證據(jù)推理在化學教學中的實踐與思考

肖中榮

摘 要：化學教學中的證據(jù)推理是指根據(jù)化學概念、理論和事實性知識，通過比較分析、抽象概括和歸納演繹等推理形式，進行證實和證偽的求證方式，獲取新知識、解決新問題的高級思維過程?；瘜W教學可從化學知識結構化、教學過程邏輯化、科學探究層次化解釋證據(jù)推理“是什么”、“怎么推”和“做得怎么樣”的問題；化學教學可將證據(jù)推理劃分四個層次，為培養(yǎng)學生的科學論證能力、評價證據(jù)推理水平提出有效的教學策略。

關鍵詞：證據(jù)推理；教學實踐；教學策略

一、證據(jù)推理的意涵

新課標指出，“證據(jù)推理”是重要的化學核心素養(yǎng)，是學生學習化學的思維方式，也是學生認識客觀世界必須具備的關鍵能力，在課堂上培養(yǎng)學生證據(jù)推理的核心素養(yǎng)是令人期待的事情，為此需要厘清證據(jù)推理的意涵。

什么是證據(jù)？證據(jù)是指證明事實的材料，科學證據(jù)與經驗證據(jù)相對應，它指基于科學原理或科學原則而得出的證據(jù)，學者張繼成把科學理論中的定理、定律、規(guī)則等稱為科學證據(jù)。筆者認為，中學階段化學教學中常用的證據(jù)主要指陳述性的化學知識，如化學概念、化學理論、物質結構、元素化合物知識、生活情境和科學常識。

什么是推理？推理是“由一個或幾個已知的判斷（前提），推導出一個未知結論的思維過程”，其語法規(guī)律是形式邏輯，常見的推理方式有三種：演繹推理、歸納推理和類比推理。

什么是證據(jù)推理？文獻[1]認為，“證據(jù)推理”在學界是固定的專用名詞，指由 Dempster在1967年提出，后經他的學生Shafer進一步發(fā)展完善起來的一種不確定推理理論。百度百科中對“證據(jù)推理”解釋是“對從不同性質的數(shù)據(jù) 源中提取的證據(jù)，利用正交求和方法綜合證據(jù)，通過證據(jù)的積累縮小集合，從而獲得問題的解”。2017年教育部頒布的《普通高中化學課程標準》對“證據(jù)推理”的解釋為“具有證據(jù)意識，能基于證據(jù)對物質組成、結構及其變化提出可能的假設，通過分析推理加以證實或證偽；建立觀點、結論和證據(jù)之間的邏輯關系；知道可以通過分析、推理等方法認識研究對象的本質特征、構成要素及其相互關系。”結合上述觀點，筆者認為，化學教學中的證據(jù)推理是指根據(jù)化學概念、理論和事實性知識，通過比較分析、抽象概括和歸納演繹等推理形式，進行證實和證偽的求證方式，從而獲取新知識、解決新問題的高級思維過程。

二、證據(jù)推理在教學中的應用研究

陳進前[2]研究了證據(jù)推理在解決電化學試題中的運用，顧建新[3]研究了證據(jù)推理和模型建構在原電池教學中的運用，卓金鎮(zhèn)[4]等研究了證據(jù)推理在苯教學中的運用，劉玉榮[5]研究了論證圖是初學者學習科學論證的有效工具等?？傊C據(jù)推理應用在高中化學教學中并不多，研究內容主要集中在某一個具體的教學設計或者單一證據(jù)類的問題解決，對證據(jù)的種類、推理的角度、證據(jù)推理的水平評價等本體知識關注不夠。筆者進行如下思考，以期更全面地詮釋證據(jù)推理在課堂教學中的實施途徑。

三、證據(jù)推理在化學教學中的實踐和思考

（一）化學知識結構化，拓展證據(jù)推理的廣度

化學知識結構化是指按照知識間的邏輯關系形成的認知圖示，知識結構化的豐富程度將影響學生調取證據(jù)、進行推理的廣度。

蘇教版《化學1》 “鎂的性質”教學片段。

【情境】 1807年英國化學家戴維電解苛性鈉制得金屬鈉，1808年戴維電解氧化鎂制得金屬鎂。戴維通過研究發(fā)現(xiàn)鎂很活潑，跟鈉的化學性質相似，請你尋找支持戴維觀點的證據(jù)。

