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摘要：基于“证据推理与模型认知”核心素养的角度对“乙烯”主题进行教学设计，创设情境，采用任务驱动的方法，通过小组合作、探究学习、搭建模型等学生活动促进学生利用图像、图表、数据、文本等证据推出合理结论，建立观点、结论和证据之间的逻辑关系并构建有机推断认知模型，发展化学核心观念和高阶思维。
关键词：证据推理;模型认知;乙烯;教学案例
文章编号：1008-0546（2019）07-0061-04
中图分类号：G632.41
文献标识码：B
doi： 10.3969/j .issn.1008-0546.2019.07.018
一、研究背景
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[1]。普通高中化学课程标准（2017年版）提出了五个方面的核心素养：宏观辨识与微观探析、变化观念与平衡思想、证据推理与模型认知、科学探究与创新意识和科学态度与社会责任。其中，证据推理与模型认知要求学生具有证据意识，能够充分利用分析推理来建立观点、结论和证据之间的逻辑关系，进而认识研究对象的本质特征、构成要素及其相互关系，建立模型。布卢姆教育目标分类中，将“知道、理解、运用”称为低阶思维，而将“分析、综合、评价”称为高阶思维[2]。从化学思维角度来说，证据推理与模型认知正是一种化学高阶思维，旨在培养学生的创新能力、问题求解能力、决策能力和批判性思维能力。高中阶段的学生正处于心智趋于成熟的关键时期，已经具备一定的低阶思维能力，而高阶思维的匮乏使得他们缺乏一定的批判性、创新性和深刻性，作为培养人的教师而言，实施培养化学高阶思维能力的教学具有重大的意义。
二、教学思路和设计
1.教材分析
“石油化工的龙头——乙烯”位于沪教版第十一章《认识碳氢化合物的多样性》中的第二节，是烷烃教学的结束同时也是不饱和烃教学的开始，在教材结构上有承上启下的功能。在掌握以甲烷为代表的烷烃的结构和性质的基础上，进一步建立物质结构（官能团）和性质之间的关系，深化“组成、结构决定性质，性质反映结构”[3]的有机化学核心观念，乙烯作为首个体现官能团特性的有机物其重要性不言而喻。而搭建球棍模型是学生学习有机化学最好的活动方式，是体验证据推理、模型认知、科学探究等核心素养的最有效的平台，更是培养逻辑思维、创新意识和科学精神的化学高阶思维的重要载体。
2.教学目标
（1）书写乙烯的分子式、结构式、结构简式、电子式，描述乙烯的空间构型[4]。
（2）说出乙烯加成反应的反应机理，书写相关反应的化学方程式。
（3）知道可以通过分析、推理等方法认识乙烯结构和性质的关系，建立认知模型。
（4）了解推测有机物结构的一般方法，感受证据推理的严谨性、科学性。
3.教学策略
以建构主义学习观为理论基础，将证据推理和模型认知素养设定为引领整个教学的核心观念，通过图像、图表、数据、实验、文本、信息等引导学生利用合适的证据推测乙烯加成反应的机理。在提出假设一建立模型一搜集证据一修正模型的过程中深入认识乙烯的组成和结构，建构完整的探究烯烃特征反应机理的历程，应用模型完成有机推断拓展探究并形成解决有机推断问题的一般思路，深刻体会基于证据的推理和模型的建构来解决实际问题的一般过程。
4.教学流程
以任务驱动的方式达成学习目标，有意识地培养化学学科核心素养。具体过程如表l所示。
三、教学过程
1.创设情境，初尝证据推理
引入：乙烯的“龙头”地位
[教师提问]石油化工产品之一的乙烯为何能被冠以“龙头”称号？地位之高何以见得？
