基于“證據(jù)推理”的化學教學設計

曾海輝

摘要： 以“解密自熱包”為例，嘗試建構基于證據(jù)推理的化學探究框架，在教學中實踐“證據(jù)調用證據(jù)獲取科學論證”的推理論證循環(huán)，提煉以證據(jù)為核心的探究策略，為核心素養(yǎng)背景下的化學探究教學提供借鑒與參考。

關鍵詞： 初中化學; 證據(jù)推理; 科學論證; 模型解釋

文章編號： 10056629（2022）09004606

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

“證據(jù)推理”不僅是重要的科學思維，更是化學學科核心素養(yǎng)的內容之一，它是掌握化學核心概念、實踐科學探究、培養(yǎng)化學學科能力、解決實際問題的關鍵。將證據(jù)推理引入化學教學，可起到細化教學環(huán)節(jié)、突出科學思維、強化學科能力的作用，是落實化學學科素養(yǎng)的有效途徑。本文將以九年級復習課“解密自熱包”為例，對基于“證據(jù)推理”的化學教學設計進行具體說明。

1 基于“證據(jù)推理”的化學教學框架

在復習課“解密自熱包”的教學中，教師以自嗨鍋的發(fā)熱原理為情境，設計了基于證據(jù)推理的教學過程，引導學生從已有經驗、問題情境中識別、轉換、形成證據(jù)，利用證據(jù)進行推理，從而獲得結論，解決問題[1]。教學框架設計如圖1所示。

教學框架以“證據(jù)”為核心，包含科學推理、科學論證、建模解釋、科學實踐四個隱含要素。

1.1 證據(jù)

貫穿于“解密自熱包”教學的全過程，是自熱包原理探究過程中學生做出判斷的理由與依據(jù)，它是科學推理與論證的起點，具體包含兩層含意： 一是學生所獲得的可用于推理論證過程的信息和數(shù)據(jù)。如實驗中的現(xiàn)象與數(shù)據(jù)、情境中獲取的信息、調用和轉化的知識經驗以及其他權威研究的報告、資料與數(shù)據(jù)等均可成為證據(jù);二是獲得（形成）證據(jù)的過程，包括確定所需的證據(jù)、設計實施方案獲取證據(jù)、處理證據(jù)數(shù)據(jù)、評價檢驗證據(jù)等過程。

1.2 科學推理

主要包括正向推理（由證據(jù)推理出結論）和逆向推理（由結論反向推理出所需的證據(jù)）兩種形式[2]。它們是探究式學習的主要思維方式： 正向推理主要作用于建立假設與得出結論的過程，偏重集中思維;逆向推理則作用于由假設推理出所需證據(jù)，進而設計方案取證，偏重發(fā)散思維。兩者均不可或缺。

1.3 科學論證

對證據(jù)與結論進行邏輯分析，以此來支持或修正主張，并提供數(shù)據(jù)、資料、文獻等佐證信息，它通過證據(jù)分析與佐證、科學推理與解釋、主張反駁與修正等過程來共同完成[3]。在基于證據(jù)推理的“解密自熱包”探究教學中，科學推理與論證相伴而生，由“證據(jù)獲取科學論證修正假設”構成的“推理論證循環(huán)”是學習者一步步逼近真相、解決問題的關鍵。

1.4 建模解釋

此要素隱含在整個證據(jù)推理教學過程之中。如教學伊始，學生結合情境信息和原有認知對提出的問題進行初步解釋，并建立假設，此處的假設為“心智模型”;實施探究方案之后基于新的證據(jù)解釋與修正假設，這是“完善模型”;繼而最后的科學解釋和問題解決過程，則是“建模遷移”。不難發(fā)現(xiàn)，在模型認知的過程中，科學解釋總是相伴而生，共同推進模型的建構、完善與應用。

1.5 科學實踐

與“科學探究”同義，它包含了問題解決的基本環(huán)節(jié)，是發(fā)展科學思維、掌握化學觀念、培養(yǎng)教學態(tài)度的載體和基礎。本文將其表述為“科學實踐”[4]，意在解決現(xiàn)下科學探究所出現(xiàn)的問題： 一是將科學探究僵化為單一步驟的集合體，缺乏假說、推測、解釋等理論性思考;二是對科學探究的解讀陷入“科學方法”的思維定勢，弱化科學思維的作用;三是對科學探究的理解未能統(tǒng)一，教學實踐千差萬別而又偏離重點，浪費大量人力物力[5]。