【活動】學生或獨立思考，或合作討論，或動手實驗，或查閱資料，證據(jù)推理的課堂如此熱烈：有的小組查閱資料發(fā)現(xiàn)，自然界中無游離態(tài)鎂，鎂主要以菱鎂礦、光鹵石、氯化鎂等形式存在，自然界中也無游離態(tài)鈉，說明鈉、鎂均活潑。有的小組通過實驗發(fā)現(xiàn)，鎂可以和氧氣、二氧化碳、氮氣、鹽酸、水反應，鈉也可以和氧氣、二氧化碳、氮氣、鹽酸、水反應，鈉、鎂在反應中都是失去電子，說明鈉、鎂都是還原劑。有的小組分析原子結構認為，鎂是12號元素，易失去最外層2個電子，鈉是11號元素，易失去最外層1個電子，二者均顯示還原性；還有的小組查閱資料發(fā)現(xiàn)，工業(yè)制備鈉、鎂是通過電解氯化鈉、氯化鎂得到，證明鈉、鎂是活潑金屬單質。還有競賽同學發(fā)現(xiàn)鈉、鎂的標準電極電勢均很小，說明鈉、鎂均容易失去電子。

【思考】教師借助科學史設定驅動任務——如何證明鈉、鎂的化學性質相似？學生主動尋找證據(jù)，積極進行推理分析，將鎂的類別、結構、存在、制備等問題形成整體，統(tǒng)攝在鎂的化學性質教學的大主題下。筆者以為，影響物質性質的直接因素有物質類別、化合價和原子結構、化學鍵等；反映物質性質的間接因素有物質的制備、存在和用途等，物質在某反應中的具體性質受到反應方向、限度和速率等化學理論的動態(tài)控制，它們之間關系如圖1所示。教師要根據(jù)不同的課程階段和學業(yè)質量要求，幫助學生建立影響物質性質因素的知識網(wǎng)絡，豐富收集證據(jù)的渠道，拓展證據(jù)推理的廣度，使元素化合物教學凸顯立體思考的色彩。

（二）教學過程邏輯化，強化證據(jù)推理的角度

教學過程邏輯化是指按照思維品質的條理性特點，設計符合學生認知規(guī)律的教學過程，教學過程的嚴密程度將啟發(fā)學生選擇不同的論證方式進行證據(jù)推理的角度。

蘇教版《化學反應原理》 “化學反應方向”的教學片段。

【情境——類比推理】教師呈現(xiàn)自然現(xiàn)象：高水低流、高溫低降、高物低落，類比推理引出自發(fā)化學反應的概念：在一定溫度和壓強下，無需外界幫助，可向外做非體積功（電功、機械功）的化學反應。

【活動1——歸納推理】教師給出如下自發(fā)反應，歸納其共同特點。

C3H8（g）+5O2（g）=3CO2（g）+4H2O（g） ΔH<0

2Na（s）+Cl2（g）=2NaCl（s） ΔH<0

HCl（aq）+NaOH（aq）=NaCl（aq）+H2O （l） ΔH<0

Cl2（aq）+2KBr（aq）=2KCl（aq）+Br2 （aq）

ΔH<0

學生歸納得出自發(fā)反應的特點：自發(fā)反應為發(fā)熱反應，PPT展示：

【焓減原理】體系趨向于從高能狀態(tài)轉變?yōu)榈湍軤顟B(tài)，放出熱量多，反應趨勢大。

【活動2——實驗證實、證偽】學生分組實驗：①鋅和鹽酸反應，發(fā)現(xiàn)反應自發(fā)后體系溫度升高；②氫氧化鋇晶體和氯化銨固體反應，發(fā)現(xiàn)反應自發(fā)后體系溫度降低。

教師給出影響反應自發(fā)性的另一個因素——熵：衡量一個體系混亂度的物理量；學生類比“焓減原理”得出熵變影響反應的自發(fā)性，PPT展示：

【熵增原理】體系趨向由有序狀態(tài)轉變?yōu)闊o序狀態(tài)——即混亂度增加（ ΔS>0）方向，ΔS越大，微粒不規(guī)則運動加劇，越有利于反應自發(fā)進行。

