基于证据推理的初中化学教学实践

摘要

以九年级化学“溶液的形成（第一课时）”为例，构建了以证据推理为导向的教学设计。在教学中，利用溶解氧传感器实时监测水体溶解氧含量的变化；运用控制变量法，探究溶质与溶剂本身性质对溶解性的影响，深化学生对控制变量法的理解与运用；借助电导率仪与色度计等定量工具，科学验证溶液的均一性；通过将微观模拟动画与宏观导电实验联动，直观揭示分散体系的微观本质，构建“宏观辨识—微观探析”的认知路径。实践表明，该设计依托问题驱动与多模态数据支撑，有效发展了学生的实证意识与模型建构能力。特别是在实践操作环节，以规范实验操作为载体，有机融入了严谨求实的工匠精神，实现了化学学科育人与核心素养培养的深度契合。

Graphical abstract

关键词

证据推理 / 数字化实验 / 模型 / 溶液 / 初中化学 / 教学实践

《义务教育化学课程标准（2022年版）》（以下简称《课标》）明确将“科学思维”列为化学课程核心素养的关键要素^［1］。其中，“证据推理”作为科学思维的核心载体，是学生掌握化学概念、开展科学探究及解决真实问题的关键能力^［2］。鉴于此，实验教学应着重强化学生“获取证据”与“基于证据推理”的双重能力^［3］，即引导学生通过实验观测收集实证，进而推演本质、形成结论^［4］。

为说明问题，笔者以人教版（五·四学制）《化学》九年级全一册“溶液的形成”（第一课时）为例，聚焦微观认知难点，探索并阐释以证据推理为导向的教学设计策略，以期为发展学生化学核心素养提供实证案例。

1 教学主题内容与教学现状分析

1.1 教学主题内容

溶液作为一类重要的分散体系，广泛渗透于生产、生活、医疗及科研等领域，是中学化学的核心内容之一。该单元的学习兼具定性与定量双重维度：既要从组成、性质及用途等视角定性认识溶液，又需从溶解度、溶质质量分数等层面进行定量分析。此外，该内容是衔接义务教育阶段酸碱盐性质与高中水溶液中的离子反应、分散系等知识的关键桥梁。“溶液的形成（第一课时）”隶属于《课标》“物质的性质与应用”学习主题。该节课通过BCMAP五维架构（Big Idea 大概念、Core Knowledge 核心知识、Methods 基本思路与方法、Attitudes 重要态度、Practice 重要实践）对教学内容进行解构，具体结构如图1所示。

授课前，学生已具备一定的溶液认知基础。在生活中，学生频繁接触各类溶液，并在小学科学课中初步了解了溶解现象，积累了丰富的感性经验。然而，其认知多停留于表象，尚未建立“宏观—微观”的联系，缺乏对溶解过程微观实质及溶液特征的深度理解。值得注意的是，溶解的微观本质是后续学习酸、碱、盐乃至高中化学离子平衡的关键基石。

在跨学科基础方面，学生已掌握物理光学中“光在同种均匀介质中沿直线传播”的规律，这为探究溶液的均一性提供了方法论支持。在实验技能方面，学生已熟练掌握了药品取用、称量与溶解等基本操作。但也需正视，学生在知识迁移、解决实际复杂问题以及实验探究的综合分析能力上尚有欠缺，证据推理能力也亟待加强。

1.2 教学现状分析

传统的“溶液的形成”教学多采用“概念灌输—习题巩固”模式，侧重于对定义的识记与辨析^［5］。随着《课标》的颁布，微项目式教学逐渐兴起，涌现出“白衬衫的控诉”“护手霜的制作”及“奶茶的制作”等典型案例^［6-8］。然而，现有教学仍存在三重局限：其一，鲜有学者从物质分散形式的差异出发，引导学生建构混合物分类的认知模型；其二，对溶液均一性的验证，多停留在观察颜色、品尝味道等感官层面，缺乏从定性到定量、融合传统实验与数字化手段的深度探究；其三，“溶解”与“乳化”的教学设计往往割裂，缺乏贯穿始终的真实情境链条。因此，创设一以贯之的驱动情境，依托进阶式实验探究，强化循证意识，培养学生的证据推理能力，进而实现深度学习与高阶思维的发展，成为突破该课教学瓶颈的关键。

