基于“证据推理”的化学教学设计

曾海辉

摘要： 以“解密自热包”为例，尝试建构基于证据推理的化学探究框架，在教学中实践“证据调用证据获取科学论证”的推理论证循环，提炼以证据为核心的探究策略，为核心素养背景下的化学探究教学提供借鉴与参考。

关键词： 初中化学; 证据推理; 科学论证; 模型解释

文章编号： 10056629（2022）09004606

中图分类号： G633.8

文献标识码： B

“证据推理”不仅是重要的科学思维，更是化学学科核心素养的内容之一，它是掌握化学核心概念、实践科学探究、培养化学学科能力、解决实际问题的关键。将证据推理引入化学教学，可起到细化教学环节、突出科学思维、强化学科能力的作用，是落实化学学科素养的有效途径。本文将以九年级复习课“解密自热包”为例，对基于“证据推理”的化学教学设计进行具体说明。

1 基于“证据推理”的化学教学框架

在复习课“解密自热包”的教学中，教师以自嗨锅的发热原理为情境，设计了基于证据推理的教学过程，引导学生从已有经验、问题情境中识别、转换、形成证据，利用证据进行推理，从而获得结论，解决问题[1]。教学框架设计如图1所示。

教学框架以“证据”为核心，包含科学推理、科学论证、建模解释、科学实践四个隐含要素。

1.1 证据

贯穿于“解密自热包”教学的全过程，是自热包原理探究过程中学生做出判断的理由与依据，它是科学推理与论证的起点，具体包含两层含意： 一是学生所获得的可用于推理论证过程的信息和数据。如实验中的现象与数据、情境中获取的信息、调用和转化的知识经验以及其他权威研究的报告、资料与数据等均可成为证据;二是获得（形成）证据的过程，包括确定所需的证据、设计实施方案获取证据、处理证据数据、评价检验证据等过程。

1.2 科学推理

主要包括正向推理（由证据推理出结论）和逆向推理（由结论反向推理出所需的证据）两种形式[2]。它们是探究式学习的主要思维方式： 正向推理主要作用于建立假设与得出结论的过程，偏重集中思维;逆向推理则作用于由假设推理出所需证据，进而设计方案取证，偏重发散思维。两者均不可或缺。

1.3 科学论证

对证据与结论进行逻辑分析，以此来支持或修正主张，并提供数据、资料、文献等佐证信息，它通过证据分析与佐证、科学推理与解释、主张反驳与修正等过程来共同完成[3]。在基于证据推理的“解密自热包”探究教学中，科学推理与论证相伴而生，由“证据获取科学论证修正假设”构成的“推理论证循环”是学习者一步步逼近真相、解决问题的关键。

1.4 建模解释

此要素隐含在整个证据推理教学过程之中。如教学伊始，学生结合情境信息和原有认知对提出的问题进行初步解释，并建立假设，此处的假设为“心智模型”;实施探究方案之后基于新的证据解释与修正假设，这是“完善模型”;继而最后的科学解释和问题解决过程，则是“建模迁移”。不难发现，在模型认知的过程中，科学解释总是相伴而生，共同推进模型的建构、完善与应用。

1.5 科学实践

与“科学探究”同义，它包含了问题解决的基本环节，是发展科学思维、掌握化学观念、培养教学态度的载体和基础。本文将其表述为“科学实践”[4]，意在解决现下科学探究所出现的问题： 一是将科学探究僵化为单一步骤的集合体，缺乏假说、推测、解释等理论性思考;二是对科学探究的解读陷入“科学方法”的思维定势，弱化科学思维的作用;三是对科学探究的理解未能统一，教学实践千差万别而又偏离重点，浪费大量人力物力[5]。

2 基于“证据推理”的化学教学策略

基于“证据推理”的化学教学，旨在通过证据推理过程，提升推理能力，发展高阶思维，培养核心素养。具体做法如下。

2.1 基于证据调用，设计初步推理

“基于真实情境的问题解决”是发展学生核心素养的重要途径，区别于传统讲授式课堂，它可以提供非良构的复杂情境、随机触发的探究困境及运用高阶思维的环境。基于“证据推理”的化学教学同样始于真实情境。在“解密自热包”教學中，教师先呈现自嗨锅的情境，创造机会让学生获取情境证据（信息）、调用原有证据（认知），经过表达问题、评价问题，确立“自热包的发热原理”为研究主题。此时教师提供外部证据（说明书： 自热包的成分为生石灰、铝粉、碳酸钠），让学生结合原有认知进行正向推理，建立“自热包热量主要来自生石灰与水反应”的假设（见图2）。