【活動3——演繹推理】解釋下列反應在常溫常壓下能否自發(fā)進行的原因。

2Na（s）+Cl2（g）=2NaCl（s）ΔH<0 ΔS<0

2NH4Cl（s）+Ba（OH）2·8H2O（s）=2NH3↑（g）

+CaCl2（s）+10H2O（l） ΔH>0 ΔS>0

C3H8（g）+5O2（g）=3CO2（g）+4H2O（l） ΔH<0 ΔS>0

CaCO3（s）=CaO（s）+CO2（g） ΔH>0 ΔS<0

學生根據(jù)焓減原理、熵增原理進行解釋，教師給出判斷反應自發(fā)進行的聯(lián)合判據(jù)：ΔG=（ΔH-TΔS）<0，反應自發(fā)；ΔG=（ΔH-TΔS）>0，反應非自發(fā)。

【活動4——定量思維】CaCO3（s）=CaO（s）+CO2（g）常溫常壓不能發(fā)生，已知ΔG=（ΔH-TΔS）=178 300J·mol-1 - 160.4 TJ·mol-1·K-1，當ΔG<0反應自發(fā)發(fā)生，計算碳酸鈣分解的臨界溫度。學生代入數(shù)值計算臨界轉化溫度>1112K。

師生總結：某一定條件下不能自發(fā)進行的反應，當改變外界條件或者外界干預反應（做非體積功），不自發(fā)的反應也能發(fā)生。

【思考】課堂上教師向學生呈現(xiàn)科學研究問題的一般思路，使教學過程充滿邏輯性：觀察生活現(xiàn)象，類比引出自發(fā)反應的概念→比較分析，歸納得出焓減原理→證實證偽，引出熵增原理→演繹規(guī)律解釋問題，引出聯(lián)合判據(jù)→解決實際問題，定量計算，深化規(guī)律?；瘜W反應方向是很抽象的理論，教師引導學生像科學家一樣思考，設計邏輯化的教學過程，揭示證據(jù)推理的方式，幫助學生突破認知難點。筆者以為，證據(jù)推理的角度涉及證據(jù)類型、思維形式、推理方式和證明過程，其關系如圖2所示。教師要適切地結合化學概念的內涵和外延，向學生示范證據(jù)推理的過程，使論證過程全面而深刻，幫助學生形成證據(jù)推理的邏輯化角度，使化學概念課教學充滿辯證思維的力量。

（三）科學探究層次化，提高證據(jù)推理的深度

科學探究的層次化是指進行科學探究既要重視宏觀求證，又要進行微觀求證；既要重視直接證明，又要學會間接證明。學生搜尋證據(jù)的種類和證明方式不同，反映學生運用證據(jù)推理的深度不同。

【情境】向小試管中依次加入1mL 0.1mol/L NaOH溶液、4滴酚酞、2 mL乙酸乙酯，用水浴控溫70℃加熱2分鐘，振蕩，紅色褪去。對于紅色褪去原因，觀點甲認為紅色褪去是因為酯發(fā)生水解反應，堿被消耗；觀點乙認為紅色褪去是因為乙酸乙酯將酚酞從水層萃取。

問題：請你結合觀點甲、乙進行科學探究，并給出紅色褪去的合理原因。

【活動】學生先獨立思考，再分小組討論，或查閱資料分析，或設計實驗探究。

有些同學找到證據(jù)①說明觀點甲合理：乙酸乙酯在堿性完全水解，反應方程式為：CH3COOC2H5+NaOH→CH3COONa+ C2H5OH。

有些同學找到證據(jù)②說明觀點甲不合理：向小試管中依次加入1mL 0.1mol/L NaOH溶液、4滴酚酞、2mL乙酸乙酯，用水浴控制溫度70℃加熱2分鐘，充分振蕩紅色褪去，還有明顯油層；分出水層加4滴酚酞溶液顯紅色。說明乙酸乙酯短時間不能完全水解，水層含有NaOH。

