化學(xué)課堂中指向科學(xué)推理能力培養(yǎng)的問題鏈設(shè)計策略

【摘要】科學(xué)推理能力是科學(xué)探究能力的核心，是科學(xué)思維的重要要素之一。培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)推理能力，能夠提高學(xué)生的理性精神，增強(qiáng)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(rèn)知、科學(xué)探究與創(chuàng)新意識、科學(xué)態(tài)度與社會責(zé)任等化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。本文基于科學(xué)推理能力的內(nèi)涵，提出課堂設(shè)計問題鏈培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)推理能力的四項(xiàng)行動策略：一是根據(jù)科學(xué)推理邏輯環(huán)節(jié)設(shè)計問題鏈；二是設(shè)計引發(fā)學(xué)生探究為什么的問題鏈；三是基于真實(shí)情境預(yù)設(shè)適切的問題鏈；四是根據(jù)學(xué)生的課堂反饋生成問題鏈?！娟P(guān)鍵詞】科學(xué)推理；學(xué)科核心素養(yǎng)；高中化學(xué)；問題鏈《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》明確了化學(xué)學(xué)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(rèn)知、科學(xué)探究與創(chuàng)新意識、科學(xué)態(tài)度與社會責(zé)任［1］。科學(xué)推理能力在化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)發(fā)展過程中起到十分重要的作用，是化學(xué)學(xué)科開展研究的本質(zhì)過程與思維要求，是學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)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(xué)生化學(xué)核心素養(yǎng)的關(guān)鍵能力。化學(xué)學(xué)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(rèn)知、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度等素養(yǎng)的培養(yǎng)均離不開科學(xué)推理能力的發(fā)展。《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》中指出“科學(xué)思維”主要包括模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)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(xué)推理的常見思維方式。因此，科學(xué)推理能力是科學(xué)思維的重要要素之一，是科學(xué)探究能力的核心。但在當(dāng)下，大多數(shù)課堂提問只是關(guān)注事實(shí)性知識，問題之間也缺少邏輯關(guān)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(xué)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(dá)要注意什么？”“鹽類水解在生活生產(chǎn)中有哪些應(yīng)用？”等。教師應(yīng)設(shè)計知識從哪來、將到哪去的本原性問題，架構(gòu)圍繞是什么、為什么、怎么樣以及什么方法等邏輯關(guān)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(dāng)作“堿”使用呢？為什么加熱后，碳酸鈉的堿性會增強(qiáng)？其他弱酸鹽、弱堿鹽為什么也會有類似的性質(zhì)？【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(yīng)了嗎？怎樣的化學(xué)變化叫鹽類水解？怎樣書寫鹽類水解反應(yīng)的方程式？還記得怎樣描述可逆反應(yīng)進(jìn)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(dá)，與對應(yīng)的弱酸、弱堿的電離平衡常數(shù)有怎樣的關(guān)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(shè)計實(shí)驗(yàn)探究影響鹽類水解的因素？如何表達(dá)鹽類水解中各種微粒濃度之間的關(guān)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(shè)計一套簡易的泡沫滅火器。