基于认知模型思维培养中学生证据推理能力方法新探

摘 要：真实的化学课堂是学生化学学科核心素养养成的重要场所。元素周期律是学习元素化合物的理论依据，学好元素周期律能帮助学生将零散的知识点重新整合、建构，审视自己所学的元素化合物，发现元素之间内在和外在的规律，进而促进学生学习元素化合物知识。

关键词：高中化学；逻辑推理；元素周期律；核心素养

作者简介：杨晓月，江苏省淮安市新淮高级中学教师。（江苏 淮安 223300）

中图分类号：G633.8 文献标识码：A 文章编号：1671-0568（2018）33-0061-02

大时代背景下，社会对学生基于证据的推理能力有一定的要求。高考便时有基于所给信息进行推理的题目，这些信息常以文字、表格、图形等形式出现，如预测未知元素的位置、寻找新材料等。对学生来说，分析各种信息数据的能力有待提高，本节课的学习可以在很大程度上提高学生的证据推理能力。

一、课标和教材分析

学科核心素养是学科育人价值的集中体现，是学生通过学科学习而逐步形成的正确价值观念、必备品格和关键能力。目前，各个学科都在研究学科核心素养，其实化学学科自身的特点对核心素养的养成也十分重要。化学学科核心素养的形成，离不开真实的化学课堂。

《普通高中化学课程标准（2017年版）》指出：结合有关数据和实验事实认识原子结构、元素性质呈周期性变化的规律，建构元素周期律。元素周期律位于“苏教版”必修二专题1第一单元《原子核外电子排布与元素周期律》这一节，此前学生已经知道典型的金属元素和非金属元素的性质，这些内容比较分散，没有形成系统化的元素化合物知识。元素周期律的学习，不仅能提高学生对未知元素结构、性质的预测能力，还能让学生掌握学习化学的方法。

二、教学目标分析

1. 通过分析具体数据寻找原子核外电子排布、原子半径、主要化合价的规律。

2. 从门捷列夫发现元素周期律的史实中，产生学习化学的激情。

3. 结合“位置——结构——性质”的学科观念，体会元素周期律在未知元素中探寻的奥秘。

4. 初步形成基于证据的逻辑推理能力，尝试发现隐藏在事物背后的内在联系。

三、教学重难点分析

教学重点：建构关于元素周期律的认知模型。

教学难点：预测未知元素的性质、用途。

四、教学过程

环节一：巧用化学史，引发宏观辨识

以微博热搜导入，学生在猜春节对联的过程中不自觉地翻开课本，寻找对应元素在元素周期表中的位置。

证据1：门捷列夫的第一张元素周期表。1869年，门捷列夫在分析和总结前人经验的基础上，提出了自己的第一张元素周期表。在观察的过程中会发现周期表中还有很多问号，此时再引导学生思考问号的含义。

证据2：门捷列夫的预言。门捷列夫在铝的下方给“类铝”留了一个位置，并预测了它的性质。这种神奇的预言能够为学生营造一种神秘的氛围，在其沉浸于门捷列夫的伟大时，即刻给出第二张元素周期表。这种强烈的反差设计，学生很容易體会到纵然是被人铭记的门捷列夫也会有考虑不全的时候，进而意识到任何理论都需要不断完善。

证据3：不断改进的元素周期表。课本附录中展示的元素周期表是在门捷列夫周期表的基础上得到的，其实历史上曾出现过各种类型的元素周期表，虽然最后没有采用，但是依旧有其存在的意义。

问题驱动：元素周期表中的部分元素是为了纪念科学家命名的，组织学生讨论这种做法的意义。

设计意图：按照门捷列夫的生平故事→门捷列夫的第一张元素周期表→神奇的预言→门捷列夫的第二张元素周期表→形式各异的元素周期表的顺序→纪念元素的由来展开。元素周期表是元素周期律的体现，各种类型证据的展示，能够帮助学生从宏观角度辨识元素周期律。