2 教学目标

（1） 通过设计实验验证溶液的均一性，强化实证意识，提升实验设计与跨学科知识综合运用能力；通过对混合物分类的学习，认识物质的多样性，初步形成分类观。

（2） 通过对不同溶液电导率数据的分析，建立宏观现象与微观粒子的本质联系，发展“宏观辨识与微观探析”的学科素养；基于溶液概念的建构，有效提升从个别到一般、从现象到本质的归纳概括能力。

（3） 通过合作探究影响溶解性的因素，熟练掌握控制变量法在对照实验设计中的应用，初步建立模型认知的思维框架，体会科学探究的一般方法。

（4） 通过大国工匠事迹的浸润与动手制作洗涤产品，树立社会责任意识，弘扬精益求精的工匠精神，提升劳动实践能力。

3 教学流程

该节课以“00后大国工匠”孟江华的事迹切入，在落实思政育人的同时，引出“如何除去衣物污渍”及“不同污渍与水混合现象有何差异”的核心议题。教学设计以“溶解去污—乳化去污—自制洗涤剂”为情境主线，同步铺设问题链、活动串与知识轴，实现四线交融、协同发力，共同指向化学核心素养的发展。教学流程如图2所示。

4 课堂实录

【创设情境】播放反映大国工匠孟江华事迹的视频。

【引入课题】正如“00后大国工匠”孟江华，他用汗水与坚守将平凡的工作雕琢成了精湛技艺，在普通岗位上诠释了“劳动光荣、技能宝贵”的精神，践行了强国之志。

（过渡）那么，作为新时代的中学生，我们虽未身处车间，但细心观察便知，工人师傅工作时衣物沾染污渍在所难免。

由此引出该节课的核心驱动性问题：①面对不同污渍（油污、墨水等），如何科学去除？②若将污渍组分分别溶于水，会呈现出怎样的现象？其本质区别何在？

【分组实验】取5支洁净试管，依次编号为①～⑤，各加入5 mL蒸馏水。①号试管加入一小药匙面粉，振荡；②号试管加入2 mL植物油，振荡；③号试管加入一小药匙食盐，振荡；④号试管加入一小药匙蔗糖，振荡；⑤号试管加入2 mL食用色素，振荡。

【实验分析】实验表明：①②号试管中的混合物静置后分层，外观浑浊，属于不均一、不稳定的混合物；③④⑤号试管中的混合物澄清透明且不分层，具有相对稳定的特征。此时教师引导学生质疑：“外观澄清是否就意味着物质分布绝对均一？我们如何通过实验证据（如电导率测试、密度测定或光路追踪）来科学验证其均一性本质？”

【实验展示】学生运用物理课上习得的“光在同种均匀介质中沿直线传播”规律，进行跨学科验证。他们将激光笔发出的光束射入蔗糖水中，观察到对面光屏上出现边界清晰、形状规则的明亮圆形光斑，并且从侧面几乎看不到光路。这一现象有力地证明了蔗糖水具有均一、稳定的内部结构。

【教师追问】刚才，这位同学巧妙地利用光学原理，定性验证了蔗糖水的均一性。那么，我们能否更进一步，从定量的视角提供确凿的证据，来证实这种均一性呢？

【演示实验】教师应用色度计分别测定⑤号试管（色素溶液）上层、中层及底层液体的吸光度值，测得数据均为0.12（吸光度，Abs），相对偏差小于1%，证实其颜色分布均匀。同时，应用电导率仪测定③号试管（食盐水）不同部位的电导率值，示数稳定维持在12.5 mS/cm（或12 500 μS/cm），无明显波动，这就从定量角度验证了溶液的均一性。