有些同學找到證據(jù)③說明觀點甲不合理：向小試管中依次加入1mL 0.1mol/L CH3COONa溶液、4滴酚酞，溶液顯紅色 ，說明即使堿全部消耗，產物乙酸鈉可使酚酞變紅。

有些同學找到證據(jù)④說明觀點乙合理：向小試管中依次加入1mL 0.1mol/L NaOH溶液、4滴酚酞、2mL乙酸乙酯，用水浴控溫70℃加熱2分鐘，充分振蕩，分離出水層加入1mL 0.1mol/L NaOH溶液呈無色，說明水層不含酚酞，酚酞被萃取至油層。

教師提供酚酞（結構如圖3），有的學生發(fā)現(xiàn)證據(jù)⑤說明觀點乙合理：乙酸乙酯和酚酞都是極性有機分子，乙酸乙酯可以將少量酚酞從水層萃取出來而使紅色褪去。

教師提供證據(jù)⑥：向小試管中依次加入1mL 0.1mol/L NaOH溶液、4滴酚酞、2mL四氯化碳，充分振蕩水層顯紅色，有的學生能解釋非極性分子四氯化碳不能萃取極性分子酚酞。

綜上所述，本實驗中乙酸乙酯使酚酞-氫氧化鈉紅色褪色的主要原因[6]：乙酸乙酯在堿性條件下水解速度慢，極性酚酞分子被極性乙酸乙酯萃取而使溶液褪色。

【思考】教師提供真實情境問題，學生對兩種觀點進行探究，學生設計實驗進行證據(jù)推理的能力參差不齊。證據(jù)①屬于教材事實知識，多數(shù)學生能想到。證據(jù)②是宏觀直接證據(jù)（證明NaOH沒有完全消耗），多數(shù)學生能想到。證據(jù)③是宏觀間接證據(jù)（證明乙酸鈉溶液加酚酞變紅），極少數(shù)學生能想到。證據(jù)④是宏觀直接證據(jù)（證明酚酞被萃?。?，多數(shù)學生能想到。證據(jù)⑤是微觀結構證據(jù)，需要教師提供酚酞分子結構和“相似相溶原理”的知識，學生才能理解，沒有一個學生能想到。證據(jù)⑥是信息證據(jù)，需要教師解釋學生才能理解，沒有一個學生能想到。筆者根據(jù)《普通高中化學課程標準》對“證據(jù)推理”的描述將證據(jù)推理的水平分為四類：宏觀證據(jù)、微觀證據(jù)、定量證據(jù)和模型證據(jù)，其含義如表1。

四、結語

倡導素養(yǎng)為本的化學課堂教學對證據(jù)推理核心素養(yǎng)提出了新的要求：化學知識側重素材積累，其結構化程度解釋了證據(jù)“是什么”的廣度問題；教學過程側重思路引領，其邏輯化程度呈現(xiàn)了推理“怎么推”的角度問題；科學探究側重證據(jù)收集和推理方式，其層次化程度評價了證據(jù)推理“做得怎么樣”的深度問題。教師引導學生對這些問題進行思考，以期強化學生的學科認識思路，發(fā)展學生的學科論證能力，提高學生的學科核心素養(yǎng)。

參考文獻：

[1] 陸軍. 化學教學中引領學生模型認知的思考與探索[J]. 化學教學，2017（09）：19-20.

[2] 陳進前.基于證據(jù)推理解答電化學試題[J].化學教學，2017（11）：80-84.

[3] 顧建新.關于化學核心素養(yǎng)培育的微觀思考——原電池教學中的“證據(jù)推理與模型認識”的教學思考[J].化學教學，2017（11）：34-38.

[4] 卓金鎮(zhèn)，等.“問題猜想，證據(jù)推理”彰顯化學魅力——苯的教學設計[J].中學化學教與學，2017（09）：10.

[5] 劉玉榮，等.論證圖——促進初學者學習科學論證的有效工具[J].化學教育，2017（17）：10-13.

[6] 李偉偉，等.乙酸乙酯使含酚酞的氫氧化鈉溶液褪色的原因研究[J].化學教學，2017（12）：68 -70.