化學課堂中指向科學推理能力培養(yǎng)的問題鏈設計策略

【摘要】科學推理能力是科學探究能力的核心，是科學思維的重要要素之一。培養(yǎng)學生的科學推理能力，能夠提高學生的理性精神，增強追求真理的意志，發(fā)展宏觀辨識與微觀探析、證據(jù)推理與模型認知、科學探究與創(chuàng)新意識、科學態(tài)度與社會責任等化學學科核心素養(yǎng)。本文基于科學推理能力的內涵，提出課堂設計問題鏈培養(yǎng)學生科學推理能力的四項行動策略：一是根據(jù)科學推理邏輯環(huán)節(jié)設計問題鏈；二是設計引發(fā)學生探究為什么的問題鏈；三是基于真實情境預設適切的問題鏈；四是根據(jù)學生的課堂反饋生成問題鏈?！娟P鍵詞】科學推理；學科核心素養(yǎng)；高中化學；問題鏈《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》明確了化學學科核心素養(yǎng)包括宏觀辨識與微觀探析、變化觀念與平衡思想、證據(jù)推理與模型認知、科學探究與創(chuàng)新意識、科學態(tài)度與社會責任［1］。科學推理能力在化學學科核心素養(yǎng)發(fā)展過程中起到十分重要的作用，是化學學科開展研究的本質過程與思維要求，是學生學習化學知識和深度開展探究活動中十分必要的高階思維［2］，是發(fā)展學生化學核心素養(yǎng)的關鍵能力?；瘜W學科五個方面的核心素養(yǎng)中，宏觀辨識、微觀探析、證據(jù)推理、模型認知、科學探究、科學態(tài)度等素養(yǎng)的培養(yǎng)均離不開科學推理能力的發(fā)展。《普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）》中指出“科學思維”主要包括模型建構、科學推理、科學論證、質疑創(chuàng)新等要素［3］。演繹、歸納、分析、綜合、抽象、概括、比較、分類是科學推理的常見思維方式。因此，科學推理能力是科學思維的重要要素之一，是科學探究能力的核心。但在當下，大多數(shù)課堂提問只是關注事實性知識，問題之間也缺少邏輯關聯(lián)，通過問題解答所形成的知識大多是識記型的碎片化知識。比如，在鹽類水解的課堂教學中，常見的問題有“醋酸鈉溶液、氯化銨溶液的pH等于7嗎？”“什么是鹽類水解？”“判斷鹽溶液的酸堿性的方法是什么？”“書寫鹽類水解方程式要注意什么？”“哪些因素影響鹽類水解平衡移動？”“水解平衡常數(shù)的表達要注意什么？”“鹽類水解在生活生產中有哪些應用？”等。教師應設計知識從哪來、將到哪去的本原性問題，架構圍繞是什么、為什么、怎么樣以及什么方法等邏輯關系的問題鏈［4］，如下：【是什么的問題（鹽類水解概念從哪來的問題）】什么是弱酸？什么是弱堿？以氨水與醋酸溶液為例說說溶液中存在的微粒，以及這些微粒之間的動態(tài)變化?！臼鞘裁吹膯栴}（鹽類水解概念到哪去的問題）】醋酸鈉、氯化銨溶液中存在哪些微粒？這些微粒之間會有怎樣的動態(tài)變化？【為什么的問題】為什么碳酸鈉可被當作“堿”使用呢？為什么加熱后，碳酸鈉的堿性會增強？其他弱酸鹽、弱堿鹽為什么也會有類似的性質？【怎么樣的問題】醋酸鈉溶液、氯化銨溶液中弱酸根、弱堿陽離子完全與水反應了嗎？怎樣的化學變化叫鹽類水解？怎樣書寫鹽類水解反應的方程式？還記得怎樣描述可逆反應進行的限度嗎？醋酸根水解、銨根離子水解的水解平衡常數(shù)如何表達，與對應的弱酸、弱堿的電離平衡常數(shù)有怎樣的關系？【什么方法的問題】用什么方法證明鹽類發(fā)生了水解？