【分析追问】通过以上实验，可以得出③④⑤号试管中的混合物是均一的。①②号试管中的混合物不均一、不稳定，我们称这样的混合物为浊液；③④⑤号试管中的混合物均一、稳定，我们称这样的混合物为溶液。其中，①号试管中的物质是以固体小颗粒的形式分散，我们称这样的浊液为悬浊液；②号试管中的物质是以小液滴的形式分散，我们称这样的浊液为乳浊液。那么，在溶液中物质又是以何种形式分散的呢？

【演示实验】用电导率仪分别测定水、蔗糖水、食盐水的电导率。

【实验分析】蔗糖水的电导率与纯水基本持平，均约为10 μS/cm，表明蔗糖水和水几乎不导电；而食盐水的电导率为12 542 uS/cm，这说明食盐水能够导电。我们知道，金属之所以能够导电，是因为金属中存在能够自由移动的电子。食盐水能够导电，是否说明食盐水中也存在能够自由移动的带电微粒呢？

【学生活动】分别绘制蔗糖和氯化钠溶解的微观示意图。

【微观动画】动画演示蔗糖和食盐溶于水的微观过程。

【分析总结】蔗糖水中蔗糖以分子形式分散，微粒不带电，所以蔗糖溶液不导电；食盐水中食盐以离子形式分散，微粒带电，所以食盐水导电。物质以分子或离子形式分散，这便是溶液形成的微观实质，正是溶液形成的微观实质不同，决定了溶液是否具有导电性这一宏观特征。任何宏观物质都是由微观粒子聚集而成，因此，物质的微观结构决定了它的宏观性质。溶液和浊液同为混合物，但性质截然不同，正是缘于它们的分散实质不同。

【初建概念】学生初步建构的溶液概念为：一种物质分散在水中形成的均一、稳定的混合物。

【教师引导】展示图片：盐汽水配料表。

【修正概念】一种物质或几种物质分散在水中形成的均一、稳定的混合物。

【教师引导】展示图片：碘酒。其中，碘为溶质，酒精为溶剂。

【完善概念】一种物质或几种物质分散在另一种物质中形成的均一、稳定的混合物。

【教师补充】这里的一种物质或几种物质我们称为溶质，另一种物质称为溶剂。

【学生活动】分别指出可乐、白酒、高锰酸钾溶液中的溶质与溶剂。

【教师追问】溶质是否只能为固体或液体？如何直观看到气体溶于水的过程呢？

【演示实验】将氧气通入水中，利用溶解氧传感器实时监测数据变化（图3）。数据显示氧含量显著上升，证实了气体能够溶解在水中形成溶液。

【总结追问】水之所以能够洗掉多种污渍，是因为这些污渍溶于水且随水流走。但是有位同学早上吃饭时将食用油溅到了衣服上，怎么也洗不掉，后来在老师的指导下用汽油很快就擦掉了。这是为什么呢？

【学生回答】油污能溶于汽油，不溶于水。

【教师追问】影响物质溶解性的因素有哪些呢？你能设计实验进行探究吗？在设计实验时应注意什么？

【学生回答】控制变量。

【教师追问】如何控制变量？

【分析总结】师生共同分析该实验中如何控制变量，并提炼出控制变量的一般模型，如图4所示。

【学生实验】小组合作完成实验，实验现象见表1。

【实验结论】师生共同分析并得出实验结论：物质的溶解性决定于溶质和溶剂本身的性质。

【教师引导】在做饭时，经常遇到各种污渍，但很少用汽油除油污，这主要是考虑汽油的毒性和安全性。既然油污不溶于水，汽油虽能溶解油污但有隐患，那洗洁精又是如何让油污消失的呢？它与汽油的去污原理相同吗？

【演示实验】教师演示乳化现象实验。

【实验总结】通过分析以上实验，得出乳化去污原理（洗涤剂使油污在水中分散成无数细小液滴，混合物不再分层，形成的细小液滴能随水流动）。

【教师引导】今天，我们一起学习了乳化去污和溶解去污，在以后的学习中，还将学到更多的去污原理和去污方式。学到这里，你是否想亲手制作一款洗涤用品呢？

【学生活动】学生化身“小小调配师”，依据乳化原理精准配比原料制作洗手液，在动手实践中体会化工生产的严谨性与大国工匠的精益求精。

【本课小结】师生共同回顾：物质世界是多样的，分散体系亦然。我们通过宏观辨识（均一性、稳定性、导电性）探析微观实质（分子、离子分散），确立了“结构决定性质”的化学观念。通过定性观察和定量验证，我们建构了溶液的概念，更在对比观察中领悟了溶解与乳化的差异。

