基于3DTG發(fā)展學生“證據(jù)推理與模型認知”核心素養(yǎng)

陳禛天 侯丹 占小紅

摘要： 通過探討可視化外部表征工具三維思維圖（3DTG）的內(nèi)涵，介紹該工具在支持學生進行科學探究學習、培養(yǎng)學生“證據(jù)推理與模型認知”核心素養(yǎng)中發(fā)揮的重要作用。基于3DTG的構(gòu)成要素，構(gòu)建科學探究過程模型，開發(fā)基于該模型的課堂教學模式。設計以“科學使用含氯消毒劑”為主題的探究教學案例，對基于3DTG發(fā)展學生核心素養(yǎng)的教學模式付諸實踐并予以說明。

關(guān)鍵詞： 三維思維圖（3DTG）; 科學探究; 證據(jù)推理; 含氯消毒劑

文章編號： 1005-6629（2021）03-0051-06

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

1? 問題的提出

“證據(jù)推理與模型認知”是化學學科核心素養(yǎng)之一，對其理解可以拆分為兩個部分：“證據(jù)推理”指的是學生基于證據(jù)提出可能的假設，運用推理思維證實或者證偽，形成最終合理的結(jié)論;“模型認知”則是指學生通過建立認知模型，解釋化學現(xiàn)象，揭示現(xiàn)象背后的原理和規(guī)律[1，2]?？茖W探究學習提出，學生要像科學家一樣，采用多種方法開展研究，并根據(jù)研究所得的證據(jù)提出對自然界的解釋[3]?？梢?，科學探究的過程就是學生不斷發(fā)展自身“證據(jù)推理與模型認知”素養(yǎng)的過程。

證據(jù)推理作為一種高級思維活動，往往需要涉及學生的高階思維，因此對學生來說具有一定的難度[4]。研究表明，無論是在傳統(tǒng)環(huán)境還是技術(shù)支持環(huán)境下，學生往往難以把控探究節(jié)奏，進行高效的探究學習。尤其是對于一些復雜的、貼合真實生活情境的探究活動，大量的信息、數(shù)據(jù)、概念交織混合在一起，學習者往往需要經(jīng)歷復雜的認知過程。例如，從多個方面收集信息和數(shù)據(jù)，將信息與學科知識整合在一起并進行高效有序的推理，最終形成問題的解決方案，在這個過程中，許多學生不知道如何建立假設，也有學生反映自己很難將已有的信息、數(shù)據(jù)與學科知識相結(jié)合，更難以對復雜的變量及其關(guān)系進行假設和推理[5，6]。有研究指出，當學生面對相互矛盾的證據(jù)時，傾向于全盤否定而不是修改初始假設。此外，學生更傾向于證實假設而非證偽[7]。因此，在開展探究活動時，教師需要提供一些“腳手架”或支持性工具，將涉及探究和問題解決任務中的復雜認知過程程序化和外顯化，才能更好地促進預期教學目標的實現(xiàn)。

如何開展有效的探究教學活動促使學生發(fā)展“證據(jù)推理與模型認知”素養(yǎng)是目前亟待探索解決的問題。本研究利用在促進探究和證明假設方面較有優(yōu)勢的可視化外部表征工具——三維思維圖（Threedimensional Thinking Graph，簡稱3DTG），嘗試建構(gòu)基于3DTG的教學模式并結(jié)合具體的課堂教學案例，探討如何設計有針對性、有層次性地促進學生“證據(jù)推理與模型認知”素養(yǎng)發(fā)展的教學活動。

2? 基于3DTG模型的教學模式構(gòu)建

外部表征（External Representation）是學生探究學習中廣泛采用的支持性工具之一。外部表征其實是一種圖示思維，指的是利用地圖、圖片、表格等表示知識或信息之間的關(guān)系。具有代表性的外部表征方式有概念圖（Concept Map）、因果圖（Causal Map）、證據(jù)圖（Evidence Map）等，不同的表征具有不同的功能，并可以在不同的階段支持學生的探究學習[8，9]。傳統(tǒng)的課堂上教師往往采用單維外部表征輔助教學中的某一個環(huán)節(jié)，但對于一些開放性較高、復雜程度較大的探究學習活動，只使用單一的表征方式顯然是遠遠不夠的。3DTG的三個維度分別代表三種不同的外部表征。在教學實踐中發(fā)現(xiàn)，相較于使用單一維度的概念圖，使用三維思維圖的學生在探究活動中表現(xiàn)更為出色[10]。

