關于高中化學學科“證據推理與模型認知”的內含解讀*

王琪琪 戴 雯

(河北省固安第一中學 河北 廊坊 065500)

引言

隨著國家教育改革在高中教育領域中的不斷滲透，高中教育者的教學觀念也發生了轉變，更加注重對學生核心素養和思維方式的培養。為了能夠更好地幫助學生完成化學知識技能的學習，教師應落實證據推理思維以及模型認知核心素養的教育培訓工作，以此來迎合目前高考選拔人才的發展趨勢。基于此，筆者將從證據推理思維以及模型認知能力兩個角度對高中化學課程中核心素養教育策略深入討論，以期對從事化學教育管理工作的有關老師略陳管見。

1.課標解讀

1.1 證據推理。“證據”通常是指客觀存在的事實，常被用于表明某個主張或者觀點是真實有效的。證據信息大致可分為兩類，一是數據，即參數值，其主要來源于實驗數據、生活現象、調查資料、實驗現象、科學史實等等。二是知識，即對抽象概念或者客觀真實事物的一種理解，其主要建立在化學規律、概念以及原理等抽象水平上。而“推理”則是指由已知命題經過推理演繹得出全新命題的一種思維模式，如歸納推理等。推理過程的關鍵要素主要涵蓋兩點：其一，推理需要具備強邏輯性，其二，推理需要對客觀事實加以尊重。在滿足這兩點推理要素后所得到的命題才更具可靠性。從化學學科的角度上來看，很多理論體系均是建立在大量的化學實驗基礎上，當學生遇到陌生的化學問題時，教師便可引導其結合已知命題通過找出證據、提出假設以及邏輯推理來解決新問題。證據推理的具體流程如圖1所示。證據推理核心素養的培養要點在于讓學生對自身的證據意識有一定的認知，使其能夠基于對現有化學知識證據來驗證和推理所提假設的真偽，從而理清觀點、證據以及結論的內在邏輯，提高證據推理的質量。

圖1 證據推理過程圖示

1.2 模型認知。由于化學學科涉及到很多分子層和原子層等人們難以用肉眼去察覺的物質，并且有很多化學研究都是針對微觀世界所開展的，因此在化學實驗中，研究人員經常會遇到不能直接對研究對象進行實驗的情況。針對該類情況，研究人員便會以想象、類比或抽象等方式創建一個能夠放映研究對象本質、形態及特征的簡化模型。而認知則是指向比較、抽象、概括、分析、綜合等思維活動。我們可以將“模型認知”理解為學生在化學模型的輔助下進行思維的方式。簡而言之，便是以近乎理想化的化學思維對微觀世界中的化學分子結構進行簡化構建，用以更直觀的揭示化學規律或化學本質的抽象方法。如構建“水分子電離結構”來研究電離平衡本質的本質[1]。如圖2所示。引導學生積極參與化學建模活動是高中化學教育工作中非常重要的內容，其不僅可以幫助學生更好地理解化學結構本質，同時也有利于激發學生對化學學科中未知事物的探索熱情，使其能夠切身體會到化學的魅力。

圖2 水分子電離模型

1.3 證據推理與模型認知的內在關聯。《新課標》中明確指出，“證據推理與模型認知”的教學實質及目標主要包含以下內容：具有基本的證據思維意識；可熟練運用模型來解釋特定的化學現象及其本質規律等等。此外，教師還應結合學生的真實水平對其進行合理劃分，并針對不同水平的學生制定不同的教學方案。

以“證據推理與模型認知”為例，教師可按照以下標準來對學生進行水平劃分。水平1：能從物質變化中提取證據，能識別常見的化學反應模型，能將理論模型與化學事實進行關聯匹配。水平2：能從微觀和宏觀不同視角去收集證據并推斷出合理結論，能對無紙模型進行描述和理解，能指出模型的內涵。水平3：能通過定性與定量相結合的方式收集證據并推斷出結論，能基于物質變化找出研究對象和理論模型之間的異同點，能說明模型的適用范圍及使用條件。水平4：能根據各類物質及反應的差異性特征找出充分的證據，能分析復雜的化學問題并構建相應模型。

