關于化學學科證據推理能力及評價的思考

方彎彎 龔正元

摘要： 證據推理能力是化學學科核心素養的重要組成部分，利用Klahr和Dunbar的雙重搜索模型，建立證據推理概念理解圖。然后依據《普通高中化學課程標準（2017年版）》對化學核心素養的水平劃分，借助SOLO分類理論，重新將證據推理能力劃分為四個水平。再根據證據和推理的雙重復雜性，進一步細分四個水平，得到能力水平框架，為中學教師對學生的評價活動提供一定的理論依據。

關鍵詞： 核心素養; 證據推理; 能力水平; 評價指標

文章編號： 1005-6629（2019）12-0015-06? ? ? ? ? ? 中圖分類號： G633.8? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： B

核心素養是指學生的必備品格和關鍵能力，具體到學科層面，學科核心能力就成為核心素養的關鍵內容。2018年年初《普通高中化學課程標準（2017年版）》正式頒布，明確規定“證據推理與模型認知”是化學學科核心素養5個方面之一。說明以核心素養為導向的化學教育，要求在化學教學中培養學生的證據意識與推理能力，以期學生能夠適應科學技術高速發展的社會生活，滿足未來自身發展的需要。化學學科核心素養“證據推理”的形成，是在培養學生證據推理能力的同時，讓學生具備證據意識，以及能運用所學知識和收集到的證據參與社會性科學議題的討論。目前，對于化學教學中培養學生證據推理能力的研究以經驗總結居多，理論研究較少。本文擬對證據推理能力及其評價作一些理論思考。

1? 證據推理的內涵

“證據”在《辭海》中的定義分為兩類： 一類是從法學專業角度出發，是指偵查、審判機關在辦案中搜集的、能夠表明案情真相的材料。應是確實存在的客觀事實且與案件有關，須經辦案人員按法定程序收集和查證屬實。另一類是從普適的角度出發，用于判定事實的依據，用來證明的材料。英文文獻中“證據”譯為evidence，形容詞是evident（明顯的;明白的）。也就是說，證據是使得觀點變得明顯、讓人明白的材料依據。在科學體系中，科學證據是由支持主張的調查現象或數據組成，可用于進一步解釋自然現象。人們傾向于用最前沿的證據說明科學現象，而隨著時間的推移，證據的積累更新，就有可能會被新的證據推翻，這也是科學進步的關鍵。在科學領域，證據分為經驗證據與理論證據。經驗證據包括測量與實驗得到的結果，可以通過個人操作收集（一手證據），也可以通過外部資源獲得（二手證據）。理論證據是指獲得權威認可的科學理論。科學證據的質量要考慮其與主張的匹配程度。僅僅因為一個數據是與主張相關，并不意味它是一個強有力的證據，在推理的過程中，學生需要對證據有判斷能力，分清數據是支持主張還是與主張相矛盾。

科學教育中的推理主要涉及到邏輯推理與科學推理，邏輯推理注重證據與結論之間的邏輯關系，對于證據和結論本身是不予深究的，一般在進行推理時已默認前提為真。科學教育需要探索自然規律，自然界中事物運動的規律瞬息萬變，因此科學推理不僅需要遵循一定的邏輯規則，更要關注證據本身的來源與評價，所得到的結論也不是一成不變的。Klahr和Dunbar認為科學推理是問題解決的過程，并建立了雙重搜索模型（Scientific Discovery as Dual Search， SDDS）。該模型主要是對假設空間和實驗空間結構的詳細闡述，以及闡述這兩個空間中的搜索機制。基于SDDS筆者建立了證據推理的概念理解圖，如圖1所示。

圖1? 證據推理概念理解圖

假設空間是由已有證據組成。已有證據包括學生在生活中獲得的已有經驗和學生已經掌握的相關專業知識。學生可以在假設空間里根據已有證據提出假設，形成觀點，或者已知的文字材料已經告訴學生某個觀點。在假設空間形成的觀點是不成熟的，需要經過實踐空間的證明。實踐空間是由科學實驗和文獻資料組成，學生通過科學實驗得到的真實現象與數據，或者通過查找資料得到的科學規則，如科學概念、原理和模型等，得到的這些新證據需要進行評估，評估證據后決定在當前假設下進行實踐的累積證據是否足以拒絕或接受它。證據檢驗假設，如果推理結果接受假設，則在實驗證據的基礎上形成新的概念，而新的概念又可以作為假設空間里的已有知識。如果拒絕假設，則需要回到假設空間重新收集證據進行新一輪假設。總體來看，證據推理就是根據已有證據提出假設，通過科學途徑得到新證據對假設或已有觀點進行推理驗證，從而解決問題，獲得新知識的過程。證據推理是個體發展到形式運算階段后具有的推理類型，是個體知識水平與認知水平的重要體現[1]。

