基于证据推理与模型认知的“同课异构”分析

刘春花　汪秋英　刘晓玲

摘要：以“质量守恒定律”同课异构为例，阐述了证据推理与模型认知在化学教学中的相互关系。分别从情境导入与实验探究相结合、教学手段与环节设置的契合以及知识永恒性和探索持续性之体验的方面，对学生的证据推理与模型认知做分析。

关键词：同课异构;证据推理与模型认知;情境教学;认知冲突

文章编号：1008-0546（2019）01-0016-03 中图分类号：G632.41 文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2019.01.004

“同课异构”是由不同教师就同一课题和基本相同的教学内容，根据对教学目标和教学内容的理解并结合学生实际情况，设计教学和组织教学的一种教研活动形式 [1]。这也是各教师理解和交流化学核心素养、提升自身教学能力的实践活动。在这个过程中，教师们可以思考授课者在教学中所设置的教学环节，做课后评价与建议，并以此反观自己，从他人的经验中反思以获成长。

那么教师作为课堂教学的设计者和引导者，不仅是体现在能够制作促进学生发展的教学设计上，还体现在落实化学核心素养的有效课堂教学实践中。近年来，在中学化学教育研究中关于化学核心素养之证据推理与模型认知的研讨和实践已经成为了一个热点。其中陈进前  [2]认为要从事实迁移到证据推理与模型认识的素养形成，探究物质及其变化常常需要借助于模型，要依据物质及其变化与模型之间的内在联系，帮助学生建立解决化学问题的基本框架。意在说明科学结论不仅仅要事实的可靠，还要合乎逻辑。因此，在化学教学方面，教师要从真实的事实出发，创设真实的情境，在科学探究的过程中引导学生进行证据推理，通过物质及其变化与模型之间的内在联系，帮助学生完成建模，完善学生的认知结构。此外，学生的头脑不是一个等待被填满的容器，而是一支需要被点燃的火把，周云华 [3]认为教学的艺术不在于传授知识，而是要通过恰当的方法配合适当的教学环节激励、引发和诱导学生。

质量守恒定律是初中化学第一个出现且十分重要的化学规律，是分析物质在化学反应中的质量关系的理论依据，它的应用贯穿于整个中学化学。本课的教学在初中化学教学中有重要价值，将引领学生对化学反应的认识，实现从“质”到“量”的过渡，也为之后化学方程式的书写和计算的教学构建了理论铺垫。不少教师特别致力于对这节教学内容的二次开发与创新，现基于两位一线教师以此课为例贯彻“实施证据推理与模型认知”教学思想的同课异构进行分析。

一、情境导入与实验探究相结合

教师A借助史实情境——波义耳加热汞和氧气生成氧化汞的敞口实验，即他经反应前后物质质量总和的对比，得出化学反应后物质质量之和有所增加的结论，以此开篇让学生体验科学家探索知识的过程。随后利用此与另一科学家洛蒙诺索夫在密闭条件下所做相同实验后发现该反应前后物质质量总和不变的结论，进行对比，进一步教学。两位科学家实验结果的鲜明对比引起了学生的思考，为后续学生自行探索时产生猜想和假设奠定基础。

教师B则从生活情境的问题出发，以“一盘蚊香，与它燃烧后的灰烬相比，质量大小如何？”带领学生进入学习质量守恒定律的课堂，并且指引学生学习本节课要从以往定性讨论过渡到定量研究。不仅如此，该教师还利用现代多媒体技术手段克服了铁与硫酸铜溶液反应过慢而难以在课堂中呈现给学生的问题。教师课前一天在实验室中录制称量铁与硫酸铜溶液反应前物质质量总和的过程，而后使其反应，时隔一日在课堂上演示称量反应后物质质量总和的实验。将这两个演示实验整合，教师指出该反应前物质的质量总和与反应后物质的质量总和是相等的，让学生对质量守恒定律的概念有了一个初步的“原型”。