如何設計實驗探究影響鹽類水解的因素？如何表達鹽類水解中各種微粒濃度之間的關系？想一想生活中可用什么試劑除去油污，可以采用哪些措施增加試劑的去油污能力？設計一套簡易的泡沫滅火器。以上具有嚴密邏輯關系的問題鏈能引發(fā)學生運用演繹、歸納、分析、綜合、推理等高階推理思維，不僅能發(fā)展學生的科學推理能力，增進學生對鹽類水解的本原性認識與結構化理解，建構鹽類水解認知模型，還能發(fā)展學生的微觀探析、證據(jù)推理、科學探究等學科核心素養(yǎng)。那么，在具體課堂實踐中，如何設計問題鏈培養(yǎng)學生的科學推理能力？一、根據(jù)科學推理的邏輯環(huán)節(jié)設計問題鏈科學推理是一種過程性素養(yǎng)，也是一種思維形式。在培養(yǎng)科學推理能力的教學過程中，需要培養(yǎng)學生的歸納、演繹和類比等高階思維，還要訓練學生的分析與綜合、抽象與概括、比較與分類等思維方式。這些高階思維的培養(yǎng)與思維方式的訓練是蘊含在科學推理的邏輯環(huán)節(jié)中的，因此，如圖1所示，培養(yǎng)學生科學推理能力的課堂問題設計需要對宏觀現(xiàn)象或真實情境進行梳理，轉化成需要學生思考、探究的問題鏈，得出宏觀現(xiàn)象背后的微觀粒子的組成、結構、性質、轉化等概念、規(guī)律。比如，如圖2所示，將NaCl溶液滴在一塊光亮清潔的鐵板表面上，一段時間后發(fā)現(xiàn)液滴覆蓋的圓周中心區(qū)（a）已被腐蝕而變暗，而液滴外沿則是棕色鐵銹環(huán)（b）。對于這個實驗現(xiàn)象，大多數(shù)的教師會以鐵發(fā)生吸氧腐蝕來解釋。其實，教師可以按照科學推理邏輯環(huán)節(jié)設計問題鏈，增進學生對電化學腐蝕的理解：此現(xiàn)象發(fā)生的金屬腐蝕是電化學腐蝕嗎？是哪一類電化學腐蝕呢？是簡單的吸氧腐蝕嗎？能設計實驗證實你的猜想嗎？鐵的生銹部位和腐蝕發(fā)生的部位為什么不同？以此為背景，設計能解決問題的問題鏈（如圖3），建構學生對于金屬的電化學腐蝕的結構化認識，發(fā)展學生的證據(jù)推理與模型認知、宏觀辨識與微觀探析等學科核心素養(yǎng)，培養(yǎng)科學推理能力。在幫助學生形成“氧濃差電池腐蝕的原理”認識思路時，科學推理思維可視化的實驗探究活動可設計如下：【問題1】設計怎樣的模擬實驗探究氧濃差電池？【類比推理】學生采用類比推理的思維，模仿氫氧燃料雙液電池，設計如圖4所示的以鐵作正負電極的雙液電池，發(fā)現(xiàn)電流計指針發(fā)生偏轉?！締栴}2】圖4的氧濃差電池裝置符合原電池的形成條件嗎？【分析與綜合】往圖4的左邊燒杯中加入K3Fe（CN）6溶液，檢測到有Fe2+生成，往右邊燒杯中加入酚酞試劑，檢測到有OH-生成，電流計指針發(fā)生偏轉。通過綜合分析實驗現(xiàn)象，學生形成左邊鐵作負極、右邊鐵作正極的氧濃差電池認知模型。【問題3】圖2所示的鐵板是發(fā)生了氧濃差電化學腐蝕嗎？【比較與分類】學生通過比較圖2中（a）與（b）處O2濃度的差異，類比圖4的氧濃差電池的實驗現(xiàn)象，肯定了圖2發(fā)生的是氧濃差電化學腐蝕。【問題4】氧濃差電化學腐蝕在工農業(yè)生產與生活中廣泛存在嗎？【抽象與概括】學生通過對圖2與圖4的實驗進行歸納分析，抽象與概括出氧濃差電池的4個特征：有O2參加；不同區(qū)域的O2濃度不同；活潑金屬作電極；腐蝕與生銹分布在2個區(qū)域。進一步通過演繹，學生可以發(fā)現(xiàn)生活中的金屬裂縫處的銹蝕，釘在木板中銹蝕了的鐵釘，浸入水中的銹蝕了的鐵閘等。