从提高学生科学论证能力看“元素周期规律”的先进教学_元素周期律论文

基于提升学生科学论证能力的“元素周期律”进阶教学，本文主要内容关键词为：进阶论文,能力论文,科学论文,学生论文,元素周期律论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。

      一、问题的提出

      1.科学论证能力在科学学习中的重要意义

      论证是指一个人“利用证据去支持自己或反对他人的意见、主张或结论”的过程[1]，而论证能力作为学生的高阶思维技能，可反映在论点提出、数据分析和证据权衡等层面的能力上。[2]

      20世纪80年代以来，全球性的科学教育改革都将科学探究作为核心内容，并把提高学生的科学素养作为课程的核心目标，即培养学生具备像科学家一样收集资料，分析数据，形成想法并与科学社群进行沟通互动的能力，让学生为他们的想法寻找理由及论据，进而提高逻辑推理和问题解决能力。从研读我国《义务教育化学课程标准（2011年版）》[3]和《普通高中化学课程标准（实验）》[4]可知，科学论证是科学探究的重要过程，科学探究在提升学生论证能力上具有推动作用。基于探究活动的“科学论证”主要有3重含义：（1）科学家根据所得证据而提出科学解释的各种不同方式；（2）学生在科学论证活动中掌握的一种主动学习方式；（3）教师让学生从已有经验中产生问题，并进行探究论证的一种教学策略。

      2.已有的学生科学论证能力研究

      OECD自1997年起筹划的全球性PISA项目[5]中，“科学素养”评比一直关注3个维度：（1）运用科学知识解释科学现象的能力；（2）辨识问题形成科学议题的能力；（3）根据证据获得结论的科学论证能力。PISA 2012最新结果[6]揭示，我国上海学生在阅读、数学和科学知识3项上都位居全球第一，但细读成绩单后不难发现学生在科学论证及解释能力上却是相对落后。学生论证能力的培养和提升，应当是中国大陆地区科学教育研究中的重要课题。

      关于学生科学论证能力的已有研究集中在4个方面：（1）阐释论证能力与科学学习的关系[7]；（2）基于科学论证的教学实证研究[8-9]；（3）论证教学对学生科学本质观的影响[10]；（4）科学论证的模式及其评价[11]，但鲜见对化学教学实践中如何提升学生科学论证能力进行论述。

      3.本研究的主要任务与目的

      作为化学学科重要的基本理论，元素周期律是表征人们对自然事物的理解的知识实体，是“人们认识得以建立、拓展、精致和修改的实践”[12]；其曲折发展历程折射出人类认知所经历的漫长探索和论证过程，在提升学生对科学本质的理解上具有促进作用[13]。以“元素周期律”为内容载体，通过学案上若干核心问题驱动学生“证据导向式”论证活动，学生在科学探究和数据分析的论证过程中培养证据和数据意识，提升逻辑推理和论证能力。基于此，确定本研究的主要任务：（1）建构元素周期律认识模型；（2）设计元素周期律“证据导向式”的论证教学环节；（3）基于提升学生科学论证能力的元素周期律教学建议。

      二、基于提升学生科学论证能力的元素周期律教学设计

      1.基于学习进阶理论建构元素周期律认识模型

      归纳分析大学和初、高中化学教材中[14-17]涉及的元素周期律的核心概念和原理知识，可知元素周期律研究元素性质的周期性变化规律，其思维跨度较大，在学习过程中学生的逻辑推理、科学论证能力无法一蹴而就。学习进阶（Learning Progressions）理论[18-19]认为学科知识和技能的学习是分阶段和有明确路径的，这表明教师应高度关注学生学习过程的方向、路径和每个阶段的水平要求。基于学生元素周期律认知发展层次的分析（见表1），新课教学需要帮助学生建构“体现学科本质，利于知识结构化，助于问题解决思路化”[20]的认识模型。

      

      在学习本课之前，绝大多数学生对元素周期律的认识停留在水平1或2（见表1），即基于代表物及分类观认识物质性质或基于元素观认识物质性质，多数学生在《化学1》的学习历程中已建构起以代表物和核心元素为主线的认知图式，并且累积了一定的元素化合物知识及科学探究活动经验，但未从元素性质递变的本质原因进行研究和论证。根据最近发展区理论，水平3及水平4是学生元素周期律认知的近侧发展区，即学生要通过元素“位置—结构—性质”论证元素性质的递变规律或借由物质“构成—性质—用途”来论证物质性质的递变规律，最后进阶至水平5——“基于元素性质认识物质世界”，而元素周期律的探究和论证过程则为学生提供了相关的问题情境和活动主线。

