基于“问题探究 证据推理”的教学设计

詹发云

摘 要：证据推理是解释证据与结论之间的关系，确定科学结论所需要的证据和寻找证据的途径。根据“提出假设—实验设计—收集证据—论证推理—形成结论”的思路进行教学的实验和实例设计，通过设计阶梯式问题、分组实验和创新实验以及实例运用加强对证据的关注和推理，培养学生问题探究和解决的学科关键能力。

关键词：探究；证据 ；推理 ；基本微粒

证据反映了一事物对另一事物的证明关系（即关联性），是事实知识、实验现象、原始数据等材料的总称。证据推理是解释证据与结论之间的关系，确定科学结论所需要的证据和寻找证据的途径。科学探究教学中的证据意识是指“学生在科学探究过程中有目的地关注证据的探查活动和体验行为”，活动的载体是教师设计的一系列可观察、可测量、可评价的化学探究实验，使学生达成对“证据支持主张”的心理认同[1]。实验探究是科学探究的重要方式，它既是解决化学问题的工具，更是提升化学思维，激发学生创新意识的最好载体。

一、问题背景

科学探究应基于学生证据意识培养和实际行为改善来设计教学，加强学生对证据的关注。目前化学实验探究仍然以验证原理和培养实验基本操作为主，学生虽然“动手”了，却很少积极“动脑”思考，只关注“探”而不重视“究”，虽然达到了操作目标，但缺乏证据意识和科学素养的培养，这是实验探究教学中出现的较普遍现象[2]。本文以“构成物质的基本微粒”教学为例，探讨基于“问题探究，证据推理”的教学设计。

二、设计思路

“构成物质的基本微粒”是在学生学习了氧气、二氧化碳、水等宏观物质的性质后，刚开始接触物质的微观世界，对微粒的感知处于初级阶段。本节学习要求是“构成物质的微粒很小，微粒不断运动，微粒之间有间隙”， 知识要求属于了解层次，但要使学生能够运用微粒的观点来进行想象和推理，必须让学生体验基于证据推理的科学探究过程，感受出物质的微粒性及微粒的有关性质。

本节课按照“提出假设—实验设计—收集证据—论证推理—形成结论”的思路来设计探究实验，在用好教材的演示实验的同时，做好学生的分组探究实验和创新实验，从现象的观察出发，引导学生思维，通过证据意识培养学生解决问题的能力和化学学科素养。

三、教学案例

（一）感知证据推理的阶梯式问题设计

问题是思维的起点，是证据意识培养的阶梯和载体。在教学过程中围绕学科核心概念、重要规律或者科学探究主题，基于学生已有认知水平，创设具有学科特色的情境，设计出连贯的、逐级递进的问题教学序列，让学生对某一主题的思考和认知不断丰富、精致和深入，学生不断寻找证据[3]，提升知识理解的深度和思维的缜密性。

教学设计1：探究物质的微粒性

设计意图：从宏观认识到微观探析，是学生认识不断深化的过程。如表1所示，KMnO4固体溶于水，宏观上紫黑色的KMnO4固体到紫红色的KMnO4溶液，再到很淺的溶液甚至无色溶液，你还能感知KMnO4存在吗？不断加水的KMnO4溶液颜色不断变浅，如何解释？引导学生理解宏观物质和微观粒子之间的关系。

（二）注重事实证据的分组实验设计

要理解核心知识，需要依据学习目标设计探究活动，学会通过观察、实验、调查研究等手段收集证据，基于事实收集证据，对实验现象进行推理和分析，从而论证或说明化学现象的本质或规律，并对有关物质性质和变化的生活实际问题作出有理有据的解释。

教学设计2：微粒不断地运动

设计意图：通过教材中原有的浓氨水使酚酞变色的演示实验（图1，表2）和自行设计的分组实验（图2，表3）的现象观察与分析，推理得到微粒是在不断地运动的结论。学会从药品的用量、现象的清晰度、环境的绿色化等角度优化选择实验装置，体会实验装置设计的简约性原则。

（三）基于问题探究的创新实验设计

对于学生可能提出的有价值的问题，教师可以进行课前预设，设计创新实验来提高学生对知识的深层次理解，拓展学生知识视野，培养学生的观察思维能力和问题解决的能力的同时培养学生的证据感。

