試論“證據推理與模型認知”對認知能力提升的促進作用

王云生

摘要： 依據普通高中化學課程標準，分析化學學科“證據推理與模型認知”的培養要求。從認知心理學角度結合教學實例分析“模型認知”對圖式建構、化學陳述性知識表征能力提升的促進作用；“證據推理”對產生式建立、化學程序性知識表征能力提升的促進作用。

關鍵詞： 證據推理與模型認知； 認知能力； 陳述性知識表征； 程序性知識表征

文章編號： 10056629（2024）01000305

中圖分類號： G6338

文獻標識碼： B

1 前言

《普通高中化學課程標準（2017年版）》在前言中指出，“普通高中的培養目標是進一步提升學生綜合素質，著力發展核心素養，使學生具有理想信念和社會責任感，具有科學文化素養和終身學習能力，具有自主發展能力和溝通能力”［1］。提升高中學生的終身學習能力，是普通高中的一項重要任務。

學習能力的核心是認知能力。“認知能力是人們成功地完成活動最重要的心理條件。知覺、記憶、注意、思維和想象的能力都被認為是認知能力。認知能力是人腦加工、儲存和提取信息的能力，即人們對事物的構成、性能、與他物關系、發展動力、發展方向以及基本規律的把握能力”［2］。“人類對客觀世界事或物的認知是通過回答三個問題，即什么、怎么、為什么來完成的”［3］。人們是通過一定的方式對事物做觀察、分析思考（包括記憶、想象、分析、判斷和決策等）來回答上述三個問題的。人們看待事物、分析思考事物的角度、方式和方法，即通常所說的“思維方式”。如，線性思維、系統性思考等等。

就化學課程的學習而言，研究物質的存在狀態、性質、變化和合成，需要運用以化學實驗為主的方法通過科學探究來辨識；從微觀視角，從物質的微粒構成、微粒間的相互作用做探析，用正確的觀念和思維方式做分析思考、判斷和決策。2017年版普通高中化學課程標準，凝練的化學學科核心素養包括5個方面，其中“宏觀辨識與微觀探析”“變化觀念與平衡思想”“證據推理與模型認知”，“分別是從科學觀念和思維方式視角對化學科學思維的描述”［4］。“證據推理與模型認知”明確指出化學的學習，要培養化學科學思維方式，要求“具有證據意識，能基于證據對物質組成、結構及其變化提出可能的假設，通過分析推理加以證實或證偽；建立觀點、結論和證據之間的邏輯關系；知道可以通過分析、推理等方法認識研究對象的本質特征、構成要素及其相互關系，建立認知模型，并能運用于解釋化學現象，揭示現象的本質和規律”［5］。這些論述說明，“證據推理與模型認知”是從思維方式視角對化學科學思維做描述。模型認知的要求側重于用科學的方法建立研究對象的認知模型，并運用于解釋化學現象、揭示本質規律；證據推理的要求側重于能科學地提出事物及其變化的假設，通過分析推理證實或證偽所做的假設，建立觀點、結論和證據間的邏輯關系，做到言之有據，依理論斷。兩者相輔相成，完整體現了化學科學的思維方式。

化學學科的學習，包括陳述性知識（知道某種事物是什么）、程序性知識（包括策略性知識，知道如何做某件事，為什么要這樣做）。60年代興起的認知觀，從信息的存貯、認知過程、個體對自己或他人認知特征的認識和調節能力等方面，探索和研究人類學習兩類知識的思維機制。認為人們是用圖式來表征陳述性知識，用頭腦中的產生式（或產生式系統）來表征程序性知識［6］。

化學學習中需要用圖式表征物質的組成、結構、性質、變化過程與結果等陳述性知識，認識化學事物的特征與本質；也需要運用產生式（或產生式系統）表征物質變化的條件與結果、從變化的規律性推斷變化的可能性，做推理判斷。圖式的建構、產生式系統的形成從認知心理學角度闡釋了化學科學認知的機制。化學學習過程中，圖式的建構、產生式系統的建立，都需要化學思維方式的支撐。“證據推理與模型認知”的發展要求，體現了化學課程實施中培養科學思維方式的重要性。從認知心理學角度看，“證據推理與模型認知”的培養對于促進學生認知能力的提升也是極為重要的。“模型認知與證據推理”對于化學學科陳述性知識和程序性知識的學習都是不可或缺的。為了簡便地說明問題，下文分別從“模型認知”“證據推理”結合化學教學實例作粗淺的分析說明。

2 “模型認知”對建構圖式、提升化學陳述性知識表征能力的促進作用

認知心理學認為，人們對說明某件事物是什么的陳述性知識的認知過程，是通過對同一類客體或活動的基本結構的信息進行抽象概括，在大腦中形成一個框圖，這種框圖被稱為圖式［7］。

