淺析“證據(jù)推理”在元素化合物探究教學(xué)中的應(yīng)用

張旭東 楊玉琴

摘要： 在元素化合物教學(xué)中，以“證據(jù)推理”為科學(xué)思維方法，基于溯因、演繹以及類比等邏輯推理形式，讓學(xué)生經(jīng)歷發(fā)現(xiàn)問題、提出假設(shè)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、解釋證據(jù)、獲得結(jié)論的探究過程，從而使元素化合物知識(shí)的學(xué)習(xí)過程，同時(shí)成為化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的形成過程。

關(guān)鍵詞： 證據(jù)推理; 元素化合物; 科學(xué)探究; 化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)

文章編號(hào)： 10056629（2019）4004505中圖分類號(hào)： G633.8文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》提出了“以發(fā)展化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)為主旨”的課程理念，圍繞學(xué)科核心素養(yǎng)重建課堂教學(xué)，成為當(dāng)前全面深化化學(xué)課程改革的重頭戲。學(xué)科知識(shí)是形成學(xué)科核心素養(yǎng)的載體，但一切知識(shí)，惟有成為學(xué)生探究與實(shí)踐對(duì)象的時(shí)候，其學(xué)習(xí)過程才有可能形成素養(yǎng)[1]。“證據(jù)推理”是化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的要素之一，是科學(xué)探究活動(dòng)的思維基礎(chǔ)。課程標(biāo)準(zhǔn)要求“結(jié)合真實(shí)情境中的應(yīng)用實(shí)例或通過實(shí)驗(yàn)探究，了解元素化合物主要性質(zhì)”[2]，這就決定了在元素化合物知識(shí)教學(xué)中需要充分基于“證據(jù)推理”展開教學(xué)，以實(shí)現(xiàn)其育人價(jià)值。

1 “證據(jù)推理”的內(nèi)涵解析

在邏輯學(xué)領(lǐng)域，推理是指根據(jù)一個(gè)或一些命題得出另一個(gè)新命題的思維形式，有歸納、演繹、類比等推理形式。科學(xué)推理指的是科學(xué)家根據(jù)觀察和實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)新的自然事實(shí)和自然規(guī)律，提出新概念和新術(shù)語，發(fā)明新理論和新假說，并且對(duì)理論和假說進(jìn)行檢驗(yàn)、評(píng)價(jià)、修正、選擇等認(rèn)識(shí)活動(dòng)的方法和思想模式。因而不能將科學(xué)家認(rèn)識(shí)活動(dòng)及其在認(rèn)識(shí)活動(dòng)中的思維過程、思維方式簡(jiǎn)單地歸結(jié)為演繹、歸納或類比等邏輯推理。對(duì)于邏輯推理而言，只要遵從邏輯規(guī)則的指導(dǎo)即可，但是對(duì)科學(xué)推理而言，在遵從邏輯規(guī)則的同時(shí)，更要尊重證據(jù)的作用。證據(jù)是科學(xué)推理的基礎(chǔ)，“依據(jù)證據(jù)進(jìn)行推理”是科學(xué)推理與邏輯推理的根本區(qū)別[3]。

“證據(jù)”意指能夠證明某事物的真實(shí)性的有關(guān)事實(shí)或材料。從信息加工理論來看，推理時(shí)所依據(jù)的“信息”即“證據(jù)”，常常與數(shù)據(jù)（data）和知識(shí)（knowledge）相關(guān)聯(lián)。數(shù)據(jù)代表的是參數(shù)的值，而知識(shí)意味著對(duì)真實(shí)事物或抽象概念的理解。在化學(xué)學(xué)科領(lǐng)域，數(shù)據(jù)來源于觀察（測(cè)），如自然生活現(xiàn)象、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、pH、溫度變化曲線或者數(shù)據(jù)資料、科學(xué)史料等;知識(shí)則如建立在一定抽象水平之上的化學(xué)概念、原理、規(guī)律等[4]。

