基于3DTG发展学生“证据推理与模型认知”核心素养

陈禛天 侯丹 占小红

摘要： 通过探讨可视化外部表征工具三维思维图（3DTG）的内涵，介绍该工具在支持学生进行科学探究学习、培养学生“证据推理与模型认知”核心素养中发挥的重要作用。基于3DTG的构成要素，构建科学探究过程模型，开发基于该模型的课堂教学模式。设计以“科学使用含氯消毒剂”为主题的探究教学案例，对基于3DTG发展学生核心素养的教学模式付诸实践并予以说明。

关键词： 三维思维图（3DTG）; 科学探究; 证据推理; 含氯消毒剂

文章编号： 1005-6629（2021）03-0051-06

中图分类号： G633.8

文献标识码： B

1  问题的提出

“证据推理与模型认知”是化学学科核心素养之一，对其理解可以拆分为两个部分：“证据推理”指的是学生基于证据提出可能的假设，运用推理思维证实或者证伪，形成最终合理的结论;“模型认知”则是指学生通过建立认知模型，解释化学现象，揭示现象背后的原理和规律[1，2]。科学探究学习提出，学生要像科学家一样，采用多种方法开展研究，并根据研究所得的证据提出对自然界的解释[3]。可见，科学探究的过程就是学生不断发展自身“证据推理与模型认知”素养的过程。

证据推理作为一种高级思维活动，往往需要涉及学生的高阶思维，因此对学生来说具有一定的难度[4]。研究表明，无论是在传统环境还是技术支持环境下，学生往往难以把控探究节奏，进行高效的探究学习。尤其是对于一些复杂的、贴合真实生活情境的探究活动，大量的信息、数据、概念交织混合在一起，学习者往往需要经历复杂的认知过程。例如，从多个方面收集信息和数据，将信息与学科知识整合在一起并进行高效有序的推理，最终形成问题的解决方案，在这个过程中，许多学生不知道如何建立假设，也有学生反映自己很难将已有的信息、数据与学科知识相结合，更难以对复杂的变量及其关系进行假设和推理[5，6]。有研究指出，当学生面对相互矛盾的证据时，倾向于全盘否定而不是修改初始假设。此外，学生更倾向于证实假设而非证伪[7]。因此，在开展探究活动时，教师需要提供一些“脚手架”或支持性工具，将涉及探究和问题解决任务中的复杂认知过程程序化和外显化，才能更好地促进预期教学目标的实现。

如何开展有效的探究教学活动促使学生发展“证据推理与模型认知”素养是目前亟待探索解决的问题。本研究利用在促进探究和证明假设方面较有优势的可视化外部表征工具——三维思维图（Threedimensional Thinking Graph，简称3DTG），尝试建构基于3DTG的教学模式并结合具体的课堂教学案例，探讨如何设计有针对性、有层次性地促进学生“證据推理与模型认知”素养发展的教学活动。

2  基于3DTG模型的教学模式构建

外部表征（External Representation）是学生探究学习中广泛采用的支持性工具之一。外部表征其实是一种图示思维，指的是利用地图、图片、表格等表示知识或信息之间的关系。具有代表性的外部表征方式有概念图（Concept Map）、因果图（Causal Map）、证据图（Evidence Map）等，不同的表征具有不同的功能，并可以在不同的阶段支持学生的探究学习[8，9]。传统的课堂上教师往往采用单维外部表征辅助教学中的某一个环节，但对于一些开放性较高、复杂程度较大的探究学习活动，只使用单一的表征方式显然是远远不够的。3DTG的三个维度分别代表三种不同的外部表征。在教学实践中发现，相较于使用单一维度的概念图，使用三维思维图的学生在探究活动中表现更为出色[10]。

2.1  3DTG的构成要素

3DTG由概念图、数据表和推理图三部分组成，三部分可以画在同一张纸上。概念图（Concept Map）以网状的形式呈现，用于组织和表征学习者知识结构中概念与概念之间的关系[11]。数据表（Data Table）是一些与探究问题相关的信息或数据，这些信息或数据反映为一组关键变量及其在观察期间的变化。推理图（Reasoning Map）表示与探究问题有关的一系列可能的逻辑假设与数据或主题知识之间的证据关系。

2.2  基于3DTG的科学探究过程模型的构建

科学探究主要有六个基本环节，分别是提出科学问题、建立合理的假设、设计与开展实验、收集信息与数据、推理分析与论证和得出最终的结论。3DTG的概念图、数据表和推理图这三类表征工具分别支持了科学探究学习中不同的环节，覆盖了科学探究的重要认知过程（见图1）。

概念图通过引导学生回顾学科知识，帮助学生明晰科学探究过程中涉及的概念、变量及其相互关系，从而形成丰富合理的假设;数据表用于记录学生阅读支持性材料、动手实验过程中收集到的信息和数据，帮助学生有效减少信息与数据的遗漏;推理图清晰地反映了与每一个假设有关的支持或反对的证据，避免学生遗忘自己是何时以及如何拒绝某假设的。

