化學學科證據推理研究與實踐

楊梅 莫尊理

摘要： 證據推理是科學思維的一種高級形式，也是化學學科核心素養的重要組成內容。基于證據推理的內涵、基本形式、教學模式及其要素的分析，提出通過“應用證據推理的教學模式、在情境體驗中培養證據意識、在‘假設檢驗和‘假設創造活動中凸顯推理思維、在問題解決中強化結論應用”培養證據推理，旨在落實化學學科核心素養，提升學生證據推理能力及復雜性思維能力。

關鍵詞： 化學學科核心素養; 證據推理; 培養路徑

文章編號： 10056629（2022）06000305

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

18世紀，人們對于不確定、不精確、不完整信息的有效處理提出了不確定推理問題[1]，其中，證據推理既可靈活處理不確定信息，又可有效融合定量信息和定性知識[2]。20世紀初，Wigmore在證據法學的語境下區分了證據法研究與證明過程的研究[3]，1967年，Dempster首次提出證據推理，Shafer將其推廣并形成證據推理理論，稱為Dempster-Shafer理論[4]。在教育學領域，“推理”一詞來自皮亞杰的認知發展階段理論。他認為在形式運算階段，兒童思維已經超越了對具體的、可感知事物的依賴，使形式從內容中解脫出來，促進形象思維向推理、論證等抽象思維的轉變[5]。“證據推理”作為化學學科核心素養的思維核心，要求學生以尊重事實和證據為前提，基于證據提出假設，通過分析、推理得出結論[6]，培養學生“從宏觀與微觀相結合的視角認識物質的組成、結構、性質和變化，從結構與性質相聯系的視角表征物質變化的原因，從變化與平衡相統一的視角揭示物質變化的規律”等化學學科思維方式。本研究基于證據推理的內涵、基本形式、教學模式及其要素，提出證據推理的培養路徑，旨在促進“證據推理”學科核心素養落實于化學課堂教學。

1 證據推理的內涵

1.1 證據推理的含義

“證據推理”是個合成詞，“證據”一詞源自法律，“推理”一詞源自邏輯學。在哲學層面，思考的過程主要是人與證據之間的對話、人與人之間的對話，以及研究者自我對話的過程。沈兆剛認為證據推理是生動地、直接地感知周圍世界中的形象、畫面、現象和事物，并進行邏輯分析，尋找因果關系，獲取新知識的思維訓練過程[7]。在邏輯學層面，證據推理指的是“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[8]。在科學學習層面，羅瑪認為“證據推理”屬于“科學推理”的范疇，科學推理的本質是普適的科學推理技能和科學探究過程，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[9]。化學學科核心素養中將“證據推理”解釋為具有證據意識，建立“證據推理結論”之間的邏輯關系，基于證據提出假設，通過推理加以證實或證偽，或依據證據從不同視角推出合理結論[10]。

綜上所述，從本質上來看，證據推理是根據某一判斷得出另一判斷的思維過程。從形式上來看，證據推理表現為判斷與判斷的聯結[11]。從推理取向來看，證據推理包含兩個方面： 一是利用證據證實或證偽假設，即“假設檢驗”;二是根據證據推理得出科學結論，即“假設創造”[12]。從范疇來看，證據推理是強調證據的特殊科學推理。因此，證據推理指的是學生以其經驗或科學知識為基礎，根據學習材料，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[13]。

許多學者及教育實踐者會將“推理”和“論證”混用。雖然，論證依賴于推理，但是，兩者在其思維活動的進程、復雜性、性質判斷等方面存在差異，具體如表1所示[14]。

1.2 證據推理的基本形式

證據推理是一種過程性的思維活動，證據作為它的前提判斷，也是推理的依據，由前提推導出來的判斷稱為推理的結論，兩個判斷之間存在著一定的邏輯性，而判斷間的這種邏輯關系構成了推理形式。按照思維的進程和推理結論是否具有必然性，可以將推理分為類比推理、演繹推理和歸納推理[15];根據觀察對象的個數及是否存在進一步觀察，可以將推理分為歸納推理和溯因推理。因此，證據推理的基本類型包括歸納推理、演繹推理、類比推理和溯因推理，它們各自相對獨立，均有獨特的推理模式，主要區別如表2所示[16～18]。

在實際課堂中，教師基于自身經驗應用歸納、演繹、類比、溯因等推理形式進行教學的案例比比皆是，但是，對于“不同推理形式的教學模式適用于哪種類型的教學內容？如何應用于具體教學過程？”等問題的研究卻鳳毛麟角。譬如，有研究通過對教學中常見的質料類推、形式類推、模型類推中具體事例“反常”現象的分析和討論，認為在高中化學教學中應慎用類比推理[19]。也有研究結合實例介紹了三段論演繹推理法在化學教學中的應用及作用[20]，這些研究是化學教學從經驗走向循證的有效路徑，也是化學教學科學性的有力支撐。