圖式實質上是一種認知心理結構，是能幫助人們知覺、組織、獲得和利用信息的認知結構。圖式表征是陳述性知識的一個整合單位，它是命題、表象和線性排序三種基本表征形式的綜合［8］。圖式是人的頭腦在認知過程中經過一系列操作建構的。認知心理學用“認知模型”表征人類對真實世界進行認知的過程。人們通常所說的“認知模型”也指人在認識某一特定事物過程中，在頭腦中形成的可以用符號、圖形、文字、數字等形式描繪的圖式。

例如，對原電池反應的認知，包括下述命題的形成：通過自發的化學反應可以把化學能轉化為電能；物質間的氧化還原反應，有電子轉移發生；發生氧化反應的物質把電子轉移到發生還原反應的物質中；利用特定的裝置使氧化還原反應中電子的轉移不在兩種反應物間直接進行，而是通過連接兩種物質的導線（外電路）進行，就可以形成定向移動的電子流。這些命題是以一定的線性排列順序組織的，能呈現原電池反應發生過程各個因素出現的時序；這些命題還可以非語言形式，以表象直觀地呈現，顯示原電池反應發生過程中各種因素在空間的相互關系。伏打電池模型、銅鋅原電池模型圖（見圖1），就是用文字、符號、圖像呈現的電化學發展不同時期科學家對原電池反應認識過程的圖式。伏打電池模型，表明用導線連接的鋅片、銅片插入稀硫酸，鋅片發生氧化反應，電子從外電路流向銅片，溶液中的氫離子在銅片上結合電子還原為氫氣。解釋了電流形成的原因，說明在一定條件下，利用自發的氧化還原反應可以使化學能轉化為電能。這一認知模型的建構把有關原電池反應的命題、表象和線性排序三種基本表征形式綜合，形成了表征原電池反應的圖式。銅鋅原電池模型，反映了人們對原電池反應認識的發展，例如認識到需要把發生電子轉移的物質隔離，防止兩者直接發生電子轉移，只能通過外電路進行，用鹽橋溝通離子在電解質中的遷移，使原電池反應得以持續進行，提高能量轉化效率。兩種模型的差異，反映了在科學發展的不同階段科學家對原電池反應認識深刻程度的變化。

認知心理學所說的“認知模型”是人類對真實世界的認知過程，是人類看待和處理一類問題的方式［9］。認知模型既可以幫助我們有效地認知未知的事物、提高學習效果；同時，還可以借用認知模型創造解決事情的方法、診斷問題產生的原因。

構建認知模型，用認知模型表征客觀事物是認知能力的關鍵。“證據推理與模型認知”的“模型認知”可以簡要地理解為通過建構認知模型的思維方法來認識事物。“模型認知”指認知過程中的圖式建構，也含有借助科學家建構的并被人們普遍認可的認知模型來促進圖式的建構。

在化學課程標準學業質量水平1的描述中，對元素化合物性質的學業質量要求是“能對常見物質及其變化進行描述和符號表征”［10］，能建構表征物質化學性質和可能發生的化學變化的圖式。包括知道下列命題：組成該物質的元素（或中心元素）的種類與它的化學活動性的關系，組成該物質的元素在周期表的位置、原子結構與該元素單質或其化合物的性質之間的關系；化合物中元素的價態、在一定條件下發生價態變化的可能性；化合物所屬的物質類別與其具有的通性。按線性排序這些命題，以某種圖式表征元素在周期表中的位置、原子結構、元素性質三者的邏輯關系，物質類別、價態和物質性質間的規律性。構成元素化合物性質、變化與轉化的認知模型（見圖2）。

人類認知活動是復雜、多樣的，難以建立一個囊括一切的認知模型，每個認知模型一般只能反映一方面或若干方面的認知特征。例如，就化學反應的學習而言，就有化學反應機理的認知模型、化學反應過程的體系能量變化認知模型等等。如圖3是表征化學反應過程、反應中能量變化的兩種圖式（分別引用自2020年高考理綜能力測試1卷選擇題第10題、2021年高考理綜能力測試甲卷非選擇題第28題）。

從高中化學的學習內容要求看，表征化學陳述性知識的認知模型，有化學概念模型（如表征原電池反應）、化學過程模型（如表征化學反應機理、化學反應過程的能量變化）、物質結構模型（如表征原子結構、晶胞結構）、化學問題的數學模型（如表征以摩爾單位計量的物質及其質量，氣態物質在標準狀態下的體積、含有的微粒數之間的數量關系）等。