2.1? 3DTG的構(gòu)成要素

3DTG由概念圖、數(shù)據(jù)表和推理圖三部分組成，三部分可以畫在同一張紙上。概念圖（Concept Map）以網(wǎng)狀的形式呈現(xiàn)，用于組織和表征學習者知識結(jié)構(gòu)中概念與概念之間的關(guān)系[11]。數(shù)據(jù)表（Data Table）是一些與探究問題相關(guān)的信息或數(shù)據(jù)，這些信息或數(shù)據(jù)反映為一組關(guān)鍵變量及其在觀察期間的變化。推理圖（Reasoning Map）表示與探究問題有關(guān)的一系列可能的邏輯假設與數(shù)據(jù)或主題知識之間的證據(jù)關(guān)系。

2.2? 基于3DTG的科學探究過程模型的構(gòu)建

科學探究主要有六個基本環(huán)節(jié)，分別是提出科學問題、建立合理的假設、設計與開展實驗、收集信息與數(shù)據(jù)、推理分析與論證和得出最終的結(jié)論。3DTG的概念圖、數(shù)據(jù)表和推理圖這三類表征工具分別支持了科學探究學習中不同的環(huán)節(jié)，覆蓋了科學探究的重要認知過程（見圖1）。

概念圖通過引導學生回顧學科知識，幫助學生明晰科學探究過程中涉及的概念、變量及其相互關(guān)系，從而形成豐富合理的假設;數(shù)據(jù)表用于記錄學生閱讀支持性材料、動手實驗過程中收集到的信息和數(shù)據(jù)，幫助學生有效減少信息與數(shù)據(jù)的遺漏;推理圖清晰地反映了與每一個假設有關(guān)的支持或反對的證據(jù)，避免學生遺忘自己是何時以及如何拒絕某假設的。

三維思維圖的三種表征工具并非孤立存在，而是一個相互聯(lián)系、相互作用的有機結(jié)合體。推理圖處于核心位置，其繪制基于概念圖和數(shù)據(jù)表，結(jié)合提出假設和解釋數(shù)據(jù)的過程。從概念圖到推理圖，學生實現(xiàn)了學科關(guān)鍵知識與概念在實際問題中的遷移應用;從數(shù)據(jù)表到推理圖，學生將收集到的數(shù)據(jù)進行篩選、提取、轉(zhuǎn)化、整合、凝煉形成證據(jù)。反過來，推理圖的繪制促進了學生腦海中概念的網(wǎng)絡化和邏輯化。推理圖中被拒絕的假設則幫助學生及時檢查核對與該假設相沖突的信息或數(shù)據(jù)。

總的來說，3DTG指導學習者逐步建立假設，基于相關(guān)數(shù)據(jù)和知識進行證據(jù)推理，并了解如何以及在何處修改先前形成但不合理的假設或想法。通過將問題的數(shù)據(jù)、主題知識以及假設和推理過程納入整體的視覺表征中，有效地支持了科學探究中假設的提出以及復雜問題的證據(jù)推理。

2.3? 基于3DTG模型的探究教學模式

基于3DTG模型的探究教學模式如圖2所示。

“創(chuàng)設情境，提出問題”是探究教學中的第一個環(huán)節(jié)，主要目的是確定本節(jié)課探究的主題。教師借助生產(chǎn)生活的事例創(chuàng)設真實情境，提出或者引導學生提出充滿趣味性的、有實際意義的、適合課堂學習的科學探究問題，激發(fā)學生的求知欲，使學生產(chǎn)生科學探究的動力。

