基于“证据推理”测评的化学学习方式变革

吴晗清，张雪滢

(1.首都师范大学 教师教育学院， 北京 100037；2.首都师范大学 化学教育研究所， 北京 100048)

在化学学科领域中，数据来源于观测，知识则是相应的化学本体性理解，如元素化合物、反应规律等。所谓“证据推理”，就是对一些有用信息进行分析加工，获得可靠结论的思维过程。随着《普通高中化学课程标准(2017年版2020年修订)》(以下称“新课标”)颁布，化学学科核心素养开始成为化学教育改革新时代的导向，其中明确提出“证据推理”是学科核心素养的重要组成部分。

一、证据推理及其教育研究价值

(一)新课标中“证据推理”的阐述与要求

新课标中，在“证据推理与模型认知”这一核心素养下提到学生应“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。知道可以通过分析、推理等方法认识研究对象的本质特征、构成要素及其相互关系。”可见，通过学习学生需要对一些问题提出假设，为了证明或证伪这些假设去寻找关键证据，从而进行分析推理，解释证据与结论之间的关系。课标中将“证据推理”划分了四个水平等级：一是能从事实中提取一些证据，对相关问题作出初步的假设，依据证据对其进行检验。二是能够宏、微结合收集证据，并从不同角度分析问题。三是定性、定量结合地收集证据并得出合理的结论。四是依据各类物质及其反应的不同特征寻找充分的证据，严谨解释证据与结论之间的关系。而对于学生而言，欲要实现证据推理水平等级的进阶，则需凭借良好的思维方法和学习方式才能得以实现。

(二)实践中“证据推理”的教学困境

证据推理是科学探究的思维核心，同时也是化学核心素养的体现。尽管证据推理具有重要意义，但实践中却依然存在很多问题，主要包括以下两个方面：首先在教的方面，往往存在教学设计欠妥的问题，尤其是实验。为了节省时间，通常将科学探究环节简化为按部就班的实验操作，忽视了深度思维的培养，证据推理素养难以提升。另外，对学生个体差异的关注不够。以推理乙硼烷结构为例[1]，有人认为其结构类似乙烷，而有些同学则认为其结构类似氯化铝，并对此提出了相关依据以证明自己的结论。显而易见，他们提出假设的层次、微观认识的深度都有很大差距。其次是学的方面，学生对化学学习比较感兴趣，但是普遍不够主动。常常是被动地记忆一些知识，较少思考知识之间的联系。动手实验也较少，常常是照单抓药式的机械操作，缺乏对化学学习过程的整体关照。由于缺乏积极的手脑并用，当需要“从多个角度解释某一事实”时，学生往往倾向于用琐碎的语言和知识点去描述，而不是将几个角度进行有机关联后从整体的视域对现象作出恰当而全面的解释。以致浮于表面，不能深入至问题的本质，因而影响到证据推理的深度和广度。

(三)已有“证据推理”的相关研究分析

分析相关文献，可以发现目前研究内容多数集中在以下几个方面：一是对证据推理的内涵进行分析探讨，其中所涉及的角度主要包含基于化学课程标准的解读[2]、基于核心素养的分析、基于科学探究的研讨等几方面，研究者们普遍认为证据推理是将观测到的事实作为证据，从而建立起证据与结论之间的相互联系，或者通过证据来证实猜想；二是对于证据推理过程的研究[3]，多数研究者通过教学设计的形式来展现某一主题或某个知识点的证据和结论，以及二者之间的逻辑关联，从而提出教学建议，研究主题主要涉及无机元素化合物、电化学、物质结构及实验探究等部分内容；三是对证据推理水平的探讨，如有研究者将证据与推理相结合并利用不同方法将证据推理水平重新进行划分，构建起能力水平框架[4]。可见，目前对证据推理的研究较为全面，有不少深度的分析。然而也有诸多需要进一步探讨的地方，如证据推理的操作性定义还不够明确，导致对证据推理的测查难以深入。对不同学业水平学生证据推理能力的差异性缺乏关照，且已有研究基本没有量化分析。基于此，本研究拟从操作性框架出发，对学生的证据推理能力进行量化测查，从而寻找差异、分析原因，为“证据推理”教学提供针对性的策略与建议。

(四)“证据推理”的操作性定义框架

通过上述分析发现，研究者们更加倾向于用语言阐述证据推理的内涵，而未将其转化为一种可操作性的过程，从而难以深入分析实际教学中证据推理这一素养达成的问题所在。因此本研究结合课标中对于“证据推理”的定义及水平要求，将证据推理转化为操作性过程，认为证据推理是学习者在学习过程中发现问题，进而提出假设，并结合自己的已有认知以及从陌生情境中提取到的有效信息从多个角度寻求证据并提出观点、检验假设，最终建立起观点、证据与结论之间关联的完整过程(如图1所示)。

