基于CER理論提高學科解釋能力的教學實踐

摘要：借助CER理論模型，以廢水中氨氮去除為真實情境，通過創(chuàng)設“情境問題”搭建腳手架，指導學生能夠獲取和處理信息以及分析推理獲得與論斷匹配的證據(jù)，形成“證據(jù)—推理—論斷”的化學學科解釋表達范式，提高學生的學科解釋能力。關鍵詞：CER理論模型；情境問題；學科解釋；證據(jù)推理1問題的提出“化學學科解釋”作為“科學解釋”的一個學科分支，其內(nèi)涵為解釋者基于自身化學學科理解水平，采用化學學科特有的知識、理論、認知方式，通過外顯的行為對現(xiàn)象發(fā)生的原因或過程用恰當?shù)谋碚鞣绞接枰躁U述［1］。化學學科解釋類問題是以真實情境和實際問題為測試載體，設計出主題性、開放性、探究性的評價任務，是近幾年高考化學試題的難點熱點題型。該類問題具有信息處理復雜、信息呈現(xiàn)隱蔽、語言表達嚴謹、方法運用靈活、思維活動高階和育人價值導向等特點［2］。面對學科解釋類問題，學生表現(xiàn)出一些共同的困難。通過訪談、問卷等形式的調(diào)查，分析造成困難的主要因素為：（1）學科理解欠缺。解釋能力不僅僅是一種語言行為，而是與頭腦中深層次的學科理解息息相關。在建構解釋時，證據(jù)選擇和推理過程中的困難多源自對學科內(nèi)容的理解不全面、不深刻。（2）解題策略欠缺。在解決復雜問題情境的學科解釋類問題時，僅具備基礎學科知識還遠不夠，在陌生情境下，學生往往對情境信息的獲取和處理能力不足，不理解什么是證據(jù)，不知道如何匹配恰當、充分的證據(jù)，不了解題目考查所指向的知識與能力，不清楚從何入手解題。（3）表述方法欠缺。在提取有效證據(jù)進行推理時，語言表述缺乏應有的邏輯性，一些解釋中雖出現(xiàn)了某些證據(jù)和論斷，但沒能通過推理將兩者相連［3］，論斷占了較大篇幅但只伴隨著零星的理由。如何有效突破學生在學科解釋方面的困難，已成為高中化學教學的重要課題，科學解釋能力的培養(yǎng)與提高亟待有針對性的教學干預和指導。2基于情境問題的CER理論模型CER理論模型是對英國哲學家圖爾敏（S.Toulmin）的論證模型的簡化，將科學解釋解構為三個要素：論斷（Claim）、證據(jù)（Evidence）和推理（Reasoning）［4］。該模型旨在讓學生像科學家一樣，依據(jù)已有知識或相關資料，通過挑選和收集證據(jù)，在科學原理的支持下進行推理（證實或證偽），呈現(xiàn)證據(jù)支持論斷的邏輯，形成對科學現(xiàn)象或問題的論斷。《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》中明確指出，“情境”和“知識”同時服務于“問題”的提出與解決。在新課標新高考背景下，以真實問題情境為載體，以學科觀念為統(tǒng)領，以化學學科知識為分析問題的視角，以發(fā)展學生思維的創(chuàng)新性、邏輯性、建模化為指向，以“情境＋問題＋思維”為主線的化學課堂教學范式備受青睞。本文嘗試借助CER哲學模型，以廢水中氨氮的去除為問題情境，通過創(chuàng)設“情境問題”搭建腳手架，指導學生如何獲取和處理信息，分析推理獲得與論斷匹配的證據(jù)，建構化學學科解釋思維模型，引導學生把握學科解釋的思維路徑，形成“證據(jù)—推理—論斷”的化學學科解釋表達范式，以期解決學生在學科解釋中遇到的困難，提高學生的學科解釋能力（思維模型見圖1）。3基于CER理論模型的教學案例3.1情境載體選擇合適的高考或重要的模擬考試題，將其設計成為教學情境，可以避免復習中探究問題角度偏、難度大、不嚴謹?shù)缺锥?。