基于證據(jù)推理的氮及其化合物教學(xué)實(shí)踐研究

劉 怡

(江蘇省南京市第十三中學(xué) 210008)

1 “證據(jù)推理”的內(nèi)涵解析

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》對于證據(jù)推理的理解為：具有證據(jù)意識，能基于證據(jù)對物質(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)或證偽；建立觀點(diǎn)、結(jié)論和證據(jù)之間的邏輯關(guān)系.知道可以通過分析、推理等方法認(rèn)識研究對象的本質(zhì)特征、構(gòu)成要素及其相互關(guān)系，建立認(rèn)知模型，并能運(yùn)用模型解釋化學(xué)現(xiàn)象，揭示現(xiàn)象的本質(zhì)和規(guī)律.在化學(xué)學(xué)習(xí)中，證據(jù)推理一般包含以下四個步驟：發(fā)現(xiàn)問題、形成假設(shè)、搜集證據(jù)、獲得結(jié)論(如圖1所示).其中，證據(jù)推理的方式又分為兩種：證實(shí)或證偽.在證據(jù)推理的過程中，證據(jù)是獲得結(jié)論的基石.證據(jù)的真實(shí)性、客觀性、合理性、邏輯性對于結(jié)論的獲得有至關(guān)重要的作用.在學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的過程中，證據(jù)的獲得多依賴于觀察，如觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、觀察生活中的真實(shí)情況、觀察已有的資料數(shù)據(jù)等.學(xué)生在完成證據(jù)的搜集后，亦需要通過歸納、演繹、類比等邏輯分析的高階思維能力從而得出結(jié)論.證據(jù)推理素養(yǎng)的培養(yǎng)，對于學(xué)生有較高的要求，需要教師在日常的教學(xué)中加以引導(dǎo)和訓(xùn)練，從而培養(yǎng)學(xué)生掌握搜集證據(jù)的方式方法、在證據(jù)和結(jié)論間搭建橋梁的思維模式.

圖1

2 “證據(jù)推理”的教學(xué)實(shí)踐

“氮及其化合物”是人教版《化學(xué)》第二冊第五章化工生產(chǎn)中的重要非金屬元素第二節(jié)的內(nèi)容.新教材在編排中進(jìn)一步精選學(xué)科內(nèi)容，重視以學(xué)科大概念為核心，使課程內(nèi)容結(jié)構(gòu)化，以主題為引領(lǐng)，使課程內(nèi)容情境化，促進(jìn)學(xué)科核心素養(yǎng)的落實(shí).這節(jié)內(nèi)容安排在氧化還原反應(yīng)、離子反應(yīng)等化學(xué)反應(yīng)原理，以及金屬及其化合物等元素化合物的內(nèi)容之后.在授課中，學(xué)生能較為熟練地運(yùn)用氧化還原反應(yīng)等知識分析化學(xué)反應(yīng)原理，學(xué)生在鈉、鋁、鐵、硅、氯等元素及其化合物的學(xué)習(xí)過程中也累積了一定學(xué)習(xí)元素化合物知識的經(jīng)驗(yàn).本節(jié)內(nèi)容中教材依次呈現(xiàn)了氮的氧化物、氨、硝酸等氮及其化合物的性質(zhì)，既符合學(xué)生的認(rèn)知順序，又體現(xiàn)了氮及其化合物知識內(nèi)容的一體性.在課堂教學(xué)中，教師應(yīng)幫助學(xué)生從證據(jù)推理角度發(fā)現(xiàn)問題并最終獲得結(jié)論的方法和途徑，提高學(xué)生證據(jù)推理的素養(yǎng).

2.1 情境創(chuàng)設(shè)與證據(jù)推理相聯(lián)系

教學(xué)片段1 農(nóng)諺“雷雨發(fā)莊稼”原理探究

【師】農(nóng)諺有言“雷雨發(fā)莊稼”、“ 一場雷雨一場肥”，是指雷雨季節(jié)莊稼生長格外茂盛，你知道其中的奧秘嗎？

【師】我們先來分析，自然界為制造肥料提供了什么樣的條件？

【生】打雷、閃電、下雨.

【師】那我們就一起來看看，在打雷閃電的條件下，空氣中到底發(fā)生了什么變化？播放視頻《模擬雷電條件下氮?dú)夂脱鯕獾姆磻?yīng)》.請同學(xué)們記錄反應(yīng)現(xiàn)象，并在書本中查找該反應(yīng)的原理.

