浅析“证据推理”在元素化合物探究教学中的应用

张旭东 杨玉琴

摘要： 在元素化合物教学中，以“证据推理”为科学思维方法，基于溯因、演绎以及类比等逻辑推理形式，让学生经历发现问题、提出假设、设计实验、解释证据、获得结论的探究过程，从而使元素化合物知识的学习过程，同时成为化学学科核心素养的形成过程。

关键词： 证据推理; 元素化合物; 科学探究; 化学学科核心素养

文章编号： 10056629（2019）4004505中图分类号： G633.8文献标识码： B

《普通高中化学课程标准（2017年版）》提出了“以发展化学学科核心素养为主旨”的课程理念，围绕学科核心素养重建课堂教学，成为当前全面深化化学课程改革的重头戏。学科知识是形成学科核心素养的载体，但一切知识，惟有成为学生探究与实践对象的时候，其学习过程才有可能形成素养[1]。“证据推理”是化学学科核心素养的要素之一，是科学探究活动的思维基础。课程标准要求“结合真实情境中的应用实例或通过实验探究，了解元素化合物主要性质”[2]，这就决定了在元素化合物知识教学中需要充分基于“证据推理”展开教学，以实现其育人价值。

1 “证据推理”的内涵解析

在逻辑学领域，推理是指根据一个或一些命题得出另一个新命题的思维形式，有归纳、演绎、类比等推理形式。科学推理指的是科学家根据观察和实验发现新的自然事实和自然规律，提出新概念和新术语，发明新理论和新假说，并且对理论和假说进行检验、评价、修正、选择等认识活动的方法和思想模式。因而不能將科学家认识活动及其在认识活动中的思维过程、思维方式简单地归结为演绎、归纳或类比等逻辑推理。对于逻辑推理而言，只要遵从逻辑规则的指导即可，但是对科学推理而言，在遵从逻辑规则的同时，更要尊重证据的作用。证据是科学推理的基础，“依据证据进行推理”是科学推理与逻辑推理的根本区别[3]。

“证据”意指能够证明某事物的真实性的有关事实或材料。从信息加工理论来看，推理时所依据的“信息”即“证据”，常常与数据（data）和知识（knowledge）相关联。数据代表的是参数的值，而知识意味着对真实事物或抽象概念的理解。在化学学科领域，数据来源于观察（测），如自然生活现象、实验现象、pH、温度变化曲线或者数据资料、科学史料等;知识则如建立在一定抽象水平之上的化学概念、原理、规律等[4]。

“证据推理”意指从问题情境及已有知识经验中识别、转换形成观点，并多方收集证据、利用证据进行推理，从而获得结论，解决问题[5]。推理是思维过程，证据是前提条件。证据推理不仅是证实的过程，也可能是证伪的过程。表现在化学学习中，即“具有证据意识，能基于证据对物质组成、结构及其变化提出可能的假设;通过分析推理加以证实或证伪;建立观点、结论和证据之间的逻辑关系”[6]。

2 “证据推理”与“科学探究”

不管是学生的学习还是科学家的研究，探究活动都是从某一情境中发现问题，再根据原始资料或数据对问题形成假设，通过观察和实验获得新的数据（证据），基于证据进行推理，对假设进行修正（证实或证伪），最终得到正确结论的过程[7]。其过程可以用图1来表示。

由图1可见，在探究活动中，推理发挥了重要作用。一是从问题到假设，当问题出现时，我们往往会对问题作出可能的解释（假设），这种解释（假设）需要基于一定的证据进行推理。例如，当课堂上教师呈现出“镁雨一相逢，擦出大火花”的新闻情境并衍生出问题“为什么镁和雨水接触能着火呢？”，这时可能的解释是“镁也许能够与水发生剧烈的化学反应”（假设），因为“有些金属如钠就能够与水发生剧烈反应，发生燃烧甚至产生爆炸现象”（证据，类比推理）。这时候假设表现为关于实际情况如何的一种观点。当然，这种观点需要进行检验，也就是必须经历下一个阶段的考验，即从假设到结论的过程，此为探究活动中的第二次推理。如果观察（测）到的证据与假设吻合，则某种意义上假设便得到了检验;也有可能原先的假设面对新的事实、概念（证据）等通过推理会产生一些矛盾，进而要否认或修改假设。如上述“镁也许能够与水发生剧烈的化学反应”的假设，通过实验发现镁在常温下与水的反应较为缓慢，放出热量。“镁雨一相逢，擦出大火花”的原因是镁与水发生反应产生的热量使其自燃。

3 基于“证据推理”的元素化合物性质教学

元素化合物性质是物质及其变化的体现，具有生动具体、形象直观等特点。就知识本身而言，应该不存在理解上的困难，但由于涉及的内容庞杂琐碎，学习方式偏重记忆，导致学生“易学难记、易懂难学”，成为影响学生学习兴趣的重要因素。以“证据推理”为科学思维方法，激发学生的内在认知兴趣，让学生在探究中建立知识间的联系，理解物质的变化及其规律，体验化学与社会、生活的密切联系，从而使元素化合物的学习历程成为学科核心素养的形成过程。在元素化合物教学过程中，可以基于以下三种推理方法进行探究。