图1 “证据推理”的操作过程

二、“证据推理”能力的测查与分析

(一)测查工具与评价标准

本研究采用的测量工具是北京市2021年高三“一模”测试中东城、西城、海淀三个城区的证据推理测试题。经SPSS 24.0检测测试题的难度系数为0.48，科隆巴赫系数0.858，KMO值为0.818，说明测试题信效度良好。为考查学生对于“证据推理”素养的理解和掌握程度，首先依据新课标对证据推理素养进行水平划分，将该素养由浅入深划分为四种水平。然后据此“证据推理”水平等级划分标准，将相应试题进行同样的水平划分，并抽提、总结出与之相对应的考查重点(如表1所示)。

表1 测试题的水平划分及考查重点抽提概括

(二)研究对象

本次测试的对象是来自于北京市示范性高中的498名高三学生。本测试按照学生答题的最终得分结果，将所有测试对象从高到低分为三个层次，将整体排名在前27%的学生划分为A组(优秀)，表明学生“证据推理”素养的水平较高；将整体排名位于中间46%的学生划分为B组(中等)，表明这一部分学生对于“证据推理”素养的理解与掌握程度一般，对于相关基础知识的掌握程度存在一些漏洞和误区；将整体排名后27%的学生划分为C组(学困)，表明这类学生“证据推理”素养水平较低，存在较多问题。

三、测查结果与分析

(一)总体情况分析：三组素养水平差距较大，中等组、学困组水平有待进一步提高

基于描述性统计分析，可以得到三组学生在不同水平上得分的平均值及标准差。根据表2中数据可以看出，在不同水平下的平均得分以及总分均为A组(优秀)>B组(中等)>C组(学困)。其中，A组学生的总分平均分比B组高出18.86分，B组学生的总分平均分又比C组高出24.90分。且标准差均为A组(优秀)

表2 三组学生在四个水平对应试题中的平均得分及标准差

数据直观显示，三组学生对于“证据推理”核心素养的理解与掌握水平的差异很明显。可以看出，无论哪一组，在得分结果上均呈现水平1>水平2>水平3>水平4这一趋势，与预期结果非常贴合。整体而言，学生对于“证据推理”素养的理解及学业水平有待提升，尤其是中等组和学困组有待进步的空间非常大。

(二)不同组学生在同一水平下的差异：水平层级越高，组间差异越大

由表3可以知道，在水平1上仅A组与C组之间存在显著性差异，水平2上C组分别与A组、B组存在显著性差异，而在水平3和水平4上任意组间均存在显著性差异。具体来说，水平1难度较低，如直接考查Fe3+与SCN-反应的离子方程式与现象，A组学生能够精准地回答问题，但C组依然有部分学生难以把握这些所谓的“送分题”。这导致学优生和学困生之间存在显著性差异。

表3 同水平下不同组学生的差异

(三)同组学生在不同水平上的差异：A组学生主要进阶困难在于水平4，而C组学生水平每一层进阶都步履维艰，B组情况介于两者之间

由表4可以看出，A、B、C三组学生均在水平1与水平4之间、水平2与水平4之间以及水平3与水平4之间均存在显著性差异，但产生差异的原因各不相同。水平1、水平2在四种水平中相对简单，主要考查从事实中提取证据以证明观点的能力，落实到试题上体现在提取简单的实验现象得出相应结论；水平3考查学生从定性及定量的角度去收集证据，需要根据题目中的叙述明确实验目的，并找到变量，利用控制变量的思想自行设计实验对题中结论进行验证；水平4主要考查从多个角度看待问题，利用化学理论知识作为证据支撑去解释证据与结论之间的关系。具体到题目中要求学生从化学平衡、化学反应速率等多个角度解释出现相应现象的原因，构建证据与结论间的因果关系，难度较大。因此，A组和B组学生，在水平1和水平2对应的题目上几乎可以达到满分；水平3对应题目的难度虽有所升高，但整体得分情况差别不大；而水平4对应的题目上得分明显低于前三种水平。由于C组学生基础薄弱，即便是难度较低的题目也无法很好作答，随着难度的提升更是每况愈下，因而在水平3和水平4上的得分下降趋势十分明显。

C组学困生，仅在水平1上表现良好，水平2、水平3、水平4的得分均不及格。经统计发现，他们在解决问题的过程中由于化学基础较为薄弱，即使在难度较低的题目中也体现出一定程度上的知识漏洞；较高水平的测试题，需要学生从多个角度考量，显然对于他们是捉襟见肘，基本上交的是“白卷”，无从分析。可见这类学生首要的任务，是掌握最基本的学科知识和技能，甚至包括一般材料的阅读能力。

四、指向证据推理的学习方式变革及教学建议

(一)自主学习：真实学习发生的基本前提

通过上面对测查结果的分析，可以看出整体上学生的证据推理水平有待提升。笔者对参与测查的部分学生代表进行了半结构性访谈，发现学生化学学习动机不足，普遍缺乏求知欲，学习比较被动，主要是中等生，尤其是学困生。因此，把学习当作一件被动的任务时，真正的学习还远远没有发生。真实学习的基本前提就是学生发挥其自主性，即积极主动地参与到学习中。自主学习十分关注学生在学习过程中的主体性作用，要明确自己的学习目标，协调学习的自然环境及社会情境，能够自己掌控学习内容的进度、难度，对学习有一定的元认知，能够独立、高效地完成学习任务。