二、設計引發(fā)學生探究為什么的問題鏈培育學生科學推理能力的課堂與指向學科素養(yǎng)發(fā)展的教學是一樣的，都是關注化學知識的生長過程，都是基于觀察到的現(xiàn)象（或情境），通過模型建構、證據(jù)推理、微觀探析、科學探究等學科素養(yǎng)訓練，形成化學概念、規(guī)律，如圖5所示。但傳統(tǒng)教學中比較關注化學知識是什么，然后應用學到的知識去解決問題，在解決問題的過程中進一步去理解知識的內涵與外延，這容易導致學生獲得的知識是識記型，而非生長型，學生的科學推理能力培養(yǎng)缺失了場域。因此，教師需要在課堂上設計引發(fā)學生探究“為什么”的問題鏈，在學生內化化學概念、規(guī)律的過程中培養(yǎng)學生的科學推理能力，發(fā)展學生的學科核心素養(yǎng)。表1為引發(fā)學生探究“為什么”的問題和傳統(tǒng)教學中知識識記型問題的對比分析?！盀槭裁础钡膯栴}不僅能培養(yǎng)學生的理解能力、闡述能力，更能引發(fā)學生開展歸納、演繹和類比等高階思維活動，訓練學生的分析與綜合、抽象與概括、比較與分類等思維方式，發(fā)展學生的模型建構、證據(jù)推理、微觀探析、科學探究等學科核心素養(yǎng)，進而培養(yǎng)學生的科學推理能力。三、基于真實情境預設適切的問題鏈激發(fā)學生的學習動機需要真實情境，維持學生的深度學習狀態(tài)需要真實情境引發(fā)的有意義的問題情境［5］。同時，科學推理需要嚴密的邏輯，所以問題鏈的設計也必須要邏輯清晰、結構嚴密。因此，要創(chuàng)設真實合適的情境，根據(jù)科學推理的邏輯環(huán)節(jié)設計問題鏈，讓學生采用分析與綜合、抽象與概括、比較與分類等思維方式解決問題，在解決問題的過程中繼續(xù)生成挑戰(zhàn)性問題，增進對所學內容的理解，從而培養(yǎng)科學推理能力（如圖6）。以人教版高中化學必修第二冊第六章第二節(jié)“化學反應的速率與限度”教學為例。傳統(tǒng)的教學中，教師會通過遷移物理學科中的速率來得出化學反應快慢的表達方式，進而形成化學反應速率的概念。接著應用反應速率概念進行解題練習，通過練習得出，同一個反應的不同反應物與生成物的速率大小與化學反應的配平系數(shù)成正比。如圖6所示，培育學生科學推理能力的情境教學設計，應該從生產生活中選擇涉及化學反應快慢的事件，如爆炸、溶液中的離子反應、大多數(shù)的有機反應、牛奶變質、鐵生銹、溶洞形成等，從真實情境出發(fā)預設挑戰(zhàn)性問題鏈：①化學中為什么要提出反應速率的概念？②怎么樣表達化學反應速率？③我們可以從哪些視角表達化學反應速率的快慢？緊接著，教師提出“如何表達相同質量塊狀與粉末狀的CaCO3和等體積等濃度稀鹽酸反應的快慢”的問題。學生在此基礎上生成挑戰(zhàn)性問題：①觀察產生氣泡的快慢，可行嗎？②觀察剩余CaCO3固體的多少，可行嗎？③用手觸摸反應容器，感受外壁溫度的高低，可行嗎？④將兩種反應器分別置于托盤天平兩邊，反應慢的一邊會下沉，可行嗎？可根據(jù)學生提出的挑戰(zhàn)性問題，開展實驗探究，發(fā)現(xiàn)①④可行，②③不可行。教師進一步提出挑戰(zhàn)性問題：問題①中，可以用哪一種物質在單位時間里的什么量的變化來明確反應速率的快慢？問題④中，是利用反應體系中哪種物質的什么量在單位時間里的變化來表達反應速率的快慢？你認為同一個反應用不同的物質表達反應速率時，不同的反應速率之間有關系嗎？