證據推理在化學教學中的實踐與思考

肖中榮

摘 要：化學教學中的證據推理是指根據化學概念、理論和事實性知識，通過比較分析、抽象概括和歸納演繹等推理形式，進行證實和證偽的求證方式，獲取新知識、解決新問題的高級思維過程。化學教學可從化學知識結構化、教學過程邏輯化、科學探究層次化解釋證據推理“是什么”、“怎么推”和“做得怎么樣”的問題；化學教學可將證據推理劃分四個層次，為培養學生的科學論證能力、評價證據推理水平提出有效的教學策略。

關鍵詞：證據推理；教學實踐；教學策略

一、證據推理的意涵

新課標指出，“證據推理”是重要的化學核心素養，是學生學習化學的思維方式，也是學生認識客觀世界必須具備的關鍵能力，在課堂上培養學生證據推理的核心素養是令人期待的事情，為此需要厘清證據推理的意涵。

什么是證據？證據是指證明事實的材料，科學證據與經驗證據相對應，它指基于科學原理或科學原則而得出的證據，學者張繼成把科學理論中的定理、定律、規則等稱為科學證據。筆者認為，中學階段化學教學中常用的證據主要指陳述性的化學知識，如化學概念、化學理論、物質結構、元素化合物知識、生活情境和科學常識。

什么是推理？推理是“由一個或幾個已知的判斷（前提），推導出一個未知結論的思維過程”，其語法規律是形式邏輯，常見的推理方式有三種：演繹推理、歸納推理和類比推理。

什么是證據推理？文獻[1]認為，“證據推理”在學界是固定的專用名詞，指由 Dempster在1967年提出，后經他的學生Shafer進一步發展完善起來的一種不確定推理理論。百度百科中對“證據推理”解釋是“對從不同性質的數據 源中提取的證據，利用正交求和方法綜合證據，通過證據的積累縮小集合，從而獲得問題的解”。2017年教育部頒布的《普通高中化學課程標準》對“證據推理”的解釋為“具有證據意識，能基于證據對物質組成、結構及其變化提出可能的假設，通過分析推理加以證實或證偽；建立觀點、結論和證據之間的邏輯關系；知道可以通過分析、推理等方法認識研究對象的本質特征、構成要素及其相互關系。”結合上述觀點，筆者認為，化學教學中的證據推理是指根據化學概念、理論和事實性知識，通過比較分析、抽象概括和歸納演繹等推理形式，進行證實和證偽的求證方式，從而獲取新知識、解決新問題的高級思維過程。

二、證據推理在教學中的應用研究

陳進前[2]研究了證據推理在解決電化學試題中的運用，顧建新[3]研究了證據推理和模型建構在原電池教學中的運用，卓金鎮[4]等研究了證據推理在苯教學中的運用，劉玉榮[5]研究了論證圖是初學者學習科學論證的有效工具等。總之，證據推理應用在高中化學教學中并不多，研究內容主要集中在某一個具體的教學設計或者單一證據類的問題解決，對證據的種類、推理的角度、證據推理的水平評價等本體知識關注不夠。筆者進行如下思考，以期更全面地詮釋證據推理在課堂教學中的實施途徑。

三、證據推理在化學教學中的實踐和思考

（一）化學知識結構化，拓展證據推理的廣度

化學知識結構化是指按照知識間的邏輯關系形成的認知圖示，知識結構化的豐富程度將影響學生調取證據、進行推理的廣度。

蘇教版《化學1》 “鎂的性質”教學片段。

【情境】 1807年英國化學家戴維電解苛性鈉制得金屬鈉，1808年戴維電解氧化鎂制得金屬鎂。戴維通過研究發現鎂很活潑，跟鈉的化學性質相似，請你尋找支持戴維觀點的證據。

【活動】學生或獨立思考，或合作討論，或動手實驗，或查閱資料，證據推理的課堂如此熱烈：有的小組查閱資料發現，自然界中無游離態鎂，鎂主要以菱鎂礦、光鹵石、氯化鎂等形式存在，自然界中也無游離態鈉，說明鈉、鎂均活潑。有的小組通過實驗發現，鎂可以和氧氣、二氧化碳、氮氣、鹽酸、水反應，鈉也可以和氧氣、二氧化碳、氮氣、鹽酸、水反應，鈉、鎂在反應中都是失去電子，說明鈉、鎂都是還原劑。有的小組分析原子結構認為，鎂是12號元素，易失去最外層2個電子，鈉是11號元素，易失去最外層1個電子，二者均顯示還原性；還有的小組查閱資料發現，工業制備鈉、鎂是通過電解氯化鈉、氯化鎂得到，證明鈉、鎂是活潑金屬單質。還有競賽同學發現鈉、鎂的標準電極電勢均很小，說明鈉、鎂均容易失去電子。

