化学教学中“证据推理与模型认知”素养的培养——以《物质的量浓度及溶液的配制》为例

DOI ：10.13420/ki.jczu.2020.03.034
化学教学中“证据推理与模型认知”素养的培养
——以《物质的量浓度及溶液的配制》为例
胡钱进，董雄辎，王通
（合肥师范学院化学与化工学院，安徽合肥230601）
[摘要]结合“证据推理与模型认知”的内涵及新课程标准中提及的五种意识，提出一套培养“证据推理与模型认知”的教学活动流程，即问题情境-猜想-实验验证-理论分析-建构模型-解决问题；以“物质的量浓度及溶液的配制”的教学片段为例诠释落实的具体流程，培养学生的“证据推理与模型认知”核心素养。

[关键词]证据推理与模型认知；物质的量浓度；溶液的配制[中图分类号]G642
[文献标识码]A
[文章编号]1674-1102(2020)03-0122-03
收稿日期：2019-10-08
基金项目：合肥师范学院研究生创新基金项目（2019yjs036）。

作者简介：胡钱进（1996—），女，安徽池州人，合肥师范学院化学与化工学院研究生，研究方向为中学化学教学；董雄辎（1976-—），男，安徽合肥人，合肥师范学院化学与化工学院教授，博士，研究方向为化学教学、化学工程和有机化学；王通（1994—），男，安徽合肥人，合肥师范学院化学与化工学院研究生，研究方向为中学化学教学。

Journal of Chizhou University
2020年6月第34卷第3期Jun.2020Vol.34No.3
2017版《普通高中化学课程标准》中提出化学学科包含五大核心素养，其中“证据推理与模型认知”属于五大素养中的上位素养，是化学核心素养的思维核心，它要求学生能形成关于化学学科的思想和方法[1]。

同时高考一直提倡从“知识立意”走向
“能力立意”[2]
；教育专家也多次表示在教学中应由知识本位上升到能力本位，帮助学生从浅层学习进入到深层学习，引导学生进入高阶思维的学习。

拟以“物质的量浓度及溶液的配制”的教学片段为例，在教学中引导学生进入高阶思维的学习、帮助学生形成五种意识，培养学生的“证据推理与模型认知”核心素养。

1“证据推理与模型认知”的内涵
“证据推理”是指基于一定证据的推理，通过
分析所收集的数据（证据）对结论做出逻辑推理，这里的推理并非完全正确，因此需要通过相关的实验进一步验证它[3]。

在化学学习中即学生能根据所观察到的实验现象或收集到的数据，对物质的性质或结构等作出可能的假设，再通过一定相关的实验来验证或伪证，从而获取相关的化学知识的过程。

如在学习电解质的知识点时，学生通过动手实验发现与碳酸钠的水溶液相连导线上的小灯泡发光，而与蔗糖的水溶液相连导线上的小灯泡不发光的现象，得出碳酸钠是电解质，蔗糖是非电解质的初步结论。

“模型认知”是指基于某种“模型”的认知。

人
们常狭义地认为“模型”即实物模型，而在中学化学中比实物模型更重要的是非实物模型。

非实物模型包含数学模型、图像模型、语义模型等[4]。

“模型”具体的分类及含义如表1所示。

表1中学化学中模型的分类
模型的类型实物模型非实物模型模型的含义客观实物的相似模拟数学模型：公式或方程等数学语言
描述的模型
图像模型：
利用二维或三维坐标系的数学图像描述的模型语义模型：用文字语言描述的模型模型的实例比例模型、球棍模型
物质的量n=m/M
氯元素的二维价态图
盖斯定律
在化学核心素养中“证据推理”和“模型认知”
又具有一定的联系。

证据推理是基于化学基础知识开展的，是对所研究的化学问题的可能性推理；模型认知是运用适当的化学模型表达证据推理中所发现的一定的变化规律。

因此，证据推理是模型认知的前提和基础，而模型认知是对证据推理的进一步完善和验证。

2具体落实流程及教学案例片段
2.1“证据推理与模型认知”核心素养落实流程
新课标中就“证据推理与模型认知”明确给出五点要求，这些要求涵盖了证据意识、求证意识、逻辑意识、建模意识及问题解决意识五种意识[5]，对应在化学学习中学生需要学会猜想、论证、分析、建模及解决实际问题，这也是在教学中教师所要达到的预期的教学目标。