2.培養策略及要點

隨著新課改理念在高中教育領域中的滲透，教師在落實對學生知識技能培養的同時也逐漸意識到核心素養教育的重要性。對此教師應從課前準備和課堂活動兩個層面上制定符合當前學生發展需求的教學方案，為幫助學生培養證據推理思維、提升模型認知能力創造條件。

2.1 課前準備。做好充分的課前準備工作是培養學生核心素養的重要前提。在課前準備階段，教師需做好以下工作：第一，明確培養目標。對班內學生的整體水平進行綜合考察，以此來制定具有較強針對性的方案。第二，對教材內容進行有效分析，并在此基礎上制定科學的培養方案。第三，因材施教。針對不同學生自身所表現出的個體差異性在基礎教學方案中進行優化，確保每一位學生都能積極參與到教學活動中。此外，教師還應為學生布置簡單的課前作業，使其在課前對化學知識有大致的了解，并找出其中的問題，以此來鍛煉學生的證據推理思維。例如，在講解“鹵代烴”章節內容之前，教師可引導學生在課前對乙烷和溴乙烷等與之相關的概念加以熟悉，通過了解鹵素代替乙烷中的氫原子，以證據推理的方式可以判斷出C-H鍵的鍵能應大于C-Br鍵的鍵能，因此當發生取代反應后，C-Br鍵會發生斷裂，而C的非金屬性則不如Br[2]。

2.2 課堂活動。為了賦予課堂活動更多趣味性，調動學生對化學知識的探索熱情。教師可在課堂上積極引入一些豐富的教學元素。如翻轉課堂、趣味實驗、小組活動、情境教學、競技游戲等等。這些教學元素均能在課堂活動中充分活躍學生的學習狀態，實現化學課堂的高效性。證據推理思維的培養可從化學理論知識入手。例如通過定性與定量相結合的方式，收集不同證據，以此來證明溶液發生離子反應或處于離子平衡狀態。而模型認知能力的培養則可以將抽象化學模型作為切入點。例如建立離子反應平衡模型，簡單設計化學實驗，以此來探究電解質強弱以及沉淀的轉化、影響平衡的因素等問題。

3.教學實例分析

以《水溶液中的離子反應與平衡》這一章節內容為例，教師可以在該課程的實踐授課中潛移默化地培養學生們證據推理的思維以及模型認知的能力。

3.1 教研討論，明確重點。定期參與教學研討活動有利于幫助教師更高效地完成化學教學工作。在教研討論中，教師可結合自身的教育經驗，以“離子反應與平衡”為核心，同其他教師共同探究“如何通過證據推理的方式來加深學生對化學概念的理解，同時再借助化學模型來提高學生對離子反應本質的認知，最大程度上強化對學生化學思維的培養”這一重要課題。

3.2 提出疑問，搜集證據。化學教學中教師應當積極鼓勵學生在化學探究過程中善于發現問題，并且針對問題提出合理的假設，再通過搜集證據辨別假設的合理性，最終得出新結論。以提出疑問或假設的方式可以有效地激發學生的探索心理，引導其通過收集證據來反向推理得出結論，從而潛移默化地培養其證據推理能力。

例如，在學習強、弱電解質的化學概念時，教師可以先講解強電解質的概念，即在水溶液中可完全電離的電介質。如強酸、強堿等。此時教師可以向學生提問，弱電解質概念以及常見的弱電解質有哪些？在該問題的導向下，學生會根據采用類比推理的方式以強電解質概念為指引，搜集相關化學理論，如電介質概念。并通過電介質化學概念將弱電解質的范圍進行劃分，再結合強電解質的相關理論縮小范圍，最終明確弱電解質的本質，即在水溶液中發生部分電離的電介質。具體包括弱酸、弱堿、水等。

3.3 數據論證，創建模型。模型認知主要是由兩部分內容組成，一是構建模型，二是使用模型。從教學實踐的層面上來看，二者存在較強的關聯性。而創建模型作為模型認知的基礎，其重要性不言而喻。

例如，教師可以引導學生針對電離平衡中的離子構建相應的結構模型。以純水為例，純水中氫氧根離子的濃度與氫離子的濃度處于平衡狀態，因此，純水呈電中性。此時教師可向學生展示氫離子模型以及氫氧根離子的結構模，同時進一步對延伸水的電離平衡知識內容。如在純水中加入酸或堿會打破純水中原有的電離平衡狀態，使電離方向出現正向或逆向的移動。溫度變化也會影響電離平衡，溫度降低會抑制水的電離，反之亦然。水解鹽也可促進水的電離[3]。在展示這些電離平衡的移動時，教師可用動畫的方式來演示氫離子模型以及氫氧根離子模型受到其他外界因素的影響而產生的變化，以此來培養學生的化學結構模型的認知能力，使其能夠更加深刻地理解電離平衡的本質。