以上过程中，学生体验了两次推理过程： 第一次是提问环节，学生心中会产生很多与情境有关的问题，他们会在极短时间内，利用情境与原有认知中的有限信息进行推理，从而筛选出还未解决的问题，优化问题质量，为主问题的确立打下基础;第二次是建立假设的过程，学生需对问题的难易程度做出判断、解决策略做出选择、解决方案进行构思，这些都需要获取外部证据（如说明书）、原有证据进行正向推理而实现。此过程中的证据推理都是基于“证据→结论”的正向推理过程。

2.2 基于证据获取，建构论证循环

“基于证据推理的自热包探究”将推理、设计、实验、论证捆绑结合。首先基于假设进行逆向推理确认所需证据，而后以团队合作的方式进入方案的设计与实施环节获得一手实验数据，最后分析论证及修正假设，再次进入基于假设的逆向推理过程。如此往复，构成“推理论证循环”（见图3）。

此过程中学生共经历三次“推理论证循环”：

第一次是实施方案1之后，学生发现生石灰与水反应后的温度仅仅升高至43℃左右，这与说明书中标示的200℃相差甚远。经推理论证得知是实验方案中未考虑变量控制问题，即拿“少量的生石灰”的发热数据与“整包自热粉”的发热效果进行比较，没有控制两者的质量应该相同。于是对实验方案中的变量控制进行优化，从而排除了探究错误，明确了探究方向。

第二次是利用温度传感器获得生石灰与水反应的温度曲线后，学生将其与自热粉的温度曲线进行对比，发现两者仍有较大区别（见图4），即生石灰升温早，上升慢，末温低，持续时间短;自热粉升温晚，上升快，末温高，持续时间长。通过推理论证，确定是假设存在缺陷，此时学生结合已有知识，对假设进行修正，将可能性锁定在“其他成分相互反应”上。

第三次是在发现其他成分相互作用均无明显发热现象后，再次推理论证，并修正假设，将可能性锁定在“生成物（氢氧化钠、氢氧化钙）与铝粉的反应”上，最终获得新的温度数据曲线（见图5），确认自热粉的热量来源。

如此循环反复，在不断的科学推理、证据分析、假设修正的过程中突破困境，一步一步逼近问题的真相，直到证据符合预期。

三次“推理论证循环”，均包含由结论到证据的正向推理和由证据到结论的逆向推理两种思维过程，而这些都基于“证据”进行，包括3次调取原有证据（认

知）、3次逆向推理確定所需证据、3次处理生成证据（实验数据）。因此，证据是推理论证的核心与关键。此外，学生在推理与论证的同时，经历了科学实验、调查研究、资料查阅、询问求助等研究过程以及合作、讨论、评价、辩论、说服、反驳等实践过程。

2.3 基于证据建模，推进问题解决

学生经过以上的“推理论证循环”之后，获得了与预期相符的证据集合，即“证据群”。但证据与证据，证据、结论与问题之间还需要建立一定的逻辑关系，问题方能真正解决。这就需要通过科学建模、科学解释、科学推理来共同完成（见图6）。

学生基于探究形成的证据，通过科学推理建立科学模型Ⅰ，并试图以此来解释之前获得的数据与现象，遗憾的是科学解释并不成立。此时教师便引导学生关注上课实验中铝粉和氢氧化钠、自热粉中铝粉与氢氧化钠两个反应的区别。学生通过分析、推理，发现前者氢氧化钠是一次性直接加入，而在自热包中则是生石灰与水反应所生成的氢氧化钙与碳酸钠反应逐步产生的。后者氢氧化钠的提供方式，推迟了反应起点，降低了反应温度，延长了持续时长（见图7）。基于此，学生进一步完善模型，建立科学模型Ⅱ，再次对实验数据和现象进行解释，发现科学解释成立，模型建构完成。

