化學實驗探究中證據推理過程模型的建構

楊梅 莫尊理

摘要： 基于科學探究、問題解決的信息加工理論、科學問題解決心理機制、批判性思維等理論，初步建構化學實驗探究中證據推理過程模型。以該模型要素為初始概念對優質課例進行分析，得出以“原型匹配”為主的“假設檢驗”推理過程，以及以“重組聯結”為主和以“提供模板”為主的“假設創造”推理過程模型，體現對于學科核心素養落實與教師能力提升的雙重價值。

關鍵詞： 化學實驗探究； 證據推理； 過程模型； 案例研究

文章編號： 10056629（2023）05001406

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

證據推理自20世紀提出就被廣泛應用于法律、人工智能、系統工程、管理科學、醫療診斷、心理學、教育學等領域［1，2］。2018年以來，化學教學中證據推理的問題備受關注，實驗探究教學是重要載體。而有關證據推理教學的研究處于初期，就研究內容而言，包括“為培養學生證據推理思路的教學設計與實施研究”和“對證據推理的內涵、類型、模式、影響因素、證據的類型等方面的理論探析”，取得了較為豐碩的研究成果；就研究方法而言，整體較為單一，以教學實踐案例研究為主，涉及少量理論思辨型研究。相對而言，關于實驗探究教學中證據推理的教學模式或證據推理過程的程序性知識的研究亟需加強。

1 問題的提出

自20世紀80年代中期以來，發達國家致力于科學教育理論的創新和科學教育教學的改革，認為公民的科學素養包括科學的推理過程和科學的探究方法［3］，證據推理是科學探究的典型活動，促進對科學本質的理解。《普通高中化學課程標準（2017年版）》提出化學學科核心素養，將證據推理作為思維核心［4］。但是，課堂教學中教師提供的教學材料所呈現證據的科學性、可靠性，以及推理過程的邏輯性、嚴密性較為欠缺，導致學生在尋找事實證據、辨析證據、獲得結論、習得科學探究思維能力和方法、分析物質世界等方面存在不足。

過程模型是由響應事件的過程組成的概念框架，也是動態的內在運作機制，影響著學生對外在事物進行描述、解釋和預測的行為與方式。實驗探究教學中證據推理過程模型的研究旨在解決以下問題：實驗探究中證據推理過程模型有哪些要素，要素之間有什么樣的關系？以期為一線教師提供證據推理過程的程序性知識，提示教師以何種方式進行證據推理教學，同時也為學術同仁開展證據推理研究提供參考。

2 理論構建

實驗探究中的證據推理指經過實驗探究活動在證據和結論之間建立邏輯關系的過程，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”［5］。具體指“學生以科學知識為基礎，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，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”［6］。

首先，科學探究從本質上來看是運用證據對科學及與科學有關的問題進行解釋、檢驗、得出結論的過程，問題是科學探究的起點，解釋是科學探究的核心［7］。實驗探究中的證據推理即為“始于問題，基于證據的假設檢驗或假設創造，以及基于推理的結論”的過程，“問題、證據、推理、結論”是反映證據推理本質的核心要素。其次，證據推理的過程就是問題解決的過程，化學問題解決的心理機制包括“問題表征、原型匹配、反思結果、元認知監控”等［8］。即感知系統接收外在資料，將其傳遞到短時記憶中。在分析外來證據的基礎上，選擇并調用長時記憶中有效的成分，重新組織策略性知識得到一定的解決方法后通知反應系統，反應系統做出相應的反應行為，整個過程受元認知的監控。最后，證據推理是批判性思維形成的一種途徑［9］，根據“應用、分析、綜合和/或評估”等不同的思維過程及批判性思維要素形成批判性思維進階。

由此，初步建構“化學實驗探究中證據推理的過程模型”，包括有原型時所進行的“假設檢驗”推理過程和無原型或原型匹配不成功時所進行的“假設創造”推理過程，形成“實驗探究中證據推理過程”的分析工具，如表1所示。