      从知识本体来看，元素周期律是学生能够通过科学探究或数据调查等实证研究方法收集论据支持，并检验、解释与论证元素性质递变规律的理论知识。从认识对象来看，元素周期律包括元素维度和物质维度2个核心要素，元素维度从元素的“位置—结构—性质”3个方面进行研究，物质维度则从物质的“构成—性质—用途”3个方面进行学习。从学习任务来看，学生对同周期或同主族元素性质递变规律的探究，通过数据分析和科学探究2种论证活动培养学生的数据意识和证据意识。从元素周期律的本体维度、认识维度和任务维度，提出并构建适用于高中阶段的元素周期律认识模型（见图1），其中元素“位置—结构—性质”与物质“构成一性质一用途”间的关系体现了化学学科思想；学生在提出问题，收集证据，解释交流及构建模型的进阶过程中提升科学论证能力。

      

      2.基于学生有序、全面、系统的思维进阶过程确定教学目标

      通过整理已有的学生认知研究和分析大量课堂案例发现，学生在元素周期律的学习中存在一些认识缺失：（1）概念不清、思维无序：学生知道要通过研究物质性质来论证元素性质的递变规律，但总将元素性质与物质性质混淆，未能理解金属性与还原性、非金属性与氧化性之间的差异；（2）片面认识、厚此薄彼：关于元素周期律，学生倾向于记住物质“构成—性质—用途”间的联系，而忽视元素“位置—结构—性质”关系的重要性；（3）思维的系统性不够：学生预测未知元素相关性质的方法单一，缺乏系统分析和推理论证的思路；而研究物质性质的方法基本上只是借助于物质分类和知识记忆。

      元素周期律的发展过程，是人们借由各种实验数据和事实证据，并经过推理、论证后形成科学理论的漫长认识过程。Toulmin所提出的TAP论证模式[21]（Toulmin Argumentation Pattern）对元素周期律认识模型在论证理论和研究方法2方面上有重要指导意义（见图2）。为了让学生在有序、全面、系统的思维体验过程中理解科学本质，本研究基于学生元素周期律认识模型的建构过程设计科学论证活动环节（见图3）。

      

      

      元素周期律认识模型的构建过程，不仅依赖学生有序、全面、系统的思维发展，还以相关科学论证活动为基础。基于表1学生元素周期律认知发展层次的分析，必修模块元素周期律新授课主要的教学目标应该定位于：（1）学生通过科学论证活动建构元素周期律认识模型，将元素周期律认识水平逐级进阶至基于元素“位置—结构—性质”认识元素性质，基于物质“结构—性质—用途”认识物质性质，基于元素性质递变的本质原因认识物质世界；（2）学生在完成进阶论证任务的过程中转化个人的迷思概念及错误认识；（3）学生体会科学家探索元素周期律的曲折过程，加深对分类法、归纳法等科学方法的认识，认识到科学理论的形成要接受科学社群的论证和认可。

      3.元素周期律中教学内容和论证任务的选取与组织

      从学习进阶角度讲，学生学习元素周期律，最终面临的问题多是推理预测型任务，所以元素周期律新课教学过程要关注教学内容和论证任务的选取以提升学生的论证能力：通过数据分析的方法提炼元素性质与原子结构关系的规律，通过实验论证提炼物质性质与原子结构关系的规律（见下页表2），引领学生在“证据导向式”的论证活动中建构元素周期律认识模型，从科学本质上理解元素周期律的预测功能及其对科技研究、工业生产的指导作用。

      4.基于提升学生科学论证能力的元素周期律教学片段

      （1）基于数据分析的方法论证元素化合价、原子核外电子排布、原子半径的周期性变化

      [学生活动1]填写人教版教材《化学2》第14页表格；以1—18号元素为例，以原子序数为横坐标、原子最外层电子数及化合价（最高正价、最低负价）为纵坐标，制作直方图并观察所得图形（见图4）。

      

      