2 基于“證據(jù)推理”的化學教學策略

基于“證據(jù)推理”的化學教學，旨在通過證據(jù)推理過程，提升推理能力，發(fā)展高階思維，培養(yǎng)核心素養(yǎng)。具體做法如下。

2.1 基于證據(jù)調用，設計初步推理

“基于真實情境的問題解決”是發(fā)展學生核心素養(yǎng)的重要途徑，區(qū)別于傳統(tǒng)講授式課堂，它可以提供非良構的復雜情境、隨機觸發(fā)的探究困境及運用高階思維的環(huán)境。基于“證據(jù)推理”的化學教學同樣始于真實情境。在“解密自熱包”教學中，教師先呈現(xiàn)自嗨鍋的情境，創(chuàng)造機會讓學生獲取情境證據(jù)（信息）、調用原有證據(jù)（認知），經過表達問題、評價問題，確立“自熱包的發(fā)熱原理”為研究主題。此時教師提供外部證據(jù)（說明書： 自熱包的成分為生石灰、鋁粉、碳酸鈉），讓學生結合原有認知進行正向推理，建立“自熱包熱量主要來自生石灰與水反應”的假設（見圖2）。

以上過程中，學生體驗了兩次推理過程： 第一次是提問環(huán)節(jié)，學生心中會產生很多與情境有關的問題，他們會在極短時間內，利用情境與原有認知中的有限信息進行推理，從而篩選出還未解決的問題，優(yōu)化問題質量，為主問題的確立打下基礎;第二次是建立假設的過程，學生需對問題的難易程度做出判斷、解決策略做出選擇、解決方案進行構思，這些都需要獲取外部證據(jù)（如說明書）、原有證據(jù)進行正向推理而實現(xiàn)。此過程中的證據(jù)推理都是基于“證據(jù)→結論”的正向推理過程。

2.2 基于證據(jù)獲取，建構論證循環(huán)

“基于證據(jù)推理的自熱包探究”將推理、設計、實驗、論證捆綁結合。首先基于假設進行逆向推理確認所需證據(jù)，而后以團隊合作的方式進入方案的設計與實施環(huán)節(jié)獲得一手實驗數(shù)據(jù)，最后分析論證及修正假設，再次進入基于假設的逆向推理過程。如此往復，構成“推理論證循環(huán)”（見圖3）。

此過程中學生共經歷三次“推理論證循環(huán)”：

第一次是實施方案1之后，學生發(fā)現(xiàn)生石灰與水反應后的溫度僅僅升高至43℃左右，這與說明書中標示的200℃相差甚遠。經推理論證得知是實驗方案中未考慮變量控制問題，即拿“少量的生石灰”的發(fā)熱數(shù)據(jù)與“整包自熱粉”的發(fā)熱效果進行比較，沒有控制兩者的質量應該相同。于是對實驗方案中的變量控制進行優(yōu)化，從而排除了探究錯誤，明確了探究方向。

第二次是利用溫度傳感器獲得生石灰與水反應的溫度曲線后，學生將其與自熱粉的溫度曲線進行對比，發(fā)現(xiàn)兩者仍有較大區(qū)別（見圖4），即生石灰升溫早，上升慢，末溫低，持續(xù)時間短;自熱粉升溫晚，上升快，末溫高，持續(xù)時間長。通過推理論證，確定是假設存在缺陷，此時學生結合已有知識，對假設進行修正，將可能性鎖定在“其他成分相互反應”上。

第三次是在發(fā)現(xiàn)其他成分相互作用均無明顯發(fā)熱現(xiàn)象后，再次推理論證，并修正假設，將可能性鎖定在“生成物（氫氧化鈉、氫氧化鈣）與鋁粉的反應”上，最終獲得新的溫度數(shù)據(jù)曲線（見圖5），確認自熱粉的熱量來源。

如此循環(huán)反復，在不斷的科學推理、證據(jù)分析、假設修正的過程中突破困境，一步一步逼近問題的真相，直到證據(jù)符合預期。

三次“推理論證循環(huán)”，均包含由結論到證據(jù)的正向推理和由證據(jù)到結論的逆向推理兩種思維過程，而這些都基于“證據(jù)”進行，包括3次調取原有證據(jù)（認

知）、3次逆向推理確定所需證據(jù)、3次處理生成證據(jù)（實驗數(shù)據(jù)）。因此，證據(jù)是推理論證的核心與關鍵。此外，學生在推理與論證的同時，經歷了科學實驗、調查研究、資料查閱、詢問求助等研究過程以及合作、討論、評價、辯論、說服、反駁等實踐過程。

2.3 基于證據(jù)建模，推進問題解決

學生經過以上的“推理論證循環(huán)”之后，獲得了與預期相符的證據(jù)集合，即“證據(jù)群”。但證據(jù)與證據(jù)，證據(jù)、結論與問題之間還需要建立一定的邏輯關系，問題方能真正解決。這就需要通過科學建模、科學解釋、科學推理來共同完成（見圖6）。

學生基于探究形成的證據(jù)，通過科學推理建立科學模型Ⅰ，并試圖以此來解釋之前獲得的數(shù)據(jù)與現(xiàn)象，遺憾的是科學解釋并不成立。此時教師便引導學生關注上課實驗中鋁粉和氫氧化鈉、自熱粉中鋁粉與氫氧化鈉兩個反應的區(qū)別。學生通過分析、推理，發(fā)現(xiàn)前者氫氧化鈉是一次性直接加入，而在自熱包中則是生石灰與水反應所生成的氫氧化鈣與碳酸鈉反應逐步產生的。后者氫氧化鈉的提供方式，推遲了反應起點，降低了反應溫度，延長了持續(xù)時長（見圖7）。基于此，學生進一步完善模型，建立科學模型Ⅱ，再次對實驗數(shù)據(jù)和現(xiàn)象進行解釋，發(fā)現(xiàn)科學解釋成立，模型建構完成。