“建立假設，設計實驗”為科學探究實踐奠定了理論基礎，指引了探究的方向。在此環(huán)節(jié)中，學生經(jīng)過短暫的思考往往會給出一些猜測和假設，但多半是不完全的或脫離科學事實的想法。教師需要引導學生初步繪制概念圖，對先前的假設進行判斷和完善。而后，學生基于教師提供的實驗材料，選擇合適的實驗器材，設計實驗路線，以書面或口頭表達的形式表述實驗方案。

“實驗探究，分析論證”是科學探究最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。學生展開實驗探究，收集和記錄實驗信息和數(shù)據(jù)，形成支持性證據(jù)。學生根據(jù)證據(jù)提出解釋，反復審查和修改先前形成的假設，逐步完成數(shù)據(jù)表和推理圖，解決探究問題。在這個過程中，教師作為自由人，在學生探究學習出現(xiàn)困難時及時給予幫助。

“交流討論，總結(jié)歸納”這一環(huán)節(jié)主要是由教師組織學生進行交流討論。一方面學生要清晰表達自己探究的程序、證據(jù)、解釋;另一方面也要對其他同學的分享進行提問、質(zhì)疑和評價。交流結(jié)束后，教師引導學生進一步完善概念圖，總結(jié)歸納探究問題涉及的化學學科知識和學科思維，感受化學學科價值。

科學探究并不是一個直線性的過程，并非固定地遵循某個科學探究的基本環(huán)節(jié)。學生在實驗探究中隨時可以修改假設、建立新的假設、設計新的實驗方案。從圖2中也可以看出，盡管三維思維圖的不同維度支持不同的科學探究環(huán)節(jié)，但在教學過程中每類圖都是反復提及和使用的。下面以“科學使用含氯消毒劑”主題為例展現(xiàn)如何利用三維思維圖支持科學探究教學的開展。

3? 基于3DTG模型教學設計實踐——以“科學使用含氯消毒劑”主題為例

“科學使用含氯消毒劑”主題選自高中化學必修第一冊（2019新版魯科版）第2章“元素與物質(zhì)世界”的微項目模塊。本節(jié)課是在學生學習了氧化還原反應、氯及其化合物后的一節(jié)拓展探究課。

3.1? 創(chuàng)設情境，提出問題

[情景導入]新冠肺炎疫情暴發(fā)后，84消毒液走紅。此前，這種價格低廉、使用簡單、效果可靠的消毒液已經(jīng)在戰(zhàn)勝甲肝、SARS疫情過程中發(fā)揮了巨大作用，堪稱防疫“神器”。

[探究性問題]有新聞報道84消毒液和潔廁靈（通常含鹽酸）等酸性產(chǎn)品混合使用反而產(chǎn)生負面效果，甚至危害人類健康。84消毒液真正起到消毒作用的成分究竟是什么？為什么84消毒液不能與潔廁靈同時使用？

設計意圖： 提出問題使學生產(chǎn)生認知沖突，對84消毒液背后的科學知識產(chǎn)生學習興趣。

3.2? 建立假設，設計實驗

[學生]提出所有可能的假設并將其記錄在推理圖中（見圖4右側(cè)推理圖）。

[教師]同學們提到的假設中涉及一些含氯物質(zhì)，如氯氣、氯化氫、氯化鈉、次氯酸、次氯酸鹽等。結(jié)合已學知識，在導學案中畫出這些含氯物質(zhì)之間轉(zhuǎn)化的概念圖及涉及的化學反應。