以上具有嚴(yán)密邏輯關(guān)系的問題鏈能引發(fā)學(xué)生運(yùn)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(xué)生的科學(xué)推理能力，增進(jìn)學(xué)生對鹽類水解的本原性認(rèn)識與結(jié)構(gòu)化理解，建構(gòu)鹽類水解認(rèn)知模型，還能發(fā)展學(xué)生的微觀探析、證據(jù)推理、科學(xué)探究等學(xué)科核心素養(yǎng)。那么，在具體課堂實(shí)踐中，如何設(shè)計問題鏈培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)推理能力？一、根據(jù)科學(xué)推理的邏輯環(huán)節(jié)設(shè)計問題鏈科學(xué)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(xué)推理能力的教學(xué)過程中，需要培養(yǎng)學(xué)生的歸納、演繹和類比等高階思維，還要訓(xùn)練學(xué)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(xùn)練是蘊(yùn)含在科學(xué)推理的邏輯環(huán)節(jié)中的，因此，如圖1所示，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)推理能力的課堂問題設(shè)計需要對宏觀現(xiàn)象或真實(shí)情境進(jìn)行梳理，轉(zhuǎn)化成需要學(xué)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(jié)構(gòu)、性質(zhì)、轉(zhuǎn)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(shí)驗(yàn)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(shí)，教師可以按照科學(xué)推理邏輯環(huán)節(jié)設(shè)計問題鏈，增進(jìn)學(xué)生對電化學(xué)腐蝕的理解：此現(xiàn)象發(fā)生的金屬腐蝕是電化學(xué)腐蝕嗎？是哪一類電化學(xué)腐蝕呢？是簡單的吸氧腐蝕嗎？能設(shè)計實(shí)驗(yàn)證實(shí)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(shè)計能解決問題的問題鏈（如圖3），建構(gòu)學(xué)生對于金屬的電化學(xué)腐蝕的結(jié)構(gòu)化認(rèn)識，發(fā)展學(xué)生的證據(jù)推理與模型認(rèn)知、宏觀辨識與微觀探析等學(xué)科核心素養(yǎng)，培養(yǎng)科學(xué)推理能力。在幫助學(xué)生形成“氧濃差電池腐蝕的原理”認(rèn)識思路時，科學(xué)推理思維可視化的實(shí)驗(yàn)探究活動可設(shè)計如下：【問題1】設(shè)計怎樣的模擬實(shí)驗(yàn)探究氧濃差電池？【類比推理】學(xué)生采用類比推理的思維，模仿氫氧燃料雙液電池，設(shè)計如圖4所示的以鐵作正負(fù)電極的雙液電池，發(fā)現(xiàn)電流計指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)。【問題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(zhuǎn)。通過綜合分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，學(xué)生形成左邊鐵作負(fù)極、右邊鐵作正極的氧濃差電池認(rèn)知模型?！締栴}3】圖2所示的鐵板是發(fā)生了氧濃差電化學(xué)腐蝕嗎？【比較與分類】學(xué)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(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，肯定了圖2發(fā)生的是氧濃差電化學(xué)腐蝕?！締栴}4】氧濃差電化學(xué)腐蝕在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與生活中廣泛存在嗎？【抽象與概括】學(xué)生通過對圖2與圖4的實(shí)驗(yàn)進(jìn)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(jìn)一步通過演繹，學(xué)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(shè)計引發(fā)學(xué)生探究為什么的問題鏈培育學(xué)生科學(xué)推理能力的課堂與指向?qū)W科素養(yǎng)發(fā)展的教學(xué)是一樣的，都是關(guān)注化學(xué)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(gòu)、證據(jù)推理、微觀探析、科學(xué)探究等學(xué)科素養(yǎng)訓(xùn)練，形成化學(xué)概念、規(guī)律，如圖5所示。