實驗探究教學中證據推理內涵特征及其影響因素初探

摘要：?實驗探究教學中證據推理是識別、轉換或推演問題情境形成已知判斷，提出猜想，設計、實施實驗方案，對假設進行證明或創造，得出目標概念的思維過程。基于科學探究、問題解決的信息加工理論，提出“問題、證據、推理、結論”是證據推理的核心要素，探索以問題情境為條件、證據為基礎、“假設—檢驗”和“假設—創造”推理過程為核心、結論為目標、思維發展為目的的實驗探究教學中證據推理的內涵特征及其影響因素。以期為教育實踐者和學術同仁提供證據推理教學評價視角，具有教師專業發展和化學學科核心素養落實的雙重價值。

關鍵詞：?實驗探究教學;?證據推理;?內涵特征;?影響因素

文章編號：?1005-6629（2021）09-0026-05

中圖分類號：?G633.8

文獻標識碼：?B

隨著科學教育理論的創新和科學教育教學的改革，課堂教學更關注學生思維的參與。在科學教育中，科學探究是探究科學本質的載體，幫助學生獲得并應用科學知識[1]。證據推理是科學探究的思維核心，也是化學學科核心素養思維能力的體現。實驗探究教學中關注證據推理，使學生學習從技能訓練轉向思維發展，從機械學習轉向發現學習，從學生客體、教師主體轉向學生主體、教師主導，從步驟取向的按部就班式探究轉向問題解決取向的探究。有研究表明證據和推理的復雜性影響證據推理的過程和質量，其中，證據的復雜性體現在“證據顯現度、證據數量和情境熟悉度”三個方面;單一證據的復雜性決定推理過程是基于單一證據的直接推理，多重證據的復雜性及證據間關系的復雜性要求進行多重證據的直接推理或間接推理[2]。目前，有關證據推理影響因素的研究較為欠缺，而只有了解證據推理的影響因素，教育實踐者在教育教學過程中才能進行科學的證據推理教學，學術同行也有證據推理的多方研究視角，旨在學科核心知識的理解、學生思維的深度參與、核心素養的落實。

1??實驗探究教學中證據推理的內涵

“證據推理”是指“在掌握證據的基礎上推理出新的命題”，即證據推理的起點是證據、終點是結論，進行證據推理就是建構二者之間的邏輯關系。從科學推理的角度來看，“證據推理”屬于“科學推理”的范疇，而“證據推理”更突出強調“證據”，重視證據意識，識別、轉換、形成證據的過程[3]。但是，證據推理也不能簡單地認為是推理的一種形式，證據推理的過程可以包含“歸納、演繹、類比、溯因”等不同的邏輯形式，從已知到未知的推理過程中，都應符合學生的認知規律，多方收集證據，識別、轉化、形成認識，證實或證偽，從而獲取知識、發展思維。實驗探究教學中證據推理包含兩個方面：?一是根據證據經過推理得出科學的結論，即“假設—創造”;二是利用證據證實或證偽假設，即“假設—檢驗”[4]。具體指“學生以其經驗或科學知識為基礎，根據教師提供的一個或幾個學習材料，識別、轉換或推演問題情境及已有知識經驗，形成已知判斷，基于已有判斷提出猜想，多方收集證據，設計并實施實驗方案，對假設進行證明或創造，從而獲取新知、解決問題、得出目標概念的深度思維過程”[5]。

2??實驗探究教學中證據推理內涵的特征及其影響因素

證據推理是科學探究的核心思維活動，科學探究從本質上說是運用證據對科學及科學有關的問題進行解釋、檢驗，從而得出結論的過程，并且，問題是科學探究的起點，解釋是科學探究的核心[6]。而實驗探究教學中“證據推理”即為“始于問題，基于證據的‘假設—檢驗或‘假設—創造，得出結論”的過程。另外，證據推理的過程就是問題解決的過程，證據是問題空間的起始狀態，結論是問題空間的目標狀態，人們在證據推理的過程中就是在理解和表征問題的基礎上，利用一定的證據不斷地對問題空間進行搜索，更新狀態空間，以形成最終的結論，實現問題的解決[7]。因此，“問題、證據、推理、結論”是反映實驗探究教學中證據推理本質的核心要素。首先，各個要素在實驗探究教學證據推理過程中的地位存在差異，問題是條件，證據是基礎，推理是核心環節，結論是目標，基于證據推理達到思維發展是目的。其次，問題應該具有層次性、探究性、可測性，證據具有科學性、準確性、可重復性、充分性，推理具有嚴謹性、邏輯性、合理性、全面性，結論具有客觀性、多樣性、相關性，并且四者緊密聯系、相互支持[8]。最后，證據和推理的質量是決定證據推理結果的兩個非常關鍵的要素。實驗探究教學中證據推理的內涵特征及其影響因素關系圖，如圖1所示。