【思考】教師借助科學史設定驅動任務——如何證明鈉、鎂的化學性質相似？學生主動尋找證據，積極進行推理分析，將鎂的類別、結構、存在、制備等問題形成整體，統攝在鎂的化學性質教學的大主題下。筆者以為，影響物質性質的直接因素有物質類別、化合價和原子結構、化學鍵等；反映物質性質的間接因素有物質的制備、存在和用途等，物質在某反應中的具體性質受到反應方向、限度和速率等化學理論的動態控制，它們之間關系如圖1所示。教師要根據不同的課程階段和學業質量要求，幫助學生建立影響物質性質因素的知識網絡，豐富收集證據的渠道，拓展證據推理的廣度，使元素化合物教學凸顯立體思考的色彩。

（二）教學過程邏輯化，強化證據推理的角度

教學過程邏輯化是指按照思維品質的條理性特點，設計符合學生認知規律的教學過程，教學過程的嚴密程度將啟發學生選擇不同的論證方式進行證據推理的角度。

蘇教版《化學反應原理》 “化學反應方向”的教學片段。

【情境——類比推理】教師呈現自然現象：高水低流、高溫低降、高物低落，類比推理引出自發化學反應的概念：在一定溫度和壓強下，無需外界幫助，可向外做非體積功（電功、機械功）的化學反應。

【活動1——歸納推理】教師給出如下自發反應，歸納其共同特點。

C3H8（g）+5O2（g）=3CO2（g）+4H2O（g） ΔH<0

2Na（s）+Cl2（g）=2NaCl（s） ΔH<0

HCl（aq）+NaOH（aq）=NaCl（aq）+H2O （l） ΔH<0

Cl2（aq）+2KBr（aq）=2KCl（aq）+Br2 （aq）

ΔH<0

學生歸納得出自發反應的特點：自發反應為發熱反應，PPT展示：

【焓減原理】體系趨向于從高能狀態轉變為低能狀態，放出熱量多，反應趨勢大。

【活動2——實驗證實、證偽】學生分組實驗：①鋅和鹽酸反應，發現反應自發后體系溫度升高；②氫氧化鋇晶體和氯化銨固體反應，發現反應自發后體系溫度降低。

教師給出影響反應自發性的另一個因素——熵：衡量一個體系混亂度的物理量；學生類比“焓減原理”得出熵變影響反應的自發性，PPT展示：

【熵增原理】體系趨向由有序狀態轉變為無序狀態——即混亂度增加（ ΔS>0）方向，ΔS越大，微粒不規則運動加劇，越有利于反應自發進行。

【活動3——演繹推理】解釋下列反應在常溫常壓下能否自發進行的原因。

2Na（s）+Cl2（g）=2NaCl（s）ΔH<0 ΔS<0

2NH4Cl（s）+Ba（OH）2·8H2O（s）=2NH3↑（g）

+CaCl2（s）+10H2O（l） ΔH>0 ΔS>0

C3H8（g）+5O2（g）=3CO2（g）+4H2O（l） ΔH<0 ΔS>0

CaCO3（s）=CaO（s）+CO2（g） ΔH>0 ΔS<0

學生根據焓減原理、熵增原理進行解釋，教師給出判斷反應自發進行的聯合判據：ΔG=（ΔH-TΔS）<0，反應自發；ΔG=（ΔH-TΔS）>0，反應非自發。

【活動4——定量思維】CaCO3（s）=CaO（s）+CO2（g）常溫常壓不能發生，已知ΔG=（ΔH-TΔS）=178 300J·mol-1 - 160.4 TJ·mol-1·K-1，當ΔG<0反應自發發生，計算碳酸鈣分解的臨界溫度。學生代入數值計算臨界轉化溫度>1112K。

師生總結：某一定條件下不能自發進行的反應，當改變外界條件或者外界干預反應（做非體積功），不自發的反應也能發生。

【思考】課堂上教師向學生呈現科學研究問題的一般思路，使教學過程充滿邏輯性：觀察生活現象，類比引出自發反應的概念→比較分析，歸納得出焓減原理→證實證偽，引出熵增原理→演繹規律解釋問題，引出聯合判據→解決實際問題，定量計算，深化規律。化學反應方向是很抽象的理論，教師引導學生像科學家一樣思考，設計邏輯化的教學過程，揭示證據推理的方式，幫助學生突破認知難點。筆者以為，證據推理的角度涉及證據類型、思維形式、推理方式和證明過程，其關系如圖2所示。教師要適切地結合化學概念的內涵和外延，向學生示范證據推理的過程，使論證過程全面而深刻，幫助學生形成證據推理的邏輯化角度，使化學概念課教學充滿辯證思維的力量。

（三）科學探究層次化，提高證據推理的深度

科學探究的層次化是指進行科學探究既要重視宏觀求證，又要進行微觀求證；既要重視直接證明，又要學會間接證明。學生搜尋證據的種類和證明方式不同，反映學生運用證據推理的深度不同。