[各抒己见]乙烯用途广泛，乙烯年产量高。
[资料介绍]①乙烯是合成纤维、合成橡胶、合成塑料（聚乙烯及聚氯乙烯）、合成乙醇（酒精）的基本化工原料，还可用作水果和蔬菜的催熟剂，是一种已证实的植物激素（图1）。②乙烯是世界上产量最大的化学产品之一，乙烯产品占石化产品的75%以上，在国民经济中占有重要的地位。中美乙烯产能在全球举足轻重（图2）。
设计意图：联系生产生活提出问题，利用图表数据分析并寻找合理解释乙烯“龙头”地位的原因，由此引入课题，不但提供了学生尝试证据推理的机会，同时还通过中关乙烯产能的对比激起学生的爱国心，社会主义核心价值观得以体现。
2.利用旧知，搭建新知模型
任务1：初识乙烯分子结构
[教师讲解]通过一定量的乙烯燃烧后产生的C02和H20的质量可推测乙烯的分子式为C2H4，乙烯是由2个碳原子和4个氢原子组成的，请同学们利用球棍模型拼装模型（以下简称拼装模型）搭建乙烯可能的分子结构。
[小组合作拼装]展示乙烯的球棍模型，只有一种，如图3。
[观察模型]乙烯的空间结构？书写乙烯的电子式、结构式、结构简式。
设计意图：证据的基本类型包括图像、图表、数据、文本信息和已有经验（知识、原理和规律），学生利用已有经验，在旧知的基础上建立新知，完成乙烯球棍模型的搭建，是模型认知的第一阶段——收集证据并提出初步模型。
3.证据推理，修正初步模型
任务2：探究乙烯加成反应机理
[演示实验]将乙烯通入溴水中，溴水褪色。
[教师提问]可能发生的化学反应有哪些？联系烷烃的化学性质和乙烯的结构从旧键的断裂和新键的形成角度利用拼装模型推测该反应可能的产物并说明理由。
[小组讨论]四人一组，根据拼装模型写出可能的反应方程式。汇报结果。
[反应1：取代反应]乙烯与溴单质发生取代反应，乙烯中碳氢键发生断裂，溴原子取代了其中一个氢原子，生成溴乙烯和溴化氢。（根据取代反应的特点，该反应还可以继续进行，生成多種溴代产物。）化学反应方程式如下：CH2= CH2 Br2→CH2=CHBr HBr，产物的球棍模型如图4。 [反应2：加成反应]乙烯中碳碳双键中的一根键发生断裂，两个溴原子分别与两个碳原子相连，形成新的共价键，生成1，2一二溴乙烷。化学反应方程式如下：CH2=CH2 Br2→CH2BrCH2Br，产物的球棍模型如图5。
[反应3：双键全断]从球棍模型中看出乙烯碳碳双键中的两根键一模一样，若其中一根可以断裂的话另一根也能断裂，再与溴原子结合形成新的共价键，故可生成2个二溴甲烷。化学反应方程式如下：CH2= CH2 2Br2→2CH2Br2，产物的球棍模型如图6。
[提供资料，再次讨论]结合资料卡片，推出合理结论。
[小组讨论，推出结论]资料1中实验现象①可以说明反应后溶液呈酸性，溴水本身就是酸性的，无法得知产物中是否含有HBr。②可以说明产物不能使酸性高锰酸钾褪色，该物质结构可能与烷烃相似。资料2中洗气瓶增大的质量应为乙烯的质量，根据实验数据通过计算可以知道反应中乙烯和溴单质的物质的量之比为1：1。综上所述，乙烯能使溴水褪色应发生了反应2（加成反应）。
资料卡片
资料1：某研究性课题小组对乙烯和溴水反应的产物进行研究。①取反应后的混合液体，用pH试纸测定产物的酸碱性，显酸性。②将产物静置分层后，取少量下层有机液于试管中，滴加酸性KMn04试液，试液不褪色。
资料2：在装有1609质量分数为5%的浓溴水的洗气瓶中通入乙烯气体，反应后测得洗气瓶质量增加1.40g。
任务3：再探乙烯分子结构
[问题讨论]乙烯与溴单质加成时为何只断开了碳碳双键中的一根键？在断键过程中的能量变化是怎么样的？能量大小说明了什么？