[學生]基于已有知識，回顧有關(guān)含氯物質(zhì)的轉(zhuǎn)化的方程式并畫出相應的概念圖（見圖4左下概念圖）。

可能涉及反應的化學方程式有：

① 次氯酸見光分解： 2HClO光照2HCl+O2↑

② 次氯酸鈉與酸反應（強酸制備弱酸）： NaClO+CO2+H2ONaHCO3+HClO

③ 氯氣與氫氧化鈉反應： Cl2+2NaOHNaCl+NaClO+H2O

④ 氯氣溶于水的反應： Cl2+H2OHCl+HClO

⑤ 電解飽和食鹽水： 2NaCl+2H2O通電2NaOH+Cl2↑+H2↑

⑥ 酸堿中和反應： HCl+NaOHNaCl+H2O

⑦ 化合反應： H2+Cl2點燃2HCl

[教師]請同學們判斷哪些反應是氧化還原反應？

[學生]除了②和⑥，其他都是氧化還原反應。

[教師]次氯酸鈉可能具有怎樣的性質(zhì)呢？請閱讀導學案中84消毒液的產(chǎn)品說明書（見圖3）。

[學生活動]結(jié)合所學知識歸納和推測84消毒液的性質(zhì)，將結(jié)果記錄在3DTG的數(shù)據(jù)表中（見圖4左上數(shù)據(jù)表）。

[實驗設計]學生設計實驗并匯報自己的想法。

實驗藥品： 稀釋的84消毒液（84消毒液和蒸餾水1∶1體積混合）、稀鹽酸、稀硫酸、NaOH溶液、淀粉碘化鉀溶液、酚酞溶液;淀粉碘化鉀試紙、pH試紙、膠頭滴管、培養(yǎng)皿、表面皿、棉花、玻璃棒

提示： 實驗過程應在通風條件下完成，盡量使用相對微型及封閉的實驗裝置（如培養(yǎng)皿上蓋上表面皿），同時注意尾氣吸收。

設計意圖： 讓學生基于先前學習的氯及其化合物知識和生活經(jīng)驗在腦海中提出初步的猜想。而后利用概念圖作為支持性工具，幫助學生建立含氯物質(zhì)轉(zhuǎn)化的概念框架，進一步修改完善先前假設。通過提供84消毒液的產(chǎn)品說明書的閱讀材料，引導學生從物質(zhì)類別、元素化合價的視角預測84消毒液中有效成分的物理性質(zhì)和化學性質(zhì)，并設計驗證假設的實驗。

3.3? 實驗探究，分析論證

[實驗探究]學生基于自己的實驗設計開展實驗探究，將實驗現(xiàn)象記錄在3DTG的數(shù)據(jù)表中（見圖4左上數(shù)據(jù)表）。

[實驗1]取1mL稀釋后的84消毒液于潔凈的試管中，向試管中滴加3～4滴淀粉碘化鉀溶液。

[實驗2]取一張pH試紙于潔凈的培養(yǎng)皿中，用玻璃棒蘸取少量的稀釋后的84消毒液點在pH試紙中央。

[實驗3]（1）取1mL久置的稀釋后84消毒液于潔凈的試管中，向試管中滴加3～4滴酚酞溶液;

（2）再將溶液一分為二，分別向兩支試管中加入3～4滴NaOH溶液和3～4滴酚酞溶液。

[實驗4]取一張pH試紙于潔凈的培養(yǎng)皿中，用玻璃棒蘸取少量的硫酸酸化的稀釋后的84消毒液點在pH試紙中央。

[實驗5]（1）取1mL稀釋后的84消毒液于潔凈的試管中，向試管中滴加0.5mL稀鹽酸溶液;

（2）取一張濕潤的淀粉碘化鉀試紙放在試管口，觀察現(xiàn)象;

（3）實驗結(jié)束時，向試管口塞上加有氫氧化鈉溶液的棉花。

[分析推理]學生基于數(shù)據(jù)表和概念圖完成3DTG的推理圖（見圖4右側(cè)的推理圖）。

設計意圖： 借助自主實驗，讓學生動手驗證84消毒液的氧化性、漂白性等化學性質(zhì)，收集記錄實驗數(shù)據(jù)，形成84消毒液不能和潔廁靈共用的證據(jù)。利用三維思維圖進行分析推理，強化證據(jù)推理的意識。