三维思维图的三种表征工具并非孤立存在，而是一个相互联系、相互作用的有机结合体。推理图处于核心位置，其绘制基于概念图和数据表，结合提出假设和解释数据的过程。从概念图到推理图，学生实现了学科关键知识与概念在实际问题中的迁移应用;从数据表到推理图，学生将收集到的数据进行筛选、提取、转化、整合、凝炼形成证据。反过来，推理图的绘制促进了学生脑海中概念的网络化和逻辑化。推理图中被拒绝的假设则帮助学生及时检查核对与该假设相冲突的信息或数据。

总的来说，3DTG指导学习者逐步建立假设，基于相关数据和知识进行证据推理，并了解如何以及在何处修改先前形成但不合理的假设或想法。通过将问题的数据、主题知识以及假设和推理过程纳入整体的视觉表征中，有效地支持了科学探究中假设的提出以及复杂问题的证据推理。

2.3  基于3DTG模型的探究教学模式

基于3DTG模型的探究教学模式如图2所示。

“创设情境，提出问题”是探究教学中的第一个环节，主要目的是确定本节课探究的主题。教师借助生产生活的事例创设真实情境，提出或者引导学生提出充满趣味性的、有实际意义的、适合课堂学习的科学探究问题，激发学生的求知欲，使学生产生科学探究的动力。

“建立假设，设计实验”为科学探究实践奠定了理论基础，指引了探究的方向。在此环节中，学生经过短暂的思考往往会给出一些猜测和假设，但多半是不完全的或脫离科学事实的想法。教师需要引导学生初步绘制概念图，对先前的假设进行判断和完善。而后，学生基于教师提供的实验材料，选择合适的实验器材，设计实验路线，以书面或口头表达的形式表述实验方案。

“实验探究，分析论证”是科学探究最为关键的环节。学生展开实验探究，收集和记录实验信息和数据，形成支持性证据。学生根据证据提出解释，反复审查和修改先前形成的假设，逐步完成数据表和推理图，解决探究问题。在这个过程中，教师作为自由人，在学生探究学习出现困难时及时给予帮助。

“交流讨论，总结归纳”这一环节主要是由教师组织学生进行交流讨论。一方面学生要清晰表达自己探究的程序、证据、解释;另一方面也要对其他同学的分享进行提问、质疑和评价。交流结束后，教师引导学生进一步完善概念图，总结归纳探究问题涉及的化学学科知识和学科思维，感受化学学科价值。

科学探究并不是一个直线性的过程，并非固定地遵循某个科学探究的基本环节。学生在实验探究中随时可以修改假设、建立新的假设、设计新的实验方案。从图2中也可以看出，尽管三维思维图的不同维度支持不同的科学探究环节，但在教学过程中每类图都是反复提及和使用的。下面以“科学使用含氯消毒剂”主题为例展现如何利用三维思维图支持科学探究教学的开展。

3  基于3DTG模型教学设计实践——以“科学使用含氯消毒剂”主题为例

“科学使用含氯消毒剂”主题选自高中化学必修第一册（2019新版鲁科版）第2章“元素与物质世界”的微项目模块。本节课是在学生学习了氧化还原反应、氯及其化合物后的一节拓展探究课。

3.1  创设情境，提出问题

[情景导入]新冠肺炎疫情暴发后，84消毒液走红。此前，这种价格低廉、使用简单、效果可靠的消毒液已经在战胜甲肝、SARS疫情过程中发挥了巨大作用，堪称防疫“神器”。

[探究性问题]有新闻报道84消毒液和洁厕灵（通常含盐酸）等酸性产品混合使用反而产生负面效果，甚至危害人类健康。84消毒液真正起到消毒作用的成分究竟是什么？为什么84消毒液不能与洁厕灵同时使用？

设计意图： 提出问题使学生产生认知冲突，对84消毒液背后的科学知识产生学习兴趣。

3.2  建立假设，设计实验

[学生]提出所有可能的假设并将其记录在推理图中（见图4右侧推理图）。

[教师]同学们提到的假设中涉及一些含氯物质，如氯气、氯化氢、氯化钠、次氯酸、次氯酸盐等。结合已学知识，在导学案中画出这些含氯物质之间转化的概念图及涉及的化学反应。