3.1 基于溯因推理的元素化合物性质教学

所谓溯因推理，是一种由果溯因，由已知事实探求未知理由的推理。这一模式也是探究的基本模式。比如，化学史上指示剂的发现就是这一推理的体现。波义耳在做实验的过程中不小心将少许盐酸沫溅到紫罗兰花上，在冲洗花瓣上酸沫过程中发现花变红了。“花为什么会变红？是因为碰到盐酸的缘故吗”（溯因）。为了验证这一假设，他又取了其他几种酸溶液，将紫罗兰花瓣放入其中，结果花瓣都变为红色（证据）。由此，他推断： 不仅盐酸，而且其他酸都可使紫罗兰花变色（推理）……在溯因推理过程中，溯因所得出的结论是一个假设，它是对事实情况的一种解释。一个事实可能有多个不同的解释，这就需要收集证据对解释进行验证，最终基于证据获得正确的解释。在元素化合物性质教学中，可以从物质在科技、生产或生活中的应用事实或自然发生的现象等出发，追溯其“为什么可以这样用？”、“为什么会有这样的现象”等，提出假设，然后依据证据推理出该物质的相关性质。如案例1。

3.2 基于演绎推理的元素化合物性质教学

演绎推理，是指从一般规律出发，运用逻辑证据，得出特殊事实应遵循的规律，即从一般到特殊的逻辑推理方法。如门捷列夫利用元素周期律进行演绎不仅预测了“镓”的密度，还预见了锗、钪等当时尚未发现的新元素的存在及这些元素的性质。门捷列夫说过，只有通过规律从中推出结果，并且在实验检验中证实这些结果，才能得出这些规律[8]。在元素化合物教学中，一般从化学反应原理或规律出发进行演绎、推理该物质应该具有的性质，再进一步收集证据进行证明。仍以SO2的性质学习为例进行说明，如案例2。

上述案例，从酸性氧化物的一般通性及氧化还原反应原理等规律出发进行演绎推理SO2的化学性质，以此推理为依据设计实验进行验证。当然，这种推理方法的前提是对个别事物的共性和本质的判断。适用于学生掌握了一定的物质变化规律和化学反应原理以后元素化合物知识的学习。如学习金属钠的性质时可从钠原子的结构特点出发进行演绎推理——钠原子最外层一个电子，在化学反应中易失电子，所以应该能与元素的原子易得电子的物质（如Cl2、 O2等）发生反应，也可以从金属的一般通性出发进行推理——可以与非金属单质发生反应，可以将在金属活动性顺序表中排在其后面的金属从其水溶液中置换出来等。当然，在这种推理方法中，只能揭示共性和个性的统一，不能进一步揭示个性，如金属钠与水的反应，金属钠与盐溶液反应的复杂性等;再如案例2中SO2的漂白性等。这时候就需要结合其他证据推理方法作进一步的研究。

3.3 基于类比逻辑的元素化合物性质教学

在形式逻辑上，类比是指同类和相近事物之间的比较，即从两个或两类对象有某些兼有或相似属性，推出一个对象可能具有另一类对象所具有属性的方法。例如，化学史上巴特列观察到O2能与PtF6化合生成[O+2][PtF-6]之后，运用类比方法想到Xe和O2的电离势几乎相等，那么前者也应有同样的性质。他按此设想做实验，结果获得一种橘黄色晶体，这一发现推翻了长期在化学中流行的惰性气体不能生成化合物的观点。在元素化合物学习中，表现为当学习一个新物质的性质时，可以类比已经学过的在组成、结构或类别上与其相似的其他物质的性质进行推理，形成假设后再收集证据进行验证。如学习SO2的化学性质时可以类比初中已经学过的CO2的化学性质进行探究。

案例3以SO2与CO2在组成上具有相似性作为类比推理的前提提出假设，再设计相应实验方法进行证明。这种方法适用于结构相似、组成相似或类别相似的元素化合物的学习，如单质Si与C之间的類比，金属镁与钠的类比，SiO2与CO2之间的类比等。当然，类比并不存在严格的必然的逻辑法则和逻辑通道，因此所得的结论不一定可靠。类比的双方虽然具有数个相同或相似的属性，但类推出的下一个属性可能正好是双方的差异点，从而使推理结果失真，这就是类比推理的或然性。如HCl气体的制备是用固体NaCl和浓硫酸复分解反应制得，运用类比思维推出的制HI气体也用固体NaI与浓硫酸反应就是错误结论。也正由于此，推理的结果只有获得相应证据的支撑才能称为科学的结论。

在元素化合物性质学习中，以“证据推理”为思维方法，让学生经历发现问题、提出假设、设计实验、解释证据、获得结论的探究过程，“学会收集各种证据，对物质的性质及其变化提出可能的假设;基于证据进行分析推理，证实或证伪假设;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”[9]，以达到培养学生学科核心素养的目标。当然，文中所涉及的三种推理方法只是常用的几种方法，且不是用某一种推理方法就能探究完某一个物质的所有性质。另外，在不同的化学学习阶段，因为学生的知识储备及认知发展水平不同，所用的证据推理方式也会不同。因此，在实际应用时，需要根据学生已有的知识基础、具体内容特点等灵活选择、组合运用多种教学方法，形成一个有明晰线索、合乎逻辑的教学结构。

参考文献：

[1]张华. 论核心素养的内涵[J]. 全球教育展望， 2016， 45（4）： 10～24.

[2][6][9]中华人民共和国教育部制定. 普通高中