基于問題情境教學法培養“證據推理與模型認知”素養的實踐研究

課題項目：本文系北京市教育科學“十三五”規劃2020年度一般課題“基于問題情境教學法培養‘證據推理與模型認知’素養的實踐研究”（立項編號：CDDB2020308，課題負責人：鞏佳利）的研究成果。

作者簡介：鞏佳利（1992～），男，漢族，北京人，北京市通州區永樂店中學，研究方向：化學教學。

摘 要：“證據推理與模型認知”素養作為化學學習的高階思維素養，通過深度分析“證據推理與模型認知”素養，有助于教師深度理解素養的內涵及價值，并以問題情境教學法提出了落實素養目標的有效教學方式和實施策略。

關鍵詞：核心素養；高中化學；證據推理與模型認知；問題情境

中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：A 文章編號：1673-8918（2024）27-0130-04

“證據推理與模型認知”素養出自《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱新課標），是組成化學學科核心素養的五要素之一，是新課標要求學生形成學習化學學科的思維方法，這將有助于人們用化學學科視角去尋找陌生問題或未知困境的解決辦法與思考方式，即化學教給學生立足終身發展所需的必備能力與思維機制。作為包括教師、學生在內所有人皆應具備的素質，教師首先要深度解析和理解“證據推理與模型認知”素養，提升教師的個人素養水平，在教學設計與實施中讓素養在學生身上落地生根，特別是加強學生對證據推理過程的認識和對化學模型在解決問題中的思考，從而促進學生提升化學知識的運用水平和問題解決能力。問題情境教學是通過創設真實問題場景而引發學生主動學習和思考的教學方式，以“證據推理與模型認知”素養為培養目標的化學課堂，教師可以通過情境創設與問題提出，提高學生的思維能力，優化學生的論證過程，從而促進有效學習的發生，使得教學目標得以真實落實。

一、 “證據推理與模型認知”素養的深層理解

（一）素養內涵

“證據推理與模型認知”素養的核心和意義在于學生在化學學習過程中，通過觀察和收集相關的證據，運用科學推理和模型認知的能力，理解并解釋化學現象，建立和優化認知或思維模型，從而提高科學思維能力和問題解決能力。證據推理與模型認知是一種高階的思維模式和學習素養，能夠幫助學生深入理解和解釋化學現象，建立和優化化學模型，并運用模型進行問題求解和預測。

首先，“證據推理”是指學生基于觀察、實驗和其他可靠來源，收集和整理相關的證據，然后運用科學推理和邏輯思維方法來推導出結論。學生通過觀察化學現象、進行實驗和收集實驗數據來獲取所需的證據。隨后，學生運用科學推理方法對觀察到的現象和收集到的數據進行分析和推斷。通過評估證據的可靠性和合理性，學生能夠得出準確的結論。這將有助于學生理解和應用化學知識，培養學生的批判性思維和問題解決能力。

其次，“模型認知”是指學生運用化學模型來解釋和描述化學現象和物質變化。化學模型是對現實世界中化學現象和物質變化的抽象和理論描述。學生通過學習和理解化學模型，能夠將抽象的化學概念與實際問題相聯系，運用模型解釋復雜的化學現象和物質變化。通過建立和優化化學模型，能夠提高學生的思維邏輯和抽象推理能力。模型認知使學生能夠預測和解釋環境中的化學現象，為解決問題和預測未知情況提供了依據。

最后，“證據推理”和“模型認知”是化學學科核心素養的思維核心，前后兩者構成了互為基礎與進階水平關系，“證據推理”的高水平是“模型認知”，“模型認知”需要基于證據推理論證。就問題解決而言，“證據推理”提供了解決問題的事實或理論依據和運用的方法，“模型認知”指引了解決問題的角度、思路，二者共同促進學生真實地問題解決。

（二）素養理解

基于上述分析，“證據推理與模型認知”作為學習化學乃至滿足社會發展需求的必備素養，教學中要求從以下五方面要素來具體認識和培養：

（1）具有證據意識和科學觀察能力。學生能夠收集和整理化學實驗數據以及其他可靠來源的觀察結果作為證據，而依據新課標將學生“收集證據”水平劃分為“宏觀證據→宏微證據→定性與定量證據→多元證據”4個層次，能力要求逐漸上升，同時學生還要能夠辨別和評估這些證據的可靠性和相關性，為后續的推理和論證提供基礎。

（2）能夠基于所涉及的證據提出可能的假設和推斷。學生能夠通過對所收集的有效證據進行分析，提出有關物質的組成、結構及其變化的合理假設或解釋。這些假設和解釋應經過推理和論證的驗證，確保其符合相關科學原理，符合實驗證據的合理性和科學性。

（3）能夠運用科學推理和邏輯結構來組織和表達觀點，將結論與支持結論的證據進行聯系和解釋。通過建立邏輯關系，學生能夠形成有條理、連貫和可信度高的論證鏈，增強自己的科學觀點和結論的說服力。