张华 [3]论“素养的形成和发展”与“情境”的关系时，认为素养的形成和发展依赖、超越于情境。尽管两位教师的引课方式不同，但是在运用情境来启发学生思考和帮助学生产生猜想和建模上有异曲同工之妙。通过不同情境的创设，在学生认知里种下“化学反应前后物质质量总和可能是相等的”的种子。至于这个猜想是否正确，接下来用实验来验证。

教师A设置的第一个实验探究是分别在敞口容器和密閉容器中进行盐酸与碳酸钠反应，再对比这两个系统反应前后的物质质量关系，最后用图示和符号引导学生进行实验分析（如表1）。

学生通过分析仅仅只认识到实验后敞口称量和密闭称量所得结果会不同。此时教师再引用第三位科学家拉瓦锡的验证，即45g氧化汞加热生成3.3g氧气和41.7g汞的实验，从“定性”到“定量”去揭示质量守恒定律，完善学生的认知。这时教师加之以让学生分析镁条燃烧反应前后物质质量总和的变化，以及设置若干个问题思考训练，使得学生对质量守恒定律的理解更为深刻。学生在进行镁条燃烧实验时，是以教师之前的演示实验为模型，使之与自身所进行的实验相匹配，从而检验猜想，解决问题，得出结论。

教师B本节课共安排了四个实验探究，其中第一个实验是用于引课的铁与硫酸铜溶液反应，帮助学生实现定性到定量的思维过渡;其次是让学生分组合作从镁条燃烧和盐酸与碳酸钠反应这两个探究中选择其一进行操作实验;最后由教师演示白磷燃烧实验巩固新知。整个教学的实验设置首先给予了学生思考的方向，为学生对知识的建构打下基础，而后让学生在做中学，对知识有了进一步的认识和理解，最后能够根据教师的演示实验自行分析，提高学生对事物的解释力。

实验探究的过程是学生从产生猜想至形成解释的证据推理过程，也是学生从对质量守恒定律概念的未知到逐渐完善建构模型的认知过程。

二、教学手段与环节设置的契合

皮亚杰的认知发展理论认为：当学习者面对新异刺激时，会不自觉地意识到认知差距的存在，此时在心理上会有一种不平衡感。据此观点，那么个体处于这种认知的不平衡状态时，会采取两种方式以获得认知上重新的暂时的平衡，即同化和顺应。在这个过程中，学习者以原有的知识经验为工具对新知识进行加工，使其纳入自身的认知结构;另一方面，在学习者的原有知识的基础上还可以生长出新的知识点，使原有的认知结构得以丰富和发展。因此，学习并不只是简单的知识量上的增加，同时它还包括学习者认知结构质上的转变，即原有知识与新知识的冲突引发认知上的观念重组转变，甚至是对错误认知的颠覆。

而认知冲突是指原有的知识系统与新知识、新情境无法包容的现象 [4]。在教学过程中，设置引发认知冲突的教学环节是教师常用的有效手段之一。教师要善于在教学中引发学生的认知冲突，引起学生的有意注意，激发学生的认知内驱力，碰撞出易学与好学的火光，促进学生积极、高效地对知识进行建构，实现精准且高效的教学。

在本节课中，两位教师都注重创设令学生产生认知冲突的教学环节，如教师A就巧妙地利用波义耳和洛蒙诺索夫实验的对比。起始学生跟随波义耳的脚步认识到化学反应前后物质质量总和是会改变的，在了解洛蒙诺索夫的实验后便打破了原有的认知，不得不思考其中结果不同的原因何在。科学家们进行科学探索寻求途径获得真知向来是有成功有失败的，成功失败与否需要在历史的长河中通过实践来检验，在其中的发展过程里，难免会出现谬论。倘若将此呈现给学生，学生不免会思考，著名科学家的观点怎么会出错？那么正确的观点又是如何的呢？认知冲突由此产生。这个配合引发认知冲突教学手段的环节设置，是在证据推理过程中产生猜想的萌芽阶段，为后期学生自行验证猜想、收集证据奠定思想基础。