【師】這樣將大氣中游離態(tài)的氮轉(zhuǎn)化為氮的化合物的過程叫做氮的固定.

新課程改革倡導(dǎo)真實(shí)情境的創(chuàng)設(shè)，在本節(jié)課的引入中，以農(nóng)諺“雷雨發(fā)莊稼”這一情境，讓學(xué)生探究其中涉及的化學(xué)變化.“雷雨發(fā)莊稼”這一自然生活現(xiàn)象證據(jù)，就是證據(jù)中的一種類型，用這樣的方式引入，為后續(xù)氮及其化合物的學(xué)習(xí)，提供了第一份證據(jù)資料.在雷雨發(fā)莊稼的原理分析中，也包含了證據(jù)推理的過程.“雷雨”是反應(yīng)條件，是證據(jù)，“發(fā)莊稼”是現(xiàn)象，是結(jié)論.教師在授課時，通過問題的引導(dǎo)，突出兩者聯(lián)系，讓學(xué)生在找尋兩者之間的關(guān)系時，完成推理過程，建立結(jié)論和證據(jù)之間的邏輯關(guān)系.

2.2 任務(wù)引領(lǐng)與證據(jù)推理相結(jié)合

教學(xué)片段2 設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，制備NO2

【師】通過剛才的實(shí)驗(yàn)視頻，我們知道打雷閃電的時候，會在大氣中生成二氧化氮.下面我們就來模擬下雨的過程.同學(xué)們，問題來了，我這里沒有現(xiàn)成的NO2，你能嘗試設(shè)計(jì)制備二氧化氮的實(shí)驗(yàn)方案嗎？

【生】1.N2制備NO2；2.NH3制備NO2；3.硝酸制備NO2

【師】在實(shí)驗(yàn)室中，哪種方案更具有可操作性呢？首先我們來看方案1.

【生】放電條件苛刻，該方案不合適.

【師】方案2是否可行？請同學(xué)們在書本中找尋答案.

【師】催化劑為Pt，溫度800℃.

【生】該方案不合適.

【師】那我們把目光投向方案3，請問，在該方案中，氮元素的化合價是如何變化的？

【生】氮元素由+5價變化到+4價，被還原，需要添加還原劑，如銅.

本環(huán)節(jié)的任務(wù)的設(shè)計(jì)中，從中心元素氮元素入手，向?qū)W生展示了這一系列反應(yīng)的核心，即關(guān)注中心元素氮元素在化學(xué)反應(yīng)中是如何轉(zhuǎn)化的.學(xué)生在用化學(xué)元素觀分析物質(zhì)間的轉(zhuǎn)化時，須搜集證據(jù)并在證據(jù)信息的指導(dǎo)下解決問題，不能僅憑主觀想象推測產(chǎn)物和反應(yīng)原理，也不能隨意寫出化學(xué)方程式.學(xué)生在完成“設(shè)計(jì)制備二氧化氮的方法”這一學(xué)習(xí)任務(wù)中，主要分為三個階段.(1)提出假設(shè)階段，在該過程中，學(xué)生提出了一系列制備的NO2方法.(2)證據(jù)尋求階段，學(xué)生根據(jù)已掌握知識，書本中查找信息等直接、間接證據(jù).(3)推理分析階段，學(xué)生根據(jù)搜集到的信息進(jìn)行證實(shí)或者證偽，最終尋找到課堂中制備NO2的方法，由硝酸與銅制備NO2.

2.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與證據(jù)推理相滲透

教學(xué)片段3 【實(shí)驗(yàn)探究1】銅與濃硝酸的反應(yīng).

【師】分析U型管的使用方法和步驟.如圖2所示，向U型管里注入略多于一半高度的濃硝酸溶液，如何使銅絲和濃硝酸相接觸.

圖2

【生】將U型管朝左傾斜，濃硝酸流向銅絲段，濃硝酸與銅絲接觸.

【師】完成以上步驟，將U型管正放，取下右端的膠塞.

【生】觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象.銅片與濃硝酸接觸后，銅片表面生成氣泡，一段時間后，可以觀察到氣體為紅棕色，溶液變成藍(lán)色.從以上實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，證明了用銅和濃硝酸反應(yīng)制備二氧化氮的可行性.

【師】注射器中的無色液體是什么？

【生】是水.下面可以進(jìn)行二氧化氮溶于水的實(shí)驗(yàn).

【師】將U型管的左側(cè)的注射器的活塞向外拉，將生成的紅棕色氣體吸入注射器.將U型管的左側(cè)的注射器向內(nèi)推動，將其中液體和部分氣體擠入U型管.