[学生回答]双键中的两根键是不同的，其中一根键容易断裂。断键需要吸收外界能量，说明其中一根键的键能较大，一根键的键能较小容易被破坏。
[教师追问]键长的大小如何比较呢？
[学生回答]键能越大，鍵长越短;键能越小，键长越长。
[数据支撑]课件展示键能和键长大小数据。如表2。
[提出任务]搭建更合理的乙烯分子球棍模型。
[学生汇报]新的乙烯分子球棍模型如图7。
任务4：归纳乙烯化学性质与其官能团的关系
[学生思考，归纳关系]碳碳双键是乙烯的官能团。乙烯的官能团（结构）决定了乙烯能发生加成反应这样的化学特性，而乙烯的化学性质也能够反映出它的结构中含有碳碳双键这样的官能团。
[教师概括，知识延伸]“组成、结构决定性质，性质反映结构”一直是我们学习有机化学的核心思想。根据加成反应机理完成乙烯与H2、X2、HX、H2O等物质发生加成反应的化学方程式。思考乙烯分子自身能否发生加成反应。
设计意图：从宏观的实验现象到微观的乙烯分子结构，再到加成反应方程式的符号表征，从粒子的微观层面揭示了物质发生化学变化的本质。以探究乙烯加成反应机理为目的，通过任务驱动、小组讨论、结果汇报、问题研讨凸显课堂的主体是以学生为本，过程中资料卡片、数据表格、拼装模型的证据呈现和巧妙利用是证据推理和化学高阶思维的充分体现，创新完成乙烯球棍模型的搭建，是模型认知的第二阶段——再收集证据并改进模型。
4.思维提升，建立认知模型
任务5：有机推断拓展应用
[练习]完成上述几种物质转化的化学方程式，说出各步反应机理。
[反思建模]解决有机推断问题的一般思路（如图8）。
设计意图：上述练习是基于取代反应和加成反应的拓展应用，目的在于考查学生的问题分析和解决能力，意在培养证据推理与模型认知素养。能够从上述信息中找到证据，并能够运用分析、比较、推理等方式得出合理的结论，在情境中合理地“提出猜想一理论分析一模型建构一解决问题”并形成高阶思维的过程是模型认知的第三阶段——建立模型并应用模型。
四、教学反思
1.实施高阶思维培养的化学教学是提高学生问题解决能力的良好途径
通过提问、设问、追问等问题形式激活学生的思维、发展学生的智力、激发学生的创造力是培养学生化学高阶思维的重要手段。无论是从宏观现象的辨识到微观结构的探析，还是从科学实验的探究到创新球棍模型的搭建，让学生在课堂教学中“活”起来是需要精心设计的。高阶思维是建构性学习的结果，知识建构是发展高阶思维的重要途径。高阶思维的养成并不是一蹴而就的，但只要学生经常地参与到高阶思维培养的课堂教学中来，就能进行有效的高阶思维模型的建立，进而提高其解决问题的能力。
2.基于证据推理和模型认知的课堂教学是带领学生获得真知的必经之路
课堂教学中围绕“加成反应是如何进行的”和“如何证明加成反应是这样进行的”两个核心问题，利用图像、图表、数据、文本信息和已有经验（知识、原理和规律）作为丰富的证据支撑进行合理的证据推理并得出科学的结论，是教学设计的创新之处。证据推理实际上是在建立模型、修正模型、应用模型过程中的一种信息处理的思维方式，在模型的建立过程中要不断地厘清假设、结论和证据之间的逻辑关系，并且每一次的模型修正都是重新更加深入认识事物获得真知的过程，这是一个螺旋上升的过程，也是学生思维提升的必经之路。
参考文献
[1] 中华人民共和国教育部.普通高中化学课程标准（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2018：3化学教与学2019年第7期
[2]孙天山，化学教师高阶思维教学现状探析[J].化学教学，2017（7）：21-25