本課例選擇了2021年江蘇適應考I第14題，以廢水中氨氮的去除為情境，涉及沉淀法和氧化法去除氨氮的離子方程式書寫以及相關的化學學科解釋問題。選擇該情境載體的主要原因是：（1）貼近生活實際。廢水中氨氮超標導致水體富營養(yǎng)化，情境素材貼近實際生活，是有價值的學習主題。（2）涉及較多的核心知識。如氮及其化合物的性質、氧化還原反應、化學反應速率與平衡、物質結構與性質等知識內(nèi)容，為跨模塊知識融合提供了平臺，有利于促進知識的結構化。（3）蘊含豐富的思想觀念。從學生視角看，有利于價-類二維視角理解物質轉化、速率與平衡、控制變量等重要學科觀念的形成，有利于促進認知模型化；從教師視角看，可以進行單元教學、項目式學習、“教-學-評”一體化教學等實踐。本節(jié)課的教學目標為：（1）以廢水中氨氮的去除為問題情境，能從物質類別和元素價態(tài)的角度認識含氮物質之間的轉化。（2）從“價-類”二維視角尋找廢水中氨氮去除的方法，學會運用化學知識解決實際問題，促進化學學科理解。（3）體會化學學科的價值與魅力，增強社會責任意識。教學重點為：建構化學學科解釋思維模型，形成“證據(jù)—推理—論斷”的化學學科解釋表達范式。3.2教學過程根據(jù)教學目標，通過情境問題，基于CER模型引導學生建構學科解釋思維模型。本節(jié)課可分為三個環(huán)節(jié)：第一環(huán)節(jié)，如何證明廢水中氨氮的存在。運用氮元素的價-類二維圖，分析推理水體中氮元素的存在形式，并通過實驗進行定性和半定量檢測；第二環(huán)節(jié)，如何去除廢水中的氨氮。運用氮元素的價-類二維圖，通過CER理論模型，初步認識學科解釋思維程序；第三環(huán)節(jié)，如何深度去除氨氮。通過師生互動外顯思維，建構并應用學科解釋模型解決學科問題。教學設計示意圖如圖2所示。3.2.1如何證明廢水中氨氮的存在［情境1］2007年太湖爆發(fā)了嚴重的藍藻污染，太湖水污染問題引起了廣泛關注。從化學學科的視角分析，“藍藻”事件是什么元素給我們“顏色”看呢？［學生分析解釋］N、P元素超標所致。［情境問題1.1］結合氮元素的價-類二維圖（圖3）分析水體中氮元素可能的存在形態(tài)。［學生］可能有NH3、NH+4形式以及NO-2或NO-3。［教師］在水溶液中，氨氮的存在形式主要由什么因素決定？［學生］主要由水溶液的酸堿性決定，主要存在形式是NH3或NH+4。［資料卡1］氨氮隨pH變化的分布系數(shù)圖，如圖4所示。［情境問題1.2］設計實驗證明廢水中是否存在氨氮污染？［實驗方案］取樣，加濃氫氧化鈉溶液并加熱，若能產(chǎn)生使?jié)駶櫟募t色石蕊試紙變藍的氣體，則說明存在NH+4。［學生匯報］不同濃度的氨氮廢水中，有的檢測出，有的沒有檢測出NH+4。［教師］給同學們提供的是四種不同水樣，分別是皮革廠氨氮廢水、生活污水、小區(qū)旁河水和陽澄湖水。而該方法適用于濃度較高的氨氮廢水的檢測，氨氮濃度較低時往往無法通過該方法檢測，故有的水樣沒有檢測出NH+4。［過渡］檢測部門通常利用檢測儀直接準確測定氨氮的含量。［資料卡2］氨氮的定量測定方法通常有：納氏比色法、水楊酸-次氯酸鹽比色法、滴定法、氨氣敏電極法等。污水中氨氮檢測時，常使用氨氮檢測試紙（納氏比色法）初步檢測氨氮的含量。此方法具有操作簡便、靈敏等特點。其方法原理為：以氨或銨離子等形式存在的氨氮與納氏試劑反應生成淡紅棕色絡合物（該絡合物的色度與氨氮含量成正比），并將之與標準比色卡進行對比。