关于证据推理与模型认知的一些思考*

□黄爱民

（宝应县教育局教研室，江苏宝应 225800）

从高中化学核心素养的建构来看，证据推理、模型建构是属于文化基础维度之下科学精神素养之中理性思维的两个基本的要点[1]。通过高中化学课程的学习，要求学生能解释证据与结论之间的关系，确定形成科学结论所需要的证据和寻找证据的途径;能依据物质及其变化的信息进行抽象概括并建构模型，用模型思想认识物质及其变化的一般规律[2]6。目前已有不少教师设计了基于证据推理、模型认知的课时教学，这反映了广大化学教师对构建化学核心素养教学的积极态度；在学习这些教师的成果时，对照作为化学核心素养设计者的专家们对化学核心素养本意的剖析，引起了我的思考，现将这些思考提供给大家，供参考与交流。

一、非证据

科学探究过程中实验事实与想要求证的猜想之间在逻辑上有三种关系：①可证明猜想为真；②可证明猜想为假；③无法证明猜想真假。前两种都可以说该实验事实是想要求证的猜想的证据（第一种关系中实验事实是想要求证的猜想的肯定性证据，第二种关系中实验事实是想要求证的猜想的否定性证据），而第三种却不能说该实验事实是想要求证的猜想的证据，即非证据。例如：已知某溶液中只有一种氯化物溶质；所作猜想为：溶质是BaCl2。①如果实验事实是：向溶液中滴加1～2滴Na2SO4溶液即出现白色沉淀，再滴加1～2滴硝酸白色沉淀未溶解，则这个事实是猜想的肯定性证据；②反之，如果实验事实是：向溶液中滴加1～2滴Na2SO4溶液没有出现白色沉淀，则这个事实是猜想的否定性证据；③但是如果实验事实是：向溶液中滴加1～2滴AgNO3溶液即出现白色沉淀，则这个事实就不是猜想的证据,此时就必须重新设计探究活动。

二、逆向推理

能解释证据与结论之间的关系，既包含由证据推理出结论，也包含由结论逆向推理出所需证据。之所以强调逆向推理，其一是因为两个方向的推理在科学探究中都要用到：逆向推理用在由猜想推理出所需证据并据此设计实验取证，正向推理则用于由实验所取得的证据去推理猜想是否成立并形成结论。其二是在问题解决的过程中也要用到两个方向的推理，如在有机物合成的问题解决中就常常使用逆向推理的思维方式。其三是逆向推理具有思维发散性的特征，发散的维度不同逆向推理出所需证据不同，设计实验方向的不同；这些逆向推理出的不同所需证据之间又有获得的难易、可信度与证明力强弱之别；通常由证据到结论的正向思维越直接该证据的效能就越高；由多重不同证据推理得出同一结论，则该结论更可靠。同样基于逆向推理具有思维发散性的特征，在问题解决过程中，逆向推理出的所需证据在与已有证据整合时可能产生多个问题解决的思路，使问题获得多样化的解决。综上所述，在证据推理的学习中不可轻视逆向推理。

基于上述思考，设计了突显证据推理逆向推理发散思维产生多重证据的探究过程，见图1。

图1 突显证据推理逆向推理发散思维产生多重证据的探究过程

突显证据推理逆向推理发散思维产生多重证据的探究过程的示例如表1。

表1 突显证据推理逆向推理发散思维产生多重证据的盐酸与氢氧化钠反应探究过程的示例

续表

三、证据推理与模型认知之间的关系

证据推理与模型认知都是化学学科中重要的思维方法，两者之间关系，首先是有机联系的，这种有机联系有三个方面：①“证据推理”或“基于证据的推理”是一种典型的认知心理学层面的认知模型。所以，化学学习中的“证据推理”可以看作是按照“基于证据的推理”认知模型进行的认知过程。用这样的思路考察“证据推理”与“模型认知”的关系，“证据推理”从属于“模型认知”，“模型认知”包含了“证据推理”[3]；②证据推理所形成的科学结论是简单的模型认知，模型认知离不开证据推理，证据推理是建构模型的前提[2]4；③证据推理的高水平是模型认知，模型认知需要基于证据推理论证[4]。其次两者之间又是有区别的，主要区别在于“模型认知”除了运用证据进行逻辑推理以外，常常对大量实验事实进行比较分析、归纳概括后，还需要通过抽象和简化的方法建构模型，再现物质及其变化的基本规律[2]4。最后需要指出在证据推理和模型认知的过程中通常都会运用到化学的规律、模型、观念、思想和方法，因此化学学科中证据推理与模型认知便有了化学学科的特色。由此可见证据推理与模型认知在内涵和实践层面上都不可机械割裂，它们常常融合于探究和问题解决的思维过程之中。