然而，通过实验探究完成模型建构并不意味着问题已经解决。最终学生还要将模型应用于情境问题，利用模型对自热粉发热反应及参数（说明书中所标的最高温度和持续时间等）进行解释，尤其是说明书标示的高达200℃的蒸气温度，与最高不到100℃实验温度形成强烈反差。学生需要再次搜索用于解决问题的证据，即探究实验与自热包发热的区别： 一是探究实验中药品用量只有3g，整包自热粉的质量则大得多;二是说明书中标注的是蒸气温度，而实验中测量的数据均为反应混合物（溶液）的温度，一般不会超过100℃。此过程包含了学生对探究过程的重新审视与评价，需要较高的迁移、分析和综合能力。

3 基于“证据推理”的化学教学的应用价值

3.1 使探究实践真实有效

基于“证据推理”的化学教学始于真实情境中的证据信息，结合学生的认知和生活经验，

在探究中引入模型建构、科学推理、科学解释、科学评价（辩论）等实践行为[6]。践行“真情境→真问题→真猜想→真设计→真数据→真论证→真解决”的过程，真正实现从探究到实践的转变。每个环节力求以情境证据为起点，以科学推理为过程，以获取事实为基础，以问题解决为任务，以能力提升为目标，尽可能让探究实践真实有效。

3.2 使思维训练趋于高阶

基于“证据推理”的化学教学过程，不仅包含记忆、理解等低阶思维的运用，更有分析、评价、创造等高阶思维活动。如方案的设计与优化需要创造性思维;方案与证据的评价需要批判性思维;多方案比较与选择、证据的分析与取舍体现决策性思维;对探究过程的反思，对学习策略的调整则需要元认知的参与;而整个教学过程则是以统领性的问题解决为任务，体现了问题解决能力。所有这些都是高阶思维的集中体现。

3.3 使学习层次不断深化

基于“证据推理”的化学教学过程，拥有生活化的问题情境（自嗨锅中的自热包发热）、统领性的学习主题（自热粉的发热原理）、挑战性的学习任务（寻找证据探索自热粉的发热原理）、合作交流的学习方式（探究实践过程）、持续性的学习评价（对假设、方案、证据过程的讨论与反思）。作为学习主体的学生亲历其中，可获得内在的学习动机，主动进行知识建构，运用创造性、批判性、决策性的高阶思维，实践元认知及建模迁移等学习过程。学生的学习层次不断深化，由表面浅层化转向内涵深层次。

3.4 使核心素养真实落地

义务教育化学课程核心素养包括化学观念、科学思维、探究实践、科学态度等四个方面。其中，建立化学观念、养成科学思维、培养科学态度都要通过探究实践过程来实现，而“证据推理”是隐含其中的思维与能力过程，它集结了科学推理、科学论证、科学解释、科学建模、信息加工等诸多思维和能力，建立了探究实践与其他要素之间的联系，提供了核心素养真实落地的途径。“证据推理”与核心素养各要素之间的关系如图8所示。

教学实践中发现，在基于“证据推理”的化学教学中，问题情境的选择、推理任务的设置、实践活动的安排等均尤为重要，因为这直接影响教学的效果。因此，教师要具备证据推理的素养以及扎实的教学功底，能因地制宜地选择合适的主题，精心设计推理任务，为学生实践“推理与论证”过程创造合适而宽松的环境，力求取得更好的教学效果。

参考文献：

[1]罗玛. 从科学推理到证据推理： 内涵的探讨[J]. 化学教学， 2019， （9）： 3～6.

[2]黄爱民. 关于证据推理与模型认知的一些思考[J]. 教学月刊， 2019， （4）： 3～8.

[3]潘播珍. 基于论证的科学教育[J]. 全球教育展望， 2019， （4）： 3～8.

[4]美国科学教育标准制定委员会编.叶兆宁等译. 新一代科学教育标准[M]. 北京： 中国科学技术出版社， 2020： 13～14.

[5]唐小为， 丁邦平. “科学探究”缘何变身“科学实践”——解读美国科学教育框架理念的首位关键词之变[J]. 教育研究， 2012， （11）： 141～145.

[6]王威， 刘恩山. 美国科学教育框架设计理念的发展动态[J]. 外国教育研究， 2012， （8）： 2～7.