浅析化学教学中证据应具有的“四性”

李晓明

摘要： 通过具体案例分析化学教学中使用证据进行推理时存在的问题，并提出改进措施。指出在进行证据推理教学时所使用的证据应具有真实性、关联性、唯一性和同一性，即“四性”特征，以确保证据推理教学的严谨性和科学性。

关键词： 证据; 证据推理; 化学教学

文章编号： 10056629（2021）07002706

中图分类号： G633.8

文献标识码： B

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[1]。在课堂教学活动中，为避免知识的直接传授与告知，开展探究活动，实现学生对学科知识的自主建构，发展学生的高阶思维能力，需采用证据推理的教学策略。

1 证据的内涵

证据是推理的基础和前提，科学的推理应是基于证据的推理。杨玉琴、倪娟[2]指出，证据是指“一系列可用的事实或信息，表明某个信念或主张是真实的或有效的”。而这些可用的事实或信息常常与数据或知识相关联，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，数据可来源于观察自然生活现象、实验现象或者测量亦或是调查资料、科学史料等;知识则是建立在一定抽象水平之上的化学概念、原理、规律等经过认可的理论。数据是师生通过有意识的、主动的、有实施方案的学习活动来获得的，属于实践活动范畴;而知识是师生在推理之前通过学习所掌握的已经得到科学证实的学科知识，属于科学理论范畴。

根据上述对证据的理解以及《课程标准》中对“证据推理”如何落实于具体的学习过程提出的表现行为[3]： （1）初步学会收集各种证据，对物质的性质及其变化提出可能的假设;（2）基于证据进行分析推理，证实或证伪假设;（3）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并形成如图1所示的基于证据进行推理的教学活动过程。

在教学活动中可以通过实验观察、测量或者查阅等方式获取数据，通过分析学生已有认知结构来提取与结论相关联的知识，获取的数据和提取的知识可以相对独立也可以协同转化为相关证据，然后建立起证据、假设与结论的逻辑关系，进行推理活动以实现证实和证伪，进而获得结论。

2 證据应具有的特征

在实施证据推理的教学过程中，结论是教师已知或明确的，学生掌握该结论是要达成的知识目标。但目标的达成需要学生经历推理过程以发展其思维并促进对知识的深入理解，故开展推理活动所使用的证据应具有真实性、关联性、唯一性和同一性的特征，即证据的“四性”。

2.1 证据的真实性

真实性是证据的首要属性，也是最本质的特征。证据本身应是客观存在的，它可以是客观存在的实验现象，也可以是经过证实的理论，而不应是教师和学生的主观猜测或者是伪造。提供证据不真实的原因主要是源自教师对知识本身的错误理解和对实验结果的预期想象。

案例1 在盐类水解教学时，有教师为推导出水解过程为吸热反应，在未经过实验的情况下，仅靠臆测就认为加热时强碱弱酸盐如CH3COONa溶液的pH会增大，并以此作为盐类水解平衡正向移动的证据。

真正的情况是，强碱弱酸盐在加热时溶液的pH会下降，如表1和表2中分别为一定浓度的CH3COONa和Na2SO3溶液在加热后溶液pH的变化数据。因弱酸根离子的水解为吸热的可逆反应，加热强碱弱酸盐时，随温度升高，平衡会正向移动，使溶液中的c（OH-）增大，导致pOH减小。但溶液中还存在水的电离平衡，其电离也为吸热反应，随着温度的升高Kw增大，导致pKw减小。因为溶液的pH=pKw-pOH，所以温度升高pH的变化取决于pKw和pOH变化的相对大小，又因水的电离吸热多于弱酸根离子水解的吸热，使pKw减小的程度大于pOH减小的程度，故随着温度的升高强碱弱酸盐的pH减小[4]。对于易氧化的Na2SO3其pH变小还有被O2氧化为Na2SO4的原因。在该案例中，未经实践仅凭主观猜想地认为加热时强碱弱酸盐的pH会增大的证据，就属于非客观的事实，其不具有真实性。