3 案例分析

3.1 研究對象

課例作為研究對象，包括“現場”和“事后整理的教學實錄”。重點是教學典型案例，通過從“名課”中發掘優秀教師的教學知識，力圖轉化為公共知識，這是學科教學論研究以及教學理論研究的知識生長點［10］。本研究基于三個標準選擇研究對象：（1）包含“性質、規律、結構、分離、檢驗、制備”等實驗探究內容；（2）遵循“提出假設、檢驗假設等實驗方案的設計與實施”的實驗探究過程；（3）有“假設檢驗”或“假設創造”等思維參與的證據推理教學過程。最終篩選了第十三、十四屆全國基礎教育化學新課程實施成果交流大會中的9節課例，這是授課教師在其共同體中經過智慧共享、反復推敲、大會篩選之后展示給專家學者的優質課例，可以為其他教師提供借鑒和引領作用。

3.2 研究方法

案例研究的本質在于展現一個或一系列決策的過程，分為單案例研究和多案例研究，研究設計包括“研究問題、理論假設、分析單位、連接資料與假設的邏輯、解釋研究結果的標準”五個要素，其中“分析單位”指的是“劃定案例邊界”［11］。本研究基于“理論推演初建模型、案例分析修正模型”的研究思路，采用多案例研究法，基于“科學探究、問題解決教學、批判性思維理論和科學問題解決的心理機制”，初步構建“化學實驗探究中證據推理的過程模型”；再將優質課例視頻形成轉錄文本，利用分析工具所提供的初始概念對關鍵教學行為進行人工編碼，進一步修正模型，形成“化學實驗探究中證據推理的過程模型”。

3.3 三級編碼

3.3.1 開放式編碼

對優質課例進行收集、整理，并轉換成文字資料。對每一個關鍵教學行為與初始概念、原始資料進行不斷的對比與分析，對其進行概念化和范疇化，得到24個初始概念（表示為Pxn、 Exn、 Rxn、 Cxn）和13個范疇（表示為Px、 Ex、 Rx、 Cx），其中x和n都用1、 2、 3……表示，具體見表2。

3.3.2 主軸式編碼

通過解釋范疇內涵，建立各個范疇間邏輯關系，將范疇歸類形成主范疇［12］，得到“問題、證據、推理、結論”4個主范疇（表示為P、 E、 R、 C），并對范疇內涵予以解釋。以“基于微粒觀的離子反應多元探究”為例，編碼如表2所示。

3.3.3 選擇式編碼

通過課例發現，“問題、證據、推理、結論”將實驗探究教學中證據推理的過程完整地聯系起來，證據的選擇應符合問題要求，是問題相關的證據，問題是尋找證據的條件；找到證據之后需要進一步推理，才能得到更科學的結論；推理后得到新的問題，推理的結果即為假設；得出結論后進一步形成假設，進行推理，或得出結論后，提出新的問題，層層深入；強化后的原型可作為新的證據，用于新一輪的推理過程。

在課例選擇過程中同時進行課例編碼，通過對9節課例范疇及其路徑的匯總發現，共出現“2種范式、3種過程、7種變式”，每條路徑至少有兩次及兩次以上的案例支持，因此，證據推理過程模型在高中化學教學中具有一定普遍性和推廣性。

4 過程模型

4.1 實驗探究中證據推理的過程模型

化學實驗探究中證據推理過程模型包括“2種范式、3種過程”：

（1） “假設檢驗”的證據推理范式，類似于皮亞杰的同化，屬于學生利用已有圖示把新的刺激納入到已有認知結構中去的認知過程。整合圖示即“PM過程”（核心為“原型匹配”，命名為PM過程），學生基于問題情境，識別“字里行間的事實、假設、觀點、結論”等證據資料，傳到短時記憶；成功調用長時記憶中有效的知識和經驗，將已知信息進行分類比較，找出原型與問題的相同點或相似點，并做出解釋，原型匹配成功即形成假設，進一步檢驗假設、得出結論、作出決策、強化原型。