但傳統(tǒng)教學(xué)中比較關(guān)注化學(xué)知識是什么，然后應(yīng)用學(xué)到的知識去解決問題，在解決問題的過程中進(jìn)一步去理解知識的內(nèi)涵與外延，這容易導(dǎo)致學(xué)生獲得的知識是識記型，而非生長型，學(xué)生的科學(xué)推理能力培養(yǎng)缺失了場域。因此，教師需要在課堂上設(shè)計引發(fā)學(xué)生探究“為什么”的問題鏈，在學(xué)生內(nèi)化化學(xué)概念、規(guī)律的過程中培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)推理能力，發(fā)展學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)。表1為引發(fā)學(xué)生探究“為什么”的問題和傳統(tǒng)教學(xué)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(xué)生的理解能力、闡述能力，更能引發(fā)學(xué)生開展歸納、演繹和類比等高階思維活動，訓(xùn)練學(xué)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(xué)生的模型建構(gòu)、證據(jù)推理、微觀探析、科學(xué)探究等學(xué)科核心素養(yǎng)，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)推理能力。三、基于真實(shí)情境預(yù)設(shè)適切的問題鏈激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動機(jī)需要真實(shí)情境，維持學(xué)生的深度學(xué)習(xí)狀態(tài)需要真實(shí)情境引發(fā)的有意義的問題情境［5］。同時，科學(xué)推理需要嚴(yán)密的邏輯，所以問題鏈的設(shè)計也必須要邏輯清晰、結(jié)構(gòu)嚴(yán)密。因此，要創(chuàng)設(shè)真實(shí)合適的情境，根據(jù)科學(xué)推理的邏輯環(huán)節(jié)設(shè)計問題鏈，讓學(xué)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(jìn)對所學(xué)內(nèi)容的理解，從而培養(yǎng)科學(xué)推理能力（如圖6）。以人教版高中化學(xué)必修第二冊第六章第二節(jié)“化學(xué)反應(yīng)的速率與限度”教學(xué)為例。傳統(tǒng)的教學(xué)中，教師會通過遷移物理學(xué)科中的速率來得出化學(xué)反應(yīng)快慢的表達(dá)方式，進(jìn)而形成化學(xué)反應(yīng)速率的概念。接著應(yīng)用反應(yīng)速率概念進(jìn)行解題練習(xí)，通過練習(xí)得出，同一個反應(yīng)的不同反應(yīng)物與生成物的速率大小與化學(xué)反應(yīng)的配平系數(shù)成正比。如圖6所示，培育學(xué)生科學(xué)推理能力的情境教學(xué)設(shè)計，應(yīng)該從生產(chǎn)生活中選擇涉及化學(xué)反應(yīng)快慢的事件，如爆炸、溶液中的離子反應(yīng)、大多數(shù)的有機(jī)反應(yīng)、牛奶變質(zhì)、鐵生銹、溶洞形成等，從真實(shí)情境出發(fā)預(yù)設(shè)挑戰(zhàn)性問題鏈：①化學(xué)中為什么要提出反應(yīng)速率的概念？②怎么樣表達(dá)化學(xué)反應(yīng)速率？③我們可以從哪些視角表達(dá)化學(xué)反應(yīng)速率的快慢？緊接著，教師提出“如何表達(dá)相同質(zhì)量塊狀與粉末狀的CaCO3和等體積等濃度稀鹽酸反應(yīng)的快慢”的問題。學(xué)生在此基礎(chǔ)上生成挑戰(zhàn)性問題：①觀察產(chǎn)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(yīng)容器，感受外壁溫度的高低，可行嗎？④將兩種反應(yīng)器分別置于托盤天平兩邊，反應(yīng)慢的一邊會下沉，可行嗎？可根據(jù)學(xué)生提出的挑戰(zhàn)性問題，開展實(shí)驗(yàn)探究，發(fā)現(xiàn)①④可行，②③不可行。教師進(jìn)一步提出挑戰(zhàn)性問題：問題①中，可以用哪一種物質(zhì)在單位時間里的什么量的變化來明確反應(yīng)速率的快慢？問題④中，是利用反應(yīng)體系中哪種物質(zhì)的什么量在單位時間里的變化來表達(dá)反應(yīng)速率的快慢？你認(rèn)為同一個反應(yīng)用不同的物質(zhì)表達(dá)反應(yīng)速率時，不同的反應(yīng)速率之間有關(guān)系嗎？