基于證據(jù)推理的初中化學(xué)教學(xué)實(shí)踐與思考
——以“碳酸鈣的探索之旅”為例

◎ 陳韶瑾

基于證據(jù)的推理是科學(xué)發(fā)生和發(fā)展的基礎(chǔ)，化學(xué)作為一門基于實(shí)驗(yàn)的自然科學(xué)也不例外。通過實(shí)驗(yàn)積累證據(jù)，基于證據(jù)進(jìn)行推理得出結(jié)論，進(jìn)而推動(dòng)學(xué)科的理論發(fā)展，是近代化學(xué)演化的一貫軌跡?！白C據(jù)推理”是高中化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)之一，具體闡述為“具有證據(jù)意識(shí)，能基于證據(jù)對(duì)物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)及其變化提出可能的假設(shè)，通過分析推理加以證實(shí)或偽證；建立觀點(diǎn)、結(jié)論和證據(jù)之間的邏輯關(guān)系”。目前高中化學(xué)的教學(xué)過程中已經(jīng)形成了一批優(yōu)秀的研究案例，并得到了廣泛應(yīng)用。但是，初中化學(xué)的教學(xué)對(duì)此卻極少涉及，鮮有論述。

筆者認(rèn)為，作為化學(xué)教育的啟蒙階段，在初中化學(xué)教學(xué)中引入“基于證據(jù)的推理”，能幫助學(xué)生培養(yǎng)理性思維的習(xí)慣，形成化學(xué)學(xué)習(xí)所必備的實(shí)證意識(shí)和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)那笾獞B(tài)度，是一種教學(xué)創(chuàng)新方面的一種嘗試。以此為出發(fā)點(diǎn)，在進(jìn)行初中化學(xué)“碳酸鈣的探索之旅”新授課時(shí)，筆者根據(jù)《義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2011年版）》的要求，以學(xué)生的實(shí)際生活為起點(diǎn)設(shè)置真實(shí)任務(wù)，引導(dǎo)學(xué)生借助化學(xué)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)與數(shù)字化實(shí)驗(yàn)尋找各種“證據(jù)”，探索、推斷碳酸鈣的性質(zhì)，以此學(xué)習(xí)物質(zhì)性質(zhì)探究的一般方法與流程，形成基于“證據(jù)推理”的初中化學(xué)課堂。

一、基于證據(jù)推理的課堂教學(xué)實(shí)踐

“碳酸鈣的探索之旅”一課的教學(xué)目標(biāo)是：通過觀察及實(shí)驗(yàn)，了解碳酸鈣的物理性質(zhì)，能描述碳酸鈣高溫分解、與酸反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象并能書寫相應(yīng)的化學(xué)方程式，感受碳酸鈣在生活生產(chǎn)中的廣泛應(yīng)用，體會(huì)化學(xué)使生活更美好。

針對(duì)教學(xué)目標(biāo)重組教學(xué)內(nèi)容，教學(xué)過程以碳酸鈣的性質(zhì)探索為主線，以碳酸鈣的發(fā)現(xiàn)、探索、檢驗(yàn)三部曲串聯(lián)起課前—課中—課后的學(xué)生活動(dòng)。首先，根據(jù)碳酸鈣在實(shí)驗(yàn)中的變化提出可能的假設(shè)，運(yùn)用實(shí)物、圖片、視頻、數(shù)字化信息系統(tǒng)等多種手段收集證據(jù)，分析推理證實(shí)，得出關(guān)于碳酸鈣性質(zhì)的結(jié)論，使學(xué)生體驗(yàn)基于證據(jù)推理的化學(xué)學(xué)習(xí)過程，加深對(duì)碳酸鈣的認(rèn)知，掌握基本的科學(xué)思維方法，形成嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真的科學(xué)研究態(tài)度。

（一）尋找碳酸鈣——證據(jù)推理思想的初步形成

在初中化學(xué)教學(xué)中，筆者一直很重視學(xué)生預(yù)習(xí)的效果。在碳酸鈣相關(guān)部分的教學(xué)準(zhǔn)備中，教師可以將證據(jù)推理的思想滲透到對(duì)學(xué)生的預(yù)習(xí)要求中，要求學(xué)生在日常生活中尋找可能含有碳酸鈣的物質(zhì)。