从化学教学的角度，首先，要激发学生的学习动机，远非化学知识。从外部来说，要通过丰富多彩的化学实验、化学与社会生活的紧密关联、化学史中有趣的故事、化学发展的前沿，以及言语鼓励、师生共情等外在方式来吸引学生。让学生感受化学，亲近化学，热爱化学。同时，也要重视学生内部动机的激励。引导他们对学科进行系统的认知，从知识结构、思想方法、态度精神上得到濡养。其次，要引导学生对学习活动进行全程把控。在学习过程中会经历不同的阶段，引导学生制订不同的计划、设置不同目标，及进行自我监察与评价等。这一系列过程会让学生更加了解自己并有助于其做出决策，实现自主学习的良性循环[5]。另外，要关注学生的差异性。比如学困生学习态度普遍不够端正，缺乏自主管理能力，不能有效、合理地安排自己的学习。同时也欠缺化学学科基本的学习策略和方法，从而跟不上谈不上学习质量。而大部分中等生，学习态度比较端正，主要欠缺的是适当学习方法。因此，对于前者主要是采取外部吸引策略，而后者则需要更多的内部引导。

(二)意义学习：优中差三类学生认知结构的差异表征

基于测查及访谈，发现三组学生之间存在差异的主要原因，在于不同类别学生的知识结构、思维方式等大相径庭。优等生头脑中的化学知识近似以网状结构呈现出来，在答题过程中也能将知识间的关联清晰外显，形成系列的“证据链”，从而学以致用灵活迁移。而中等生对知识的理解是相对零散的，在解决问题过程中很难将知识有机联系起来，“证据点”之间缺少关联性。而对于学困生，学习几乎没有发生，何谈“证据推理”。因此，要让一般的学生靠近优等生，就必须促进意义学习。让学生在实践探究中进行理性思考，手脑并用，将知识与技能、过程与方法等融会贯通，基于有效的证据进行恰当的推理。

从教学的角度，教师需要在内容和行为两个方面进行引导。首先，学习内容需要加强“新旧联系”，体现在纵横关联、三重表征及情境素材等方面。纵的联系主要是学科知识与能力的进阶，横的联系主要是同一层级上的不同知识模块之间的内在构架，纵横联系就是将学生过去的相关知识以及当下学习的各种零散的知识整合起来，构建属于他自己的认知体系。三重表征，是有机联系的认知视角，体现的是化学认知体系的学科特征。如看到某些宏观的化学现象，可以自然而然地从微观粒子的角度去解释，并且条件反射地以相关化学符号将两者合二为一地表达出来。情境素材，就是教师要将学习内容溶解到一定的情境素材之中，让学生自发地、快乐地以三重表征的方式对学习内容进行主体建构[6]。其次，学习方式需要“显隐结合”。显性方面，教师呈现的知识框架应该具有一定的线索或逻辑，而且与学生的认知要有匹配性。隐性方面则体现在“渗透性学习”，教师要创造一种融洽合作、自由探讨的学习氛围，让学生置身其中耳濡目染，无形之中获得良好的学习效果。

(三)深度学习：能力水平进阶的现实需要

前已述及，同组学生随着水平层级的增高，差异是逐渐增大的，体现了一个明显的进阶过程。即越往上越困难，对于“证据推理”的要求越高。有多数学生在水平1和水平2对应题目的作答中表现良好，但在水平3就出现了不少问题，而水平4更是相形见绌。这表明学生对于“证据推理”的理解和掌握还不够深入，难以实现“证据推理”素养的进阶。因此在学习过程中，应该引导学生进行深度学习，而不是浮于表面。如依据官能团推测陌生的复杂有机化合物的性质及化学反应，就需要深度学习。在必修阶段学习乙醇和乙酸的主要性质，关注的是具体物质。进入选择性必修阶段，开始引导学生关注有机物结构中的官能团，通过识别官能团区分物质类别，进而认识一类物质的通性，明确各类物质能够发生的化学反应类型，最终实现各类物质之间的相互转化等[7]。从而在具体和抽象、个别与一般的思考中，形成多维度的证据意识，进行复杂的推理。

深度学习是比对机械化、碎片式的浅层学习而提出的。在教学实践中要摈弃一些误区，如认为一节课、一个学科知识点就能完成深度学习。深度学习的达成，需要满足诸多条件。学时方面，需要较长时间的积累，循环往复、螺旋上升；学科方面，需要进行内容的整合，如基于大概念、大单元、大主题的教学。因此，需要在教师主导下，充分发挥学生的主体性。学习内容要结构化、体系化。学习过程中，要给予学生适切的时间和空间，培养实践能力和创新意识，以臻教学相长。显然，指向“证据推理”的深度学习，具体的信息能力、思维能力等已然成为下位的目标，终极追求落在形成一种持久的思考和行为范式。▲