這樣思維顯性的教學(xué)，讓學(xué)生在真實(shí)情境中體會化學(xué)學(xué)科開展化學(xué)反應(yīng)速率研究的價值與意義，理解反應(yīng)速率表達(dá)方法的內(nèi)涵與外延，經(jīng)歷化學(xué)反應(yīng)速率是用反應(yīng)物或生成物的濃度在單位時間的變化來表達(dá)的概念生成過程，明確同一個反應(yīng)中用不同反應(yīng)物與生成物表達(dá)的反應(yīng)速率大小與化學(xué)反應(yīng)的配平系數(shù)成正比等。這樣的教學(xué)設(shè)計，不僅幫助學(xué)生建構(gòu)了結(jié)構(gòu)化的化學(xué)反應(yīng)速率概念認(rèn)識，而且發(fā)展了證據(jù)推理與模型認(rèn)知、宏觀辨識與微觀探析等學(xué)科核心素養(yǎng)。舉個淺顯的例子，對于同一個目的地，非科學(xué)推理的教學(xué)，學(xué)生是從中間某個點(diǎn)（化學(xué)反應(yīng)速率概念的模型）上車的，而指向科學(xué)推理能力培養(yǎng)的教學(xué)，學(xué)生是從起點(diǎn)（生活與生產(chǎn)中紛繁復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)）上車的，這樣做的優(yōu)點(diǎn)是：①能讓學(xué)生體驗(yàn)到化學(xué)源于生活；②學(xué)生親身經(jīng)歷了概念的科學(xué)推理過程，這是學(xué)生從化學(xué)視角認(rèn)識眾多生活與生產(chǎn)中的化學(xué)現(xiàn)象的第一步。四、根據(jù)學(xué)生的課堂反饋生成問題鏈當(dāng)下的大多數(shù)課堂，學(xué)生沿著教師預(yù)設(shè)的學(xué)習(xí)過程開展學(xué)習(xí)，教師不了解學(xué)生的想法，導(dǎo)致學(xué)生缺乏持續(xù)學(xué)習(xí)的動力，被動接受知識，課堂不僅難以達(dá)到思維碰撞的最佳教與學(xué)狀態(tài)，而且因?yàn)槿笔W(xué)生對學(xué)習(xí)內(nèi)容的質(zhì)疑和學(xué)生自主提出的有挑戰(zhàn)性的問題，導(dǎo)致科學(xué)推理能力的培養(yǎng)缺失了學(xué)生自我生長的場域。因此，筆者結(jié)合圖1與圖6的問題鏈的設(shè)計思路，提出如圖7所示的根據(jù)學(xué)生課堂反饋生成問題鏈的設(shè)計思路。以人教版化學(xué)教材選擇性必修1《化學(xué)反應(yīng)原理》第三章第一節(jié)“電離平衡”的第一部分“強(qiáng)電解質(zhì)和弱電解質(zhì)”教學(xué)為例。教材中實(shí)驗(yàn)3-1的目的是探究醋酸是弱電解質(zhì)，安排了3個比較實(shí)驗(yàn)，即濃度都是0.1moL/L的鹽酸與醋酸，分別比較pH值的大小，導(dǎo)電能力的強(qiáng)弱，與鎂條反應(yīng)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(zhì)。但這樣的學(xué)習(xí)過程，對于學(xué)生而言，并不能夠理解弱電解質(zhì)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(jié)合成醋酸分子。因此，教師要根據(jù)教學(xué)中的重難點(diǎn)，結(jié)合學(xué)生的課堂反饋，動態(tài)生成挑戰(zhàn)性問題鏈，組織學(xué)生進(jìn)行科學(xué)推理。具體按照圖7所示的思路進(jìn)行教學(xué)設(shè)計：【現(xiàn)象（情境）】鹽酸與醋酸是生產(chǎn)生活中常見的酸，請同學(xué)們舉一些生產(chǎn)生活中的例子，說說這兩種酸的腐蝕性，參加反應(yīng)速率的快慢，酸性強(qiáng)弱等。【問題鏈】問題1：鹽酸與醋酸從分類的角度講，屬于哪一類物質(zhì)？（屬于酸）理由是什么？（電離出的陽離子都是H+）根據(jù)生產(chǎn)生活中的實(shí)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(shè)計實(shí)驗(yàn)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(rèn)知：“怎么樣”的問題。）學(xué)生開展教材中3-1實(shí)驗(yàn)，測出等濃度鹽酸與醋酸的pH、導(dǎo)電能力以及與鎂條反應(yīng)的快慢等，得出結(jié)論——醋酸在水溶液中沒有完全電離?！咎魬?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(shí)驗(yàn)方法證明已電離出的醋酸根離子與氫離子會結(jié)合成醋酸分子嗎？能用實(shí)驗(yàn)證實(shí)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(jìn)行動態(tài)的可逆電離嗎？（屬于學(xué)生課堂質(zhì)疑，開展微觀探析，產(chǎn)生“為什么”的科學(xué)推理過程，也是激發(fā)學(xué)生產(chǎn)生“還能怎么樣”的科學(xué)推理、科學(xué)探究與科學(xué)創(chuàng)新的過程。）教師設(shè)計問題鏈引導(dǎo)學(xué)生逐步分析、推理，建