證據推理：實驗探究教學中不可或缺的思維方式*
——以“元素周期律”教學為例

馬娟娟

（宜興市教師發展中心 江蘇 宜興 214206）

“證據推理”是化學核心素養的思維核心，可以理解為“基于證據的推理”，是學生在科學探究中完成推理的思維方式。在教學過程中，設計有效的實驗探究活動引領學生親身實踐，讓學生在觀察和動手實驗中，學會找尋實驗現象和實驗數據等證據，提升學生基于證據的“證實”或“證偽”能力，并進一步推理得到正確結論，這是化學學科特有的思維形式。

高中化學必修第1冊的“元素周期律”屬于概念原理類內容，是需要學生在探究活動中運用科學原理掌握化學知識。元素周期律是原子結構、物質組成以及元素性質之間建立聯系的樞紐，核心價值在于加深學生對元素和化合物的認識，并能有一定的預見性和創造性，這就需要學生具有證據意識，并能夠借助數形結合、實驗事實等分析，有一定的證據推理能力和邏輯思維能力。本文通過對“元素周期律”的課堂實踐，試圖從實踐策略、一般路徑和必要性三個方面闡述在實驗探究教學中進行證據推理的一些思考。

一、實驗探究教學中證據推理的實踐策略

實驗探究不僅僅是“做實驗”或“參與活動”，探究本身所依賴的證據推理是一種核心思維活動。實驗探究從本質上說是運用證據對實驗或實驗過程中的問題進行解釋、驗證、推理和概括的過程。

1.真實性的情境，提供推理依據

基于證據推理的實驗探究教學要創設真實情境，這樣可以讓學生置身于真實的問題中，觸發學生的思維，為進一步推理提供依據。在“元素周期律”教學中，教師在模擬使用管道疏通劑的過程中，通過直觀的現象獲取情境帶來的信息證據，并結合已有的認識經驗，會提出疑問“疏通劑的反應原理是什么”。此時，教師提供外部證據（說明書:管道疏通劑的成分為NaOH 固體、鋁粉等；注意事項:使用時要防明火），讓學生結合原有認知進行正向推理，建立“鋁粉會與NaOH反應產生H2”的假設（見圖1）。

圖1 “管道疏通劑”初步推理過程

2.層次性的問題，構建推理條件

證據推理是需要綜合運用所學的化學知識與技能、科學方法與科學思維來解決化學問題的一種思維活動，問題是證據推理的源頭，提出具有層次性的問題，為科學推理構建了條件。層次性指的是在教學中提出由易到難、由淺入深、由具體到抽象的一系列問題串，循序漸進，步步深入。在“元素周期律”教學中，為了解釋鋁為什么會和NaOH 反應產生H2，教師通過設計以下問題串，引發學生尋找推理的證據（見圖2）。

圖2 問題串的設計與證據推理

3.高質量的對話，提升推理水平

實驗探究過程中記錄的實驗現象和搜集的實驗數據，如果學生僅僅是看一眼，記一下，這個推理的過程僅是學生個體的腦部思維活動，得出的結論是否能夠讓所有人信服，這就需要與同伴、與老師之間進行對話加以論證［1］。高質量的對話不僅能夠清晰地闡述自己的觀點，還能在教師設計的對話內容中進行深入思考、質疑、思維碰撞，有利于學生理性思維的發展。

在元素周期律教學中，對于得出元素周期律這樣一個結論，教師與學生開展了如下對話（見表1），環環相扣，邏輯性很強。

表1 “元素周期律”對話片段

二、實驗探究教學中證據推理的一般路徑

證據推理首先源于問題，在實驗探究過程中基于系列的證據進行推理，最終得出結論或產生新的問題［2］。通過諸多實踐分析，發現證據推理過程包含兩種路徑:線性路徑和循環路徑。

1.線性路徑

證據推理的線性路徑是在明確問題之后，直接運用證據進行推理，得出結論（見圖3）。

圖3 實驗探究教學中的證據推理的線性路徑

依據3~9 號，11~17 號元素的原子半徑和主要化合價的數值比較（見表2），讓學生畫出原子半徑與核電荷數的二維關系圖（見圖4），并從“點、線、面”三方面進行觀察，得出元素的原子半徑的變化規律。這是從數據進行分析來探尋本質，得出一般的規律，一目了然（見表3）。

表2 部分元素原子半徑與主要化合價（不考慮稀有氣體元素）

表3 證據推理的線性路徑建構

圖4 原子半徑與核電荷數的二維關系圖

2.循環路徑

證據推理的循環路徑可以理解為在一般路徑的基礎上，循環往復地進行論證。如果出現循環，說明在推理的過程中，發現之前的證據無法對提出的假設進行證實或證偽［3］，那就要重新審視之前的假設是否合理，可以把假設拆解成若干的新問題，通過分析再次形成新的假設，在這一過程中有必要對實驗探究活動的方案進行重新設計，直至能有新的證據推理出正確的結論。（見圖5）。