再比如教师B在演示铁与硫酸铜溶液反应实验后让学生动手操作镁条燃烧实验和碳酸钠与盐酸反应实验。刚开始学生未考虑到实验中气体逸散会导致反应前后物质质量总和不相等，而后在实验过程中发现了“有违”质量守恒定律的新问题，这与现有的观念不一致，使他们产生新的疑问，导致学生再经由证据推理的一般过程去收集证据获得结论，尝试分析此问题的原因，重新组合认知。

认知冲突的产生让学生处于原有认知与新认知失衡的状态，他们就会下意识地通过顺应来将原模型认知转化为新模型认知。若有新的认知冲突出现时，则再次重复这个过程。此外，可能还会出现错误或忽略的建模，这就需要教师正当适时的引导。

三、知识永恒性和探索持续性之体验

研究表明，情感教学原则的实施对化学教学具有全面有效的促进作用  [5]。

教师A以各阶段的科学史实为线索，带领学生走进知识探索的殿堂，让学生体会科学家们的思考过程，体验知识不断更新和完善的发展过程。最后以爱因斯坦的名言：“科学是永无止境的，它是一个永恒之秘。”来结课，使学生从中领悟科学是永无止境的、知识并不是问题的最终答案。教师B演示白磷燃烧实验时有部分烟尘逸散而导致实验失败，但该教师借机触发学生对科学实验的情感体验，学生的回答也反映了他们意识到科学探索是有成功有失败的，在保持对科学实验严谨态度的同时也要勇敢前进、持續探索。学生在这个情感教学环节后表示在证据推理的过程中有了自我效能感，对质量守恒定律的概念模型有了更为深刻的构建，知识、过程与情感所碰撞出的火花显得更为绚丽多彩。

作为化学核心素养中的“证据推理与模型认知”，其内涵丰富而深刻，并且在化学实际教学中具有着十分重要的作用。第一，激发学生的主观能动性。推理的实践过程和认知的不断更新，配上教师适度的教学设计和课堂引导，此推理的体验会让学生愈战愈勇，从乐学到好学。第二，提高学生对问题的解释力。合理的实验探究加之科学的学习方法，在具体问题里进行具体分析，能够让学生根据物质的变化和发展做出模型建构以及运用模型对实际问题进行解释。第三，培养学生科学探索精神。科学结论的顺利推理和认知结构的持续刷新需要学习者坚持探索和实践，在这个寻求真知的过程中则能够培养学生坚持不懈的毅力。

证据推理与模型认知存在于同一个系统并保持彼此的独立性，且学生对事物进行证据推理或模型构建时，都是经历一个否定之否定的过程。在教学过程中，证据推理与模型认知总是相互渗透、相互影响的。因此，教师需要在证据推理中完善学生的模型认知，在学生的模型认知中促进证据推理的过程。教师可以通过设置情境、探究活动和情感教学等策略帮助学生树立独立解释物质的意识，提高学生依据物质变化的内在规律做出模型假设与模型构建能力，帮助学生建立解决化学问题基本框架。

参考文献

[1] 马春生，龚国祥.校际“同课异构”课的观察比较视角[J].化学教育，2010，31（7）：21-24

[2] 陈进前.核心素养导向下的化学教学[J].中学化学教学参考，2017（Z1）：1-4

[3] 周云华.基于认知冲突的历史教学策略[J].中小学教师培训，2018（2）：56-60

[4] 张华.论核心素养的内涵[J].全球教育展望，2016，45（4）：10-24

[5] Huang T H，Liu Y C，Shiu C Y.Construction of an online learning system for decimal numbers through the use of cognitive conflict strategy[J]. Computers&Education，2008，50（1）：61-76

[6] 向敏芬.情感教学与中学化学教育[J].化学教学，1996（6）： 3-7