      [学生活动2]根据教材第14页表中原子半径数据，以原子序数为横坐标、原子半径为纵坐标，绘制折线图，从点、线、面3重层次进行数据分析，归纳规律（见图5，图6，下页图7）。

      

      

      [学生活动3]预测元素原子核外电子排布规律、原子半径及化合价变化规律，并通过图表制作、数据分析等方法得到论证：随着原子序数的递增，元素原子的电子层排布、原子半径和化合价都呈现周期性的变化。

      

      （2）基于实验证据的方法论证元素的金属性和非金属性的周期性变化

      [学生活动4]回顾碱金属元素金属性强弱的判断标准，从同主族元素迁移到同周期元素，设计实验方案来论证钠、镁、铝元素的金属性强弱顺序（见表3）。小组讨论方案可行性，最终选择实验方案3进行实验论证（见表4）。

      

      

      [学生活动5]回顾卤族元素非金属性强弱的判断标准，从同主族元素迁移到同周期元素，设计方案来论证硅、磷、硫、氯元素的非金属性强弱顺序（见下页表5）。小组讨论方案可行性，通过收集教材第16页表格中事实证据（下页表6）和教材中的文本信息，分析非金属单质氧化性的强弱、氢化物稳定性的强弱及最高价氧化物对应的水化物酸性的强弱顺序，进而归纳、论证元素非金属性的强弱顺序。

      [学生活动6]通过教材第15-16页3个科学探究进行实验论证活动——元素性质随原子序数的递增呈现周期性的变化；联系元素周期表已有知识，推理得知同周期元素性质的相似性和递变性规律，在假设检验和问题解决的探究过程中逐步完成元素周期律认识模型的建构过程。

      （3）基于元素周期律认识模型解决相关的推理、论证任务

      [学生活动7]在高考真题情境（广东2012年高考理综第22题）中，基于元素周期律认识模型解决相关推理、论证任务（个别选项涉及学生未学到的“离子化合物”概念，因此进行了局部改编）。

      

      

      [学习反馈]此题主要考查学生的推理能力及读图获取信息的能力，此题平均分4.37。经历元素周期律认识模型的建构教学的授课班级此题平均分5.45（远高于4.37），测查结果表明：“证据导向式”的论证教学活动使学生开始熟悉分析问题的角度和思路，如基于元素原子结构比较物质性质的差异或预测物质间的反应。

      三、基于提升学生科学论证能力的元素周期律教学反思与建议

      上述研究结果表明，基于论证活动的元素周期律认识模型对促进学生理解结构决定性质等科学本质起到了积极作用。在“证据导向式”的科学论证教学过程中协助学生建构元素周期律认识模型，是必修模块元素周期律教学的有效教学模式。反思《化学2》元素周期律的教学设计与实施过程，提炼出以下有助于元素周期律认识模型建构的有效教学建议：

      （1）以数据分析型任务为主促进学生对元素“位置—结构—性质”间关系的认识，学习任务选取为元素的化合价、原子半径、核外电子排布递变规律的预测、分析与解释。

      （2）以方案设计型任务为主促进学生对物质“构成—性质—用途”间关系的认识，学生在科学探究中驱动控制变量法的学科思维，收集实验证据，形成科学主张，通过查询课本，分析数据等方式提升实证意识[22]。同时，教学中融入“历史重演”的科学家扮演活动，让学生像科学家一样思考、推理、解释、论证，使学生能深入理解元素周期律对科学研究的重要指导作用。

      （3）关注教学任务设计的系统性和阶层性，要注重引导学生形成科学主张和观点（即提出科学猜想），更要让学生形成论证思路和方法，元素周期律的论证过程也是由教师带领学生分步进行的，且相关理论的应用是需要反复训练的，所以教师在教学中要注重教学任务设计的系统性和阶层性，高度关注学生学习过程的方向、路径和每个阶段的水平要求。

      元素周期律认识模型的建构对教师的教学提出新的挑战，在论证教学过程中协助学生建构模型，要求教师本身对元素周期律模型有深入的体会。在模型建构的课堂教学中，教师可能不注重对学生科学论证思路的引导以及科学推论中对限制条件的说明（如强调氧和氟元素无正价）。在教学素材、认知脚手架、论证任务的选取上，教师要注重设计真实的论证式任务，才可以让学生从问题解决的需求中体现模型建构的价值及论证模式的功能。

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