圖1??實驗探究教學中證據推理的內涵特征及其影響因素

2.1??問題是證據推理的條件

證據推理是一種綜合運用所學的化學學科知識與技能、科學過程與科學方法、針對一定的化學“問題”解決來展開的一種活動系統，問題是證據推理的起點，問題情境為證據推理教學提供學習條件，問題的特征是影響證據推理質量的內在因素。首先，證據推理的問題要具有探究性、層次性、可測性。探究性指的是對未知的結論進行探求。層次性指的是形成由易到難、由淺入深、由具體到抽象的問題鏈，循序漸進，步步深入。可測性指的是將一般性問題轉化為具有可測變量的問題[9]。譬如，在“基于微粒觀的離子反應多元探究”教學案例中，為了探究AgNO3和NaBr溶液反應實質，教師分別設置了四個問題“AgNO3和NaBr溶液能否發生反應？它們反應的實質是什么？如何從微粒的角度驗證是Ag+和Br-發生了反應？Na+和NO3-是否反應生成NaNO3？”。在實驗探究過程中，學生既要從宏觀實驗現象，溶解度、反應物的多少等定量分析判斷，又要從微觀證明離子存在、離子間相互作用及作用的結果。基于已有認知，在設計與實施實驗探究方案中循序漸進、深度思維，培養學生證據推理能力。

其次，問題的呈現方式、類型、載體、目標取向都會影響證據推理的過程。問題的呈現方式包括“文字表述、數據（表）、關系曲線、裝置圖、流程圖”等，問題的類型有“回憶性問題、同化性問題、整合性問題、創造性問題”[10]，問題的載體分為“實驗、STSE鏈接、化學史、故事”等，問題的目標取向包括“知識取向、方法取向、能力取向、素養取向的目標”。其中，基于關系曲線、整合性問題、創造性問題、STSE鏈接、能力、素養類問題，需要學習者深度地思維參與，靈活變通地運用結構化知識和策略性知識，進行原型匹配或重組聯結，進一步進行“假設—檢驗、假設—創造”的推理過程，解決問題。問題情境的認知性促使學生提取已有認知作為推理的前提，在探究、討論、思維過程中解決認知沖突;真實的問題情境有利于培養學生的觀察、思維和應用能力，基于理論聯系實際，與化學有關的科學技術、社會經濟、生態環境的協調發展類情境[11]，對推理能力的要求更高，需要選擇、評估證據進行推理，建構知識;具有發展性的問題情境促使學生產生繼續學習的愿望、激發求知欲和增加學生潛能;問題情境的復雜性又由問題分支、深度、解決問題的路徑長度等問題空間規模決定，問題分支越多、深度越深、解決問題的路徑越長，問題情境越復雜，證據推理的過程就越復雜，能力要求越高。情境的熟悉度和復雜性不同，學生進行推理的過程也不同，熟悉簡單的情境，容易調動學生的已有知識，熟悉復雜、陌生復雜和陌生簡單的情境，對學生知識的遷移能力考驗較大，需具備結構化的知識、靈活應用的能力。此時，知識不僅僅是一種知識，更是一種工具，將其條件化，運用于不同的問題情境，解決不同的問題。