（4）能夠通過分析、推理等方法深入認識物質性質及轉化的本質特征和構成要素，以及它們之間的相互關系。學生能夠運用科學的理論知識和實驗數據來解釋物質的性質和變化規律，進而通過建立認知模型，學生能夠更好地理解和描述化學現象，為問題的解決和預測提供了思維框架和依據。

（5）能夠運用模型揭示現象或問題的本質和規律。學生能夠將抽象的化學概念與實際問題相聯系，運用建立的模型解釋復雜的化學現象和物質變化。通過模型的應用，學生可以對不同化學系統進行定性和定量的分析預測，推導出新的結論。

（三）素養價值

“證據推理與模型認知”素養具有多重價值，在學習化學和滿足社會發展需求方面都具有重要意義。

第一是深化了學生對化學概念的理解。通過學習如何收集和分析化學實驗數據以及其他可靠證據，學生可以更深入地理解和解釋化學現象的本質，從微觀和宏觀的角度去理解化學變化和規律性關系，并加深對化學概念的理解，有助于學生將所學的化學知識應用于解釋復雜的實際情境。

第二是強化了學生分析和解決問題的能力。通過對所收集證據的推理和論證，學生將學會獨立思考和分析復雜的化學問題，并能夠合理地建立和運用化學模型來解釋和解決問題。在問題情境中，學生可以根據收集到的證據進行推理和論證，建立解決相關問題的一般思路和方法，從而提高解決問題的能力，更有效地應對化學領域的挑戰。

第三是培養了學生的批判性思維。學生在“證據推理和模型認知”素養培養的過程中需要評估和分析所收集到的證據，判斷其可靠性和適用性，并基于這些證據進行科學推理和建立模型。這個過程有助于學生形成準確且有根據的結論，同時促進學生的批判性思維發展，能夠對現有的觀點和結論進行深入思考和評估。

第四是增強了學生的創新意識和科學探究能力。在培養“證據推理和模型認知”素養的過程中，學生能夠獨立思考、提出新的問題，并運用科學方法和模型進行實驗設計和數據分析。學生能夠進行科學的探究和研究，尋找解決問題的新方案，有助于發展學生的創新思維和解決問題的能力，為其未來的科學研究和職業發展打下堅實基礎。

第五是提高了學生的終身學習能力。學生通過搜集、分析和評估證據，進行科學推理和建立模型，不僅加深了對化學知識的理解，也幫助學生形成自主學習和學習新知識的思路和方法，提高了學生持續學習和更新知識的能力。這將有助于學生能夠應對新興科學問題和挑戰，并不斷調整和完善自己的學習，提高學生的終身學習能力。

二、 以“證據推理與模型認知”素養為目標，構建問題情境的課堂教學方式

問題情境教學是一種以學生為中心的教學方法，根據具體的教情與學情設置適應學生發展需要的情境，通過引導學生在實際問題中主動探究和解決問題，促進學生的自主學習和全面發展。問題情境教學強調貼近學生的生活和實際問題、引導學生主動探究和解決問題、鼓勵學生與他人合作、發展學生的思維能力以及培養學生的技能與素養，使學生能夠更好地適應未來的社會發展和個人成長的需要。

從“證據推理與模型認知”素養發展看，問題情境教學是以學生解決問題為核心，側重在論證或推理中生成新知識和在解決過程中建構思維，關注學生在問題合作中情感和價值的交互和升華，從而實現學生全面發展。首先，問題情境教學通過強化學生在實際問題情境中主動思考和解決問題，符合學生具有自主性和主動性的認知特點，為培養素養提供了場景和載體，同時促使學生能夠充分參與學習過程，引發學生進行“證據收集”“證據推理”。例如，在探究SO2對環境影響的教學中，學生會主動通過實地調查、數據收集和實驗進行探究。其次，問題情境教學將學習內容與實際問題情境相結合，通過解決實際問題來主動建構所需知識和基于證據推理或論證解決方案，有助于學生將知識向功能、素養轉化，提高學生的學習理解和靈活運用能力，培養學生解決實際問題的能力。例如，在SO2教學中，將SO2相關知識與酸雨構建情境，學生需要主動學習SO2性質、轉化等知識，并在解釋酸雨產生原因和設計SO2吸收方案中得到應用。此外，問題情境教學注重在解決問題的過程中證據的交流和互補與辨識和評估、基于證據推理論證的方案碰撞、邏輯建立以及基于模型的建構和應用，培養學生的批判性思維、創造性思維、合作與溝通能力。例如，在探究SO2對環境影響的教學中，學生能基于實驗現象和氧化還原反應原理多角度理解SO2的性質、轉化知識，同時根據知識和情境資料，交流討論酸雨的形成機理和多種解決方案，進而豐富“價態-類別”的元素化合物認知模型。