“證據(jù)推理”意指從問題情境及已有知識(shí)經(jīng)驗(yàn)中識(shí)別、轉(zhuǎn)換形成觀點(diǎn)，并多方收集證據(jù)、利用證據(jù)進(jìn)行推理，從而獲得結(jié)論，解決問題[5]。推理是思維過程，證據(jù)是前提條件。證據(jù)推理不僅是證實(shí)的過程，也可能是證偽的過程。表現(xiàn)在化學(xué)學(xué)習(xí)中，即“具有證據(jù)意識(shí)，能基于證據(jù)對(duì)物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)及其變化提出可能的假設(shè);通過分析推理加以證實(shí)或證偽;建立觀點(diǎn)、結(jié)論和證據(jù)之間的邏輯關(guān)系”[6]。

2 “證據(jù)推理”與“科學(xué)探究”

不管是學(xué)生的學(xué)習(xí)還是科學(xué)家的研究，探究活動(dòng)都是從某一情境中發(fā)現(xiàn)問題，再根據(jù)原始資料或數(shù)據(jù)對(duì)問題形成假設(shè)，通過觀察和實(shí)驗(yàn)獲得新的數(shù)據(jù)（證據(jù)），基于證據(jù)進(jìn)行推理，對(duì)假設(shè)進(jìn)行修正（證實(shí)或證偽），最終得到正確結(jié)論的過程[7]。其過程可以用圖1來表示。

由圖1可見，在探究活動(dòng)中，推理發(fā)揮了重要作用。一是從問題到假設(shè)，當(dāng)問題出現(xiàn)時(shí)，我們往往會(huì)對(duì)問題作出可能的解釋（假設(shè)），這種解釋（假設(shè)）需要基于一定的證據(jù)進(jìn)行推理。例如，當(dāng)課堂上教師呈現(xiàn)出“鎂雨一相逢，擦出大火花”的新聞情境并衍生出問題“為什么鎂和雨水接觸能著火呢？”，這時(shí)可能的解釋是“鎂也許能夠與水發(fā)生劇烈的化學(xué)反應(yīng)”（假設(shè)），因?yàn)椤坝行┙饘偃玮c就能夠與水發(fā)生劇烈反應(yīng)，發(fā)生燃燒甚至產(chǎn)生爆炸現(xiàn)象”（證據(jù)，類比推理）。這時(shí)候假設(shè)表現(xiàn)為關(guān)于實(shí)際情況如何的一種觀點(diǎn)。當(dāng)然，這種觀點(diǎn)需要進(jìn)行檢驗(yàn)，也就是必須經(jīng)歷下一個(gè)階段的考驗(yàn)，即從假設(shè)到結(jié)論的過程，此為探究活動(dòng)中的第二次推理。如果觀察（測(cè)）到的證據(jù)與假設(shè)吻合，則某種意義上假設(shè)便得到了檢驗(yàn);也有可能原先的假設(shè)面對(duì)新的事實(shí)、概念（證據(jù)）等通過推理會(huì)產(chǎn)生一些矛盾，進(jìn)而要否認(rèn)或修改假設(shè)。如上述“鎂也許能夠與水發(fā)生劇烈的化學(xué)反應(yīng)”的假設(shè)，通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)鎂在常溫下與水的反應(yīng)較為緩慢，放出熱量?！版V雨一相逢，擦出大火花”的原因是鎂與水發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生的熱量使其自燃。

3 基于“證據(jù)推理”的元素化合物性質(zhì)教學(xué)

元素化合物性質(zhì)是物質(zhì)及其變化的體現(xiàn)，具有生動(dòng)具體、形象直觀等特點(diǎn)。就知識(shí)本身而言，應(yīng)該不存在理解上的困難，但由于涉及的內(nèi)容龐雜瑣碎，學(xué)習(xí)方式偏重記憶，導(dǎo)致學(xué)生“易學(xué)難記、易懂難學(xué)”，成為影響學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的重要因素。以“證據(jù)推理”為科學(xué)思維方法，激發(fā)學(xué)生的內(nèi)在認(rèn)知興趣，讓學(xué)生在探究中建立知識(shí)間的聯(lián)系，理解物質(zhì)的變化及其規(guī)律，體驗(yàn)化學(xué)與社會(huì)、生活的密切聯(lián)系，從而使元素化合物的學(xué)習(xí)歷程成為學(xué)科核心素養(yǎng)的形成過程。在元素化合物教學(xué)過程中，可以基于以下三種推理方法進(jìn)行探究。

3.1 基于溯因推理的元素化合物性質(zhì)教學(xué)

