淺析化學教學中證據應具有的“四性”

李曉明

摘要：?通過具體案例分析化學教學中使用證據進行推理時存在的問題，并提出改進措施。指出在進行證據推理教學時所使用的證據應具有真實性、關聯性、唯一性和同一性，即“四性”特征，以確保證據推理教學的嚴謹性和科學性。

關鍵詞：?證據;?證據推理;?化學教學

文章編號：?10056629（2021）07002706

中圖分類號：?G633.8

文獻標識碼：?B

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[1]。在課堂教學活動中，為避免知識的直接傳授與告知，開展探究活動，實現學生對學科知識的自主建構，發展學生的高階思維能力，需采用證據推理的教學策略。

1?證據的內涵

證據是推理的基礎和前提，科學的推理應是基于證據的推理。楊玉琴、倪娟[2]指出，證據是指“一系列可用的事實或信息，表明某個信念或主張是真實的或有效的”。而這些可用的事實或信息常常與數據或知識相關聯，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，數據可來源于觀察自然生活現象、實驗現象或者測量亦或是調查資料、科學史料等;知識則是建立在一定抽象水平之上的化學概念、原理、規律等經過認可的理論。數據是師生通過有意識的、主動的、有實施方案的學習活動來獲得的，屬于實踐活動范疇;而知識是師生在推理之前通過學習所掌握的已經得到科學證實的學科知識，屬于科學理論范疇。

根據上述對證據的理解以及《課程標準》中對“證據推理”如何落實于具體的學習過程提出的表現行為[3]：?（1）初步學會收集各種證據，對物質的性質及其變化提出可能的假設;（2）基于證據進行分析推理，證實或證偽假設;（3）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并形成如圖1所示的基于證據進行推理的教學活動過程。

在教學活動中可以通過實驗觀察、測量或者查閱等方式獲取數據，通過分析學生已有認知結構來提取與結論相關聯的知識，獲取的數據和提取的知識可以相對獨立也可以協同轉化為相關證據，然后建立起證據、假設與結論的邏輯關系，進行推理活動以實現證實和證偽，進而獲得結論。

2?證據應具有的特征

在實施證據推理的教學過程中，結論是教師已知或明確的，學生掌握該結論是要達成的知識目標。但目標的達成需要學生經歷推理過程以發展其思維并促進對知識的深入理解，故開展推理活動所使用的證據應具有真實性、關聯性、唯一性和同一性的特征，即證據的“四性”。

2.1?證據的真實性

真實性是證據的首要屬性，也是最本質的特征。證據本身應是客觀存在的，它可以是客觀存在的實驗現象，也可以是經過證實的理論，而不應是教師和學生的主觀猜測或者是偽造。提供證據不真實的原因主要是源自教師對知識本身的錯誤理解和對實驗結果的預期想象。

案例1?在鹽類水解教學時，有教師為推導出水解過程為吸熱反應，在未經過實驗的情況下，僅靠臆測就認為加熱時強堿弱酸鹽如CH3COONa溶液的pH會增大，并以此作為鹽類水解平衡正向移動的證據。

真正的情況是，強堿弱酸鹽在加熱時溶液的pH會下降，如表1和表2中分別為一定濃度的CH3COONa和Na2SO3溶液在加熱后溶液pH的變化數據。因弱酸根離子的水解為吸熱的可逆反應，加熱強堿弱酸鹽時，隨溫度升高，平衡會正向移動，使溶液中的c（OH-）增大，導致pOH減小。但溶液中還存在水的電離平衡，其電離也為吸熱反應，隨著溫度的升高Kw增大，導致pKw減小。因為溶液的pH=pKw-pOH，所以溫度升高pH的變化取決于pKw和pOH變化的相對大小，又因水的電離吸熱多于弱酸根離子水解的吸熱，使pKw減小的程度大于pOH減小的程度，故隨著溫度的升高強堿弱酸鹽的pH減小[4]。對于易氧化的Na2SO3其pH變小還有被O2氧化為Na2SO4的原因。在該案例中，未經實踐僅憑主觀猜想地認為加熱時強堿弱酸鹽的pH會增大的證據，就屬于非客觀的事實，其不具有真實性。