环节二：分析具体数据，建立认知模型

证据1：1-18号元素的原子结构示意图。学生需从提供的1-18号元素的原子结构示意图中，观察数据，寻找元素原子核外电子排布的规律。

证据2：原子序数为3-9和11-17元素的原子半径。学生需从原子半径的具体数据出发，以原子序数为横坐标、以原子半径为纵坐标画出柱状图。观察自己所画图形，推理出原子半径随原子序数的变化规律。

证据3：1-18号元素的主要化合价。学生需依据1-18号元素的主要化合价数值，以原子序数为横坐标、以化合价为纵坐标画出折线图。观察自己所画图形，推理出随原子序数的递增，元素的主要化合价的周期性变化。

问题驱动：结合元素所处的位置，引导学生讨论原子半径、主要化合价随原子序数递增呈现周期性变化的原因。

设计意图：学生能够根据图片、表格、自己所画的折线图等推理出元素周期律的具体内容，这种设计能够培养学生使用数据、分析数据的能力。初中生主要是基于代表物及其分类认识物质，此处开始引导学生从原子结构（微观）的角度认识元素的性质，初步建立关于元素周期律的认知模型。

环节三：自主实验，体味创新意识

证据1：学生实验。组织学生阅读课本中关于元素的金属性和非金属性的信息提示，引导学生设计实验方案，并据此做实验。根据直观的实验现象，学生能够认识到钠、镁、铝与水（或酸）的反应越来越难，从而间接推理出从左到右元素的金属性在减弱。总结之后，播放第一主族金属元素与水的反应，根据剧烈的实验现象推测出从上到下元素的金属性在不断增强。

证据2：第三周期非金属元素的性质。先播放第三周期非金属单质与氢气反应的视频，再引导学生阅读教材分析得到硅、磷、硫、氯与氢气的化合越来越容易，最高价氧化物对应的水化物的酸性在增强，间接推理出元素的非金属性在增强。

问题驱动：结合元素所处的位置，启发学生讨论元素的金属性和非金属性随原子序数递增呈现周期性变化的原因。

设计意图：在设计实验、预测现象、得出结论、寻找规律的过程中，培养学生的创新意识。从原子结构角度认识典型元素的性质，从中总结一般规律，初步形成“位置——结构——性质”的学科观念，建立关于元素周期律的认知模型。

环节四：预测未知元素，承担社会责任

在元素周期律的指导下，我们已经解决了实际生活中的很多问题，但还有许多迷人之处等待我们去发现。

问题驱动：1925年，美国化学家曾在元素周期律的指导下，研究出一种性质稳定、无毒且易液化的制冷剂CF2Cl2，代替了之前电冰箱一直使用的氨气、二氧化硫和丙烷。后来，我们发现氟氯代烷在慢慢地破坏高空的臭氧层，对地球的生命造成不可估量的损害。你能结合元素周期律想出新的替代物吗？

设计意图：结合“位置——结构——性质”之间的联系，引导学生感悟利用元素周期律发现氟氯代烷的具体实例，再抛出目前存在的具体问题，继续从元素周期律的角度出发研究新的替代物。这个环节的设置，可以帮助学生形成“位置——结构——性质”的学科观念。

证据推理要求学生具有证据意识，能基于证据对物质组成、结构及其变化提出可能的假设，通过分析推理加以证实或证伪。在元素周期律的教学设计中，有完整的证据链，学生能够很快地参与每个环节之中，据此提升自己基于证据的逻辑推理能力。

模型认知要求学生知道可以通过分析、推理等方法认识研究对象的本质特征、构成要素及其相互关系，建立认知模型，并能运用模型解释化学现象，揭示现象的本质和规律。在元素周期律的教学设计中，先初步建立元素周期表，再借助原子结构示意图、原子半径、主要化合价的变化规律图逐步建立对元素周期律的认知模型，依据模型推测未知元素的性质，从而更好地为生活服务。

参考文献：

[1] 教育部.普通高中化学课程标准（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018.

[2] 盛根玉.门捷列夫发现元素周期律的历史考察[J].化学教学，2011，（5）：65-69.

责任编辑 易继斌