學(xué)生可以從各種角度出發(fā)，從物質(zhì)的名稱、物質(zhì)的形態(tài)，抑或物質(zhì)的各種特性，假設(shè)是否含有碳酸鈣，接著用各種方式比如查閱資料或詢問家長(zhǎng)、教師，來判斷、推斷自己的假設(shè)是否正確。在尋找、初識(shí)碳酸鈣的同時(shí)，教師引導(dǎo)學(xué)生在預(yù)習(xí)的時(shí)候就初步形成“作出假設(shè)—尋找證據(jù)—證明推斷”的思維邏輯，既激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)碳酸鈣的興趣，又為后續(xù)的課堂教學(xué)埋下伏筆，夯實(shí)基礎(chǔ)。

（二）探索碳酸鈣——證據(jù)推理思想的集中應(yīng)用

在初中化學(xué)教學(xué)中，對(duì)于碳酸鈣的學(xué)習(xí)要求：一是物理性質(zhì)，即了解碳酸鈣色、態(tài)、味、溶解性；二是化學(xué)性質(zhì)，即碳酸鈣與稀鹽酸反應(yīng)，碳酸鈣高溫分解。在課堂教學(xué)中，筆者將證據(jù)推理思想與方法應(yīng)用其中，幫助學(xué)生更好地理解與掌握碳酸鈣的性質(zhì)。

1.碳酸鈣物理性質(zhì)的推理與驗(yàn)證

在課前的預(yù)習(xí)過程中，學(xué)生已經(jīng)對(duì)含有碳酸鈣的物品有了大致了解。通過對(duì)各種物品的觀察，可以了解碳酸鈣的色、態(tài)、味等方面的性質(zhì)。在此基礎(chǔ)上，關(guān)于碳酸鈣溶解性的探索，教師可以引導(dǎo)學(xué)生作出如下假設(shè)：“碳酸鈣能溶于水”或“碳酸鈣難溶于水”。有了假設(shè)，接下來就開始設(shè)計(jì)和實(shí)施實(shí)驗(yàn)，教師要求學(xué)生收集可靠的證據(jù)來推斷、證明假設(shè)。

學(xué)生實(shí)驗(yàn)1：碳酸鈣粉末的水溶性觀察。

具體實(shí)驗(yàn)步驟是：學(xué)生取少量的碳酸鈣粉末，加入足量水，振蕩后觀察，有大部分白色固體剩余。

【證據(jù)推理】由此可以得到第一個(gè)證據(jù)，碳酸鈣粉末在足量的水中會(huì)有大量白色固體剩余。這是否就能夠證明碳酸鈣難溶于水？

學(xué)生實(shí)驗(yàn)2：碳酸鈣加水前后的質(zhì)量測(cè)定。

具體步驟如下。

（1）取塊狀碳酸鈣，稱量1g，置于水中，半天后，撈出，烘干，再稱量。

（2）取粉末狀碳酸鈣于試管中，稱量1g，加水靜置，半天后，吸取上層清液，烘干，再稱量。

（3）對(duì)比兩組質(zhì)量，分析數(shù)據(jù)。

【證據(jù)推理】通過對(duì)比可知，加水前后，碳酸鈣質(zhì)量變化極小。由此可以得到第二個(gè)證據(jù)，進(jìn)一步加大了“碳酸鈣難溶于水”這一假設(shè)成立的可能。