在选择温度升高盐类水解平衡正移的证据时，可以选择自身水解显色的Fe（NO3）3或Fe2（SO4）3溶液（不能选择FeCl3溶液，因为除存在水解平衡外，还存在Fe3+与Cl-之间的配位平衡）进行如下实验： 在A、 B两只试管中分别加入等体积的0.1mol·L-1的Fe2（SO4）3[或Fe（NO3）3]。将A试管在酒精灯上加热到溶液沸腾。观察A试管中溶液的颜色变化，并与B试管中的溶液的颜色比较。上述实验中A试管中的溶液的颜色从初始的棕黄色变为红褐色，可以说明Fe3+的水解平衡： Fe3++3H2OFe（OH）3+3H+，因ΔH>0，所以温度升高后平衡发生了正向移动。

案例2 在进行甲酸的教学时，基于结构上有醛基（—CHO），推理出它会发生银镜反应。为了证实该推论，教师进行如下的实验操作： 向洁净的试管里加入1mL 2%的AgNO3溶液，一边振荡试管，一边滴加2%的稀氨水，至产生的沉淀恰好完全溶解，再滴入3滴甲酸钠溶液，振荡后把试管放在热水浴中加热，观察现象。在进行上述实验时却无法观察到银镜出现，为了出现预想的现象，教师进行如下的改进： 增大AgNO3溶液和氨水的浓度，并滴加几滴浓的NaOH溶液，这时就会出现银镜现象，以此来说明甲酸也可以发生银镜反应的推论。

上述实验改进所提供的证据是虚假的，因为甲酸盐并不能与银氨溶液发生银镜反应[5]，若不添加甲酸钠只是在银氨溶液中滴加浓NaOH溶液并进行水浴加热就会出现银镜现象。这是因为在银氨溶液中存在银氨络离子的水解平衡： Ag（NH3）+2+2H2OAg++2NH3·H2O，当加入NaOH后，加热会促进NH3·H2O分解，从而逸出NH3，促使上述平衡正向移动，c（Ag+）增大，Ag+与OH-反应立即转化为Ag2O： 2Ag++2OHAg2O↓+H2O，然后Ag2O被NH3还原为单质银： 3Ag2O+2NH36Ag+N2+3H2O。采用图2所示装置进行实验，在试管中会出现银镜。

上述案例中，为了想达到期待的实验现象，以证实推理，采用了虚假的证据，尽管主观上并非故意，可能是认为增大碱性会提高甲酸盐的还原性，但这种证据是不能使用的。在我们的教学中也应避免甲酸、甲酸盐能发生银镜反应的教学。

2.2 证据的关联性

证据与推论之间必定要有某种客观联系和某种因果关系，体现在该证据的出现是该推论直接产生，而非其他原因所导致。这就需要明确形成该证据的原理实质，增强对学科知识的理解，不能想当然地认为这个结果所呈现的证据是教学活动所需要的推理导致的，也要避免教学中为了达到预测的目的而将无关联的已有知识和推理结论相关联并进行一种想当然的演绎推理。

案例3 在平衡常数教学时，在分析温度对影响平衡常数时，常进行如下的推理： aA（g）+bB（g）cC（g）+dD（g）该反应平衡常数的表达式为K=c（C）c×c（D）dc（A）a×c（B）b，若该反应ΔH>0，升高温度平衡会正向移动，导致产物C、 D的浓度增大，反应物A、 B的浓度减小，所以平衡常数K增大;若该反应ΔH<0，升高温度时平衡会向逆向移动，导致产物C、 D的浓度减少，反应物A、 B的浓度增大，所以平衡常数K减小。从而得出结论： ΔH>0时，T升高则K增大，T降低则K减小;ΔH<0时，T升高则K减小，T降低则K增大。

上述案例中，得到的推理结论所依据的证据是温度变化导致平衡移动，进而导致化学平衡常数发生变化。这个证据尽管使用的已有理论是正确的，但该证据与推理结果之间并不具有关联性，因为平衡移动是常数变化的结果，而不是先发生平衡移动后导致平衡常数发生变化。