2 化學教學中證據推理素養的培養路徑

教學模式指的是在一定教學思想或教學理論指導下，為完成特定教學任務、實現特定教學目標所建立起來的較為穩定的、突出從宏觀上把握教學活動整體及各要素之間內部關系的教學活動框架，以及突出教學模式的有序性和可操作性的教學程序[21]。因此，教學模式包含了教學要素及其關系。通過應用證據推理教學模式，把握證據推理的要素及注意點，培養證據推理能力。

2.1 應用證據推理EBR教學模式

Brown等人簡化了Toulmin的論證模式，提出證據推理框架，簡稱EBR框架，如圖1所示。其中“數據”（data）是推理的基礎，是過去或現在觀察到的、可支持證據的系列事實;“分析”（analysis）是將數據的觀察結果聯系起來，產生一份證據陳述的過程;“證據”（evidence）表示個體觀察所得的關系，包括一些支持的證據和反證的證據;“解釋”（interpretation）是對證據的概括;“規則”（rules）是前提和結論之間的聯系，證明了結論是如何從前提得到的，是描述普遍性、一般性關系的語句;“前提”（premise）是由一個或多個陳述組成，描述特定的情況作為輸入，將導致結論所描述的結果;“應用”（application）是根據前提所描述的信息和規則所描述的關系，確立結論的可能性或必要性;“結論”（claim）是關于未來所做事情的預測、過去所做事情的觀察或現在所做事情的總結的一個特定結果或狀態，是特定于前提所定義的單一情況的集合[22]。387C1BFC-8CFB-4BFB-A78B-E2E3B7F59AB1

EBR框架通過前提和數據兩種輸入，基于證據和規則進行“分析、解釋和應用”三步處理，輸出科學結論。譬如，在“基于微粒觀的離子反應多元探究”中，以EBR框架解決“AgNO3和NaBr溶液能否發生反應”這一問題，學生根據“常溫下，AgCl為白色固體，溶解度為1.9×10-3g，AgBr為淡黃色固體，溶解度為1.9×10-5g”的數據，通過二者溶解度數值的比較分析，得到“AgCl的溶解度大于AgBr的溶解度”的證據，作出“在相同條件下，所溶解的AgCl的質量大于所溶解的AgBr的質量”的解釋，形成“溶解度越小越容易沉淀，溶解度越大越容易溶解，以及有沉淀生成的復分解反應能夠發生”的規則，并基于“AgCl是沉淀”的前提，推出“AgBr也是沉淀”的應用，設計并實施NaBr和AgNO3的混合實驗，觀察發現有淡黃色沉淀生成，得出“AgNO3和NaBr能夠發生反應，并且反應生成AgBr和NaNO3”的結論。在此過程中，學生將事實數據進行關聯形成證據，對證據進行概括生成一般性關系的規則，再結合前提和規則得出結論，在思維過程的外顯中培養證據推理意識。

2.2 應用科學探究中的證據推理教學模式

楊玉琴等從科學探究的歷程出發，提出了“科學探究過程及證據推理”的教學模式，如圖2所示。基于情境發現問題，再根據已有的資料、數據或知識等證據對問題形成假設，搜集證據，根據進一步的資料、數據等證據對假設進行證實或證偽，最終獲得結論[23]。

譬如，在“基于微粒觀的離子反應的多元探究”中，要解決“AgNO3和NaBr溶液反應實質是什么，如何設計實驗證明”這一問題，學生已知“硝酸銀和溴化鈉溶于水，可以電離出Ag+、 NO-3、 Na+和Br-”，提出“Ag+和Br-反應生成AgBr，NO-3和Na+反應生成NaNO3;Ag+和Br-反應生成AgBr，NO-3和Na+不發生反應;Ag+和Br-不發生反應，NO-3和Na+反應生成NaNO3;都不發生反應”等假設，又因為混合之后有淡黃色沉淀生成，且NaNO3為強電解質，在溶液中以NO-3和Na+的形式存在，所以AgNO3和NaBr溶液反應的實質為Ag++Br-AgBr↓，至此，對假設進行修正。再通過離子檢測實驗驗證假設，得出結論。在此過程中，培養學生基于證據提出假設、通過循證對假設進行證實或證偽的能力，體現了科學求真精神與評判質疑能力。

2.3 應用證據推理的三要素教學模式

2017年，中國化學學會對證據推理素養進行了解析，認為證據推理包括“證據、推理思路與推理結論”三大要素。其中，證據是支持推理結論的事實;推理思路是經過分析與綜合做出邏輯判斷的過程。推理思路的形成會隨著推理任務和推理類型的不同而發生改變;在問題解決的過程中可以對該問題進行解釋，得到結論，就是推理結論。不同的推理任務、推理思路以及證據，會產生不同的推理結論[24]。