［學生實驗］用氨氮試紙檢測上述四種水樣中氨氮的含量，與氨氮排放標準對照分析是否超標。操作步驟：取出試紙，迅速蓋上蓋子。（1）試紙反應區(qū)部分浸入待測水樣中2秒，取出甩掉多余的水樣。（2）在反應端加1滴激活劑，15秒后甩出多余的水珠。（3）放置60秒后與比色卡對比，顏色接近的色塊即為被測樣品的濃度值（見表1）。［資料卡3］城鎮(zhèn)污水處理廠水污染物排放標準（2003年7月1日執(zhí)行）見表2。［小結］陽澄湖水、小區(qū)旁河水均是達標的，生活污水氨氮超標，皮革廠廢水中氨氮嚴重超標。設計意圖：聚焦問題情境，運用氮元素的價-類二維圖，引導學生調(diào)用已有知識，了解含氮廢水中氮元素的存在形式與影響存在形式的因素，并通過定性及半定量實驗證明廢水中氨氮的存在。3.2.2如何去除廢水中的氨氮［過渡］請結合氮元素的價-類二維圖，設計氨氮去除的可行方案？［追問］如何理解氨氮的去除？［學生1］將氨氮從廢水中轉化成氣體或沉淀而除去。［學生2］加氫氧化鈉后加熱將氨氮轉化為NH3除去——吹脫法。［學生3］加氧化劑將氨氮氧化為N2除去——氧化法。……［教師］從物質狀態(tài)角度分析，可將NH+4轉化為氣體（NH3或N2）除去，為什么沒有借助沉淀法呢？［學生］一般銨鹽均易溶，不能轉化為沉淀。［教師實驗］模擬氨氮廢水與Fe2（SO4）3溶液混合，有黃色沉淀生成。［資料卡4］黃銨鐵礬沉淀：NH4Fe3（SO4）2（OH）6；磷酸銨鎂（MgNH4PO4·6H2O）俗稱鳥糞石，簡稱MAP，它的養(yǎng)分釋放速率比其他可溶肥慢，可作緩釋肥。［情境2］皮革廠的廢水中含有一定量的氨氮（以NH3、NH+4形式存在），可向酸性廢水中加入適量Fe2（SO4）3溶液，廢水中的氨氮轉化為NH4Fe3（SO4）2（OH）6沉淀而除去。［情境問題2.1］寫出沉淀法去除氨氮反應的離子方程式，該反應的本質是什么？［學生分析解釋］由題給信息可知，廢水中的氨氮轉化為NH4Fe3（SO4）2（OH）6沉淀，化合價沒有發(fā)生變化且溶液呈酸性，故該反應的離子方程式為NH+4＋3Fe3+＋2SO2-4＋6H2ONH4Fe3（SO4）2（OH）6↓＋6H+。由上述反應可知，生成沉淀是由于NH+4或Fe3+的水解所致。［情境問題2.2］從上述反應分析，如何提高沉淀法去除氨氮的去除率？［學生］增大Fe2（SO4）3溶液濃度、降低氫離子濃度、升高溫度、充分攪拌等。［情境問題2.3］沉淀法去除氨氮時，隨pH的變化氨氮去除率如圖5所示，氨氮去除率隨pH升高先升高后降低，可能的原因是什么？［證據(jù)推理］與氨氮沉淀反應有關的微粒有NH+4、Fe3+、SO2-4、H+，其中c（SO2-4）不受pH影響。隨pH增大，c（H+）減小，促進NH+4或Fe3+的水解，有利于氨氮的去除。當1.3＜pH＜1.8時，隨pH增大氨氮去除率不升反降，可能的影響因素只剩下pH對NH+4和Fe3+的影響。由氨氮分布系數(shù)圖可知，氨氮在這個pH范圍內(nèi)基本全部以NH+4形式存在，只能是Fe3+的影響。Fe3+是極易水解的，pH增大促進Fe3+水解生成Fe（OH）3沉淀，F(xiàn)e3+濃度減小，導致氨氮去除率降低。但下降幅度并不是很大，應為部分Fe3+水解生成Fe（OH）3。［學科解釋］隨pH增大，c（H+）減小，促進NH+4或Fe3+的水解，有利于氨氮的去除。當pH＞1.3時，隨pH增大部分Fe3+水解生成Fe（OH）3，溶液中c（Fe3+）減小，氨氮去除率降低。［教師］沉淀法去除廢水中的氨氮，能否達到排放標準呢？