圖5 實驗探究教學中的證據推理的循環路徑

在“元素周期律”教學中，引導學生探究同周期元素非金屬性的變化規律時，教材中根據信息提示給出判斷元素非金屬性強弱的依據:1.元素單質與氫氣化合越容易，氣態氫化物越穩定，元素非金屬性越強；2.元素非金屬性越強，最高價氧化物對應水化物的酸性越強。有些實驗無法現場探究，教材附有資料卡片（見表4）。

表4 部分非金屬元素性質

根據信息，學生很容易推斷，同周期中，Si、P、S、Cl元素的非金屬性逐漸增強，也就意味著他們最高價氧化物對應水化物的酸性也逐漸增強。那么如何比較H3PO4與H2SiO3的酸性強弱呢？教師引導學生設計如下實驗探究（實驗方案:向試管中加入約2 mL 飽和Na2SiO3溶液，滴入2~3 滴酚酞，再向試管中逐滴加入1 mol/L 的H3PO4溶液，觀察現象），并根據宏觀現象進行分析解釋，形成假設（見表5）。

表5 證據推理的循環路徑建構（1）

通過宏觀的實驗現象和原理的分析，同時通過查閱這兩種酸的Ka值，并且測試等濃度下兩種酸的pH大小比較等邏輯證據，最終可以確定磷酸的酸性比硅酸的酸性強。表6 所呈現的過程就是對“酸性:H3PO4＞H2SiO3”的假設的拆解，由此我們可以看到循環路徑中，從上一實驗現象無法最終推理得出結論時，需要重新審視問題，對問題進行拆解再進行上述的推理分析過程，最終通過新的證據進行證實或證偽，得出結論。

表6 證據推理的循環路徑建構（2）

三、實驗探究教學中發展證據推理的必要性

1.讓實驗探究真實有效

實驗教學離不開真實的情境，基于生活經驗、生產實際等提出需要解決的實際問題，在實驗探究教學中基于證據進行推理的過程，是讓學生體驗了若干科學家們的科學探究過程，通過“提出問題——形成假設——搜集證據——得出結論”這樣基于證據的推理路徑的建構，讓學生的探究過程真實發生，真正實現從探究到實踐的轉變［4］。

2.讓思維能力趨于高階

學生在進行證據推理的過程中，除了有記憶、理解、歸納等低階思維的運用，更需要搜集證據、控制變量、比較分析、評價設計等高階思維能力的培養。如元素周期表這一教學中，同周期元素Na、Mg、Al 的金屬性強弱的實驗方案的設計與優化需要的是創造性思維；實驗比較H3PO4與H2SiO3的酸性強弱，對方案的評價與證據的質疑需要的是批判性思維；如何將元素各種性質的周期性變化與原子結構的周期性變化建立聯系需要的是決策性思維；而在整個教學過程中圍繞“管道疏通劑”中Al與NaOH溶液是否反應的問題，解釋了同周期元素性質的周期性變化，建構了元素周期律的概念，需要的是問題解決能力，這些都是高階思維的核心。

3.讓學科理解理性深刻

新課標中強調教師加強自身學科的理解，化學學科理解的對象不僅僅是化學學科知識，還包括化學學科特質的思維方式和方法［5］。如學完元素周期律這一課，學生除了要知道知識層面的一些元素性質的周期性變化規律，并進行判斷以外，還需要建立元素位置、原子結構、物質性質之間的聯系（見圖6），同時也要學會進行分析比較、預測未知物質的性質［6］。

圖6 元素“位—構—性”的關系

4.讓核心素養扎實落地

普通高中化學課程標準核心素養有5 條，可以概括為4個方面:化學觀念、科學思維、探究實踐與責任擔當。其中“證據推理”是科學思維方法，化學觀念的形成需要在探究實踐中形成，必然要用到科學的思維方式，所以化學學科核心素養是一個整體，在教學實踐中不能割裂。而在實驗探究教學中積極培養學生證據推理能力，就是讓核心素養扎實落地。

教學實踐中發現，在實驗探究教學中，實驗方案的設計、實驗現象的解釋、教師對學科知識的深層次儲備對于開展證據推理的教學尤為重要。因此，教師應科學制定具體可行的教學目標，挖掘教學內容的潛在價值，設計并開展豐富多樣的實驗探究活動，有針對性地引導學生運用“證據推理”的科學思維方法學習化學知識，不斷提升課堂教學能力。