【生】觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象.二氧化氮溶于水，氣體顏色由紅棕色變?yōu)闊o色，證明二氧化氮溶于水是一個化學(xué)變化.

【師】無色氣體是什么？如何證明？

【生】可能是NO.將其與氧氣混合.可將其與U型管另一側(cè)的空氣混合.

【師】肯定學(xué)生的想法.用橡膠塞塞住右管，將U型管朝右傾斜，待氣體混合后，將U型管正放.

【生】觀察現(xiàn)象.氣體顏色由無色又變成紅棕色，驗(yàn)證了二氧化氮與水反應(yīng)的產(chǎn)物為NO.

化學(xué)是以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的一門科學(xué)，在元素化合物的學(xué)習(xí)中，涉及方方面面的實(shí)驗(yàn)，而實(shí)驗(yàn)證據(jù)又是證據(jù)推理中最有力的一環(huán).該片段的設(shè)計(jì)，使學(xué)生在實(shí)驗(yàn)證據(jù)的搜集中，不僅僅著眼于實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察，亦對于實(shí)驗(yàn)裝置如何使用進(jìn)行分析推理，從而最終配合教師共同完成實(shí)驗(yàn)過程.在該教學(xué)片段中，濃硝酸與銅能否制備NO2，二氧化氮溶于水是否是化學(xué)變化，生成物是什么，實(shí)驗(yàn)一做，一目了然，讓學(xué)生感受這就是實(shí)驗(yàn)證據(jù)的作用.教師在授課時，強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)證據(jù)等事實(shí)證據(jù)的重要性，讓學(xué)生進(jìn)一步認(rèn)識到科學(xué)是實(shí)證的.

2.4 實(shí)際應(yīng)用與證據(jù)推理相呼應(yīng)

教學(xué)片段4

【師】二氧化氮溶于水時生成硝酸和一氧化氮，工業(yè)上利用這一原理生產(chǎn)硝酸.你能設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，讓二氧化氮盡可能地轉(zhuǎn)化成硝酸嗎？

【生】將生成的NO與氧氣和水繼續(xù)反應(yīng).

【師】你的設(shè)計(jì)對工業(yè)生產(chǎn)硝酸有什么啟示？(從原料的充分利用，減少污染物的排放等方面考慮.)

【生】提高硝酸的產(chǎn)量，減少大氣污染物NO的排放.

【師】實(shí)際生產(chǎn)中是否這樣操作呢？請同學(xué)們查找文獻(xiàn)以驗(yàn)證大家的看法.

教師在引導(dǎo)學(xué)生完成實(shí)際應(yīng)用時，首先幫助學(xué)生建立目標(biāo)，即氮元素盡可能由反應(yīng)物轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物這一中心思想，學(xué)生通過分析推理不難得出，要想提高產(chǎn)率，必須將產(chǎn)物之一一氧化氮中損失的氮元素轉(zhuǎn)化到最終產(chǎn)物硝酸中.從而得出答案，即通過充入一定體積的氧氣，完成氮元素從反應(yīng)物完全轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物的目的.這樣的思路是否符合工業(yè)生產(chǎn)實(shí)際呢？學(xué)生需要通過查找文獻(xiàn)，以驗(yàn)證自己的想法.這樣的設(shè)計(jì)，目的是強(qiáng)化學(xué)生的證據(jù)意識，培養(yǎng)學(xué)生的質(zhì)疑精神.讓他們把尊重事實(shí)，搜集證據(jù)證實(shí)或證偽成為他們的一種學(xué)習(xí)習(xí)慣，一種思維品質(zhì)，也成為教師的一種課堂文化.

教師在日常教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生的證據(jù)推理素養(yǎng)，將“尊重事實(shí)依據(jù)，有實(shí)證意識和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)那笾獞B(tài)度，邏輯清晰，能運(yùn)用科學(xué)的思維方式認(rèn)識事物、解決問題、指導(dǎo)行為”等要求成為學(xué)生的自覺行為.這樣的課堂，師生展開真正的平等對話，疑問有依，論證有據(jù)，互相尊重，平等交流，以理服人.

證據(jù)推理素養(yǎng)的培養(yǎng)不可能一次形成，需要經(jīng)過螺旋式遞進(jìn)，在證據(jù)積累和推理能力發(fā)展的交互過程中形成.在今后的教學(xué)中，還需要不斷地去嘗試、去總結(jié).