在選擇溫度升高鹽類水解平衡正移的證據時，可以選擇自身水解顯色的Fe（NO3）3或Fe2（SO4）3溶液（不能選擇FeCl3溶液，因為除存在水解平衡外，還存在Fe3+與Cl-之間的配位平衡）進行如下實驗：?在A、?B兩只試管中分別加入等體積的0.1mol·L-1的Fe2（SO4）3[或Fe（NO3）3]。將A試管在酒精燈上加熱到溶液沸騰。觀察A試管中溶液的顏色變化，并與B試管中的溶液的顏色比較。上述實驗中A試管中的溶液的顏色從初始的棕黃色變為紅褐色，可以說明Fe3+的水解平衡：?Fe3++3H2OFe（OH）3+3H+，因ΔH>0，所以溫度升高后平衡發生了正向移動。

案例2?在進行甲酸的教學時，基于結構上有醛基（—CHO），推理出它會發生銀鏡反應。為了證實該推論，教師進行如下的實驗操作：?向潔凈的試管里加入1mL?2%的AgNO3溶液，一邊振蕩試管，一邊滴加2%的稀氨水，至產生的沉淀恰好完全溶解，再滴入3滴甲酸鈉溶液，振蕩后把試管放在熱水浴中加熱，觀察現象。在進行上述實驗時卻無法觀察到銀鏡出現，為了出現預想的現象，教師進行如下的改進：?增大AgNO3溶液和氨水的濃度，并滴加幾滴濃的NaOH溶液，這時就會出現銀鏡現象，以此來說明甲酸也可以發生銀鏡反應的推論。

上述實驗改進所提供的證據是虛假的，因為甲酸鹽并不能與銀氨溶液發生銀鏡反應[5]，若不添加甲酸鈉只是在銀氨溶液中滴加濃NaOH溶液并進行水浴加熱就會出現銀鏡現象。這是因為在銀氨溶液中存在銀氨絡離子的水解平衡：?Ag（NH3）+2+2H2OAg++2NH3·H2O，當加入NaOH后，加熱會促進NH3·H2O分解，從而逸出NH3，促使上述平衡正向移動，c（Ag+）增大，Ag+與OH-反應立即轉化為Ag2O：?2Ag++2OHAg2O↓+H2O，然后Ag2O被NH3還原為單質銀：?3Ag2O+2NH36Ag+N2+3H2O。采用圖2所示裝置進行實驗，在試管中會出現銀鏡。

上述案例中，為了想達到期待的實驗現象，以證實推理，采用了虛假的證據，盡管主觀上并非故意，可能是認為增大堿性會提高甲酸鹽的還原性，但這種證據是不能使用的。在我們的教學中也應避免甲酸、甲酸鹽能發生銀鏡反應的教學。

2.2?證據的關聯性

證據與推論之間必定要有某種客觀聯系和某種因果關系，體現在該證據的出現是該推論直接產生，而非其他原因所導致。這就需要明確形成該證據的原理實質，增強對學科知識的理解，不能想當然地認為這個結果所呈現的證據是教學活動所需要的推理導致的，也要避免教學中為了達到預測的目的而將無關聯的已有知識和推理結論相關聯并進行一種想當然的演繹推理。

案例3?在平衡常數教學時，在分析溫度對影響平衡常數時，常進行如下的推理：?aA（g）+bB（g）cC（g）+dD（g）該反應平衡常數的表達式為K=c（C）c×c（D）dc（A）a×c（B）b，若該反應ΔH>0，升高溫度平衡會正向移動，導致產物C、?D的濃度增大，反應物A、?B的濃度減小，所以平衡常數K增大;若該反應ΔH<0，升高溫度時平衡會向逆向移動，導致產物C、?D的濃度減少，反應物A、?B的濃度增大，所以平衡常數K減小。從而得出結論：?ΔH>0時，T升高則K增大，T降低則K減小;ΔH<0時，T升高則K減小，T降低則K增大。

上述案例中，得到的推理結論所依據的證據是溫度變化導致平衡移動，進而導致化學平衡常數發生變化。這個證據盡管使用的已有理論是正確的，但該證據與推理結果之間并不具有關聯性，因為平衡移動是常數變化的結果，而不是先發生平衡移動后導致平衡常數發生變化。

