淺析“證據推理”在元素化合物探究教學中的應用

張旭東 楊玉琴

摘要： 在元素化合物教學中，以“證據推理”為科學思維方法，基于溯因、演繹以及類比等邏輯推理形式，讓學生經歷發現問題、提出假設、設計實驗、解釋證據、獲得結論的探究過程，從而使元素化合物知識的學習過程，同時成為化學學科核心素養的形成過程。

關鍵詞： 證據推理; 元素化合物; 科學探究; 化學學科核心素養

文章編號： 10056629（2019）4004505中圖分類號： G633.8文獻標識碼： B

《普通高中化學課程標準（2017年版）》提出了“以發展化學學科核心素養為主旨”的課程理念，圍繞學科核心素養重建課堂教學，成為當前全面深化化學課程改革的重頭戲。學科知識是形成學科核心素養的載體，但一切知識，惟有成為學生探究與實踐對象的時候，其學習過程才有可能形成素養[1]。“證據推理”是化學學科核心素養的要素之一，是科學探究活動的思維基礎。課程標準要求“結合真實情境中的應用實例或通過實驗探究，了解元素化合物主要性質”[2]，這就決定了在元素化合物知識教學中需要充分基于“證據推理”展開教學，以實現其育人價值。

1 “證據推理”的內涵解析

在邏輯學領域，推理是指根據一個或一些命題得出另一個新命題的思維形式，有歸納、演繹、類比等推理形式。科學推理指的是科學家根據觀察和實驗發現新的自然事實和自然規律，提出新概念和新術語，發明新理論和新假說，并且對理論和假說進行檢驗、評價、修正、選擇等認識活動的方法和思想模式。因而不能將科學家認識活動及其在認識活動中的思維過程、思維方式簡單地歸結為演繹、歸納或類比等邏輯推理。對于邏輯推理而言，只要遵從邏輯規則的指導即可，但是對科學推理而言，在遵從邏輯規則的同時，更要尊重證據的作用。證據是科學推理的基礎，“依據證據進行推理”是科學推理與邏輯推理的根本區別[3]。

“證據”意指能夠證明某事物的真實性的有關事實或材料。從信息加工理論來看，推理時所依據的“信息”即“證據”，常常與數據（data）和知識（knowledge）相關聯。數據代表的是參數的值，而知識意味著對真實事物或抽象概念的理解。在化學學科領域，數據來源于觀察（測），如自然生活現象、實驗現象、pH、溫度變化曲線或者數據資料、科學史料等;知識則如建立在一定抽象水平之上的化學概念、原理、規律等[4]。

“證據推理”意指從問題情境及已有知識經驗中識別、轉換形成觀點，并多方收集證據、利用證據進行推理，從而獲得結論，解決問題[5]。推理是思維過程，證據是前提條件。證據推理不僅是證實的過程，也可能是證偽的過程。表現在化學學習中，即“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”[6]。

2 “證據推理”與“科學探究”

不管是學生的學習還是科學家的研究，探究活動都是從某一情境中發現問題，再根據原始資料或數據對問題形成假設，通過觀察和實驗獲得新的數據（證據），基于證據進行推理，對假設進行修正（證實或證偽），最終得到正確結論的過程[7]。其過程可以用圖1來表示。

由圖1可見，在探究活動中，推理發揮了重要作用。一是從問題到假設，當問題出現時，我們往往會對問題作出可能的解釋（假設），這種解釋（假設）需要基于一定的證據進行推理。例如，當課堂上教師呈現出“鎂雨一相逢，擦出大火花”的新聞情境并衍生出問題“為什么鎂和雨水接觸能著火呢？”，這時可能的解釋是“鎂也許能夠與水發生劇烈的化學反應”（假設），因為“有些金屬如鈉就能夠與水發生劇烈反應，發生燃燒甚至產生爆炸現象”（證據，類比推理）。這時候假設表現為關于實際情況如何的一種觀點。當然，這種觀點需要進行檢驗，也就是必須經歷下一個階段的考驗，即從假設到結論的過程，此為探究活動中的第二次推理。如果觀察（測）到的證據與假設吻合，則某種意義上假設便得到了檢驗;也有可能原先的假設面對新的事實、概念（證據）等通過推理會產生一些矛盾，進而要否認或修改假設。如上述“鎂也許能夠與水發生劇烈的化學反應”的假設，通過實驗發現鎂在常溫下與水的反應較為緩慢，放出熱量。“鎂雨一相逢，擦出大火花”的原因是鎂與水發生反應產生的熱量使其自燃。

3 基于“證據推理”的元素化合物性質教學

元素化合物性質是物質及其變化的體現，具有生動具體、形象直觀等特點。就知識本身而言，應該不存在理解上的困難，但由于涉及的內容龐雜瑣碎，學習方式偏重記憶，導致學生“易學難記、易懂難學”，成為影響學生學習興趣的重要因素。以“證據推理”為科學思維方法，激發學生的內在認知興趣，讓學生在探究中建立知識間的聯系，理解物質的變化及其規律，體驗化學與社會、生活的密切聯系，從而使元素化合物的學習歷程成為學科核心素養的形成過程。在元素化合物教學過程中，可以基于以下三種推理方法進行探究。