根据实质上学生需要形成的五种意识，可以将“证据推理与模型认知”在课堂的落
实过程理解为：在一定的证据推理基础上通过理论分析、发现一定的客观规律，据此构建相关的模型表达该规律，最后以模型为载体来解决实际问题。

具体的教学活动的流程设计如图1所示。

图1“证据推理与模型认知”的教学活动流程
因为问题是思维的起点，学生需要在一定的情境中才能更好地提出逻辑性强的问题和假设，因此问题情境的设置是培养证据推理与模型认知的第一个环节[6]。

学生根据问题提出一定的猜想假设并设计出合理的实验证实或证伪，结合已有的知识体系对实验的结果进行理论分析；在理论正确的基础上建构适时的模型表达所发现的规律或事实，并用建构的模型解决更多的实际问题，做到从问题中来到问题中去。

2.2落实“证据推理与模型认知”核心素养的教学案例片段
“配制一定物质的量浓度的溶液”在2017版《普通高中化学课程标准》中被划分为学生必做实验，该实验将是学生接触高中化学之后所学习的第一个定量实验。

对于“配制一定物质的量浓度的溶液”教学，化学教师的教学思维已经形成了一定的套路——直接给出实验原理、展示实验的步骤、讲解实验的细节和实验误差分析[7]。

由此可以看出，在以往的教学过程中学生更多的是接受事实性知识、记忆实验的原理与步骤而对整个实验的理解还处于浅层次。

这种直白式的教学过程虽然能让学生快速接受知识点、节省教师的课时，但学生并没有真正地理解知识点，同时也扼杀了他们的创新能力和化学的学习兴趣。

以实验探究及小组合作的方式进行“物质的量浓度及溶液的配制”的教学培养学生的证据推理与模型认知核心素养，其中注意调动学生的高层次思维、引导学生自主构建模型、充分发挥学生的主体性。

[问题情境]人工降雨的过程是将降雨炮弹装在汽车或者飞机携带的发射器内然后将炮弹射入云团，云团中的水蒸气凝结成雨水降落下来。

碘化银就可以用来制作降雨炮弹，而工厂常会用硝酸银和碘化钾溶液反应来生产碘化银，为节约成本想要使两种溶液恰好完全反应，工人们该如何取用这两种溶液呢[7]？问题1：如果工厂从5%的硝酸银溶液和10%的碘化钾溶液中来取用两种溶液。

[猜想1]根据硝酸银和碘化钾反应的化学方程式中两者的相对分子质量之比，计算恰好反应完全时两者溶质的质量之比，再结合质量分数的公式计算两者的溶液质量之比。

[实验验证]利用三段式分别求恰好反应完全时两种溶质、溶液的质量比。

AgNO3+KI=AgI+KNO3
计量数之比11
相对分子质量之比170166
m溶质之比170166
W=m溶质/m溶液
m溶液之比340166
[理论分析]根据上述的计算可知，当两种溶液恰好完全反应时两者的溶液质量之比为340:166，但工厂实际操作中称取两种溶液的质量并不方便且不精确。

如何方便又精确地取用一定量的两种溶液呢？
[猜想2]称量溶液的体积。

（过渡）对于在溶液中的反应，用质量分数计算可得出两溶液的质量之比，但称取溶液的质量在操作上并不简便。

因称取一定体积的溶液实际操作上很便捷，这时需要我们引入一种新的浓度，并且这种新的浓度可以与溶液的体积建立关系。

同学们很容易通过观察反应的化学方程式直接得出反应溶质的物质的量之比，于是我们将新浓度与溶质的物质的量、溶液的体积建立关系，并将该浓度定义为单位体积溶液内所含溶质的物质的量，且得出数学公式C=n溶质/V溶液。

问题2：如果工厂从0.1mol/l的硝酸银溶液和0.2mol/L的碘化钾溶液中来取用两种溶液。

[实验验证]利用三段式求恰好反应完全时两种溶液的体积比。

AgNO3+KI=AgI+KNO3计量数之比11
物质的量之比11
C=n溶质/V溶液
溶液的体积之比105
[理论分析]根据新浓度的定义可以计算出两种溶液的体积之比为10:5，即工人量取两种溶液的体积比保持2:1即可。