【情境】向小試管中依次加入1mL 0.1mol/L NaOH溶液、4滴酚酞、2 mL乙酸乙酯，用水浴控溫70℃加熱2分鐘，振蕩，紅色褪去。對于紅色褪去原因，觀點甲認為紅色褪去是因為酯發生水解反應，堿被消耗；觀點乙認為紅色褪去是因為乙酸乙酯將酚酞從水層萃取。

問題：請你結合觀點甲、乙進行科學探究，并給出紅色褪去的合理原因。

【活動】學生先獨立思考，再分小組討論，或查閱資料分析，或設計實驗探究。

有些同學找到證據①說明觀點甲合理：乙酸乙酯在堿性完全水解，反應方程式為：CH3COOC2H5+NaOH→CH3COONa+ C2H5OH。

有些同學找到證據②說明觀點甲不合理：向小試管中依次加入1mL 0.1mol/L NaOH溶液、4滴酚酞、2mL乙酸乙酯，用水浴控制溫度70℃加熱2分鐘，充分振蕩紅色褪去，還有明顯油層；分出水層加4滴酚酞溶液顯紅色。說明乙酸乙酯短時間不能完全水解，水層含有NaOH。

有些同學找到證據③說明觀點甲不合理：向小試管中依次加入1mL 0.1mol/L CH3COONa溶液、4滴酚酞，溶液顯紅色 ，說明即使堿全部消耗，產物乙酸鈉可使酚酞變紅。

有些同學找到證據④說明觀點乙合理：向小試管中依次加入1mL 0.1mol/L NaOH溶液、4滴酚酞、2mL乙酸乙酯，用水浴控溫70℃加熱2分鐘，充分振蕩，分離出水層加入1mL 0.1mol/L NaOH溶液呈無色，說明水層不含酚酞，酚酞被萃取至油層。

教師提供酚酞（結構如圖3），有的學生發現證據⑤說明觀點乙合理：乙酸乙酯和酚酞都是極性有機分子，乙酸乙酯可以將少量酚酞從水層萃取出來而使紅色褪去。

教師提供證據⑥：向小試管中依次加入1mL 0.1mol/L NaOH溶液、4滴酚酞、2mL四氯化碳，充分振蕩水層顯紅色，有的學生能解釋非極性分子四氯化碳不能萃取極性分子酚酞。

綜上所述，本實驗中乙酸乙酯使酚酞-氫氧化鈉紅色褪色的主要原因[6]：乙酸乙酯在堿性條件下水解速度慢，極性酚酞分子被極性乙酸乙酯萃取而使溶液褪色。

【思考】教師提供真實情境問題，學生對兩種觀點進行探究，學生設計實驗進行證據推理的能力參差不齊。證據①屬于教材事實知識，多數學生能想到。證據②是宏觀直接證據（證明NaOH沒有完全消耗），多數學生能想到。證據③是宏觀間接證據（證明乙酸鈉溶液加酚酞變紅），極少數學生能想到。證據④是宏觀直接證據（證明酚酞被萃取），多數學生能想到。證據⑤是微觀結構證據，需要教師提供酚酞分子結構和“相似相溶原理”的知識，學生才能理解，沒有一個學生能想到。證據⑥是信息證據，需要教師解釋學生才能理解，沒有一個學生能想到。筆者根據《普通高中化學課程標準》對“證據推理”的描述將證據推理的水平分為四類：宏觀證據、微觀證據、定量證據和模型證據，其含義如表1。

四、結語

倡導素養為本的化學課堂教學對證據推理核心素養提出了新的要求：化學知識側重素材積累，其結構化程度解釋了證據“是什么”的廣度問題；教學過程側重思路引領，其邏輯化程度呈現了推理“怎么推”的角度問題；科學探究側重證據收集和推理方式，其層次化程度評價了證據推理“做得怎么樣”的深度問題。教師引導學生對這些問題進行思考，以期強化學生的學科認識思路，發展學生的學科論證能力，提高學生的學科核心素養。

參考文獻：

[1] 陸軍. 化學教學中引領學生模型認知的思考與探索[J]. 化學教學，2017（09）：19-20.

[2] 陳進前.基于證據推理解答電化學試題[J].化學教學，2017（11）：80-84.

[3] 顧建新.關于化學核心素養培育的微觀思考——原電池教學中的“證據推理與模型認識”的教學思考[J].化學教學，2017（11）：34-38.

[4] 卓金鎮，等.“問題猜想，證據推理”彰顯化學魅力——苯的教學設計[J].中學化學教與學，2017（09）：10.

[5] 劉玉榮，等.論證圖——促進初學者學習科學論證的有效工具[J].化學教育，2017（17）：10-13.

[6] 李偉偉，等.乙酸乙酯使含酚酞的氫氧化鈉溶液褪色的原因研究[J].化學教學，2017（12）：68 -70.