【课堂评价】该节课采用多元评价体系，结合过程性评价（实验操作、小组讨论）与表现性评价（制作洗手液），依据评价量表从“问题价值、方案逻辑、合作效能、证据推理”共4个维度进行现场赋分，即时评选“最佳探究小组”与“科学思维之星”，以评促学，激励成长。

5 教后反思

5.1 问题情境驱动，激发探究动机

该节课以“00后大国工匠”孟江华的事迹为思政锚点，将宏大的“强国志”具象化为“去除油污”的真实任务，赋予了化学知识鲜明的时代价值，并有效增强了学生的社会责任感。

依托“工人衣物去污”这一真实情境，以“溶解—乳化”为认知主线，驱动学生从被动接受转向主动探究。在教学过程中，教师通过现象设疑，引导学生经历“方案设计—实证检验—数据分析—模型建构”的完整科学探究闭环。在这一过程中，学生不仅习得了知识，更在证据的搜集与推演中完成了逻辑思维与实证意识的有效淬炼，实现了高阶思维能力的跃迁。

5.2 多维度证据链整合，深化科学思维

通过面粉、油、食盐等物质的溶解实验，学生从宏观上认识了物质分散的三种基本类型（悬浊液、乳浊液和溶液）；借助物理可见光的传播特性设计均一性验证实验，实现了跨学科知识的迁移与应用，凸显了科学方法的普适性；利用色度计与电导率仪进行定量检测，多维度证实了溶液的均一性。

进一步实现宏观导电性实验与微观动画的联动，引导学生基于证据推演分散体系的微观本质，构建“宏观性质↔微观结构”的因果逻辑链。这不仅为后续从微粒观视角理解酸、碱、盐的反应奠定了基础，也为混合物的分离、提纯及物质制备提供了核心的认知模型^［9］。

5.3 技术赋能实验，强化证据说服力

数字化传感器（溶解氧传感器、色度计）的应用，驱动实验从定性观察向定量分析的转向，以精准数据（溶解氧含量、吸光度值）夯实了结论的客观性与科学性；虚拟动画对溶解微观进程的模拟，直观解构了分子与离子的分散行为，有效消解了微观认知的抽象壁垒。

参考文献

[1] 中华人民共和国教育部. 义务教育化学课程标准（2022年版） ［S］.北京：北京师范大学出版社，2022.

[2] 曾海辉.基于“证据推理”的化学教学设计：以“解密自热包”为例［J］.化学教学，2022（09）：46-50，56.

[3] 洪兹田，陈女婷.基于“证据推理与模型认知”的初中化学实验教学研究：以“金属资源保护”教学为例［J］.西藏教育，2024（09）：30-34.

[4] 房喻，王磊.义务教育化学课程标准（2022年版）解读［M］.北京：高等教育出版社，2022.

[5] 李亚琪，王帮进.基于真实情境的初中化学教学设计：以《溶液的形成》为例［J］.内江科技，2024，45（06）：26-28.

[6] 杨香涛.基于真实生活情境的初中化学教学设计：以“物质在水中的分散”为例［J］.化学教育（中英文），2020，41（23）：22-26.

[7] 张军，吴永才.基于真实情境的初中化学微项目教学实践与反思：以“溶液的形成”为例［J］.化学教育（中英文），2022，43（17）：41-46.

[8] 高薛琴.走进真实情境的初中化学教学：溶液的形成［J］.化学教育（中英文），2023，44（05）：32-38.

[9] 王琳.落实核心概念功能价值演变的复习课教学：“溶液”单元复习［J］.化学教育（中英文），2022，473（19）：31-39．

基金资助

山东省教育科学“十四五”规划课题“基于跨学科融合的初中科学教育课内外联动机制研究”(2023YB008)