为何温度变化会导致平衡常数的变化，这应从范特霍夫方程dlnKθdT=ΔrHθmRTθ——标准平衡常数随温度变化的微分式来分析，它表明温度对标准平衡常数的影响与反应的标准摩尔反应焓有关。若反应吸热，ΔrHθm>0， dlnKθdT>0，说明K随T升高而升高。若反应放热，ΔrHθm<0， dlnKθdT<0，說明K随T升高而减小。在教学中我们不可能将范特霍夫公式提供给学生，但应该指明温度变化导致K变化，从而导致平衡发生移动，而不应该从温度变化导致平衡移动来说明K的变化，尽管这种教学可以让学生容易记忆K随温度的变化规律。

案例4 在进行多元弱酸电离平衡常数教学时，在推理多元弱酸各级电离平衡常数的大小关系时，常进入如下分析： 多元弱酸第一步电离产生的氢离子，抑制了二级电离，使二级电离平衡逆向进行，因此Ka1>>Ka2，第一、二步产生的氢离子，抑制了三级电离，使三级电离平衡逆向进行，因此Ka2>>Ka3。

上述该案例中，所得到的推理结论依据的证据是氢离子产生的同离子效应。但这就与化学平衡常数只是温度的函数，与离子的浓度无关的结论产生了矛盾。同离子效应是指在定温下增大产物离子浓度而使反应物的电离程度降低的现象，它是影响化学平衡的外因，只能使可逆反应的平衡发生移动，并不能改变化学平衡常数。因此，同离子效应能影响多元弱酸的电离程度，但并不能作为影响多元弱酸逐级电离常数递减的证据。所以，采用同离子效应作为推理证据与结论间不存在因果的关联。

导致多元弱酸分子逐级电离常数锐减的真正原因，一是电离过程，即从带负电荷越多的含氢酸根离子中电离出H+，受到其静电引力越大，越难电离;二是接受质子过程，即带负电荷越多的（含氢）酸根离子与水溶液中H+之间的库仑引力越强，越易接受质子形成含氢酸根离子，致使平衡左移[6]。

案例5 在实验室中利用乙醇和乙酸反应制备乙酸乙酯时，为了说明收集乙酸乙酯时使用碳酸钠溶液的目的之一是除去乙酸，事先在碳酸钠溶液中滴加酚酞使其变红色，然后在制备实验结束后振荡盛有碳酸钠和乙酸乙酯的试管，通过试管下层碳酸钠溶液的红色褪去为证据来说明乙酸乙酯中有乙酸杂质，振荡后与碳酸钠溶液发生了反应。操作过程如图3所示。

上述案例中，滴有酚酞的饱和碳酸钠溶液褪色的原因并非是乙酸乙酯中含量很少的乙酸杂质，而是因为酚酞易溶于乙酸乙酯，振荡后发生了萃取[7]。即褪色并不是碳酸钠与乙酸反应这个推理的关联证据。

如何证明乙酸乙酯中含有乙酸以体现饱和碳酸钠吸收乙酸的作用呢？先在饱和碳酸钠溶液中滴加紫色石蕊溶液，然后进行制备实验收集乙酸乙酯。制备实验结束后将试管倾斜再沿试管内壁在乙酸乙酯上层缓慢加入2mL紫色石蕊溶液。此时会看到如图4所示的现象。在饱和碳酸钠溶液中滴加紫色石蕊溶液后能通过颜色对比清晰看到乙酸乙酯层，在乙酸乙酯层加入紫色石蕊溶液后，石蕊溶液与乙酸乙酯的交界处会出现红色，以此证明乙酸乙酯中含有乙酸杂质，再进行振荡，又分为两层，下层为蓝色溶液，上层为无色的乙酸乙酯层，说明乙酸的量是较少的。

2.3 证据的唯一性

证据只有唯一性才具有充分性，当我们对一个推论探寻证据时，该推理应是形成该证据的唯一因素，若还有其他的因素也会导致相同证据结果的，则该证据就不具有充分性，依据该证据所得出的结论也就是不严谨的，此时就要排除其他因素的干扰或者进行对照试验，以证明该推论是形成所提供证据的唯一因素或决定性因素。

案例6 为了证明在NaCl溶液中钢铁能够被溶液中溶解的氧气氧化发生吸氧腐蚀，教师设计如图5所示的实验装置，若能观察到石墨棒附近溶液变红，可推出在石墨棒上O2得到电子同时产生OH-： O2+4e-+2H2O4OH-，若在铁片附近出现蓝色沉淀则可说明Fe失去电子生成Fe2+： Fe-2e-Fe2+。