教師實(shí)驗(yàn)：以電導(dǎo)率傳感器（見圖1）呈現(xiàn)碳酸鈣在水中的溶解情況。

具體實(shí)驗(yàn)步驟如下。

（1）取50mL的蒸餾水倒入燒杯中，放入一粒磁子，記錄此時(shí)電導(dǎo)率。

（2）向燒杯中加入0.5g碳酸鈣粉末，并用磁力攪拌器攪拌，記錄此時(shí)電導(dǎo)率。

圖1 用電導(dǎo)率傳感器探究碳酸鈣在水中的溶解情況

（3）向燒杯中加入0.5g氯化鈉固體，記錄此時(shí)電導(dǎo)率。

（4）比較電導(dǎo)率數(shù)值和曲線變化。

【證據(jù)推理】觀察發(fā)現(xiàn)，先后加入碳酸鈣、氯化鈉后，混合體系中電導(dǎo)率差異顯著。這種差異具體表現(xiàn)在，相對(duì)氯化鈉加入后的電導(dǎo)率，碳酸鈣加入后的電導(dǎo)率變化微乎其微。由此得到第三個(gè)證據(jù)，同一條件下，相對(duì)于氯化鈉的溶解，碳酸鈣溶解得非常少。

通過以上三個(gè)證據(jù)，學(xué)生已經(jīng)基本可以得出“碳酸鈣難溶于水”的結(jié)論。在此基礎(chǔ)上，教師指導(dǎo)學(xué)生翻閱教材，了解到20℃時(shí)碳酸鈣的溶解度為0.0013g/100g水。根據(jù)定義，溶解質(zhì)小于0.01g/100g水的物質(zhì)可判斷為基本上不溶于水。至此，對(duì)于碳酸鈣溶解性的假設(shè)得到了驗(yàn)證。

關(guān)于碳酸鈣物理性質(zhì)的學(xué)習(xí)，學(xué)生從最初的直接觀察，到學(xué)著運(yùn)用多種手段開展化學(xué)探究，通過測(cè)定質(zhì)量、借助新技術(shù)及查閱資料，從而分析、推理得出“碳酸鈣難溶于水”的假設(shè)成立。這使學(xué)生在掌握碳酸鈣物理性質(zhì)的同時(shí)，對(duì)基于證據(jù)推理的化學(xué)探索有了直觀的感受。

2.碳酸鈣化學(xué)性質(zhì)的推理與驗(yàn)證

本節(jié)課對(duì)于碳酸鈣化學(xué)性質(zhì)的研究，主要涉及碳酸鈣與稀鹽酸反應(yīng)以及碳酸鈣高溫分解兩個(gè)部分。而將“證據(jù)推理”理論應(yīng)用到這兩個(gè)部分的教學(xué)中，同樣可以起到很好的效果。

（1）“證據(jù)推理”理論應(yīng)用于“碳酸鈣與稀鹽酸反應(yīng)”的教學(xué)實(shí)踐

課堂中，教師首先在實(shí)驗(yàn)盒中放置酚酞試液、石蕊試液、稀鹽酸、氫氧化鈉溶液，要求學(xué)生們猜想，碳酸鈣能與哪種溶液發(fā)生化學(xué)反應(yīng)？學(xué)生們眾說紛紜。隨后，學(xué)生將碳酸鈣分別加入上述各種溶液中，發(fā)現(xiàn)碳酸鈣與酸堿指示劑、氫氧化鈉稀溶液混合后均無明顯現(xiàn)象，而碳酸鈣與稀鹽酸混合后生成了許多氣泡?；诖爽F(xiàn)象，學(xué)生可以判斷出 “碳酸鈣能與稀鹽酸發(fā)生化學(xué)反應(yīng)”的假設(shè)成立。

在此基礎(chǔ)上，教師可以引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步思考：既然碳酸鈣與鹽酸發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，那么作為反應(yīng)物，碳酸鈣會(huì)有什么變化？它與鹽酸的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生了什么新的物質(zhì)呢？學(xué)生提出“碳酸鈣的質(zhì)量可能會(huì)減小”“碳酸鈣和鹽酸反應(yīng)會(huì)生成二氧化碳”“碳酸鈣和鹽酸反應(yīng)會(huì)生成水”等不同看法。