隨著人們對事物認識的發展變化，表征陳述性知識的圖式的形成也隨之發生變化。在教學過程中，利用新舊認識的沖突，可以引導學生主動地改進或重建圖式。例如，人類對原子結構認識的發展變化，不同時代的科學家基于當時的認識水平，建構了不同的原子結構圖式，并以原子結構模型圖呈現。為了幫助學生更新、改進或重建對原子結構認識的圖式，要依據有關原子結構中探索新發現的實驗事實，找到原有的表征原子結構的圖式與實驗事實之間存在的矛盾，嘗試找到原有圖式存在的問題，鼓勵學生說明自己的觀點，提出、修改或重建圖式的想法，闡述修改或重建的圖式與新發現的實驗事實的一致性。又如，高中化學必修課程與選擇性必修課程“化學反應原理”模塊的教科書中，基于學習要求深度的差異，引用不同的原電池認知模型表征原電池的概念和工作原理。從必修課程的原電池概念的教學轉入“化學反應原理”模塊中原電池工作原理的深入理解，要注意幫助學生認識兩種認知模型表征的異同點，鼓勵、支持學生通過思考拓展學生原有的圖式，構建新的圖式，深化對原電池反應的理解。消除學生頭腦中把“單液原電池”和“雙液原電池”模型割裂、對立起來的錯誤認識，在腦子中形成能正確表征原電池工作原理的圖式。

3 “證據推理””對建立產生式、提升化學程序性知識表征能力的促進作用

程序性知識是知道如何行動的知識，在頭腦中的表征是通過產生式（或產生式系統）來完成。一個完整的產生式，有三個特征：以“如果—那么”為結構形式；產生式不一定以外部動作表現，可以在頭腦中進行“操作”；產生式的執行有明確的目標［11］。通過實驗獲得證據，通過推理得到結論的“證據推理”過程，就是運用產生式對程序性知識做表征。

高中化學課程標準在學業質量水平4的描述中要求“能用數據、圖表、符號等描述實驗證據并據此進行分析推理形成結論”［12］。例如，濃硫酸和銅片反應生成的氣體通入氯化鋇溶液，如果觀察到有白色沉淀生成，那么就可以推斷氣體中一定有三氧化硫存在，因為只有三氧化硫能和氯化鋇溶液反應生成不溶于酸的白色硫酸鋇沉淀。但不能由此斷定氣體中不含二氧化硫，因為在上述實驗中二氧化硫是否存在與硫酸鋇沉淀的析出不存在因果關系。這種從實驗現象推知結果的分析、判斷的過程是在頭腦中進行“操作”、通過“如果—那么”為結構形式的產生式來完成的。由一系列產生式組成的產生式系統，可以表征一個大型的“如何行動”的知識。例如在上述問題的解決中，還需要確認氣體中是否含有二氧化硫氣體，就必需建構“如果有二氧化硫氣體，那么通入品紅溶液、高錳酸鉀溶液會使品紅溶液褪色，會被高錳酸鉀溶液氧化，使高錳酸鉀溶液褪色”的產生式作表征。

程序性知識的表征，除了“證據推理”，還有比較分類、分析歸納、綜合概括等形式。以實驗為主要研究手段的化學基礎知識的探究學習，證據推理是一種重要的表征形式。證據推理過程中作為證據的不僅僅只有實驗事實，自然界、生產生活中存在的化學事實、物質及其變化的數據、業已被證明的化學規律性知識都可以作為推理的證據。在化學教學中，可以結合教學內容，指導學生利用上述三類證據，通過學習活動，做有理有據的邏輯推理判斷得到正確的結論。從而理解證據推理的內涵，提高運用產生式或產生式系統表征程序性知識的能力。

例如，依據氯氣能被氫氧化鈉等多種堿溶液吸收，轉化為氯化物和氯的含鹽酸鹽溶液的反應規律，可以推斷能用堿溶液吸收實驗室制取氯氣殘余的尾氣，可以利用氯氣和相應的金屬氫氧化物制得氯的含氧化合物（如漂白粉、巴氏消毒液）。又如，依據蓋斯定律可以推知，如果一個化學反應難以直接測定反應熱，又可以看成是分幾步進行的，就可以由幾個分步反應的反應熱相加減來求得。又如，許多實驗數據證明化學平衡常數是表明化學反應限度的特征值，通常只受溫度的影響。如果知道幾種反應在某溫度下的化學平衡常數，就可以據此比較各個反應進行程度的大小。測定一個反應體系某個時刻時各個組分的濃度值，計算它的濃度商，和該溫度下反應的化學平衡常數作比較，就可以判定反應是否已達到平衡狀態。這些都是以“如果—那么”為結構形式實現程序性知識的表征。

證據推理能力的提高對產生式的建立、程序性知識的表征能力的提升有很強的促進作用。例如，解答下述問題：已知化合物A由處于同一周期的短周期元素W、 X、 Y、 Z組成，Z核外最外層電子數是X核外電子數的一半，已知A的結構式如圖所示（見圖4），推斷組成該化合物的元素種類。