所謂溯因推理，是一種由果溯因，由已知事實(shí)探求未知理由的推理。這一模式也是探究的基本模式。比如，化學(xué)史上指示劑的發(fā)現(xiàn)就是這一推理的體現(xiàn)。波義耳在做實(shí)驗(yàn)的過程中不小心將少許鹽酸沫濺到紫羅蘭花上，在沖洗花瓣上酸沫過程中發(fā)現(xiàn)花變紅了?！盎槭裁磿?huì)變紅？是因?yàn)榕龅禁}酸的緣故嗎”（溯因）。為了驗(yàn)證這一假設(shè)，他又取了其他幾種酸溶液，將紫羅蘭花瓣放入其中，結(jié)果花瓣都變?yōu)榧t色（證據(jù)）。由此，他推斷： 不僅鹽酸，而且其他酸都可使紫羅蘭花變色（推理）……在溯因推理過程中，溯因所得出的結(jié)論是一個(gè)假設(shè)，它是對(duì)事實(shí)情況的一種解釋。一個(gè)事實(shí)可能有多個(gè)不同的解釋，這就需要收集證據(jù)對(duì)解釋進(jìn)行驗(yàn)證，最終基于證據(jù)獲得正確的解釋。在元素化合物性質(zhì)教學(xué)中，可以從物質(zhì)在科技、生產(chǎn)或生活中的應(yīng)用事實(shí)或自然發(fā)生的現(xiàn)象等出發(fā)，追溯其“為什么可以這樣用？”、“為什么會(huì)有這樣的現(xiàn)象”等，提出假設(shè)，然后依據(jù)證據(jù)推理出該物質(zhì)的相關(guān)性質(zhì)。如案例1。

3.2 基于演繹推理的元素化合物性質(zhì)教學(xué)

演繹推理，是指從一般規(guī)律出發(fā)，運(yùn)用邏輯證據(jù)，得出特殊事實(shí)應(yīng)遵循的規(guī)律，即從一般到特殊的邏輯推理方法。如門捷列夫利用元素周期律進(jìn)行演繹不僅預(yù)測(cè)了“鎵”的密度，還預(yù)見了鍺、鈧等當(dāng)時(shí)尚未發(fā)現(xiàn)的新元素的存在及這些元素的性質(zhì)。門捷列夫說過，只有通過規(guī)律從中推出結(jié)果，并且在實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)中證實(shí)這些結(jié)果，才能得出這些規(guī)律[8]。在元素化合物教學(xué)中，一般從化學(xué)反應(yīng)原理或規(guī)律出發(fā)進(jìn)行演繹、推理該物質(zhì)應(yīng)該具有的性質(zhì)，再進(jìn)一步收集證據(jù)進(jìn)行證明。仍以SO2的性質(zhì)學(xué)習(xí)為例進(jìn)行說明，如案例2。

上述案例，從酸性氧化物的一般通性及氧化還原反應(yīng)原理等規(guī)律出發(fā)進(jìn)行演繹推理SO2的化學(xué)性質(zhì)，以此推理為依據(jù)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。當(dāng)然，這種推理方法的前提是對(duì)個(gè)別事物的共性和本質(zhì)的判斷。適用于學(xué)生掌握了一定的物質(zhì)變化規(guī)律和化學(xué)反應(yīng)原理以后元素化合物知識(shí)的學(xué)習(xí)。如學(xué)習(xí)金屬鈉的性質(zhì)時(shí)可從鈉原子的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)出發(fā)進(jìn)行演繹推理——鈉原子最外層一個(gè)電子，在化學(xué)反應(yīng)中易失電子，所以應(yīng)該能與元素的原子易得電子的物質(zhì)（如Cl2、 O2等）發(fā)生反應(yīng)，也可以從金屬的一般通性出發(fā)進(jìn)行推理——可以與非金屬單質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，可以將在金屬活動(dòng)性順序表中排在其后面的金屬從其水溶液中置換出來等。當(dāng)然，在這種推理方法中，只能揭示共性和個(gè)性的統(tǒng)一，不能進(jìn)一步揭示個(gè)性，如金屬鈉與水的反應(yīng)，金屬鈉與鹽溶液反應(yīng)的復(fù)雜性等;再如案例2中SO2的漂白性等。這時(shí)候就需要結(jié)合其他證據(jù)推理方法作進(jìn)一步的研究。