上述案例中以石墨棒附近溶液变红的现象为证据得出正极是溶解氧得电子是没有问题的，但以铁片附近出现蓝色沉淀为证据得出Fe失去电子生成Fe2+是不够严谨的，因为Fe（CN）3-6中的铁为+3价也具有氧化性，可以与Fe发生氧化还原反应生成Fe2+，生成的Fe2+继续和Fe（CN）3-6生成蓝色的Fe3[Fe（CN）6]2沉淀[8]。亚铁离子的产生源自两种原因，即铁的吸氧腐蚀和与Fe（CN）3-6离子间直接的氧化还原反应，故该实验提供的证据不具有唯一性。如何避免这种不严谨的证据采集，只需略微改进实验操作即可： 用胶头滴管吸取铁片附近的溶液于试管中，再向试管中滴加K3[Fe（CN）6]3溶液，如图6所示，这样就避免了铁与Fe（CN）3-6的接触，使蓝色沉淀出现这个证据具有唯一性。

案例7 在电解原理教学时，为了说明铜为阳极材料时，铜自身发生氧化反应，此时的电极为活性电极，且短时间内出现明显现象，便于课堂演示。教师设计了如图7所示的实验，接通电源后铜片附近很快就出现蓝色，以此来推理出铜发生了氧化反应。

上述案例中，以铜片附近的溶液变蓝为证据来推理出铜为活性电极，是基于铜失电子生成的Cu2+会与NH3·H2O生成蓝色的四氨合铜离子Cu（NH3）2+4离子。但若不接通电源而是将铜片放置在浓氨水中，一段时间后也会出现相同的蓝色现象，这是因为铜离子形成配合物后提高了铜的还原性，降低了Cu的电极电势，促进了O2与Cu的反应。发生如下反应： 2Cu+8NH3·H2O+O22[Cu（NH3）4]（OH）2+6H2O，由该实验提供的溶液变蓝的证据就不具有唯一性。这时就需要进行对照实验： 在另一只烧杯中放置一片铜片浸在浓氨水中，发现做活性电极的铜片电解浓氨水的烧杯中溶液很快（大概十几秒）变蓝色，而此时对照实验中溶液的颜色仍然无色。也可将浓氨水换作浓氢氧化钠溶液，会在短时间内铜片附近溶液就出现了蓝色，此为四羟基合铜的颜色： Cu-2e-Cu2+、 Cu2++4OH-Cu（OH）2-4，该实验同样也需要进行对照实验。

案例8 为说明浓硝酸的强氧化性，有教师进行如图8所示的实验，根据试管中出现大量红棕色的气体来说明木炭与浓硝酸发生了氧化还原反应，硝酸被还原为NO2。

上述案例中，通过观察是否有NO2生成来判断硝酸与碳发生了氧化还原反应，此证据就不具有唯一性，因为在高温下浓硝酸也会分解生成NO2： 4HNO3△4NO2↑+O2↑+2H2O，所以通过有NO2生成无法作为硝酸与碳发生氧化还原反应的证据。有教师采用图9所示装置，通过CO2传感器来测定三颈烧瓶中二氧化碳含量增加为证据来说明硝酸与碳发生了反应，碳被氧化为CO2，但该证据仍然不具有唯一性，因为三颈烧瓶中空气中的O2、浓硝酸分解产生的O2会与红热的木炭产生CO2，此时需要进行对照实验： 同样采用图9装置，但三颈烧瓶中不加入浓硝酸只加入红热木炭，测量三颈烧瓶中CO2含量的变化，或者在图9中的实验装置中再增加O2传感器（如图10所示），来排除三颈烧瓶中空气中的氧气以及浓硝酸分解产生的O2的干扰。

2.4 证据的同一性

获得的或提供的证据，需要和要验证的推理之间处于相同的情况或条件，若获得的证据与推理结论所木炭反应时CO2和O2含量的变化处的情况或条件有差异，会使推理出的结论超出实际范围，则两者就会有出现偏差的可能。有些证据是通过与学生已有认知中的证据推理经验类比所得，但在类比时所获得的证据与已有认知中的证据不具有同一性时，就会出现错误的、不严密的推论。