解答的思維過程可以以一系列產生式表征：依據共價化合物分子結構的規律性、元素原子的成鍵特征解讀A的結構圖式，判斷元素Z呈-1價、Z原子最外層電子數為7，再依據給定的信息（Z核外最外層電子數是X核外電子數的一半）可以判斷X元素原子的核外電子數、核電荷數是14，可以斷定元素X是Si（硅）、Z是同周期的元素Cl（氯）。X、 Z、 Y構成復雜的-1價陰離子［（Z3X）2Y］-，可以推定Y呈-3價是同周期的P（磷），W能形成+1價陽離子，是同周期的Na（鈉）元素。對于程序性知識表征能力較強的學生而言，這一系列以產生式呈現的自動化程度較高，幾乎可以脫口而出。反之，程序性知識表征能力較弱的學生，每個產生式的形成都需要先形成對問題的表征，然后調用已有的知識和技能，提出解決辦法。例如從A的結構圖式判斷元素Z呈-1價，就需要先提出問題，分子中所有的Z原子都以1個共價單鍵和X原子結合的，這說明什么？再依據共價鍵的形成規則，判斷X原子最外電子層應該有7個電子，可以與X原子共用一個電子對，形成飽和的電子層結構，呈現-1價。推斷Y元素的產生式的建構，更需要有意識地調整、控制思維過程。

應對較為復雜或陌生問題的程序性知識的表征能力的形成，需要對相關知識有整體的理解和把握，有較強的高階思維能力。不少學生在面對依據給定條件，推斷有機化合物同分異構體種類和結構的問題感到困難。對較為陌生復雜的問題，更覺得難以入手。例如下述問題的解決：推斷組成為C8H8O3且符合下列條件的同分異構體的種類和結構（以結構式表示）：①含有酚羥基，②不能發生銀鏡反應，③含有四種化學環境的氫原子。大部分學生都知道問題的解決必須先依據題設要求，判斷具有題設的分子組成的同分異構體的組成基團（如，應含有苯環和酚羥基、不含醛基或甲酸酯基）。但是，如何推斷可能的同分異構體，不少學生是用嘗試拼湊出可能同分異構體結構式的解答方法，費時易錯。程序性知識表征能力較強的學生，會依據題設給定的信息和條件，建立一系列產生式，較快地做出推斷：（1）符合題設條件的分子應含有苯環、酚羥基（有苯酚結構特點），分子有一定的對稱性；（2）從分子組成可以說明該有機化合物不飽和度大，除含有不飽和度較大的苯環外，與飽和結構相比還缺少2個氫原子，分子中還應含有碳氧雙鍵；（3）分子中的8個碳原子，6個在苯環上，1個組成羰基，另1個只能組成烴基；（4）羰基的碳原子除了與苯環連接外，還可以與甲基連接，形成三種具有對稱性結構的碳骨架（見圖5）；（5）分子中的3個氧原子，除組成酚羥基、羰基外，還有1個或者取代苯環①或②位上氫原子連接到苯環上，并與被取代的氫原子組成另一個酚羥基，或者插入③或④位與碳原子連接，構成酯基。由此，推斷該有機化合物的同分異構體共有有4種（見圖5）。

隨著學習的進展，學習活動機會的增加，學生在頭腦中對行為操作的有意識控制會逐漸減少，產生式構建的技能嫻熟程度、產生式的自動化程度會逐漸提高，使程序性知識的表征進入自動化階段。程序性知識認知能力的提高，需要通過學習者主動地參與學習活動才能得到發展和提高。

在高中化學教學中，從認知心理學角度認識“模型認知與證據推理”與發展學生思維能力、提高學生知識表征能力的關系，探索如何結合教學內容有效地培養學生的科學素養、發展學生思維能力、提高學生認知能力是一個值得思考和探索的問題。僅以上述拙見與同行們探討、切磋。

參考文獻：

［1］［4］［5］［10］［12］中華人民共和國教育部制定. 普通高中化學課程標準（2017年版）［S］. 北京： 人民教育出版社， 2018： 前言， 3.

［2］百度百科， 認知能力.https：//baike.baidu.com/item/認知能力？fromModule=lemma_searchbox.

［3］［8］［9］百度百科. 認知模型， https：//baike.baidu.com/item/認知模型/10726713？fr=ge_ala.

［11］胡誼， 郝寧. 教育心理學·理論與實踐的整合觀［M］. 上海： 華東師范大學出版社， 2009：125.

［6］［7］百度百科， 圖式. https：//baike.baidu.com/圖式from Module=lemma_searchbox.