3.3 基于類比邏輯的元素化合物性質(zhì)教學(xué)

在形式邏輯上，類比是指同類和相近事物之間的比較，即從兩個(gè)或兩類對(duì)象有某些兼有或相似屬性，推出一個(gè)對(duì)象可能具有另一類對(duì)象所具有屬性的方法。例如，化學(xué)史上巴特列觀察到O2能與PtF6化合生成[O+2][PtF-6]之后，運(yùn)用類比方法想到Xe和O2的電離勢(shì)幾乎相等，那么前者也應(yīng)有同樣的性質(zhì)。他按此設(shè)想做實(shí)驗(yàn)，結(jié)果獲得一種橘黃色晶體，這一發(fā)現(xiàn)推翻了長期在化學(xué)中流行的惰性氣體不能生成化合物的觀點(diǎn)。在元素化合物學(xué)習(xí)中，表現(xiàn)為當(dāng)學(xué)習(xí)一個(gè)新物質(zhì)的性質(zhì)時(shí)，可以類比已經(jīng)學(xué)過的在組成、結(jié)構(gòu)或類別上與其相似的其他物質(zhì)的性質(zhì)進(jìn)行推理，形成假設(shè)后再收集證據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。如學(xué)習(xí)SO2的化學(xué)性質(zhì)時(shí)可以類比初中已經(jīng)學(xué)過的CO2的化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行探究。

案例3以SO2與CO2在組成上具有相似性作為類比推理的前提提出假設(shè)，再設(shè)計(jì)相應(yīng)實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行證明。這種方法適用于結(jié)構(gòu)相似、組成相似或類別相似的元素化合物的學(xué)習(xí)，如單質(zhì)Si與C之間的類比，金屬鎂與鈉的類比，SiO2與CO2之間的類比等。當(dāng)然，類比并不存在嚴(yán)格的必然的邏輯法則和邏輯通道，因此所得的結(jié)論不一定可靠。類比的雙方雖然具有數(shù)個(gè)相同或相似的屬性，但類推出的下一個(gè)屬性可能正好是雙方的差異點(diǎn)，從而使推理結(jié)果失真，這就是類比推理的或然性。如HCl氣體的制備是用固體NaCl和濃硫酸復(fù)分解反應(yīng)制得，運(yùn)用類比思維推出的制HI氣體也用固體NaI與濃硫酸反應(yīng)就是錯(cuò)誤結(jié)論。也正由于此，推理的結(jié)果只有獲得相應(yīng)證據(jù)的支撐才能稱為科學(xué)的結(jié)論。

在元素化合物性質(zhì)學(xué)習(xí)中，以“證據(jù)推理”為思維方法，讓學(xué)生經(jīng)歷發(fā)現(xiàn)問題、提出假設(shè)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、解釋證據(jù)、獲得結(jié)論的探究過程，“學(xué)會(huì)收集各種證據(jù)，對(duì)物質(zhì)的性質(zhì)及其變化提出可能的假設(shè);基于證據(jù)進(jìn)行分析推理，證實(shí)或證偽假設(shè);能解釋證據(jù)與結(jié)論之間的關(guān)系，確定形成科學(xué)結(jié)論所需要的證據(jù)和尋找證據(jù)的途徑”[9]，以達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的目標(biāo)。當(dāng)然，文中所涉及的三種推理方法只是常用的幾種方法，且不是用某一種推理方法就能探究完某一個(gè)物質(zhì)的所有性質(zhì)。另外，在不同的化學(xué)學(xué)習(xí)階段，因?yàn)閷W(xué)生的知識(shí)儲(chǔ)備及認(rèn)知發(fā)展水平不同，所用的證據(jù)推理方式也會(huì)不同。因此，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，需要根據(jù)學(xué)生已有的知識(shí)基礎(chǔ)、具體內(nèi)容特點(diǎn)等靈活選擇、組合運(yùn)用多種教學(xué)方法，形成一個(gè)有明晰線索、合乎邏輯的教學(xué)結(jié)構(gòu)。

參考文獻(xiàn)：

[1]張華. 論核心素養(yǎng)的內(nèi)涵[J]. 全球教育展望， 2016， 45（4）： 10～24.

[2][6][9]中華人民共和國教育部制定. 普通高中