（2） “假設創造”的證據推理范式，類似于皮亞杰的順應，學生改變已有圖示或形成新圖示來適應新刺激的認知過程。改變已有圖示即“RC過程”（核心為“重組聯結”，命名為RC過程），在接收問題信息、表征問題之后，若原型匹配不成功或無現成原型時，學習者需要組織已有知識，改造相近原型，產生新聯結；進一步分析綜合，提出猜想，或設計實驗探究過程，實施方案、理論推演，創造新知識，得出結論；再通過信息的多方收集、評估，作出決定，采取行動；最后通過反思證據推理、實驗探究過程，整合知識結構，加入長時記憶，強化原型。

形成新圖式即“PT過程”（核心為“提供模板”，命名為PT路徑），在接收問題信息、表征問題之后，若無現成原型或原型匹配不成功時，教師提供模板，學生根據提供的學習支架作為新圖式，進一步形成假設或創造知識，得出結論。具體如圖1所示。

4.2 實驗探究中證據推理的路徑

4.2.1 “假設檢驗”的證據推理范式

“假設檢驗”的推理是學生已有原型與教師所提供的信息匹配成功時發生的證據推理過程。以“基于微粒觀的離子反應多元探究”課例為例：

提出問題：AgNO3和NaBr能否發生反應？

表征問題：學生接受教師所提供的有關“AgCl和AgBr物理性質”的有效信息，識別出“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”的事實，以及隱含“AgNO3和NaBr能發生反應；AgNO3和NaBr不能發生反應”的假設，將其傳到短時記憶。

調用原型：調用“AgCl是沉淀；溶解度越小越容易沉淀；有沉淀生成的復分解反應能夠發生”等原型。

匹配原型：通過“溴化銀的溶解度小于氯化銀，AgCl是沉淀，所以溴化銀也是沉淀”等進行有效的信息與原型的匹配。

形成假設：形成“AgNO3+NaBrAgBr↓+NaNO3”的假設。

檢驗假設：基于“在試管中先后加入NaBr和AgNO3，生成淡黃色沉淀”的實驗現象。

得出結論：推出“AgNO3和NaBr反應生成AgBr沉淀和NaNO3”的結論。

統計發現，“假設檢驗”推理范式中最普遍的推理過程是“問題情境表征問題調用原型匹配原型形成假設檢驗假設得出結論”（即PM路徑），該路徑在9個課例中出現18次，通過要素的增減形成4種變式，分別為：變式1.問題情境表征問題調用原型匹配原型形成假設檢驗假設得出結論強化原型；變式2.問題情境表征問題調用原型匹配原型形成假設檢驗假設問題情境；變式3.問題情境表征問題調用原型匹配原型形成假設檢驗假設形成假設檢驗假設得出結論；變式4.問題情境表征問題調用原型匹配原型得出結論強化原型。

4.2.2 “假設創造”的證據推理范式

“假設創造”的推理是學生無現成原型或已有原型與問題信息匹配不成功時發生的證據推理過程。以“有機化合物中常見官能團的檢驗”課例為例：

提出問題：阿司匹林（C9H8O4）中是否含有酯基？

表征問題：學生通過識別“阿司匹林溶液和稀硫酸能發生反應；阿司匹林溶液和稀硫酸不能發生反應”的假設和“某些酚類在中性或pH為4～6弱酸性條件下與FeCl3溶液反應生成紫色配位化合物”的事實，傳到短時記憶中。

原型匹配不成功：調用“酯基的相關性質”的原型，但無法將二者建立聯系。

重組聯結：在教師引導下重新組織“酯基在酸性條件下水解產生醇/酚和羧酸；酯基在堿性條件下水解產生醇/酚所形成的鹽和鹽；水解生成的醇或酚能使酸性高錳酸鉀溶液褪色”相關知識。