2.2??證據是證據推理的基礎

證據推理就是在證據與結論之間建立邏輯關系的一系列思維活動，證據是證據推理的基礎，基于證據合理推理，得出科學結論是證據推理的一般過程。證據的特征是影響證據推理質量的內在因素。首先，證據具有科學性、準確性、可重復性、充分性等特征。科學性指的是概念、原理、定義、思路、策略等內容的引用是否正確，實驗材料、數據、圖表、公式、符號等是否可靠，培養學生評判質疑的能力。準確性指的是資料內容是真實有效的，所涉及的事物是客觀存在的，并且是與問題解決高度相關、具有內在邏輯性的。可重復性指的是不同的學習者、時間、地點均能夠解釋其適用范圍內的已知的所有事實，為解釋科學結論，可被他人重復證明和檢驗。證據的充分性是對證據數量的衡量，指的是在問題解決過程中，通過運用發散思維，多角度、多側面輻射聯想，想象出多種可能解決問題的方案，多方收集證據的過程。譬如，在“基于微粒觀的離子反應多元探究”教學案例中，教師充分利用了AgNO3和NaBr溶液混合產生淡黃色沉淀，從宏觀實驗現象來證明“AgNO3和NaBr溶液能否發生反應？”;再通過鈉離子計觀察鈉離子濃度在反應前后的變化等微觀證據來證明Na+和NO3-能否發生反應。在此過程中用到了化學方程式等符號證據，溶解度與沉淀關系等定量證據，同時調用學生已有知識、經驗提供邏輯證據，進行邏輯推理，最終得出結論“AgNO3和NaBr溶液能夠發生反應，并且反應實質是Ag+和Br-反應生成AgBr沉淀”。在進行問題解決的過程中學生需要融合自己的想象力，靈活調用、組織已有知識與經驗，基于“宏觀—微觀—符號—曲線”四重表征、定性與定量等多角度收集、評估證據，形成科學的“證據心態、證據觀念和證據理論”的證據意識。

其次，證據的基礎、類型、呈現方式、數量是影響證據推理過程的外部因素。證據的基礎包括“圖式和策略”，證據的類型分為“宏觀證據、微觀證據、符號證據、定量證據、邏輯證據”，證據的呈現方式有“直接證據和間接證據”，證據的數量分為“單一和多重”。其中，圖式和策略是兩種基本的知識結構：?圖式具有“抽象、示例化、預測、歸納、層次組織”的特征，是個體的知識結構，屬于結構化的陳述性知識;策略是目標指向的旨在解決問題的心理操作，從過程來看，是一種目標指向的程序，從知識背景來看，它也構成一種知識，一種特殊的程序性知識，也可認為是程序化的策略性知識[12]。圖式和策略以原型、模板、聯結等形式作為證據而存在。在證據推理過程中，策略、邏輯證據、間接證據、多重證據對學習者系統推理思維的要求更高，需要學習者綜合考慮問題情境、已有證據和未知取向，抓住整體、抓住要害，不失原則地采取靈活有效的方法思考問題、分析問題、設計方案、解決問題。基于證據的顯現度和數量，學生進行不同的推理過程，顯性—熟悉的問題情境，側重于單一的證據，而隱性—熟悉、顯性—陌生、隱性—陌生的問題情境側重于多重的證據。問題情境越復雜，可能需要的證據數量越多，所需證據的數量也受證據質量的影響，證據質量越高，可能需要的證據數量就越少。

2.3??推理是證據推理的核心

推理是由已知判斷推出新判斷的過程[13]，具有嚴謹性、邏輯性、合理性、全面性。嚴謹性指的是在推理過程中任何一個細微的變化都能反映問題、影響結果，學習者要有一絲不茍、實事求是的態度，去粗取精、去偽存真、由此及彼、由表及里，得到正確的結論的過程。邏輯性指的是推理過程符合邏輯體系、具有邏輯特點、恪守邏輯規則，滿足同一律、矛盾律、排中律和理由充足律，即推理必須具備確定性、無矛盾性、一慣性和論證性[14]，合邏輯的推理是有效的推理，能不能進行迅速有效的推理很大程度上取決于對知識層面的概念認知是否完整和深入。合理性指的是證據能夠為結論提供足夠支持強度的推理，而使得結論具有一定程度的可接受性。全面性指的是在搜集、評估證據、分析推理過程中對知識、方法、能力、素養的全面發展[15]，既重視宏觀求證，又進行微觀辨析;既重視直接證明，又要學會間接證明，建構知識，發展能力，提升素養。譬如，在“氧化還原反應的應用”教學案例中，學生要探究雙氧水的氧化性或還原性，首先需要調用核心元素的化合價與氧化性和還原性的關系等已有認知，過氧化氫中的氧元素為核心元素，顯-1價，處于中間價態，既具有還原性，又具有氧化性，并根據所提供的實驗用品和常見錳元素的性質，設計實驗探究方案，選用碘化鉀溶液和高錳酸鉀溶液驗證氧化性和還原性，得出雙氧水既有氧化性，又有還原性的結論。學生基于化合價判斷性質，基于物質性質設計實驗方案，基于實驗現象驗證性質這一過程，體現了嚴謹求實的推理思路。