針對(duì)這些假設(shè)，我們分別設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行論證。

學(xué)生實(shí)驗(yàn)1：碳酸鈣與稀鹽酸反應(yīng)前后的質(zhì)量測(cè)定。

具體步驟如下。

①將一定量的大理石、稀鹽酸分別置于兩支試管中稱量，記錄天平示數(shù)。

②將大理石與稀鹽酸混合，再次記錄天平示數(shù)。

③對(duì)比兩組質(zhì)量，分析數(shù)據(jù)。

【證據(jù)推理】通過對(duì)比可知，與稀鹽酸混合后碳酸鈣質(zhì)量變小，即假設(shè)成立。該現(xiàn)象也說明了在化學(xué)變化中，反應(yīng)物會(huì)有消耗。

學(xué)生實(shí)驗(yàn)2：碳酸鈣與稀鹽酸反應(yīng)后的產(chǎn)物檢驗(yàn)。

具體步驟如下。

①取一塊大理石于大試管中，倒入25mL稀鹽酸。

②迅速塞上單孔橡皮塞，將產(chǎn)生的氣體通入裝有澄清石灰水的試管中。

【證據(jù)推理】經(jīng)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生發(fā)現(xiàn)澄清石灰水變渾濁。根據(jù)此前學(xué)習(xí)到的知識(shí)點(diǎn)，該現(xiàn)象說明了碳酸鈣與稀鹽酸發(fā)生化學(xué)反應(yīng)后，生成了二氧化碳，因此又一個(gè)假設(shè)得到了驗(yàn)證。

基于上述實(shí)驗(yàn)證據(jù)以及已被證實(shí)的假設(shè)，教師可以引導(dǎo)學(xué)生繼續(xù)思考，了解兩種化合物之間的反應(yīng)中存在的規(guī)律，推導(dǎo)碳酸鈣與稀鹽酸反應(yīng)的化學(xué)方程式，充分掌握這一實(shí)驗(yàn)的反應(yīng)過程和生成物組成，更有效地完成學(xué)習(xí)任務(wù)。

關(guān)于“碳酸鈣與稀鹽酸反應(yīng)”的種種推理與驗(yàn)證，是對(duì)“證據(jù)推理”思想與方法的進(jìn)一步實(shí)踐。教師注重在學(xué)生判斷與分析化學(xué)現(xiàn)象時(shí)作出指導(dǎo)，幫助學(xué)生理解化學(xué)變化的實(shí)質(zhì)，認(rèn)識(shí)到物質(zhì)在發(fā)生化學(xué)變化時(shí)，除了會(huì)伴隨一些特征現(xiàn)象，還會(huì)生成新物質(zhì)，反應(yīng)物也會(huì)有所消耗。這為學(xué)生自主提出相關(guān)的假設(shè)提供了支撐，同時(shí)也拓寬了循證的思路，養(yǎng)成理性思維的習(xí)慣。

（2）“證據(jù)推理”理論應(yīng)用于“碳酸鈣高溫分解”的教學(xué)實(shí)踐

在前期的學(xué)習(xí)中，學(xué)生已經(jīng)具備一定的化學(xué)基礎(chǔ)，知道不同的物質(zhì)發(fā)生分解所需要的條件不同，有些在常溫下會(huì)分解，如過氧化氫；有些在受熱后會(huì)分解，如氯酸鉀。那么，碳酸鈣會(huì)分解嗎？碳酸鈣分解的條件是什么呢？

教師指導(dǎo)學(xué)生分組進(jìn)行了以下實(shí)驗(yàn)。

①將一塊大理石置于常溫下。

②將一塊大理石捂在手心里。

③用坩堝鉗夾持一塊大理石置于酒精燈火焰內(nèi)灼燒。

④用坩堝鉗夾持一塊大理石置于酒精噴燈火焰上方灼燒。

5分鐘后，比較觀察4組實(shí)驗(yàn)后的大理石。學(xué)生發(fā)現(xiàn)：①②③中大理石的外觀并沒有明顯變化，④中大理石表面有發(fā)白現(xiàn)象。