重構模板：產生“阿司匹林本身不能使酸性高錳酸鉀溶液褪色，而阿司匹林水解后，加入酸性高錳酸鉀溶液，溶液褪色”的聯結。

形成假設：形成“水解后加入酸性高錳酸鉀溶液，生成的醇或酚使其褪色，說明有酯基；水解后加入酸性高錳酸鉀溶液，生成的醇或酚不能使其褪色，說明沒有酯基”的假設。

創造知識：通過“向試管中加入1滴阿司匹林溶液，滴入5滴稀硫酸，加熱至沸騰，熄滅酒精燈。將產物分成兩份，一份加入酸性高錳酸鉀溶液，另一份加入FeCl3溶液”的實驗、“酸性高錳酸鉀溶液褪色、FeCl3溶液產生紫色”的實驗現象，以及“三氯化鐵和酚溶液能顯紫色的pH為4～6”的理論進行解釋，得出“阿司匹林中有酚酯和羧基”的結論。

形成假設：提出“酯基和羧基位于苯環鄰位；羧基在酚酯上”的假設。

提供模板：通過提供的“阿司匹林核磁共振氫譜和紅外光譜”模板進行波譜分析。

得出結論：得出“阿司匹林中酯基和羧基位于苯環的鄰位”的結論。

重建原型：反思整個探究過程，總結陌生有機物官能團的確定方法，整合知識結構。

強化原型：基于課后變式練習強化原型。

統計發現，“問題情境表征問題調用原型重組聯結重構模板形成假設創造知識形成假設提供模板創造知識得出結論重建原型強化原型”路徑是“假設創造”推理范式中比較普遍的過程，此路徑又因為推理主體思維參與程度的不同分為兩種：RC路徑包含“問題情境表征問題調用原型重組聯結重構模板形成假設創造知識得出結論重建原型強化原型”過程，該路徑在2個課例中出現2次，它強調學生的主動性，在學生的已有原型無法與問題情境匹配時，學生通過教師的引導組織已有知識，自主改造相近原型，進一步產生新的聯結，設計方案。

PT路徑包含“問題情境表征問題調用原型提供模板形成假設創造知識得出結論重建原型強化原型”過程，該路徑在2個課例中出現2次。通過要素的增減形成3種變式，分別為：變式1.問題情境表征問題調用原型匹配原型形成假設檢驗假設形成假設提供模板創造知識；變式2.問題情境表征問題調用原型匹配原型重組聯結重構模板形成假設創造知識形成假設創造知識得出結論重建原型強化原型”；變式3.問題情境表征問題調用原型匹配原型提供模板創造知識”。它更強調教師的支持者角色，在學生匹配原型不成功，且無法組織已有知識改造相近原型時，教師為學生提供學習支架，包括“事實類資料、技術類支持、新原理、新概念、新方法”等，支持學生提出假設，解決問題。

5 結語

實驗探究中證據推理的過程模型有助于指導教師對證據推理知識的提取和使用，提示教師以何種方式進行證據推理教學。但是，過程模型的使用切忌固化，要求教師有更強的應變能力。在使用過程中要避免對其線性的按部就班，教師需要明確問題情境是產生教學行為的條件，是教學活動開展的基礎，可根據學生的學習經驗選擇問題的開放程度，確定探究的難度；在“分析問題記載或表達的方式”和“調取頭腦中有效的知識、經驗、方法、思路”等過程中，教師要引導學生盡可能做到思維的外顯，提高原型匹配的質量，增強推理的邏輯性；在形成假設過程中要基于原型匹配所提供的證據鏈，并能用實驗或其他手段進行驗證，或者通過新模板，自主地將兩個或兩個以上的概念或事物按一定方式聯系起來，從而學習未知的知識；在得出結論之后，還要將頭腦中隱性的、混亂的知識鞏固為外顯的、觀念的、結構化的知識，并作為證據用于新一輪的證據推理過程。同時，教師也要按照學生的學習風格、學習狀況、問題的難易程度靈活使用過程要素，合理選擇線性過程和循環過程，落實學生科學思維能力的培養。

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