案例9 在进行乙醇结构的教学时，为了通过推理获得乙醇结构，教师首先会让学生根据乙醇的分子式C2H6O写出两种可能的结构分别为①HCHHOCHHH、 ②HCHHCHHOH，然后，先以金属钠的保存为证据，因为钠保存在煤油中，而煤油的主要成分为烷烃，说明钠不能与烷烃反应，碳氢键遇到钠时不会发生断裂，所以若为结构①则乙醇与钠不会发生反应。再通过乙醇与钠可以发生反应的实验事实为证据来否定①的结构，从而确定乙醇的结构为②所示结构，且与钠反应时②的结构中的碳氢键也不会发生断裂的推理也源自钠与烷烃不能反应的证据，并与水的结构H—O—H进行比较，得出的结论是与钠反应时结构②中的氢氧键发生了断裂。

在上述案例中烷烃中的碳氢键与结构①、②中的碳氢键并不具有同一性，①、②結构中的碳氢键所在的基团与氧原子相连接，氧原子就会影响到碳氢键的强度，以烷烃中的碳氢键与钠不反应推理出①、②结构中的碳氢键与钠不反应的推理就不严谨。比如某些醛或酮中的与醛基（—CHO）或羰基（—CO—）直接相连的碳上的氢（αH）比醇羟基中的氢还要活泼，乙炔也可以与金属钠反应生成氢气[9]。

为证明①或②结构中的碳氢键不能与金属钠发生反应，从同一性角度要选择碳氢键所处结构环境相同的物质为参照物，即选择与醚键（—O—）相连的烷基上的碳氢键能否与金属钠反应为证据，可以选择甲乙醚（CH3CH2OCH3），但因甲乙醚常温常压下为气体，故要选择常温常压下为液态的乙醚（CH3CH2OCH2CH3），乙醚与金属钠不反应而乙醇可以与钠发生反应，并激活学生已有认知中钠与水可以反应以及水的结构的知识，以此来排除结构①，来证实结构②。

案例10 为了说明HClO的酸性弱于碳酸的酸性，教师根据教材[10]中漂白粉中的有效成分次氯酸钙与水蒸气、二氧化碳发生反应，生成次氯酸的反应： Ca（ClO）2+CO2+H2OCaCO3+HClO来推理出次氯酸的酸性弱于碳酸的结论，依据的证据是较强酸可制取较弱酸。该证据是类比于以CH3COOH能分别和NaHCO3、 Na2CO3反应生成H2CO3： 2CH3COOH+Na2CO32CH3COONa+CO2↑+H2O、 CH3COOH+NaHCO3CH3COONa+CO2↑+H2O为证据，得出CH3COOH的酸性强于H2CO3的推理过程。

上述案例中所提供的证据与CH3COOH强于H2CO3的证据并不具有同一性，次氯酸钙与水、二氧化碳反应时除电离平衡外还有沉淀溶解平衡的参与，所以，此时H2CO3能生成HClO就不能作为比较H2CO3和HClO酸性强弱的证据。可以采用如下的实验证据来说明H2CO3的酸性强于HClO的酸性。在两支试管a、 b中加入84消毒液的水溶液，然后分别滴加紫色石蕊，溶液变为蓝色，然后在a试管中通入CO2或吹气，发现通入CO2的a试管中蓝色马上褪去，而未通入CO2的b试管中蓝色需一段时间后慢慢褪色（如图11所示）。通过该实验，能说明通入CO2后生成了具有漂白性的HClO，以此来证明H2CO3的酸性强于HClO。

3 结语

在高中化学教学过程中，为了让学生经历思考和探究的过程，能够自主建构知识，实现对知识的理解，教师通过设计问题，由学生分析推理，让学生寻找证据来进行证实和证伪;或由教师先提供证据再由学生讨论交流，师生交流评价，共同推理出结论，但如果偏离证据的真实性、关联性、唯一性和同一性就不符合严谨求实的科学探究精神。

参考文献：

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