定目标物质的独有现象来实现实验目的，进而扩展学生对化学反应的认知视角。（二）大概念统摄下利用可视化证据推理模型提高学生能力与素养“证明CO2与NaOH溶液发生反应”是物质的性质与转化主题大概念统摄下发展学生的“变化观”的重要教学素材。笔者引导学生进行可视化证据推理模型的建构与应用，提高了学生的多方面的能力与素养。一是提升学生创新思维：利用密闭空间设计压强差进行直观表征。二是形成系统思维：学生认识