其次，推理的結構、方式、形式也會影響證據推理的過程。推理的結構分為“直線模型和循環模型”兩種結構，推理的方式有“直接推理和間接推理”，推理的形式包括“歸納推理、演繹推理、類比推理、溯因推理”[16，17]。其中，基于循環模型的推理更為復雜，需要多步才能解決問題，間接推理的條件更為隱晦，需要重組聯結、批判質疑的能力，歸納推理、溯因推理的結論更具有或然性，需要發散的思維和開放的態度，這類推理對學習者能力要求更高、思維敏捷性更強。同時，實驗探究教學中的推理包括“假設—檢驗”和“假設—創造”，該過程具有一定的復雜性，在顯性的、熟悉的問題情境下，基于單一證據進行直接推理，更側重于“假設—檢驗”直線模型的推理過程，而在隱性、陌生的問題情境下，基于多重證據進行間接推理，更側重于“假設—檢驗”循環模型，或“假設—創造”的推理過程。并且推理過程的嚴密性和邏輯性取決于問題設計的層次性和驅動性，在教學過程中，教師需要以知識邏輯、探究過程、問題解決、認知發展等教學取向設計不同的問題線索及活動類型，通過嚴密的邏輯推理解決學生的認知沖突，獲得新知。

2.4??結論是證據推理的目標

結論指的是由已知判斷所推出的那個新判斷。首先，結論具有客觀性、多樣性、相關性。客觀性指的是一切結論以證據為前提，以客觀事實的觀察為基礎，以準確的實驗設計與實施為保障，所得到的客觀判斷。多樣性指的是在開放程度較大的問題解決中，得到符合題意的并列平行的諸多答案。相關性指的是“問題、證據、推理、結論”四者一脈相承，相互影響，高度關聯。譬如，在“給紀念幣穿銅衣——電解工作原理的應用”的教學案例中，解決“如何給紀念幣穿銅衣”的問題，學生依據電解工作原理模型，剖析影響鍍銅的可能因素，設計多種實驗方案，再通過實驗現象、鍍銅效果確定給紀念幣鍍銅需要控制的條件，最終得出“控制電極、電壓、反應時間，以及電解質溶液的溫度、組成，改變電解質溶液的濃度和pH都對鍍銅效果有影響”。同時，在硫酸銅中加入酸或焦磷酸鈉，通過增大電導率或產生焦磷酸銅的配合物，使得反應過程中導電性較好、銅離子濃度較低，反應速率適中，鍍銅效果較好，所得紀念幣更為精美。學生再次調用不同濃度各物質的電導率、銀鏡反應等已有認知，基于目標不斷優化鍍銅方案，完成紀念品鍍銅的任務，旨在應用模型、優化模型，發展學生推理、創造、批判性思維能力。

其次，結論的類型、開放度影響證據推理的過程。結論的類型分為“知識類、方法類、能力類、素養類”。結論的開放度包括“封閉、指導、開放”。封閉是在實驗探究教學的證據推理過程中，各個階段都是教師提供思維結果，學生只是簡單的接受;指導是在教學過程中有部分環節的學生參與，參與程度比較低，封閉式和指導式只得出特定的一種結論;開放是學生主導的課堂，學生提出問題、分析問題、設計方案、實施方案、得出結論，教師起到輔助作用，遇到解決不了的困難時提供必要的學習支架，通過問題懸念，引發學生積極思維，得出知識、方法、能力、素養等縱向深入和各維度橫向平行的多種結論，體驗實驗設計、探究、得出結論的獲得感。其中，基于方法、能力、素養取向的推理過程需要學生思維的深度參與，更能培養學生的理性思維、勇于探究、批判質疑、問題解決的核心素養。開放度越大的問題，學生思維參與程度越大，能力要求越大，證據推理的過程越復雜。教師要給學生明確基于推理得出客觀判斷，培養學生嚴謹求實的科學態度，發揮知識“育人”的功能價值。

在實驗探究的證據推理教學中，運用所提供的證據以及學生已有的知識、經驗進行“問題—證據—推理—結論”的一系列教學活動，無論是假設的形成還是結論的得出，都需要借助科學的證據進行嚴密的推理，找到現象和結論之間的因果聯系，在推理過程中將宏觀證據、微觀證據、定量證據、符號證據、邏輯證據結合使用，同時需要基于問題的層次性開展具有邏輯性的推理，得出客觀的結論。但是，如果將證據推理理解成一種素養維度，則包括“具有證據意識、掌握推理方法、應用推理結果”等能力，這又為該問題的研究提供另一種視角。然而，教師只有明確了證據推理的特點、影響因素，在教學設計與實施過程中才能有的放矢、教學評價也有據可依，旨在促進教師專業發展，培養學生證據意識、推理能力和科學態度。

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