“證據推理”是化學核心素養的重要組成部分，也是高中生學習化學的重要思維方式。基于化學學科的證據推理既具有科學教育視野下證據推理的通性，又具有其特殊性。縱觀化學史，化學科學中許多理論的建立和原理的發現，都是建立在對大量實驗事實進行比較分析、歸納概括的基礎上的。實驗是化學學科形成和發展的基礎，也是檢驗化學科學知識真理性的標準。化學教學中理應體現化學學科的特點，因此，化學學科教學中的證據推理主要是以實驗事實作為證據，這里的實驗事實包括師生實驗得到的直接經驗和科學家實驗留下的間接經驗。當然，實驗事實并不是化學教學過程中的唯一證據，化學概念和理論知識同樣可以作為強有力的證據。因此，筆者認為基于化學學科的證據推理是學生憑借已有的生活經驗和化學知識提出假設，再根據實驗事實、化學概念、化學理論通過比較分析、抽象概括和歸納演繹等推理形式，對猜想進行證實和證偽的求證方式，是學生獲取新知識、解決新問題的高級思維過程。教師在化學教學中，可以通過化學知識結構化、教學過程邏輯化、科學探究層次化等途徑來幫助學生掌握證據推理的思維方式[2]。

2? 證據推理能力的內涵

能力是學生順利完成某種活動的主觀條件，是包括智力、非智力、知識、技能、行為等多因素的復合體[3]。證據推理能力是學生在某個科學的情境中或面對某個科學問題時所表現出的分析與實證能力。具體表現在收集證據、評估證據、基于證據提出觀點、利用證據推理驗證等探究性學習活動中需要的思維能力與推理技能。這些學習活動是學生進行科學知識學習時掌握概念與理論認知的關鍵步驟。

2.1? 證據推理能力以科學知識為基礎

科學知識是人類在科學實踐歷史長河中積淀下來的經驗總結。科學素養是一個人利用科學知識發現問題和得出基于證據的結論的能力，以便理解和幫助做出關于科學問題的決定，有科學知識的人會用他們的科學知識去思考，去解決科學問題[4]。證據推理的關鍵在于學生根據科學的證據推出合理結論的過程。其中包括兩方面，第一，證據是科學知識的提取。在假設過程中，學生利用已有的科學知識，得到的證據與假設要保證其合理性。在推理過程中，學生利用科學實驗結果或查閱的文獻資料得到科學知識，這是獲得新知的一個過程。第二，通過證據推理過程得到的結論是科學知識的凝練。學生使用新證據推理得出新觀點，這里要保證證據與結論的科學性。找到證據與結論的關聯度時，也就是學生獲得能力的過程，這是一個科學概念與理論的深入理解以及轉變的過程。

2.2? 證據推理能力以證據評估、推理技能與元認知技能為核心

證據推理應用于課堂實踐，就科學性而言，學生需要知道什么是證據，評估什么是合適的證據，知道證據和觀點的內在聯系，在搜集證據的基礎上對證據質量進行評估，選擇科學合理的證據成為支持自己觀點的理由。學生通常依賴于認知形式較低的理由，比如說個人的經歷，還有不恰當的證據類型，如相互矛盾或無關的數據。因此，證據評估成為證據推理能力的一個重要組成部分。推理過程是一個將證據與觀點建立科學聯系的過程，學生需要對問題進行全面的分析，在推理過程中有三點非常重要。第一，要確定證據與觀點之間建立的聯系是否可靠。第二，要保證證據數量的充足，排除證據推理的片面性。第三，要反思推理過程的繁瑣程度，不同的證據類型，不同的解釋都可能導致推理路徑的不同，要防止陷入思維定勢，尋找最科學有效的途徑。元認知是對認知的認知，元認知技能是學生在證據推理過程中調整和優化推理的能力[5]。在證據推理過程中，證據的質量、觀點的科學性、證據與結論的聯系程度需要學生及時進行評價與反思，這也是學生證據推理能力的核心影響因素。