教学设计3：微粒运动的影响因素

教师：对于微粒不停地运动，你还想进一步研究或了解什么？

学生：微粒为什么不断地运动？微粒运动的快慢与什么有关？微粒的运动规律是什么？

教师：这些问题都很有研究价值，介于我们的知识水平，先来探讨这样一个问题：微粒运动的快慢与什么有关？湿衣服晾在阴暗处和晾在太阳下，哪个更容易干？

学生：晾在太阳下更容易干。

教师：那这说明微粒运动与什么有关？你还能举出生活中的事例吗？

学生：微粒的运动速率与温度有关。温度越高，运动速率越快。

教师：微粒的运动速率还与什么有关呢？我们来探究一个实验（表4）。

（四）强化证据意识的实例应用

教学设计4：固体、液体、气体的微粒间空隙大小比较

设计意图：通过分组实验中学生的亲身感知，通过体积的改变得知微粒间确实存在空隙，而且同体积的液体和气体体积改变的程度不同，这是基于实证的探究活动。通过实例的选择建立图像表征的意识，理解规律中的共性与个性的关系。

分组实验6：用针筒分抽取20mL水和空气，进行压缩实验（提醒：手指顶住针筒末端的小孔，慢慢推入栓塞）。

收集证据：空气容易被压缩，而水较难被压缩。

证据推理：构成水的微粒间隙很小，构成空气的微粒很大。气体微粒间的空隙较大，固体、液体微粒间的空隙较小。

形成结论：构成物质的微粒间都有一定的空隙，不同微粒间的大小不同（一般气体微粒间空隙 > 液体微粒间空隙 > 固体微粒间空隙）。不同体积的液体体积不能够相加减，这为后续溶液配制的学习奠定基础。

生活应用：物质的“三态”变化实际上就是微粒之间的空隙发生改变的过程，例如气体的热胀冷缩、25m3的石油气在加压的情况下，可装入容积为0.024 m3的钢瓶中。

实例1 寒冷的冬天，裸露在外面的自来水管会什么会破裂，你如何解释？

设计意图：理解规律中的共性与个性、一般与特殊的辩证关系。水结成冰浮在水面上这一事实说明冰的密度比水小，因而同质量的冰的体积比水大，冰的微粒间空隙变大。

实例2 请用笔画出来条件改变时，图5中的物质微粒将发生怎样的变化？

设计意图：通过学生画出图5温度改变时微粒的变化，实现从宏观表征到微观表征，从符号表征到图像表征的跨越，图7是在图6基础上的变形提高练习。温度和压强的变化不会引起微粒本身的变化，只是微粒间的空隙改变。

实例3 铜和铝是常用的金属，铜为紫红色，铝为银白色，将一块铜和一块铝紧密地压在一起，几年后发现铜块的表面有银白色的光泽，而铝块的表面有浅紫色，请使用微粒的观点解释原因。

设计意图：学生很容易感知液体和气体间的微粒空隙，很难理解固体微粒的运动和空隙，通过生活实例感知固体微粒不断运动且微粒间也存在空隙。

四、问题反思

1.实验是化学学习的“根”，证据推理是问题研究的“魂”。课堂教学中要善于设计探究实验和学生活动，充分展开问题讨论，可以从正反多方面展开论证，不断反思实践，让“寻找证据并解读证据”成为一种学习方法，形成一种学科能力，培养一种科学精神。

2.基于问题开展猜想假设，利用实验进行论证，收集证据并依據证据推理修正原有猜想，从而形成客观的结论是培养学生学科关键能力的重要途径[4]，有助于培养的求证精神，养成科学思维习惯，更好地理解科学本质。证据推理关键在于问题串的设计，比如KMnO4溶液不断加水时颜色由深到浅直至无色，KMnO4微粒消失没有？为何会有颜色的变化？引导学生思考相同体积的溶液中KMnO4微粒的多少不同且构成物质的微粒太少、太小。

3.问题论证的阶段性和有限性。学生讨论提出的问题，由于知识的阶段性和局限性，我们的课堂不一定能够完全解答，需要从中选择有价值、符合“最近发展区”的问题进行探讨。在“对于微粒不停地运动，你还想进一步研究或了解什么？”时，学生提出“微粒运动为何运动且运动的规律是什么？”的问题需要今后更多的知识铺垫，而影响微粒运动快慢的因素让学生理解与温度和微粒本身有关即可，“微粒运动与其相对分子质量的关系”可以作为课后拓展提高的探究。

参考文献：

[1]张世成.基于证据意识培养的学与教的设计——以“物质的密度”教学为例[J].教学月刊·中学版（教学参考），2013（7）：41.

[2]杨砚宁.基于证据推理的科学探究：实验、评价及反思——以“铁钉锈蚀实验”为例[J].化学教与学，2017（2）：13.

[3]査汉华，杨海清.基于证据意识培养的进阶式问题驱动教学——以“自由落体运动”为例[J].中学物理教学参考，2017（6）：16.

[4]卓金镇，张礼聪，杨亭亭.“问题猜想，证据推理”彰显化学魅力——苯的教学设计[J].化学教与学，2017（9）：54.