然而，通過實驗探究完成模型建構并不意味著問題已經解決。最終學生還要將模型應用于情境問題，利用模型對自熱粉發(fā)熱反應及參數(shù)（說明書中所標的最高溫度和持續(xù)時間等）進行解釋，尤其是說明書標示的高達200℃的蒸氣溫度，與最高不到100℃實驗溫度形成強烈反差。學生需要再次搜索用于解決問題的證據(jù)，即探究實驗與自熱包發(fā)熱的區(qū)別： 一是探究實驗中藥品用量只有3g，整包自熱粉的質量則大得多;二是說明書中標注的是蒸氣溫度，而實驗中測量的數(shù)據(jù)均為反應混合物（溶液）的溫度，一般不會超過100℃。此過程包含了學生對探究過程的重新審視與評價，需要較高的遷移、分析和綜合能力。

3 基于“證據(jù)推理”的化學教學的應用價值

3.1 使探究實踐真實有效

基于“證據(jù)推理”的化學教學始于真實情境中的證據(jù)信息，結合學生的認知和生活經驗，

在探究中引入模型建構、科學推理、科學解釋、科學評價（辯論）等實踐行為[6]。踐行“真情境→真問題→真猜想→真設計→真數(shù)據(jù)→真論證→真解決”的過程，真正實現(xiàn)從探究到實踐的轉變。每個環(huán)節(jié)力求以情境證據(jù)為起點，以科學推理為過程，以獲取事實為基礎，以問題解決為任務，以能力提升為目標，盡可能讓探究實踐真實有效。

3.2 使思維訓練趨于高階

基于“證據(jù)推理”的化學教學過程，不僅包含記憶、理解等低階思維的運用，更有分析、評價、創(chuàng)造等高階思維活動。如方案的設計與優(yōu)化需要創(chuàng)造性思維;方案與證據(jù)的評價需要批判性思維;多方案比較與選擇、證據(jù)的分析與取舍體現(xiàn)決策性思維;對探究過程的反思，對學習策略的調整則需要元認知的參與;而整個教學過程則是以統(tǒng)領性的問題解決為任務，體現(xiàn)了問題解決能力。所有這些都是高階思維的集中體現(xiàn)。

3.3 使學習層次不斷深化

基于“證據(jù)推理”的化學教學過程，擁有生活化的問題情境（自嗨鍋中的自熱包發(fā)熱）、統(tǒng)領性的學習主題（自熱粉的發(fā)熱原理）、挑戰(zhàn)性的學習任務（尋找證據(jù)探索自熱粉的發(fā)熱原理）、合作交流的學習方式（探究實踐過程）、持續(xù)性的學習評價（對假設、方案、證據(jù)過程的討論與反思）。作為學習主體的學生親歷其中，可獲得內在的學習動機，主動進行知識建構，運用創(chuàng)造性、批判性、決策性的高階思維，實踐元認知及建模遷移等學習過程。學生的學習層次不斷深化，由表面淺層化轉向內涵深層次。

3.4 使核心素養(yǎng)真實落地

義務教育化學課程核心素養(yǎng)包括化學觀念、科學思維、探究實踐、科學態(tài)度等四個方面。其中，建立化學觀念、養(yǎng)成科學思維、培養(yǎng)科學態(tài)度都要通過探究實踐過程來實現(xiàn)，而“證據(jù)推理”是隱含其中的思維與能力過程，它集結了科學推理、科學論證、科學解釋、科學建模、信息加工等諸多思維和能力，建立了探究實踐與其他要素之間的聯(lián)系，提供了核心素養(yǎng)真實落地的途徑。“證據(jù)推理”與核心素養(yǎng)各要素之間的關系如圖8所示。

教學實踐中發(fā)現(xiàn)，在基于“證據(jù)推理”的化學教學中，問題情境的選擇、推理任務的設置、實踐活動的安排等均尤為重要，因為這直接影響教學的效果。因此，教師要具備證據(jù)推理的素養(yǎng)以及扎實的教學功底，能因地制宜地選擇合適的主題，精心設計推理任務，為學生實踐“推理與論證”過程創(chuàng)造合適而寬松的環(huán)境，力求取得更好的教學效果。

參考文獻：

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[4]美國科學教育標準制定委員會編.葉兆寧等譯. 新一代科學教育標準[M]. 北京： 中國科學技術出版社， 2020： 13～14.

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[6]王威， 劉恩山. 美國科學教育框架設計理念的發(fā)展動態(tài)[J]. 外國教育研究， 2012， （8）： 2～7.