3.4 及時測評，提升素養。在培養學生證據推理思維和模型認知能力的過程中，為了能夠更好地了解學生綜合素養的培養情況，教師可按照特定指標對學生的思維能力水平進行測試。在《水溶液中的離子反應與平衡》課程中，教師可將測評標準分為三部分內容：第一，學習理解。其可進一步細分為辨識記憶等。第二，應用實踐。其可進一步細分為分析解釋等。第三，遷移創新。其可進一步細分為復雜推理等。以辨識記憶為例，教師需保障學生在該課程中能夠能依據事實證據，正確識別常見的強電解質以及弱電解質，并且熟練掌握電離平衡常數、pH的定義式、溶度積常數等表達式，最終能夠使用正確的化學用語來表達離子反應平衡的狀態[4]。通過測評指標可以有效判斷學生的推理思維和模型認知能力的真實水平，教師可以此為依據對后續的教學方案進行及時地調整，力求能夠切實有效地提高核心素養培養工作的實效性。

4.核心素養教學研究

4.1 基于“證據推理與模型認知”核心素養培養的教學步驟。對于高中階段的學生而言，其在學習不同的學科知識時，所運用的思維方式也會略有不同。在初中化學課程內容的基礎上，學生逐漸學會了如何通過對不同教育階段化學知識的學習來建立起從化學視角來看待問題、理解問題、解決問題的思維方式。站在化學視角的高度去看待化學問題，通常可以借助化學實驗來輔助解題，結合化學實驗結果以及相關數據信息來反向推證所提假設是否正確，這種解題思路是在原有的知識基礎上所進行的再度升華，同時也是化學核心素養所需重點培養的思維能力。作為化學核心素養中的重要因素，“證據推理與模型認知”主要是指通過化學實驗來積極探究和培養學生對信息的收集、整合以及自主分析等相關能力。其主要教育目標是幫助學生樹立獨立分析問題思維能的同時還要培養學生之間的協助能力。對此，教育者需理清“證據推理與模型認知”教育理念下各教學步驟的要點，以期能夠在化學課堂的綜合實踐應用中充分發揮“證據推理與模型認知”的實效性。

首先，教師要引導學生學會收集各種實證并對其做出相應的假設。其目的是將“證據推理與模型認知”教育理念深入貫徹落實到學習過程中，以此來提高學生的綜合素質水平。單從字面上來看，“證據推理”便是要求學生在進行化學知識推理與驗證的過程中應當有理可依，而非引個人主觀臆測推理結果。在證據收集的環節中，學生可以通過查閱文獻、書籍等資料來獲取與需解決的化學問題相關資料，熟練掌握與之相關的基本技能，完成證據收集完工作后，學生可在整合好的證據基礎上針對發生化學物質性質變化提出有探究價值的化學實驗假設。

其次，學生還應學會自主推理分析、驗證及推理的全過程。學生在查閱文獻、書籍等資料后，對其所研究的物質性質變化規律便也有所了解。化學教師可進一步開拓學生的化學思維，同時還可將班級內的學生合理地組成多個合作學習小組，小組人數可控制在四到五名左右，小組內的每一位學生均可負責的實驗探究工作內容中的某一項任務，例如負責記錄實驗資料、對化學實驗數據進行整理、結論匯報等等。雖然學生之間的分工存在差異性，但是在進行實驗過程中每一位學生都應積極參與其中，且每一次合作探究活動小組，小組成員每一位學生所對應的工作任務可進行互換，通過這種方式可以有效地避免某一名學生長時間負責一項工作所導致教學效果不佳。