2.3? 證據推理過程有思維品質的四個主要成分參與

證據推理能力結構中需要包含能夠反映證據推理能力強弱的思維品質，推理的過程是學生高級思維的外顯過程，是學生思維活動中推理特征的表現，思維品質是判斷證據推理能力水平的主要標志，主要包括思維的邏輯性、靈活性、深刻性、批判性。證據推理過程表現出的思維活動是按一定的邏輯規律進行，而證據推理是歸納推理和演繹推理等的綜合運用，是概括、分析、遷移等思維方法的靈活運用。同時，學生在全面的分析問題、抓住事物規律與本質、思考事物發展方向等方面存在差異。而學生對推理過程思考得越深刻，就越能抓住問題的本質。在證據推理的整個過程中，需要學生具有批判意識、評估和反思智力品質[6]。

綜合以上分析，筆者認為中學生證據推理能力應該是由證據的質量、推理的技能和證據推理監控三個方面構成的有機整體。具體的結構圖如圖2所示：

圖2? 證據推理能力結構圖

3? 證據推理能力評價指標

證據推理能力結構已經確定了評價的一級指標和二級指標，接下來筆者通過對證據推理能力進行行為表現分析，確定三級指標（見表1）。證

表1? 證據推理能力各級指標

一級指標二級指標三級指標

證據的質量證據的科學性收集證據的途徑是否官方權威

科學證據是否是科學概念、原理、理論、模型等

證據的充分性證據數量的充足

證據類型的多元

推理的技能分析問題的全面性提出假設的合理性

評估證據的全面性

分析推理過程的全面性

證據與結論的關聯度相關但矛盾

相關且表象上支持

相關且理論上支持

證據推理監控思維的邏輯性假設的邏輯性

推理的邏輯性

思維的靈活性歸納與演繹的靈活運用

歸納與類比的靈活運用

解釋與反駁的靈活運用

思維的深刻性掌握證據推理的規律

理解所得結論

思維的批判性主動尋找反駁證據

對所得結論存在思考

據推理過程存在兩輪證據的出現，第一輪是在假設空間里，利用學生已有的經驗體會與專業知識得到假設，這是激發學生進行推理的前提，某些情境中甚至不需要這一輪證據的出現，比如說給出的觀點是學生運用已有知識得不到的抽象知識，那往往會直接給出觀點。學生只需要尋找證據對這一新觀點進行推理解釋、證實或證偽。因此，假設空間里的證據不用過多考慮科學性，因為其科學性會經實踐空間的檢驗。第二輪在實踐空間里的證據需要保證其科學性和充分性，這是保證證據推理科學性的前提。證據類型可以是科學數據、科學概念、科學理論、科學模型，化學課堂上還可以包括學生基于科學實驗得出的實驗現象。證據收集途徑需要科學有效，一方面，學生需要提升實驗技能，另一方面，當今網絡信息爆炸，真偽難辨，學生收集的文獻資料，來源需要保證權威官方。科學結論往往不是一條證據就能推理得到的，而且，有些結論是多條證據均可以推理得到，證據之間可以互相補充。如甲烷的正四面體結構，學生在得到這個結論之前可以收集到兩條證據。證據一： 甲烷的中心原子形成的兩個化學鍵所成鍵角為109°28′;證據二： 二氯甲烷是甲烷的二元取代物，是無色透明易揮發具有刺激性氣味的液體，常壓下有固定沸點，為39.8℃（純凈物有固定的沸點）。這兩條證據均可以判斷甲烷是正四面體結構而非平面四邊形結構。證據一是科學數據，證據二是事實證據，證據類型不同。

學生在假設空間提出的假設要先分析其合理性與必要性，否則會導致整個推理過程的多余和無效。學生收集證據以后，并不能保證所有資料均對推理過程有幫助，因此需要對證據進行整理分析。學生在將證據與理論建立聯系的過程，可以從不同維度進行思考，如宏觀現象上的聯系，微觀解釋上的相關度等。考慮證據與理論的關聯度時，證據應該涉及到相關證據和無關證據，無關證據在前期評估證據質量時就已剔除，相關證據又可分為相關支持證據和相關矛盾證據，相關支持證據又可以評估在多大程度上的支持。