［資料卡5］查找文獻發(fā)現(xiàn)，利用硫酸鐵生成黃銨鐵礬沉淀去除氨氮，當氨氮濃度為2800mg/L時其去除率為81%，殘留氨氮濃度為532mg/L［5］；利用MgCl2·6H2O和Na2HPO4·12H2O生成MgNH4PO4·6H2O沉淀去除氨氮，當氨氮濃度為1305mg/L時，其pH為9.0，反應時間為25min，按n（N）∶n（Mg）∶n（P）＝1.5∶1∶1.5配比投料，其去除率高達98.10%，氨氮濃度降低到28.54mg/L［6］。［教師］從沉淀法去除氨氮的去除率數(shù)據(jù)看，可除去大部分氨氮，但未達到排放標準，需進一步降低氨氮的含量才能排放。設計意圖：以真實的情境問題促使學生自主調(diào)用價-類二維認識視角，尋求氨氮去除的解決方案。將氨氮以沉淀形式去除，是對自然界中氮循環(huán)的補充與豐富，同時進一步增進學生從價-類二維視角分析問題的能力，提升學生對價-類二維視角認識物質轉化的學科理解。通過創(chuàng)設情境問題組，引導學生聚焦反應原理，從化學反應速率和化學平衡等視角，挑選和收集證據(jù)，分析推理證實或證偽，獲得與論斷匹配的證據(jù)，并形成對情境問題的解釋，讓學生初步體悟學科解釋的思維模型。3.2.3如何深度去除廢水中的氨氮［過渡］如何深度去除氨氮，請?zhí)岢瞿愕脑O想（借助氮元素的價-類二維圖）。［學生］可采用氧化法深度去除氨氮，即使用氧化劑將氨氮氧化為N2而去除。［教師］請找出將氨氮氧化為N2可能的氧化劑。［學生］次氯酸鈉、過氧化氫、氯氣、KMnO4、Na2O2等。分析評價選擇合適的氧化劑。［情境3］工業(yè)上采用投加足量的氯氣或者NaClO將廢水中的氨氮轉化為N2的方法叫做折點氯化法。皮革廠的廢水可通過氧化法深度去除氨氮。調(diào)節(jié)經(jīng)沉淀處理后的廢水pH約為6，加入NaClO溶液進一步氧化處理。［情境問題3.1］請用離子方程式表示該氧化反應的實質。［學生分析解釋］氧化法去除氨氮反應的原理為3ClO-+2NH+4N2↑+3Cl-+3H2O+2H+。［情境問題3.2］如何提高氧化法去除氨氮的去除率？［學生］增大濃度、升高溫度。［情境問題3.3］n（ClO-）/n（氨氮）對廢水中氨氮去除率和總氮去除率的影響如圖6所示。當n（ClO-）/n（氨氮）＞1.54后，總氮去除率有所下降，其可能的原因是什么？［證據(jù)推理］追問1：圖像中兩個去除率分別是什么含義？如何理解圖6中兩條曲線的變化趨勢？［學生分析解釋］氨氮去除率是指氨氮被轉化為其他物質的比率，總氮去除率是指氮元素從廢水中被去除的比率。當n（ClO-）/n（氨氮）＞1.54后，ClO-大大過量。通過圖6中兩條曲線的對比分析發(fā)現(xiàn)，氨氮能夠被有效去除，但總氮去除率略有下降。追問2：當n（ClO-）/n（氨氮）＞1.54后，推測能留在廢水中超預期的產(chǎn)物可能有哪些？總氮去除率曲線的降低幅度有多大？［學生分析解釋］說明氮元素沒有全部轉化為N2逸出，由氮元素的價-類二維圖，可推測氮元素應以NO-3或NO-2等離子形式存在于廢水中。總氮去除率的降低幅度并不大，說明只有部分氨氮被進一步氧化為NO-3或NO-2。［學科解釋］隨著ClO-濃度的增大，有部分氨氮被氧化為NO-2或NO-3而留在廢水中。［情境問題3.4］氧化法去除氨氮時，隨pH的變化氨氮去除率如圖7所示，當pH>8時，隨pH增大氨氮去除率下降，可能的原因是什么？［證據(jù)推理］由氧化法去除氨氮反應原理3ClO-+2NH+4N2↑+3Cl-+3H2O+2H+可知，隨pH增大，c（H+）減小，有利于氨氮去除。