這樣思維顯性的教學，讓學生在真實情境中體會化學學科開展化學反應速率研究的價值與意義，理解反應速率表達方法的內涵與外延，經歷化學反應速率是用反應物或生成物的濃度在單位時間的變化來表達的概念生成過程，明確同一個反應中用不同反應物與生成物表達的反應速率大小與化學反應的配平系數(shù)成正比等。這樣的教學設計，不僅幫助學生建構了結構化的化學反應速率概念認識，而且發(fā)展了證據(jù)推理與模型認知、宏觀辨識與微觀探析等學科核心素養(yǎng)。舉個淺顯的例子，對于同一個目的地，非科學推理的教學，學生是從中間某個點（化學反應速率概念的模型）上車的，而指向科學推理能力培養(yǎng)的教學，學生是從起點（生活與生產中紛繁復雜的化學反應）上車的，這樣做的優(yōu)點是：①能讓學生體驗到化學源于生活；②學生親身經歷了概念的科學推理過程，這是學生從化學視角認識眾多生活與生產中的化學現(xiàn)象的第一步。四、根據(jù)學生的課堂反饋生成問題鏈當下的大多數(shù)課堂，學生沿著教師預設的學習過程開展學習，教師不了解學生的想法，導致學生缺乏持續(xù)學習的動力，被動接受知識，課堂不僅難以達到思維碰撞的最佳教與學狀態(tài)，而且因為缺失學生對學習內容的質疑和學生自主提出的有挑戰(zhàn)性的問題，導致科學推理能力的培養(yǎng)缺失了學生自我生長的場域。因此，筆者結合圖1與圖6的問題鏈的設計思路，提出如圖7所示的根據(jù)學生課堂反饋生成問題鏈的設計思路。以人教版化學教材選擇性必修1《化學反應原理》第三章第一節(jié)“電離平衡”的第一部分“強電解質和弱電解質”教學為例。教材中實驗3-1的目的是探究醋酸是弱電解質，安排了3個比較實驗，即濃度都是0.1moL/L的鹽酸與醋酸，分別比較pH值的大小，導電能力的強弱，與鎂條反應的快慢，得出等同濃度鹽酸與醋酸中H+的濃度是不同的，醋酸只有部分發(fā)生電離，即醋酸是弱電解質。但這樣的學習過程，對于學生而言，并不能夠理解弱電解質電離是動態(tài)的可逆過程，即未電離的醋酸分子還能繼續(xù)電離，已電離出的醋酸根離子與溶液中的氫離子會重新結合成醋酸分子。因此，教師要根據(jù)教學中的重難點，結合學生的課堂反饋，動態(tài)生成挑戰(zhàn)性問題鏈，組織學生進行科學推理。具體按照圖7所示的思路進行教學設計：【現(xiàn)象（情境）】鹽酸與醋酸是生產生活中常見的酸，請同學們舉一些生產生活中的例子，說說這兩種酸的腐蝕性，參加反應速率的快慢，酸性強弱等?！締栴}鏈】問題1：鹽酸與醋酸從分類的角度講，屬于哪一類物質？（屬于酸）理由是什么？（電離出的陽離子都是H+）根據(jù)生產生活中的實例，鹽酸與醋酸的酸性有區(qū)別嗎？（宏觀辨識：“是什么”的問題。）問題2：設計實驗方案，證明醋酸在水溶液中不能完全電離。（證據(jù)推理與模型認知：“怎么樣”的問題。）學生開展教材中3-1實驗，測出等濃度鹽酸與醋酸的pH、導電能力以及與鎂條反應的快慢等，得出結論——醋酸在水溶液中沒有完全電離。【挑戰(zhàn)性問題】問題3：為什么醋酸沒有完全電離？沒有電離的醋酸分子還會電離嗎？能用實驗方法證明已電離出的醋酸根離子與氫離子會結合成醋酸分子嗎？能用實驗證實未電離的醋酸分子還能繼續(xù)電離嗎？還有其他方法能證明醋酸分子在水溶液中是進行動態(tài)的可逆電離嗎？（屬于學生課堂質疑，開展微觀探析，產生“為什么”的科學推理過程，也是激發(fā)學生產生“還能怎么樣”的科學推理、科學探究與科學創(chuàng)新的過程。）教師設計問題鏈引導學生逐步分析、推理，建