3.1 基于溯因推理的元素化合物性質教學

所謂溯因推理，是一種由果溯因，由已知事實探求未知理由的推理。這一模式也是探究的基本模式。比如，化學史上指示劑的發現就是這一推理的體現。波義耳在做實驗的過程中不小心將少許鹽酸沫濺到紫羅蘭花上，在沖洗花瓣上酸沫過程中發現花變紅了。“花為什么會變紅？是因為碰到鹽酸的緣故嗎”（溯因）。為了驗證這一假設，他又取了其他幾種酸溶液，將紫羅蘭花瓣放入其中，結果花瓣都變為紅色（證據）。由此，他推斷： 不僅鹽酸，而且其他酸都可使紫羅蘭花變色（推理）……在溯因推理過程中，溯因所得出的結論是一個假設，它是對事實情況的一種解釋。一個事實可能有多個不同的解釋，這就需要收集證據對解釋進行驗證，最終基于證據獲得正確的解釋。在元素化合物性質教學中，可以從物質在科技、生產或生活中的應用事實或自然發生的現象等出發，追溯其“為什么可以這樣用？”、“為什么會有這樣的現象”等，提出假設，然后依據證據推理出該物質的相關性質。如案例1。

3.2 基于演繹推理的元素化合物性質教學

演繹推理，是指從一般規律出發，運用邏輯證據，得出特殊事實應遵循的規律，即從一般到特殊的邏輯推理方法。如門捷列夫利用元素周期律進行演繹不僅預測了“鎵”的密度，還預見了鍺、鈧等當時尚未發現的新元素的存在及這些元素的性質。門捷列夫說過，只有通過規律從中推出結果，并且在實驗檢驗中證實這些結果，才能得出這些規律[8]。在元素化合物教學中，一般從化學反應原理或規律出發進行演繹、推理該物質應該具有的性質，再進一步收集證據進行證明。仍以SO2的性質學習為例進行說明，如案例2。

上述案例，從酸性氧化物的一般通性及氧化還原反應原理等規律出發進行演繹推理SO2的化學性質，以此推理為依據設計實驗進行驗證。當然，這種推理方法的前提是對個別事物的共性和本質的判斷。適用于學生掌握了一定的物質變化規律和化學反應原理以后元素化合物知識的學習。如學習金屬鈉的性質時可從鈉原子的結構特點出發進行演繹推理——鈉原子最外層一個電子，在化學反應中易失電子，所以應該能與元素的原子易得電子的物質（如Cl2、 O2等）發生反應，也可以從金屬的一般通性出發進行推理——可以與非金屬單質發生反應，可以將在金屬活動性順序表中排在其后面的金屬從其水溶液中置換出來等。當然，在這種推理方法中，只能揭示共性和個性的統一，不能進一步揭示個性，如金屬鈉與水的反應，金屬鈉與鹽溶液反應的復雜性等;再如案例2中SO2的漂白性等。這時候就需要結合其他證據推理方法作進一步的研究。

3.3 基于類比邏輯的元素化合物性質教學

在形式邏輯上，類比是指同類和相近事物之間的比較，即從兩個或兩類對象有某些兼有或相似屬性，推出一個對象可能具有另一類對象所具有屬性的方法。例如，化學史上巴特列觀察到O2能與PtF6化合生成[O+2][PtF-6]之后，運用類比方法想到Xe和O2的電離勢幾乎相等，那么前者也應有同樣的性質。他按此設想做實驗，結果獲得一種橘黃色晶體，這一發現推翻了長期在化學中流行的惰性氣體不能生成化合物的觀點。在元素化合物學習中，表現為當學習一個新物質的性質時，可以類比已經學過的在組成、結構或類別上與其相似的其他物質的性質進行推理，形成假設后再收集證據進行驗證。如學習SO2的化學性質時可以類比初中已經學過的CO2的化學性質進行探究。

案例3以SO2與CO2在組成上具有相似性作為類比推理的前提提出假設，再設計相應實驗方法進行證明。這種方法適用于結構相似、組成相似或類別相似的元素化合物的學習，如單質Si與C之間的類比，金屬鎂與鈉的類比，SiO2與CO2之間的類比等。當然，類比并不存在嚴格的必然的邏輯法則和邏輯通道，因此所得的結論不一定可靠。類比的雙方雖然具有數個相同或相似的屬性，但類推出的下一個屬性可能正好是雙方的差異點，從而使推理結果失真，這就是類比推理的或然性。如HCl氣體的制備是用固體NaCl和濃硫酸復分解反應制得，運用類比思維推出的制HI氣體也用固體NaI與濃硫酸反應就是錯誤結論。也正由于此，推理的結果只有獲得相應證據的支撐才能稱為科學的結論。

在元素化合物性質學習中，以“證據推理”為思維方法，讓學生經歷發現問題、提出假設、設計實驗、解釋證據、獲得結論的探究過程，“學會收集各種證據，對物質的性質及其變化提出可能的假設;基于證據進行分析推理，證實或證偽假設;能解釋證據與結論之間的關系，確定形成科學結論所需要的證據和尋找證據的途徑”[9]，以達到培養學生學科核心素養的目標。當然，文中所涉及的三種推理方法只是常用的幾種方法，且不是用某一種推理方法就能探究完某一個物質的所有性質。另外，在不同的化學學習階段，因為學生的知識儲備及認知發展水平不同，所用的證據推理方式也會不同。因此，在實際應用時，需要根據學生已有的知識基礎、具體內容特點等靈活選擇、組合運用多種教學方法，形成一個有明晰線索、合乎邏輯的教學結構。

參考文獻：

[1]張華. 論核心素養的內涵[J]. 全球教育展望， 2016， 45（4）： 10～24.

[2][6][9]中華人民共和國教育部制定. 普通高中