[3] 郭飞红，基于“实验和模型”教学挖掘宏观现象的微观本质[J].化学教育，2014（15）：18-23
[4]上海市教育委员会教学研究室，上海市高中化学学科教学基本要求[M]上海：华东师范大学出版社，2017：124
关键词：证据推理;模型认知;乙烯;教学案例
文章编号：1008-0546（2019）07-0061-04
中图分类号：G632.41
文献标识码：B
doi： 10.3969/j .issn.1008-0546.2019.07.018
一、研究背景
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[1]。普通高中化学课程标准（2017年版）提出了五个方面的核心素养：宏观辨识与微观探析、变化观念与平衡思想、证据推理与模型认知、科学探究与创新意识和科学态度与社会责任。其中，证据推理与模型认知要求学生具有证据意识，能够充分利用分析推理来建立观点、结论和证据之间的逻辑关系，进而认识研究对象的本质特征、构成要素及其相互关系，建立模型。布卢姆教育目标分类中，将“知道、理解、运用”称为低阶思维，而将“分析、综合、评价”称为高阶思维[2]。从化学思维角度来说，证据推理与模型认知正是一种化学高阶思维，旨在培养学生的创新能力、问题求解能力、决策能力和批判性思维能力。高中阶段的学生正处于心智趋于成熟的关键时期，已经具备一定的低阶思维能力，而高阶思维的匮乏使得他们缺乏一定的批判性、创新性和深刻性，作为培养人的教师而言，实施培养化学高阶思维能力的教学具有重大的意义。
二、教学思路和设计
1.教材分析
“石油化工的龙头——乙烯”位于沪教版第十一章《认识碳氢化合物的多样性》中的第二节，是烷烃教学的结束同时也是不饱和烃教学的开始，在教材结构上有承上启下的功能。在掌握以甲烷为代表的烷烃的结构和性质的基础上，进一步建立物质结构（官能团）和性质之间的关系，深化“组成、结构决定性质，性质反映结构”[3]的有机化学核心观念，乙烯作为首个体现官能团特性的有机物其重要性不言而喻。而搭建球棍模型是学生学习有机化学最好的活动方式，是体验证据推理、模型认知、科学探究等核心素养的最有效的平台，更是培养逻辑思维、创新意识和科学精神的化学高阶思维的重要载体。
2.教学目标
（1）书写乙烯的分子式、结构式、结构简式、电子式，描述乙烯的空间构型[4]。
（2）说出乙烯加成反应的反应机理，书写相关反应的化学方程式。
（3）知道可以通过分析、推理等方法认识乙烯结构和性质的关系，建立认知模型。
（4）了解推测有机物结构的一般方法，感受证据推理的严谨性、科学性。
3.教学策略
以建构主义学习观为理论基础，将证据推理和模型认知素养设定为引领整个教学的核心观念，通过图像、图表、数据、实验、文本、信息等引导学生利用合适的证据推测乙烯加成反应的机理。在提出假设一建立模型一搜集证据一修正模型的过程中深入认识乙烯的组成和结构，建构完整的探究烯烃特征反应机理的历程，应用模型完成有机推断拓展探究并形成解决有机推断问题的一般思路，深刻体会基于证据的推理和模型的建构来解决实际问题的一般过程。
4.教学流程
以任务驱动的方式达成学习目标，有意识地培养化学学科核心素养。具体过程如表l所示。
三、教学过程
1.创设情境，初尝证据推理
引入：乙烯的“龙头”地位
[教师提问]石油化工产品之一的乙烯为何能被冠以“龙头”称号？地位之高何以见得？
[各抒己见]乙烯用途广泛，乙烯年产量高。
[资料介绍]①乙烯是合成纤维、合成橡胶、合成塑料（聚乙烯及聚氯乙烯）、合成乙醇（酒精）的基本化工原料，还可用作水果和蔬菜的催熟剂，是一种已证实的植物激素（图1）。②乙烯是世界上产量最大的化学产品之一，乙烯产品占石化产品的75%以上，在国民经济中占有重要的地位。中美乙烯产能在全球举足轻重（图2）。