為何溫度變化會導致平衡常數的變化，這應從范特霍夫方程dlnKθdT=ΔrHθmRTθ——標準平衡常數隨溫度變化的微分式來分析，它表明溫度對標準平衡常數的影響與反應的標準摩爾反應焓有關。若反應吸熱，ΔrHθm>0，?dlnKθdT>0，說明K隨T升高而升高。若反應放熱，ΔrHθm<0，?dlnKθdT<0，說明K隨T升高而減小。在教學中我們不可能將范特霍夫公式提供給學生，但應該指明溫度變化導致K變化，從而導致平衡發生移動，而不應該從溫度變化導致平衡移動來說明K的變化，盡管這種教學可以讓學生容易記憶K隨溫度的變化規律。

案例4?在進行多元弱酸電離平衡常數教學時，在推理多元弱酸各級電離平衡常數的大小關系時，常進入如下分析：?多元弱酸第一步電離產生的氫離子，抑制了二級電離，使二級電離平衡逆向進行，因此Ka1>>Ka2，第一、二步產生的氫離子，抑制了三級電離，使三級電離平衡逆向進行，因此Ka2>>Ka3。

上述該案例中，所得到的推理結論依據的證據是氫離子產生的同離子效應。但這就與化學平衡常數只是溫度的函數，與離子的濃度無關的結論產生了矛盾。同離子效應是指在定溫下增大產物離子濃度而使反應物的電離程度降低的現象，它是影響化學平衡的外因，只能使可逆反應的平衡發生移動，并不能改變化學平衡常數。因此，同離子效應能影響多元弱酸的電離程度，但并不能作為影響多元弱酸逐級電離常數遞減的證據。所以，采用同離子效應作為推理證據與結論間不存在因果的關聯。

導致多元弱酸分子逐級電離常數銳減的真正原因，一是電離過程，即從帶負電荷越多的含氫酸根離子中電離出H+，受到其靜電引力越大，越難電離;二是接受質子過程，即帶負電荷越多的（含氫）酸根離子與水溶液中H+之間的庫侖引力越強，越易接受質子形成含氫酸根離子，致使平衡左移[6]。

案例5?在實驗室中利用乙醇和乙酸反應制備乙酸乙酯時，為了說明收集乙酸乙酯時使用碳酸鈉溶液的目的之一是除去乙酸，事先在碳酸鈉溶液中滴加酚酞使其變紅色，然后在制備實驗結束后振蕩盛有碳酸鈉和乙酸乙酯的試管，通過試管下層碳酸鈉溶液的紅色褪去為證據來說明乙酸乙酯中有乙酸雜質，振蕩后與碳酸鈉溶液發生了反應。操作過程如圖3所示。

上述案例中，滴有酚酞的飽和碳酸鈉溶液褪色的原因并非是乙酸乙酯中含量很少的乙酸雜質，而是因為酚酞易溶于乙酸乙酯，振蕩后發生了萃取[7]。即褪色并不是碳酸鈉與乙酸反應這個推理的關聯證據。

如何證明乙酸乙酯中含有乙酸以體現飽和碳酸鈉吸收乙酸的作用呢？先在飽和碳酸鈉溶液中滴加紫色石蕊溶液，然后進行制備實驗收集乙酸乙酯。制備實驗結束后將試管傾斜再沿試管內壁在乙酸乙酯上層緩慢加入2mL紫色石蕊溶液。此時會看到如圖4所示的現象。在飽和碳酸鈉溶液中滴加紫色石蕊溶液后能通過顏色對比清晰看到乙酸乙酯層，在乙酸乙酯層加入紫色石蕊溶液后，石蕊溶液與乙酸乙酯的交界處會出現紅色，以此證明乙酸乙酯中含有乙酸雜質，再進行振蕩，又分為兩層，下層為藍色溶液，上層為無色的乙酸乙酯層，說明乙酸的量是較少的。

2.3?證據的唯一性

證據只有唯一性才具有充分性，當我們對一個推論探尋證據時，該推理應是形成該證據的唯一因素，若還有其他的因素也會導致相同證據結果的，則該證據就不具有充分性，依據該證據所得出的結論也就是不嚴謹的，此時就要排除其他因素的干擾或者進行對照試驗，以證明該推論是形成所提供證據的唯一因素或決定性因素。

案例6?為了證明在NaCl溶液中鋼鐵能夠被溶液中溶解的氧氣氧化發生吸氧腐蝕，教師設計如圖5所示的實驗裝置，若能觀察到石墨棒附近溶液變紅，可推出在石墨棒上O2得到電子同時產生OH-：?O2+4e-+2H2O4OH-，若在鐵片附近出現藍色沉淀則可說明Fe失去電子生成Fe2+：?Fe-2e-Fe2+。