顯然，碳酸鈣能分解，但只能在高溫條件下才會(huì)分解，產(chǎn)生化學(xué)變化。那么，碳酸鈣高溫分解的產(chǎn)物是什么呢？

學(xué)生采用在“碳酸鈣與稀鹽酸反應(yīng)”學(xué)習(xí)到的推理與驗(yàn)證的思路，從反應(yīng)物的消耗與新物質(zhì)的生成這兩個(gè)方面提出了接下來需要論證的假設(shè)：①碳酸鈣作為反應(yīng)物，質(zhì)量會(huì)減少；②碳酸鈣會(huì)分解生成氧化鈣或其他含鈣化合物。

具體論證過程如下。

①先稱量大理石的質(zhì)量，然后置于酒精噴燈火焰上方灼燒5分鐘，觀察到大理石表面有發(fā)白現(xiàn)象。

②再次稱量大理石的質(zhì)量，與灼燒前記錄的數(shù)據(jù)對(duì)比后發(fā)現(xiàn)大理石質(zhì)量減小。

【證據(jù)推理】灼燒后大理石表面發(fā)白、質(zhì)量減少，說明大理石發(fā)生了變化，反應(yīng)物有消耗。

③將夾持灼燒后的大理石放入裝有蒸餾水的燒杯中，取上層清液于兩支試管中。向一支試管中滴加1—2滴無色酚酞，酚酞呈紅色；向另一支試管中吹氣，清液變渾濁。

【證據(jù)推理】第一個(gè)試管中的溶液使酚酞呈紅色，說明液體呈堿性；而第二個(gè)試管中的現(xiàn)象可以讓學(xué)生很自然地聯(lián)想到該液體是澄清石灰水。由此可以說明，最終的生成物應(yīng)該是氫氧化鈣。然而，碳酸鈣中并不含有氫元素，碳酸鈣直接分解不可能生成氫氧化鈣。為什么會(huì)這樣呢？教師可以引導(dǎo)學(xué)生，根據(jù)此前學(xué)過的通過氧化鈣加水的方式制取氫氧化鈣的知識(shí)推理出，是因?yàn)樘妓徕}高溫分解后生成了氧化鈣，與水進(jìn)一步反應(yīng)變成了氫氧化鈣溶液。

基于上述的假設(shè)與推理，教師指導(dǎo)學(xué)生翻閱書本，學(xué)習(xí)碳酸鈣是重要的建筑材料和工業(yè)原料，在工業(yè)上正是運(yùn)用高溫煅燒碳酸鈣的原理來制取氧化鈣。同時(shí)，碳酸鈣高溫煅燒后的另一產(chǎn)物，是大家非常熟悉的物質(zhì)——二氧化碳。在了解了反應(yīng)物和生成物后，根據(jù)質(zhì)量守恒定律，學(xué)生基本可以書寫出“碳酸鈣高溫煅燒”的化學(xué)方程式。

關(guān)于“碳酸鈣高溫分解”的推理與驗(yàn)證，是對(duì)“證據(jù)推理”思想與方法的綜合應(yīng)用。面對(duì)比較復(fù)雜的綜合性問題，教師運(yùn)用基于證據(jù)推理的教學(xué)模型，指導(dǎo)學(xué)生將問題層層拆解與分析，比如“碳酸鈣是否能分解？”“碳酸鈣分解需要什么條件？”“碳酸鈣分解生成了什么物質(zhì)？”。學(xué)會(huì)拆解問題，就能針對(duì)每個(gè)問題提出相對(duì)應(yīng)的多個(gè)假設(shè)，并圍繞假設(shè)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，進(jìn)而解決問題，培養(yǎng)系統(tǒng)思考問題的能力。這就是教學(xué)過程中，解決復(fù)雜問題的一般循證路徑。

（三）檢驗(yàn)碳酸鈣——證據(jù)推理思想的鞏固拓展

“碳酸鈣的探索之旅”一課帶領(lǐng)學(xué)生用“證據(jù)推理”的思想與方法學(xué)習(xí)了碳酸鈣的部分物理性質(zhì)與化學(xué)性質(zhì)，培養(yǎng)了學(xué)生的證據(jù)思想和研究能力。課后，這些知識(shí)、方法及能力能幫助學(xué)生用化學(xué)的眼光看待生活中含有碳酸鈣的物品，充分運(yùn)用碳酸鈣的性質(zhì)，理性地作出判斷，得出較嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)結(jié)論。