计算简便且实际操作上方便、精准，故而称量溶液的体积的猜想是可行的。

这种新浓度称为物质的量浓度。

[建构模型]
数学模型
第3期胡钱进，董雄辎，王通：化学教学中“证据推理与模型认知”素养的培养——以《物质的量浓度及溶液的配制》为例123
池州学院学报第34卷
物质的量浓度：C=n溶质/V溶液
（过渡）如果现在想要检验进购的该批硝酸银（0.1mol/l的硝酸银溶液）的含量是否达到生产标准，该如何检验呢？（硝酸银的含量≥99%达到生产标准）
（引导）利用氯化钠与硝酸银可以反应生成氯化银沉淀的原理并以铬酸钾为指示剂，将一定体积、一定物质的量浓度的氯化钠溶液与工厂中的硝酸银溶液反应，根据消耗的硝酸银溶液的体积求硝酸银的物质的量浓度，从而求硝酸银溶液中硝酸银的含量是否达标。

[问题情境]如何配制一定的物质的量浓度的氯化钠溶液呢？如100ml1mol/L的氯化钠溶液？
[猜想1]用5.85g的氯化钠固体和94.15ml的水配制。

[实验验证]
根据氯化钠固体以及水的密度计算此时溶液的物质的量浓度，计算发现溶液的物质的量浓度并不等于1mol/l。

[猜想2]用5.85g的氯化钠固体再加水使溶液至100ml。

[实验验证]通过公式计算可得猜想2配制的溶液的物质的量浓度等于1mol/L，故猜想二可取。

n溶质=m氯化钠/M氯化钠=5.85g/(58.5g/mol)= 0.1mol
C=n溶质/V溶液=0.1mol/100ml=1mol/L
[建构模型]数学模型
求溶质的质量：n溶质=C×V溶液m溶质=n溶质×M溶质
[解决问题]一名中学化学教师想演示中和实验，需要500ml0.01mol/L的氢氧化钠溶液和100 ml0.01mol/L稀硫酸溶液，这两种溶液该如何配制呢？
在展示的教学片段中，通过实际生产过程中的问题创设问题情境，没有直白式地讲述物质的量浓
度及配制一定量溶液的实验方案，而是让学生通过质量分数计算出两种溶液质量，因已知方案实际操作的困难和需要而顺其自然地认识新的物理量——物质的量浓度；学生自主结合前面所学习的物质的量以及物质的量浓度等知识点解决新的问题——配制一定物质的量的溶液，通过小组合作设计实验方案，并设计实验来验证实验方案的可取性，分析实验结果确定实验方案，然后引导构建数学模型，最后运用模型解决实际问题。

3结论
培养学生“证据推理与模型认知”核心素养的过程中，需要调动学生的高层思维、引导进入深层次的学习，不止停留于接受、记忆事实性知识的学习；学生通过自主猜想、交流讨论设计实验方案、分析实验结果、构建模型以及应用模型解决实际问题，逐渐形成证据意识、求证意识、逻辑意识、建模意识及问题解决意识五种意识，逐步提高自身的“证据推理与模型认知”核心素养水平。

参考文献：
[1]中华人民共和国教育部.普通高中化学课程标准(2017版)[M].北京:人民教育出版社，2018.
[2]杨玉琴.化学学科能力及其测评研究[D].武汉：华东师范大学，2012.
[3]张雪.高中化学教学中“证据推理与模型认知”核心素养的培养[D].哈尔滨：哈尔滨师范大学，2018.
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[5]顾建辛.关于化学核心素养培育的微观思考——原电池教学中的“证据推理与模型认知”[J].化学教学，2017(11):34-38.
[6]谢天华，黄子超.基于“科学探究”培养“证据推理”化学学科核心素养——以“将金属钠放在石棉网上加热”为例[J].化学教与学，2019(2):85-87.
[7]杨玉琴，倪娟.基于学科观念的“同课异构”比较分析——以“溶液的配制及分析”为例[J].化学教育，2017(5):28-32.
[责任编辑：钱立武]
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