基于上述思考，以培養“證據推理與模型認知”素養為教學目標的問題情境教學，可以從以下五方面構建與實施：第一，研讀教情與學情，創設真實情境，從研讀課標與教材出發，根據學生的認知特點和學習需求，教師可以創設諸如化學實驗、現實生活、社會熱點、化學史料、自然現象、工業生產等各類型情境，以激發出學生學習的主動性和積極性。第二，依托真實情境，轉化學科問題，教師可以將情境的關鍵節點以問題形式呈現出來，并確保學科問題指向學習目標，以激發學生的探索欲望，驅動學生持續深入學習。第三，依托學科問題，設計主動探究活動，根據知識結構或問題解決思路，將學科問題拆解、生成環環相扣的探究活動，活動環節中要具備證據收集與推理具有化學學科特征的素養活動，以培養證據意識，建立起“證據推理”素養形成的具體路徑，從而增強學生的自主學習和獲取知識的能力。第四，歸納活動過程，提煉思維模型（或學科概念），學生在問題情境中面對現實問題，需要進行邏輯推理、批判思考和創造性思維，同時需要分析問題的因果關系，進行綜合思考，提出創新的解決方案，通過問題解決的具體思考和思維提煉，厘清研究對象的構成要素及其相互關系，有助于學生將問題解決過程或學科概念形成過程模型化、一般化。第五，再現問題情境，發展模型，建模的最終目的是學以致用，教師可以再次拋出學生陌生度依次遞增的問題情境，讓學生從識別問題相似性出發，逐步運用、調試模型攻破新問題的變化性并對模型優化或拓展，從而提高問題解決能力。

三、 以“證據推理與模型認知”素養為目標，梳理基于問題情境的教學策略

（一）倡導開放教學，營造問題導向的氛圍

高中化學教師的教學效果直接受到教學理念的影響，為了改變教師的教學理念，創造一種充滿積極開放的問題氛圍是有效的方法。這種教育理念強調教師和學生之間的互動，并著重強調學生在課堂中的主體地位。因此，教師應該重視培養學生在高中化學教學中的學習興趣，通過創設和運用問題情境來提升學生的“證據推理與模型認知”素養水平。同時，教師應運用問題情境來增強師生交流互動的意識，促進學生的積極參與和深層次核心素養的培養，讓學生在開放的教學氛圍中積極探索，同時重視化學教學中的知識技能應用與思考探究過程，以激發學生的學習興趣。例如，在“探究影響化學反應速率因素”時，摒棄傳統的教師演示實驗方式，教師主動開放課堂，通過師生交互，提出并評價問題與方案和經歷完整的科學探究過程，有助于培養學生的科學探究興趣和運用科學探究思維解決真實問題的意識。

（二）利用問題情境，增強學生的素養意識

問題情境是學生進行“證據推理與模型認知”素養活動的前提，可以有效激發學生對學習的欲望和動力，為素養激活提供了可能。現如今許多教師已經領悟到，在課堂上提問的價值遠遠超過簡單地回答問題。特別是在培養學生化學核心素養的過程中，教師應始終以提出問題為首要任務，以培養學生的“證據推理”和“模型認知”意識為基礎，通過問題情境的創設，引發學生積極思考，有意識地進行證據收集與推理、模型建構與應用等思維行為，培養學生的證據意識，優化學生的思維邏輯，幫助學生透過現象看本質，進行化學問題的思考。例如，在學習“鈉及其化合物”時，教師可以引導學生從“價態-類別”角度預測或推測物質的性質、反應，并收集有關實驗現象或生活事實進行論證，形成與之對應的元素化合物認知模型，這一模型可以在“氯及其化合物有什么性質？”“如何證明氯及其化合物的性質？”等問題中得以應用和發展。這樣的問題情境設置有助于學生把握物質組成、性質及轉化的本質和變化規律，養成基于“證據推理”與“模型認知”認識、思考客觀物質世界現象或問題的意識和能力。

（三）設計符合學生實際學習情況的活動

問題情境的創設既要符合當堂課的教學任務，又要與教材內容相結合，并結合學生的具體情況。只有這樣，才能不斷提升學生的理解能力，培養學生的“證據推理與模型認知”素養。因此，在設計問題情境的活動時，教師應充分考慮學生的學習水平、身心特點和生活經驗。

（四）運用化學模型進行概念教學

化學概念建模是將一定量的化學知識進行抽象概括，將復雜問題轉化為具體學科問題的方法，是連接理論與實際的橋梁。通過建立化學模型，可以運用模型進行問題的解決或現象的解釋，以揭示客觀物質世界的本質和變化規律。因此，在高中化學教學中，要注重建立化學模型，提高學生聯系各知識點的能力，增強學生的學習效果，培養核心素養。問題情境的創設和運用在教師教學、學生思維深度和廣度以及課堂建模效果上都具有深遠的影響，所以采用層次分明的提問方式，通過引導學生從表層問題到底層逐步深入地思考問題，有助于學生探索問題的背后共性，整理和歸納問題本質，拓寬思考的層次，從而促進有效學習。

四、 結論

綜上所述，在新課標的指導下，高中化學教師應有效培養“證據推理與模型認知”素養。為此，教師要關注學生目前的學習需求，引入多種教學方法，通過問題情境的創設提高學生的思維邏輯水平。通過倡導開放教學，營造問題導向的氛圍，利用問題情景激活素養意識。同時，教師應根據學生的實際學習情況進行符合性的活動，基于化學概念建模教學培養學生素質。這樣，才能在提高學生學習效率的基礎上，培養學生的“證據推理與模型認知”素養。

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