同時(shí)，“證據(jù)推理”模型的運(yùn)用，為學(xué)生建立觀點(diǎn)、結(jié)論和證據(jù)之間的邏輯關(guān)系奠定了扎實(shí)基礎(chǔ)。教師應(yīng)該鼓勵(lì)學(xué)生將這種思考方式應(yīng)用到今后的化學(xué)學(xué)習(xí)和日常生活中。

二、基于證據(jù)推理的課堂教學(xué)反思

在化學(xué)學(xué)科領(lǐng)域中，證據(jù)已經(jīng)成為一種專業(yè)用語，用證據(jù)論證觀點(diǎn)是學(xué)生探究性學(xué)習(xí)的核心。基于證據(jù)推理的“碳酸鈣的探索之旅”一課，以碳酸鈣的性質(zhì)探索為主線，以碳酸鈣的發(fā)現(xiàn)、探索、檢驗(yàn)三部曲串聯(lián)起課前—課中—課后的學(xué)生活動(dòng)，希望學(xué)生在化學(xué)課堂上享受到思辨的快樂，獲得學(xué)習(xí)的成就感。

（一）喚醒了收集證據(jù)的意識(shí)

在尋找碳酸鈣過程中，學(xué)生發(fā)現(xiàn)生活中習(xí)以為常的物質(zhì)背后竟然“隱藏”著眾多化學(xué)物質(zhì)，而這些化學(xué)物質(zhì)中是否存在碳酸鈣？為了證明自己的想法，學(xué)生嘗試運(yùn)用各種方法，思考與分析各種證據(jù)，作出相應(yīng)判斷。其實(shí)，這就在指引學(xué)生初步形成“作出假設(shè)—尋找證據(jù)—證明推斷”的思維邏輯，為后續(xù)的課堂學(xué)習(xí)做好準(zhǔn)備，也極大程度激發(fā)了學(xué)生對(duì)于碳酸鈣學(xué)習(xí)的興趣。

（二）學(xué)習(xí)了證據(jù)推理的方法

“證據(jù)推理”需要基于證據(jù)對(duì)物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)及其變化提出可能的假設(shè)，通過分析進(jìn)行推理。然而，獲得物質(zhì)組成及其變化的研究方法很多，只有掌握證據(jù)推理的一般思路與方法，學(xué)生才能找到收集可靠證據(jù)的抓手，確立循證的方向。

碳酸鈣的性質(zhì)教學(xué)遵循了學(xué)生的學(xué)習(xí)認(rèn)知規(guī)律，循證內(nèi)容由易到難，循證方法由單一到復(fù)雜。面對(duì)瞬息萬變的物質(zhì)變化，學(xué)生逐步梳理出根據(jù)“特征現(xiàn)象—反應(yīng)物消耗—生成物檢驗(yàn)”的思維路徑提出假設(shè)，依據(jù)直接觀察，添加水、酸堿指示劑、稀酸溶液、稀堿溶液等常見試劑，加熱等化學(xué)方法來收集證據(jù)。

“證據(jù)推理”理論應(yīng)用于碳酸鈣性質(zhì)的學(xué)習(xí)過程，拓寬了循證思路，明確了循證路徑，學(xué)習(xí)了循證方法，為今后的化學(xué)學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。

（三）體驗(yàn)了證據(jù)推理的樂趣

本節(jié)課通過實(shí)驗(yàn)觀察現(xiàn)象、收集數(shù)據(jù)，對(duì)課堂所學(xué)加以運(yùn)用，使學(xué)生真實(shí)體驗(yàn)化學(xué)物質(zhì)的研究過程，加深對(duì)碳酸鈣的認(rèn)知，進(jìn)一步形成發(fā)散思維和系統(tǒng)思維，感受化學(xué)學(xué)習(xí)的樂趣和價(jià)值，養(yǎng)成嚴(yán)謹(jǐn)、求實(shí)的科學(xué)態(tài)度。