上述案例中以石墨棒附近溶液變紅的現象為證據得出正極是溶解氧得電子是沒有問題的，但以鐵片附近出現藍色沉淀為證據得出Fe失去電子生成Fe2+是不夠嚴謹的，因為Fe（CN）3-6中的鐵為+3價也具有氧化性，可以與Fe發生氧化還原反應生成Fe2+，生成的Fe2+繼續和Fe（CN）3-6生成藍色的Fe3[Fe（CN）6]2沉淀[8]。亞鐵離子的產生源自兩種原因，即鐵的吸氧腐蝕和與Fe（CN）3-6離子間直接的氧化還原反應，故該實驗提供的證據不具有唯一性。如何避免這種不嚴謹的證據采集，只需略微改進實驗操作即可：?用膠頭滴管吸取鐵片附近的溶液于試管中，再向試管中滴加K3[Fe（CN）6]3溶液，如圖6所示，這樣就避免了鐵與Fe（CN）3-6的接觸，使藍色沉淀出現這個證據具有唯一性。

案例7?在電解原理教學時，為了說明銅為陽極材料時，銅自身發生氧化反應，此時的電極為活性電極，且短時間內出現明顯現象，便于課堂演示。教師設計了如圖7所示的實驗，接通電源后銅片附近很快就出現藍色，以此來推理出銅發生了氧化反應。

上述案例中，以銅片附近的溶液變藍為證據來推理出銅為活性電極，是基于銅失電子生成的Cu2+會與NH3·H2O生成藍色的四氨合銅離子Cu（NH3）2+4離子。但若不接通電源而是將銅片放置在濃氨水中，一段時間后也會出現相同的藍色現象，這是因為銅離子形成配合物后提高了銅的還原性，降低了Cu的電極電勢，促進了O2與Cu的反應。發生如下反應：?2Cu+8NH3·H2O+O22[Cu（NH3）4]（OH）2+6H2O，由該實驗提供的溶液變藍的證據就不具有唯一性。這時就需要進行對照實驗：?在另一只燒杯中放置一片銅片浸在濃氨水中，發現做活性電極的銅片電解濃氨水的燒杯中溶液很快（大概十幾秒）變藍色，而此時對照實驗中溶液的顏色仍然無色。也可將濃氨水換作濃氫氧化鈉溶液，會在短時間內銅片附近溶液就出現了藍色，此為四羥基合銅的顏色：?Cu-2e-Cu2+、?Cu2++4OH-Cu（OH）2-4，該實驗同樣也需要進行對照實驗。

案例8?為說明濃硝酸的強氧化性，有教師進行如圖8所示的實驗，根據試管中出現大量紅棕色的氣體來說明木炭與濃硝酸發生了氧化還原反應，硝酸被還原為NO2。

上述案例中，通過觀察是否有NO2生成來判斷硝酸與碳發生了氧化還原反應，此證據就不具有唯一性，因為在高溫下濃硝酸也會分解生成NO2：?4HNO3△4NO2↑+O2↑+2H2O，所以通過有NO2生成無法作為硝酸與碳發生氧化還原反應的證據。有教師采用圖9所示裝置，通過CO2傳感器來測定三頸燒瓶中二氧化碳含量增加為證據來說明硝酸與碳發生了反應，碳被氧化為CO2，但該證據仍然不具有唯一性，因為三頸燒瓶中空氣中的O2、濃硝酸分解產生的O2會與紅熱的木炭產生CO2，此時需要進行對照實驗：?同樣采用圖9裝置，但三頸燒瓶中不加入濃硝酸只加入紅熱木炭，測量三頸燒瓶中CO2含量的變化，或者在圖9中的實驗裝置中再增加O2傳感器（如圖10所示），來排除三頸燒瓶中空氣中的氧氣以及濃硝酸分解產生的O2的干擾。

2.4?證據的同一性

獲得的或提供的證據，需要和要驗證的推理之間處于相同的情況或條件，若獲得的證據與推理結論所木炭反應時CO2和O2含量的變化處的情況或條件有差異，會使推理出的結論超出實際范圍，則兩者就會有出現偏差的可能。有些證據是通過與學生已有認知中的證據推理經驗類比所得，但在類比時所獲得的證據與已有認知中的證據不具有同一性時，就會出現錯誤的、不嚴密的推論。