3.4? 交流討論，總結(jié)歸納

[學生活動]小組間相互交流實驗的現(xiàn)象和結(jié)果，選取一名代表進行匯報。

[探究結(jié)果]整理完善3DTG圖（見圖4），回答探究問題。

84消毒液中的主要成分次氯酸鈉與水和空氣中的二氧化碳反應生成具有強氧化性的次氯酸而具有消毒的功能。由于次氯酸鈉與潔廁靈中的鹽酸反應可產(chǎn)生有刺激性氣味的有毒氣體氯氣[NaClO+2HCl（濃鹽酸）NaCl+H2O+Cl2↑]，因此兩者不可同時使用。

設計意圖： 通過交流討論和小組匯報，使學生學會質(zhì)疑與評價。通過完善三維思維圖，使學生對自己的探究過程進行回顧反思，豐富含氯物質(zhì)轉(zhuǎn)化的概念框架。從氧化還原的視角分析并解釋消毒劑在使用過程中產(chǎn)生的現(xiàn)象和出現(xiàn)的問題，使學生形成合理使用化學品的意識，科學使用含氯消毒劑。

4? 小結(jié)

本課例利用3TDG支持“科學使用含氯消毒劑”探究學習中建立假設、數(shù)據(jù)收集和證據(jù)推理過程。含氯物質(zhì)概念圖幫助學習者清晰地回顧和梳理氯氣、氯化氫、氯化鈉、次氯酸和次氯酸鈉五者之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系;數(shù)據(jù)表幫助學生理清資料卡和實驗中有關(guān)含氯消毒劑性質(zhì)的證據(jù);推理圖使學生的注意力集中在次氯酸鈉與其他消毒劑和潔廁靈反應的推理分析上;3TDG引導學生運用元素化合物認知模型，從物質(zhì)類別通性、元素化合價兩個角度認識含氯物質(zhì)的性質(zhì)與轉(zhuǎn)化，最終解決日常生活中的真實問題?？傊?，3TDG通過視覺表征整個探究學習過程中所需的信息、基本概念和推理過程，促進了學生進行高效的科學探究學習，進一步提升了學生證據(jù)推理與模型認知的化學學科核心素養(yǎng)。

參考文獻：

[1]中華人民共和國教育部制定. 普通高中化學課程標準（2017年版）[S]. 北京： 人民教育出版社， 2018： 3.

[2]羅瑪. 從科學推理到證據(jù)推理： 內(nèi)涵的探討[J]. 化學教學， 2019， （9）： 3～6.

[3]Council N R. Inquiry and the National Science Education Standards： A Guide for Teaching and Learning [M]. Washington， DC： The National Academies Press， 2000.

[4]Duschl R.A.， Gitomer D.H.. Strategies and challenges to changing the focus of assessment and instruction in science classrooms [J]. Educational Assessment， 2010， 4（1）： 37～73.

[5]Kuhn D.， Black J.， Keselman A.， et al.. The development of cognitive skills to support inquiry learning [J]. Cognition and Instruction， 2000， 18（4）： 495～523.

[6]Bell P.. Promoting students argument construction and collaborative debate in the science classroom [J]. Internet environments for science education， 2004， （3）： 115～143.

[7]Suthers D.D.， Vatrapu R.， Medina R.， et al.. Beyond threaded discussion： Representational guidance in asynchronous collaborative learning environments [J]. Computer Education， 2008， 50（4）： 1103～1127.

[8]Gijlers， Hannie， et al.. Interaction between tool and talk： how instruction and tools support consensus building in collaborative inquirylearning environments [J]. Journal of Computer Assisted Learning， 2009， 25（3）： 252～267.

[9]Chen J.， Wang M.， Grotzer T.A.， et al.. Using a threedimensional thinking graph to support inquiry learning [J]. Journal of Research in Science Teaching， 2018， 55（9）： 1239～1263.

[10]張麗萍， 劉建軍， 何琪， 魏國強， 王嫣. 概念圖及其功能研究[J]. 高等理科教育， 2007， （4）： 26～29.

[11]Jim Minstrell， Emily H. van Zee. Inquiring into inquiry： learning and teaching in science [M]. Washington， DC： American Association for the Advancement of Science， 2000.