最后，教師還應教導學生學會自主建立化學模型。化學模型是其目的在于驗證之前針對化學問題所提出的假設是否正確，需由學生自主要建立相應的化學模型來加以分析，化學模型的建構過程通常按照“提出問題”、“創建化學模型”、“解決問題”三個關鍵步驟。教育者在選擇模型的選擇中，首先要以化學教材內容為核心，將模型與化學問題進行有機結合，以化學課程為起點積極創建模型，再利用模型解決化學問題。在整個解題過程中，模型可以起到針對理論基礎與實踐學習的銜接作用。從理論基礎的層面上來看，教育者可以引導學生在學習化學理論知識基礎上，需通過分析、概括等一系列計算方案來建立起相應的化學模型，但是此時所建立的模型只是一種假設并非客觀事實，因此需經過驗證，才能將其作為理論進行使用。從實踐學習的層面上來看，而言，在實踐學習的過程中，學生需根據已經熟練掌握的化學模型原理，建立全新的化學模型。比如教師在講解有機化學課程內容時，便可使用化學模型的方式來向其他人來展示有機物，而學生也會在通過模仿和學習球棍模型的解題思路在腦海里存留。隨著教師在化學教學活動中對各種化學模型應用數理的不斷增加，就會在學生腦海中留下越多的化學模型思想，以此來提高其解決化學問題的能力，強化對學生核心素養的培養效果。

4.2 基于“證據推理與模型認知”核心素養培養的教學策略。高中化學的知識體系復雜程度及難度均有著顯著提升，且所涉及到的知識面范圍較廣，無形中便會增加學生的學習難度，使學生喪失對化學知識學習和探究的興趣。教育者要想有效改善這一現狀，需積極在平時的教學工作中融入模型教學的基本理念，并利用化學模型來輔助學生們更加高效率、高質量的解決化學難題。與此同時，教育者還應在備課時針對構建模型這一環節預留出充分的時間，并且結合課程進展情況來進行適當調整。通常情況下，學生在剛開始建立模型時常常會出現一些問題，隨著建模次數的不斷增加，學生也會逐漸培養出建模思維，并逐漸掌握模型構建的要點，有利于培養學生的核心素養能力。化學教師在課堂組織活動中開展模型教學時的教學要點主要體現在以下三個方面。

首先是以實驗探究為導向所構建的化學模型。化學實驗是化學學科中不可或缺的重要組成部分，高中化學課程中化學實驗出現的頻率很高，教師可通過化學實驗的方式向學生講解各種物質所體現出的化學性質。從某種程度上而言，化學實驗是培養學生“證據推理與模型認知”核心素養的重要路徑。學生可以在化學實驗的過程中建立正確的化學思維，鍛煉其自身的動手實踐能力。化學教師還可在實驗進行的過程中，有目的性地引導學生去針對所探究和實驗的物質去構建相應的化學模型，以此來進一步加深學生對該物質化學特性的理解和認知。

其次是以便捷為導向所構建的理想化模型。構建模型的本質是將所研究的化學問題進行簡單化，大多數化學模型的構建均與原型之間存在著一定的相似性，比如物質結構之間的數量關系。但又不是所有模型均與原型存在共同點，例如元素與元素符號。從某種角度上來看，即便是存在相似性的結構，其最多也只是模擬原型中相對比較突出的特征而已，即便可以無限接近于原型，但卻不可能與原型完全相同。對此教師可引導學生在解決化學問題的過程中可通過構建理想化模型的方式來拓展解題思路，從而更好地提高解題效率，有利于培養學生在“推理與模型認知”理念下的核心素養，使學生能夠熟練掌握理想化模型的應用方法，提高解決化學問題的正確率。

最后是以選擇為導向所構建的最佳模型。針對同一化學問題通常可以創建多種化學模型，對此教師需引導學生在多種化學模型中選擇最佳模型作為模板，開展相應的解題流程，從而幫助學生更加綜合、全面且深入的理解化學題目的內在含義，以此來有效增強學生對建立模型所體現出的化學思維以及使用模型解決實際問題時的能力，強化對“證據推理與模型認知”核心素養能力的培養成效。

結束語

證據推理思維以及模型認知能力的培養是一個循序漸進的過程，不能一蹴而就。因此教師需由足夠的耐心，在日常的教學實踐中潛移默化地向學生滲透證據推理的思維方式，同時充分利用化學結構模型來輔助教學，強化學生的模型認知能力。長此以往，筆者相信學生定能形成科學的學習思維和習慣，以證據推理思維以及模型認知能力為漿，駕駛核心素養的這艘帆船在化學海洋中翱游。