设计意图：联系生产生活提出问题，利用图表数据分析并寻找合理解释乙烯“龙头”地位的原因，由此引入课题，不但提供了学生尝试证据推理的机会，同时还通过中关乙烯产能的对比激起学生的爱国心，社会主义核心价值观得以体现。
2.利用旧知，搭建新知模型
任务1：初识乙烯分子结构
[教师讲解]通过一定量的乙烯燃烧后产生的C02和H20的质量可推测乙烯的分子式为C2H4，乙烯是由2个碳原子和4个氢原子组成的，请同学们利用球棍模型拼装模型（以下简称拼装模型）搭建乙烯可能的分子结构。
[小组合作拼装]展示乙烯的球棍模型，只有一种，如图3。
[观察模型]乙烯的空间结构？书写乙烯的电子式、结构式、结构简式。
设计意图：证据的基本类型包括图像、图表、数据、文本信息和已有经验（知识、原理和规律），学生利用已有经验，在旧知的基础上建立新知，完成乙烯球棍模型的搭建，是模型认知的第一阶段——收集证据并提出初步模型。
3.证据推理，修正初步模型
任务2：探究乙烯加成反应机理
[演示实验]将乙烯通入溴水中，溴水褪色。
[教师提问]可能发生的化学反应有哪些？联系烷烃的化学性质和乙烯的结构从旧键的断裂和新键的形成角度利用拼装模型推测该反应可能的产物并说明理由。
[小组讨论]四人一组，根据拼装模型写出可能的反应方程式。汇报结果。
[反应1：取代反应]乙烯与溴单质发生取代反应，乙烯中碳氢键发生断裂，溴原子取代了其中一个氢原子，生成溴乙烯和溴化氢。（根据取代反应的特点，该反应还可以继续进行，生成多種溴代产物。）化学反应方程式如下：CH2= CH2 Br2→CH2=CHBr HBr，产物的球棍模型如图4。 [反应2：加成反应]乙烯中碳碳双键中的一根键发生断裂，两个溴原子分别与两个碳原子相连，形成新的共价键，生成1，2一二溴乙烷。化学反应方程式如下：CH2=CH2 Br2→CH2BrCH2Br，产物的球棍模型如图5。
[反应3：双键全断]从球棍模型中看出乙烯碳碳双键中的两根键一模一样，若其中一根可以断裂的话另一根也能断裂，再与溴原子结合形成新的共价键，故可生成2个二溴甲烷。化学反应方程式如下：CH2= CH2 2Br2→2CH2Br2，产物的球棍模型如图6。
[提供资料，再次讨论]结合资料卡片，推出合理结论。
[小组讨论，推出结论]资料1中实验现象①可以说明反应后溶液呈酸性，溴水本身就是酸性的，无法得知产物中是否含有HBr。②可以说明产物不能使酸性高锰酸钾褪色，该物质结构可能与烷烃相似。资料2中洗气瓶增大的质量应为乙烯的质量，根据实验数据通过计算可以知道反应中乙烯和溴单质的物质的量之比为1：1。综上所述，乙烯能使溴水褪色应发生了反应2（加成反应）。
资料卡片
资料1：某研究性课题小组对乙烯和溴水反应的产物进行研究。①取反应后的混合液体，用pH试纸测定产物的酸碱性，显酸性。②将产物静置分层后，取少量下层有机液于试管中，滴加酸性KMn04试液，试液不褪色。
资料2：在装有1609质量分数为5%的浓溴水的洗气瓶中通入乙烯气体，反应后测得洗气瓶质量增加1.40g。
任务3：再探乙烯分子结构
[问题讨论]乙烯与溴单质加成时为何只断开了碳碳双键中的一根键？在断键过程中的能量变化是怎么样的？能量大小说明了什么？
[学生回答]双键中的两根键是不同的，其中一根键容易断裂。断键需要吸收外界能量，说明其中一根键的键能较大，一根键的键能较小容易被破坏。
[教师追问]键长的大小如何比较呢？
[学生回答]键能越大，鍵长越短;键能越小，键长越长。