但pH>8時氨氮去除反而下降，原因可能是pH增大對ClO-或NH+4產(chǎn)生影響所致。隨pH增大，抑制ClO-的水解，c（HClO）減小，氧化氨氮能力下降；隨pH增大，NH+4可轉化為NH3逸出，則氨氮去除率上升與實際不符。［學科解釋］隨pH增大，c（HClO）減小，氧化氨氮的能力下降。［情境問題3.5］隨溫度升高氨氮去除率如圖8所示，當溫度大于28℃時，廢水中氨氮去除率隨著溫度升高而降低，可能的原因是什么？［證據(jù)推理］溫度一般只能對ClO-或NH+4產(chǎn)生影響。若溫度升高促進NH+4水解生成NH3逸出，氨氮去除率上升則與實際不符；ClO-在較高溫度下不穩(wěn)定，溫度升高會受熱分解，導致ClO-濃度降低，氨氮的去除率降低。［學科解釋］溫度過高，ClO-受熱分解使?jié)舛冉档?，氨氮去除率降低。［資料卡6］折點氯化法常用于處理氨氮濃度較低的工業(yè)廢水，或是對氨氮濃度較高的廢水進行深度處理。與其他方法相比較，該方法具有反應速率快，脫氮效果穩(wěn)定，去除氨氮效率高，改造投資成本低等特點。在最佳操作條件下，經(jīng)處理后的廢水氨氮濃度<0.5mg/L［7］。［總結］歸納總結氨氮去除的解決方案，提煉學科解釋類問題的思維模型（PPT展示圖1的思維模型）。設計意圖：建構并應用學科解釋思維模型，重點在證據(jù)推理的過程，外顯學生的思維，指導學生如何匹配證據(jù)，如何進行證據(jù)推理，通過辯證思維抓住矛盾的主要方面，幫助學生建構化學學科解釋的思維程序，提高學生的學科解釋能力。3.3基于CER理論模型學習效果測試本課例實施后，讓上課班級完成如表3所示的評價量規(guī)，得分情況見圖9。本次問卷數(shù)據(jù)表明，通過基于CER理論模型下情境問題的解決，課前與課后學生對化學方程式書寫和規(guī)范表述掌握情況相差不大，但在信息提取、解釋視角選擇、可能因素尋找和證實與證偽方面的得分情況相差較大。這些數(shù)據(jù)的比較說明，該理論模型下的學習對學生的學科解釋能力以及證據(jù)推理意識提升較大，但對化學方程式書寫和規(guī)范化表述方面提高不明顯。4教學反思通過基于CER理論模型的情境問題解決的教學，將“證據(jù)推理與模型認知”這一素養(yǎng)在課堂中落地，培養(yǎng)學生的化學學科核心素養(yǎng)，較大提升了學生的學科解釋能力。（1）提升證據(jù)推理意識。證據(jù)推理是化學學科重要的核心素養(yǎng)，“初步學會收集各種證據(jù)，基于證據(jù)進行分析推理，加以證實或證偽，能解釋證據(jù)與結論之間的關系，確定形成科學結論所需要的證據(jù)或尋找證據(jù)的途徑”［8］?；贑ER理論模型的學習，學生在面對真實情境問題時，需要學會收集和處理相關信息，需要學會提出質疑，分析問題的各個方面，需要學會對證據(jù)分析推理加以證實或證偽，提升學生的證據(jù)推理意識。（2）建構學科解釋模型。在一系列情境問題的解決中，通過獨立或協(xié)作的方式開展活動，外顯學生的思維，指導學生調(diào)用化學原理相關知識，從諸多影響因素中篩選出與論斷相匹配的證據(jù)，建立論斷與證據(jù)之間的邏輯關系，提煉學科解釋表達范式，對學科解釋各要素進行針對性訓練，基本達成了建構學科解釋模型的目標。（3）訓練形成規(guī)范表述?；贑ER理論模型的情境問題，在教師的引領和示范下，學生以口頭或書面方式進行模仿，初步建構自己的學科解釋，經(jīng)由師生點評修改和完善，使表達更加清晰，邏輯更為嚴謹，逐步形成規(guī)范表述，提升學科解釋品質。因此，科學語言的培養(yǎng)