譬如，在“基于微粒觀的離子反應的多元探究”中，要解決“如何從微粒的角度驗證反應實質為Ag++Br-AgBr↓”這一問題，其中證據為具體的實驗現象。推理思路是基于定量實驗思想，分別檢驗Ag+和Br-能否反應生成AgBr，NO-3和Na+能否反應生成NaNO3，首先，取第一次實驗后的上層清液，繼續向其中滴加AgNO3溶液，沒有明顯現象，說明Br-已經消耗完了，因此，是Ag+和Br-反應生成AgBr沉淀;其次，學生經過討論發現，在現有認知范圍內既無法用物理方法，也無法用化學方法檢驗NO-3和Na+能否發生反應，教師提供鈉離子計傳感技術，通過溶液中鈉離子濃度判斷鈉離子是否參與反應，最終得出NO-3和Na+不發生反應。推理結論為“AgNO3和NaBr能夠發生反應，反應實質： Ag++Br-AgBr↓，Na+和NO-3不參加反應”。在此過程中，培養學生基于證據進行邏輯判斷，形成證據推理思路，得出結論的能力。

除此之外，也有學者提出解題過程中證據推理的要素及教學模式、證據推理與模型認知素養要素及教學模式、證據推理邏輯化模型、實驗探究教學中證據推理的線性模型和循環模型等[25]。各個證據推理教學模式具有一定的教學指導價值，但也存在一些問題，證據服務于推理過程，推理思路決定推理結論，對于證據及其類型的研究已比較成熟，而對于推理思路的研究只限于某一節課。因此，無論是一線教師、學生，還是教育研究者，都會困惑于某一主題問題解決過程中的推理思路，并試圖將其外顯成一種程序性知識，著力把證據推理教學思想變成教學思路，把思路變成解決問題的方法，使師生更加明確推理的思維過程，為今后復雜性問題的解決提供思考的角度。

3 使用證據推理的要素及注意點

邏輯學中的“推理”包括“結論”“前提”和“推理指示詞”三個要素，結論是論證中被理由支持的那個斷言，前提是被提出來作為結論理由的斷言，推理指示詞指的是給結論和前提插上“小旗子”，包括結論指示詞和前提指示詞[26]。同時，結合證據推理的各種模式，我們認為證據推理的核心要素包括“證據、推理、結論”，證據是基礎，服務于推理過程;推理是核心環節，決定推理結論;結論是目標，影響推理思路，又是新的證據[27]。

首先，在情境體驗中培養證據意識。證據意識是學習者對于證據的認識和反映，包括“證據如何收集、選擇、組織和評估”。關于證據的收集，一是認識證據類型，從表現形式劃分為“數據、文本信息、經驗、圖像、圖表、實物、實驗、史料和模型”等，從學科本質劃分為“宏觀證據、微觀證據和符號證據”，從定性定量劃分為“定性證據和定量證據”，從呈現方式劃分為“直接證據和間接證據”，從來源劃分為“基于實驗、調研、測量、查閱所獲得的‘數據證據”和“分析已有認知所獲得的‘知識證據”等;二是建立證據庫，這些證據不是簡單的并列關系，證據的有效使用必須依附學生原有認知，將證據與個人經驗建構起關聯，形成個性化的證據庫，再通過探究性練習，多角度認識證據之間的聯系，形成證據鏈，豐富證據庫。關于證據的選擇和組織，即“在新情境中準確判斷問題的邏輯關系，識別問題中隱含的證據，與已有認知建立聯系，調用、整合、重組相關證據，與問題形成聯結”。關于證據的評估，包括“證據的科學性、準確性、可重復性、充分性”等四個方面[28]。387C1BFC-8CFB-4BFB-A78B-E2E3B7F59AB1

其次，在“假設檢驗”和“假設創造”活動中凸顯推理思維。證據推理思維是關于“如何進行證據推理”的思考，是化學教學中證據推理的條理脈絡。化學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過程”，基于證據提出假設的關鍵是將一般性問題轉化為具有可測變量的化學問題，再通過控制變量思維設計實驗方案、做出猜想;基于實驗證實或證偽假設的關鍵在于無關變量的控制、實驗變量的操作和因變量的測量，從實驗試劑和儀器裝置兩個方面控制實驗條件是多角度收集正確、充分、多樣的證據的基礎[29];假設創造過程的關鍵在于關注異常現象，強調基于實驗探究制造認知沖突，通過改造相近原型重組已有知識，或以某種情況替代原有情況轉換研究思路、方法、原理，在證據和問題之間產生新的聯結，通過新的概念來解釋舊的假設或提出新的假設。

最后，在問題解決中強化結論應用。基于證據推理所得的科學結論又以真實情境的問題解決為媒介，情境、問題、知識、能力之間通過聯想、求證、推理建立相互聯系，拓展解決問題的思路和方法，結論又通過外顯化、觀念化和結構化得以強化，強化后的知識、方法、思路、策略又可作為新的證據應用于新一輪的問題解決中。另外，證據推理所得結論要具有客觀性、多樣性、關聯性，以證據為前提、客觀事實的觀察為基礎、準確的實驗設計與實施為保障，得到并列平行的諸多答案，培養發散性思維[30]。在“證據推理結論”的教學過程中，培養學生收集證據、整合證據、運用證據、評估證據、優化證據的意識和能力，形成多角度考慮問題的習慣，構建結構化的證據推理思維模型，強化結論的遷移運用，有利于學生在高級的、復雜的綜合性創造活動中，以新穎而有效的方法，運用創造力和反思評判能力對復雜情境的問題進行創造性的解決。

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