[数据支撑]课件展示键能和键长大小数据。如表2。
[提出任务]搭建更合理的乙烯分子球棍模型。
[学生汇报]新的乙烯分子球棍模型如图7。
任务4：归纳乙烯化学性质与其官能团的关系
[学生思考，归纳关系]碳碳双键是乙烯的官能团。乙烯的官能团（结构）决定了乙烯能发生加成反应这样的化学特性，而乙烯的化学性质也能够反映出它的结构中含有碳碳双键这样的官能团。
[教师概括，知识延伸]“组成、结构决定性质，性质反映结构”一直是我们学习有机化学的核心思想。根据加成反应机理完成乙烯与H2、X2、HX、H2O等物质发生加成反应的化学方程式。思考乙烯分子自身能否发生加成反应。
设计意图：从宏观的实验现象到微观的乙烯分子结构，再到加成反应方程式的符号表征，从粒子的微观层面揭示了物质发生化学变化的本质。以探究乙烯加成反应机理为目的，通过任务驱动、小组讨论、结果汇报、问题研讨凸显课堂的主体是以学生为本，过程中资料卡片、数据表格、拼装模型的证据呈现和巧妙利用是证据推理和化学高阶思维的充分体现，创新完成乙烯球棍模型的搭建，是模型认知的第二阶段——再收集证据并改进模型。
4.思维提升，建立认知模型
任务5：有机推断拓展应用
[练习]完成上述几种物质转化的化学方程式，说出各步反应机理。
[反思建模]解决有机推断问题的一般思路（如图8）。
设计意图：上述练习是基于取代反应和加成反应的拓展应用，目的在于考查学生的问题分析和解决能力，意在培养证据推理与模型认知素养。能够从上述信息中找到证据，并能够运用分析、比较、推理等方式得出合理的结论，在情境中合理地“提出猜想一理论分析一模型建构一解决问题”并形成高阶思维的过程是模型认知的第三阶段——建立模型并应用模型。
四、教学反思
1.实施高阶思维培养的化学教学是提高学生问题解决能力的良好途径
通过提问、设问、追问等问题形式激活学生的思维、发展学生的智力、激发学生的创造力是培养学生化学高阶思维的重要手段。无论是从宏观现象的辨识到微观结构的探析，还是从科学实验的探究到创新球棍模型的搭建，让学生在课堂教学中“活”起来是需要精心设计的。高阶思维是建构性学习的结果，知识建构是发展高阶思维的重要途径。高阶思维的养成并不是一蹴而就的，但只要学生经常地参与到高阶思维培养的课堂教学中来，就能进行有效的高阶思维模型的建立，进而提高其解决问题的能力。
2.基于证据推理和模型认知的课堂教学是带领学生获得真知的必经之路
课堂教学中围绕“加成反应是如何进行的”和“如何证明加成反应是这样进行的”两个核心问题，利用图像、图表、数据、文本信息和已有经验（知识、原理和规律）作为丰富的证据支撑进行合理的证据推理并得出科学的结论，是教学设计的创新之处。证据推理实际上是在建立模型、修正模型、应用模型过程中的一种信息处理的思维方式，在模型的建立过程中要不断地厘清假设、结论和证据之间的逻辑关系，并且每一次的模型修正都是重新更加深入认识事物获得真知的过程，这是一个螺旋上升的过程，也是学生思维提升的必经之路。
参考文献
[1] 中华人民共和国教育部.普通高中化学课程标准（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2018：3化学教与学2019年第7期
[2]孙天山，化学教师高阶思维教学现状探析[J].化学教学，2017（7）：21-25
[3] 郭飞红，基于“实验和模型”教学挖掘宏观现象的微观本质[J].化学教育，2014（15）：18-23
[4]上海市教育委员会教学研究室，上海市高中化学学科教学基本要求[M]上海：华东师范大学出版社，2017：124