思維的邏輯性是指按照一定的規則進行，學生在提出假設和進行推理的過程中均需要有清晰的思路，常用句式是“因為……并且……所以……”。證據推理中思維的靈活性應該表現在歸納與演繹、歸納與類比以及解釋與反駁的靈活運用。由于學生在思維的周密、精細程度上存在差異，所以在推理的深度上存在不同。深刻性不同表現在證據推理過程中對推理規律的認識和對所得的結論理解程度的不同。學生證據推理過程中思維應該是主動的，而不是盲目跟風。對于推理過程應該有反駁的意識，對于所得結論的正確性與科學性不能過于篤定，這導致的結果就是尋找更多的科學證據來證明自己的疑惑。

4? 證據推理能力水平劃分

關于評價標準，2017年新版《普通高中化學課程標準》對化學核心素養的每一條均進行了水平劃分，其中有關證據推理的水平劃分如表2所示：

表2? 新課標對證據推理能力的各水平要求

水平層級水平要求

水平1能從物質及其變化的事實中提取證據，對有關的化學問題提出假設，能依據證據證明或證偽假設。

水平2能從宏觀和微觀結合上收集證據，能依據證據從不同視角分析問題，推出合理的結論。

水平3能從定性與定量結合上收集證據，能通過定性分析與定量計算推出合理的結論。

水平4能依據各類物質及其反應的不同特征尋找充分的證據，能解釋證據與結論之間的關系。

SOLO分類理論將學生對問題的理解程度進行了劃分，從前結構到抽象擴展結構水平比較好地分析了學生的思維進階，可以將其作為能力水平測量的借鑒工具。根據SOLO分類理論，筆者將證據推理能力同樣劃分為四個水平，由于本文主要針對的是高中學生，研究對象已有一定的知識基礎，基本不會出現前結構水平。具體劃分如表3所示：

表3

基于SOLO分類理論的

證據推理能力水平劃分

水平層級水平要求

單點結構水平能針對問題提出假設，能根據假設找出相關的一類證據，得出的結論具有改進的空間

多點結構水平能通過多種科學途徑，尋找多種類型的相關證據，能夠建立證據與結論之間的聯系

續? 表

水平層級水平要求

關聯結構水平能夠將得到的科學證據之間建立聯系，有邏輯地從證據推理結論

抽象擴展結構水平在針對問題由證據推理出結論的基礎上，能凝練出來自問題情境以外的信息，將所得結論擴展延伸，舉一反三

以“關聯結構水平”和“抽象擴展結構水平”為例，針對以下問題情境，處于這兩水平的學生對問題的理解程度以及解答問題的全面性都存在區別。

問題情境： 把在常壓下的NO氣體壓縮到100個大氣壓，然后在一個體積固定的容器里加熱到50℃，發生歧化反應，反應后發現氣體的壓力迅速下降，當壓力降至略小于原壓力的2/3時就不再改變。已知其中一種產物為N2O。請分析該過程發生的化學反應。

處于“關聯結構水平”的學生，能找出情境中的相關證據：“NO氣體”“發生歧化反應”“壓力降至原壓力的2/3”“其中一種產物是N2O”。可以分析給出的證據，然后聯系已有的化學知識：“歧化反應是反應中某個元素的化合價既有上升又有下降的自身氧化還原反應”、“氮元素的化合價，常見的有NH3中的-3價、N2中的0價、NO中的+2價、NO2中的+4價”。接著進行分析推理，反應物NO中的氮是+2價，生成物N2O中的氮是+1價，根據證據中的歧化反應和已學知識可以知道另一產物為NO2，最后根據壓力變化寫出反應3NO一定條件下

N2O+NO2。

處于“抽象擴展結構水平”的學生，在找出已有證據，分析已有證據間的聯系，通過已有化學知識從而推理出化學反應3NO一定條件下

N2O+NO2的基礎上，能根據NO的歧化反應和情境內容加深對一定溫度下，氣體分子數與壓強關系的理解;并且能夠抓住情境中的“壓力略小于”這個關鍵詞，認識到容器內在發生歧化反應后，分子數目會繼續減小;從而根據已有知識分析出NO2與N2O4之間的相互轉化，寫出反應2NO