[学生]基于已有知识，回顾有关含氯物质的转化的方程式并画出相应的概念图（见图4左下概念图）。

可能涉及反应的化学方程式有：

① 次氯酸见光分解： 2HClO光照2HCl+O2↑

② 次氯酸钠与酸反应（强酸制备弱酸）： NaClO+CO2+H2ONaHCO3+HClO

③ 氯气与氢氧化钠反应： Cl2+2NaOHNaCl+NaClO+H2O

④ 氯气溶于水的反应： Cl2+H2OHCl+HClO

⑤ 电解饱和食盐水： 2NaCl+2H2O通电2NaOH+Cl2↑+H2↑

⑥ 酸碱中和反应： HCl+NaOHNaCl+H2O

⑦ 化合反应： H2+Cl2点燃2HCl

[教师]请同学们判断哪些反应是氧化还原反应？

[学生]除了②和⑥，其他都是氧化还原反应。

[教师]次氯酸钠可能具有怎样的性质呢？请阅读导学案中84消毒液的产品说明书（见图3）。

[学生活动]结合所学知识归纳和推测84消毒液的性质，将结果记录在3DTG的数据表中（见图4左上数据表）。

[实验设计]学生设计实验并汇报自己的想法。

实验药品： 稀释的84消毒液（84消毒液和蒸馏水1∶1体积混合）、稀盐酸、稀硫酸、NaOH溶液、淀粉碘化钾溶液、酚酞溶液;淀粉碘化钾试纸、pH试纸、胶头滴管、培养皿、表面皿、棉花、玻璃棒

提示： 实验过程应在通风条件下完成，尽量使用相对微型及封闭的实验装置（如培养皿上盖上表面皿），同时注意尾气吸收。

设计意图： 让学生基于先前学习的氯及其化合物知识和生活经验在脑海中提出初步的猜想。而后利用概念图作为支持性工具，帮助学生建立含氯物质转化的概念框架，进一步修改完善先前假设。通过提供84消毒液的产品说明书的阅读材料，引导学生从物质类别、元素化合价的视角预测84消毒液中有效成分的物理性质和化学性质，并设计验证假设的实验。

3.3  实验探究，分析论证

[实验探究]学生基于自己的实验设计开展实验探究，将实验现象记录在3DTG的数据表中（见图4左上数据表）。

[实验1]取1mL稀释后的84消毒液于洁净的试管中，向试管中滴加3～4滴淀粉碘化钾溶液。

[实验2]取一张pH试纸于洁净的培养皿中，用玻璃棒蘸取少量的稀释后的84消毒液点在pH试纸中央。

[实验3]（1）取1mL久置的稀释后84消毒液于洁净的试管中，向试管中滴加3～4滴酚酞溶液;

（2）再将溶液一分为二，分别向两支试管中加入3～4滴NaOH溶液和3～4滴酚酞溶液。

[实验4]取一张pH试纸于洁净的培养皿中，用玻璃棒蘸取少量的硫酸酸化的稀释后的84消毒液点在pH试纸中央。

[实验5]（1）取1mL稀释后的84消毒液于洁净的试管中，向试管中滴加0.5mL稀盐酸溶液;

（2）取一张湿润的淀粉碘化钾试纸放在试管口，观察现象;

（3）实验结束时，向试管口塞上加有氢氧化钠溶液的棉花。

[分析推理]学生基于数据表和概念图完成3DTG的推理图（见图4右侧的推理图）。

设计意图： 借助自主实验，让学生动手验证84消毒液的氧化性、漂白性等化学性质，收集记录实验数据，形成84消毒液不能和洁厕灵共用的证据。利用三维思维图进行分析推理，强化证据推理的意识。

3.4  交流讨论，总结归纳

[学生活动]小组间相互交流实验的现象和结果，选取一名代表进行汇报。

[探究结果]整理完善3DTG图（见图4），回答探究问题。

84消毒液中的主要成分次氯酸钠与水和空气中的二氧化碳反应生成具有强氧化性的次氯酸而具有消毒的功能。由于次氯酸钠与洁厕灵中的盐酸反应可产生有刺激性气味的有毒气体氯气[NaClO+2HCl（浓盐酸）NaCl+H2O+Cl2↑]，因此两者不可同时使用。

设计意图： 通过交流讨论和小组汇报，使学生学会质疑与评价。通过完善三维思维图，使学生对自己的探究过程进行回顾反思，丰富含氯物质转化的概念框架。从氧化还原的视角分析并解释消毒剂在使用过程中产生的现象和出现的问题，使学生形成合理使用化学品的意识，科学使用含氯消毒剂。

4  小结

本课例利用3TDG支持“科学使用含氯消毒剂”探究学习中建立假设、数据收集和证据推理过程。含氯物质概念图帮助学习者清晰地回顾和梳理氯气、氯化氢、氯化钠、次氯酸和次氯酸钠五者之间的转化关系;数据表帮助学生理清资料卡和实验中有关含氯消毒剂性质的证据;推理图使学生的注意力集中在次氯酸钠与其他消毒剂和洁厕灵反应的推理分析上;3TDG引导学生运用元素化合物认知模型，从物质类别通性、元素化合价两个角度认识含氯物质的性质与转化，最终解决日常生活中的真实问题。总之，3TDG通过视觉表征整个探究学习过程中所需的信息、基本概念和推理过程，促进了学生进行高效的科学探究学习，进一步提升了学生证据推理与模型认知的化学学科核心素养。

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