案例9?在進行乙醇結構的教學時，為了通過推理獲得乙醇結構，教師首先會讓學生根據乙醇的分子式C2H6O寫出兩種可能的結構分別為①HCHHOCHHH、?②HCHHCHHOH，然后，先以金屬鈉的保存為證據，因為鈉保存在煤油中，而煤油的主要成分為烷烴，說明鈉不能與烷烴反應，碳氫鍵遇到鈉時不會發生斷裂，所以若為結構①則乙醇與鈉不會發生反應。再通過乙醇與鈉可以發生反應的實驗事實為證據來否定①的結構，從而確定乙醇的結構為②所示結構，且與鈉反應時②的結構中的碳氫鍵也不會發生斷裂的推理也源自鈉與烷烴不能反應的證據，并與水的結構H—O—H進行比較，得出的結論是與鈉反應時結構②中的氫氧鍵發生了斷裂。

在上述案例中烷烴中的碳氫鍵與結構①、②中的碳氫鍵并不具有同一性，①、②結構中的碳氫鍵所在的基團與氧原子相連接，氧原子就會影響到碳氫鍵的強度，以烷烴中的碳氫鍵與鈉不反應推理出①、②結構中的碳氫鍵與鈉不反應的推理就不嚴謹。比如某些醛或酮中的與醛基（—CHO）或羰基（—CO—）直接相連的碳上的氫（αH）比醇羥基中的氫還要活潑，乙炔也可以與金屬鈉反應生成氫氣[9]。

為證明①或②結構中的碳氫鍵不能與金屬鈉發生反應，從同一性角度要選擇碳氫鍵所處結構環境相同的物質為參照物，即選擇與醚鍵（—O—）相連的烷基上的碳氫鍵能否與金屬鈉反應為證據，可以選擇甲乙醚（CH3CH2OCH3），但因甲乙醚常溫常壓下為氣體，故要選擇常溫常壓下為液態的乙醚（CH3CH2OCH2CH3），乙醚與金屬鈉不反應而乙醇可以與鈉發生反應，并激活學生已有認知中鈉與水可以反應以及水的結構的知識，以此來排除結構①，來證實結構②。

案例10?為了說明HClO的酸性弱于碳酸的酸性，教師根據教材[10]中漂白粉中的有效成分次氯酸鈣與水蒸氣、二氧化碳發生反應，生成次氯酸的反應：?Ca（ClO）2+CO2+H2OCaCO3+HClO來推理出次氯酸的酸性弱于碳酸的結論，依據的證據是較強酸可制取較弱酸。該證據是類比于以CH3COOH能分別和NaHCO3、?Na2CO3反應生成H2CO3：?2CH3COOH+Na2CO32CH3COONa+CO2↑+H2O、?CH3COOH+NaHCO3CH3COONa+CO2↑+H2O為證據，得出CH3COOH的酸性強于H2CO3的推理過程。

上述案例中所提供的證據與CH3COOH強于H2CO3的證據并不具有同一性，次氯酸鈣與水、二氧化碳反應時除電離平衡外還有沉淀溶解平衡的參與，所以，此時H2CO3能生成HClO就不能作為比較H2CO3和HClO酸性強弱的證據。可以采用如下的實驗證據來說明H2CO3的酸性強于HClO的酸性。在兩支試管a、?b中加入84消毒液的水溶液，然后分別滴加紫色石蕊，溶液變為藍色，然后在a試管中通入CO2或吹氣，發現通入CO2的a試管中藍色馬上褪去，而未通入CO2的b試管中藍色需一段時間后慢慢褪色（如圖11所示）。通過該實驗，能說明通入CO2后生成了具有漂白性的HClO，以此來證明H2CO3的酸性強于HClO。

3?結語

在高中化學教學過程中，為了讓學生經歷思考和探究的過程，能夠自主建構知識，實現對知識的理解，教師通過設計問題，由學生分析推理，讓學生尋找證據來進行證實和證偽;或由教師先提供證據再由學生討論交流，師生交流評價，共同推理出結論，但如果偏離證據的真實性、關聯性、唯一性和同一性就不符合嚴謹求實的科學探究精神。

參考文獻：

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