N2O4。而處于“關聯結構水平”的學生一般會忽略這個條件，認為是實驗誤差導致的。

課程標準中關于化學學科核心素養“證據推理”的水平劃分更貼近化學學科，從物質性質、化學變化、宏觀微觀、定性定量等角度進行分析，關注的是學科內容。SOLO分類理論關注的是學生的思維，由易到難的認知結構水平。本研究是基于化學學科分析學生的證據推理能力，因此將兩者相結合。已有研究說明證據推理的復雜性來源于兩個方面，一是證據的復雜性，二是推理的復雜性。證據的復雜性主要是情境的熟悉度、證據的數量和證據的顯性化程度。推理的復雜性主要分為直接推理和間接推理，和邏輯推理不同的是，證據推理更注重證據的科學性，處理證據之間的復雜關系導致了推理的復雜性[7]。所以推理的復雜性源頭在于證據的數量與情境的綜合性程度。證據在試題情境中表述得越明顯，或需要用到的化學知識越單一，則推理過程越簡單，所需要的能力水平越低。相反，證據在情境中未有明顯表述，需要學生進行理論分析，或者得出結論需要用到的化學知識越復雜，則推理過程越復雜，所需要的能力水平越高。根據情境與證據的不同，將四個水平進行細分（見表4），細分后的證據推理能力水平給課堂教學中的試題編制提供了更為嚴謹的依據。

表4? 證據推理能力水平框架

水平劃分水平要求說明水平細分

水平1能從物質及其變化的事實中提取相關的一類證據，對有關的化學問題提出假設，能依據證據證實或證偽假設。情境類型： 物質及其變化的事實

證據： 單一證據且顯性化程度高水平1-a

情境類型： 物質及其變化的事實

證據： 多類證據且顯性化程度高水平1-b

續? 表

水平劃分水平要求說明水平細分

水平2能通過多種科學途徑，尋找多種類型的相關證據，能夠建立證據與結論之間的聯系。情境類型： 宏觀現象和微觀原理

證據： 單一證據且顯性化程度高水平2-a

情境類型： 定性分析與定量計算

證據： 多類證據且顯性化程度高水平2-b

水平3能夠將得到的科學證據之間建立聯系，有邏輯地從證據推理結論。情境類型： 宏觀現象和微觀原理

證據： 多類證據且顯性化程度低水平3-a

情境類型： 定性分析與定量計算

證據： 多類證據且顯性化程度低水平3-b

水平4能在已有知識的基礎上進行拓展延伸，能凝練出來自問題情境以外的信息，依據各類物質及其反應的不同特征尋找充分的證據，能解釋證據與結論之間的關系，能舉一反三。情境類型： 各類物質及其反應的不同特征，以及相關拓展

證據： 多類證據且顯性化程度高水平4-a

情境類型： 各類物質及其反應的不同特征，以及相關拓展

證據： 多類證據且顯性化程度低水平4-b

5? 結論與啟示

證據推理在課堂教學中更多的是對知識的加工過程，教材中的知識點大多是以結論的形式直接呈現，當教師只是將這些結論以口語表達的形式再讓學生聽一遍時，這個過程中，其實學生對于知識的來龍去脈并不了解，長此以往，學生也就習慣了化學知識是靠記憶而不是靠理解，而這也正是素質教育需要轉變的地方。將證據推理融入課堂教學中，已有知識是證據，新知識是推理得出的結論，這個過程也就是知識建構的過程。如果化學知識是通過科學數據計算出來的，是通過實驗現象總結出來的，是通過文獻查閱分析出來的，那化學的學習將充滿科學學習的樂趣。

教師在引導學生學習的過程中，同樣要懂得反思： 教學是否讓學生既掌握了知識，又提升了素養？學生能力水平到達了什么層級？接下來該如何有針對性地教學？本文針對化學核心素養中一個重要的點——證據推理進行研究，一方面給教師的課堂教學帶來反思，另一方面通過對證據推理及其能力水平的剖析，為教師在課堂教學中對學生的證據推理能力評價以及相關試題編制均提供了一定的理論依據。

參考文獻：

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