（一）基于新证据的推理对模型进行修正，促进模型认知对原型认识的精准

化学模型建构必须建立在科学观察、测定、研究所取得的资料、事实和发现的基础之上。模型是概括、抽象和简化了的原型，它的合理性需要通过逻辑和实验来检验。若原型是不可观测的复杂客体，刚开始人们对原型的认识并不充分，所构建的模型还不够完善。随着实践的发展、技术的进步出现了新证据，这时原先的化学模型就需要修正和补充，新模型在对旧模型的扬弃中不断产生。这种发展过程，促进模型认知对原型认识的精准。如原子结构模型的演变历史就是如此，见图2。

图2 基于新证据的推理对原子模型进行修正，促进模型认知对原子结构认识更精准的历程

（二）基于新证据的推理对模型进行修正，拓展模型认知的范围，同时加深对原型本质的认识

原型是清晰的，但刚开始只基于一种原型建模，此时因为缺乏比较，无法剔除非本质的关系和因素，所构建模型几乎与那唯一原型等同；随着不同原型的出现，基于新证据的推理会促使对原模型的非本质的关系和因素不断被剔除，使模型得到修正，拓展模型认知的范围，同时加深对原型本质的认识。原电池模型的进化便是如此。

首先基于对铜锌原电池的结构、反应和电荷流的分析，抽象构建出最原始的原电池模型。其次基于双液电池原型能提高化学能转化为电能效率的证据推理，作出在前模型中增加盐桥或离子交换膜的修正。接着基于氢氧燃料电池原型，证据推理：①关于电极材料：可以不作为电极反应物、可以不是两种金属活动性不同的金属、可以是同种金属或石墨；②关于电解质溶液：可以不作为反应物；③电极反应物可以是外界分别通入的一组可以进行燃烧反应的气体。作出在前模型中剔除非本质的关于电极材料是不同的金属和其中之一能与电解质溶液反应的要求。再利用中和反应原电池和Ag+(aq)＋Cl-(aq)=AgCl(s)原电池的原型，证据推理电池总反应不一定是非氧化还原反应，但正极一定发生还原反应，负极一定发生氧化反应，作出在前模型加上少数情况下电池总反应是非氧化还原反应的说明。再利用溶液浓差电池和电极浓差电池原电池的原型，证据推理电池总反应不一定有化学反应，但正极一定发生还原反应，负极一定发生氧化反应，作出在前模型加上极少数情况下电池的总反应不是化学过程的说明。基于固体电解质燃料电池原型，证据推理原电池中不一定要有电解质溶液，但一定存在离子导体，作出在前模型将电解质溶液修正为离子导体。最终原电池模型为：原电池两极区之间有盐桥或离子交换膜，工作时，正极发生还原反应，负极发生氧化反应，外电路中有电子流，内电路有离子流，通过电极反应在电极上实现电子流和离子流转换形成闭合的电荷环流，极少数情况下电池总反应是非氧化还原反应，甚至表观看来没有化学反应。

（三）以证据推理为基础建构模型认知的过程及示例

以图3建构模型认知的过程，对“酸与碱反应生成盐和水”建模，过程如表2。

图3 以证据推理为基础建构模型认知的过程

当然，化学中的归纳一定是不完全的，但这并不要紧，当扩大范围应用该反应规律出错或无法应用时，就可对更大范围内的更多结论进行模型认知，以形成应用范围更广的模型，比如形成复分解反应的模型等。

表2 突显证据推理与模型认知关系的“酸与碱反应生成盐和水”反应规律的发现过程

（四）以证据推理为基础建构模型认知的探究过程及示例

以图4证据推理为基础建构模型认知的过程，对标准状况下气体摩尔体积探究过程如表3。

图4 以证据推理为基础建构模型认知的探究过程

表3 以证据推理为基础建构模型认知的标准状况下气体摩尔体积探究过程

续表

证据推理与模型认知是高中化学核心素养5个要素之一，与其他要素的结构关系可总结为图5的四面体结构，其中“宏观辨识与微观探析”“变化观念与平衡思想”“证据推理与模型认知”3个要素分别处于四面体底座的3个角，“科学探究与创新意识”要素处于四面体结构中心，而“科学精神与社会责任”这个要素则处于四面体最高点，连线表示了它们之间的联系。其中，作为化学中思维方式的“证据推理与模型认知”，在展开思维活动时是把作为化学核心概念和观念的“宏观辨识与微观探析、变化思想与平衡观念”作为重要依据在使用的。创新意识是科学探究的动力，科学探究是认识世界的手段和方法，在科学探究的各个环节充满了思维活动，“证据推理与模型认知”方式的思维活动在其中起着重大作用。因此学习“证据推理与模型认知”要素，首先要注意不可割裂理解证据推理与模型认知，其次它们都离不开科学探究和问题解决的过程，也离不开化学核心观念和概念。这种基于核心素养要素之间的有机联系，进行“证据推理与模型认知”的自身及与其他要素融合学习的想法是值得大家研究的。

图5 化学核心素养要素结构[2]5