楊季冬　吳冰寒　童文昭

摘要： 證據(jù)推理是一項關(guān)鍵能力，也是化學學科核心素養(yǎng)之一。把握學生證據(jù)推理特點有利于培養(yǎng)學生發(fā)展該能力。91名學生對乙硼烷結(jié)構(gòu)進行推測，對結(jié)果進行歸納總結(jié)發(fā)現(xiàn)高中生證據(jù)推理的特點有： （1）不同學生面對相同的問題時，其推理的復雜程度有所差異;（2）學生的結(jié)論并不是憑空而生，而是有一定依據(jù)的，但所依之“據(jù)”并不一定可靠;（3）學生通過推理得到結(jié)論后，反思意識較弱。

關(guān)鍵詞： 核心素養(yǎng); 證據(jù)推理; 推理特點

文章編號： 10056629（2019）10001905中圖分類號： G633.8文獻標識碼： B

1 關(guān)于“證據(jù)推理”

“證據(jù)推理與模型認知”是化學學科核心素養(yǎng)之一，《普通高中化學課程標準（2017年版）》指出學生應“具有證據(jù)意識，能基于證據(jù)對物質(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或證偽，建立觀點、結(jié)論和證據(jù)之間的邏輯關(guān)系”[1]。由此可見，證據(jù)推理作為一種高階能力，是開展科學探究、解決科學問題等過程中不可或缺的。為了讓學生有效地形成證據(jù)推理的化學學科核心素養(yǎng)，教師及研究人員需要更好地了解高中學生的推理特點以及他們對“證據(jù)”的使用情況。本研究采用實證研究，能夠具有針對性地回應此問題。

“推理”是由已知判斷推出未知判斷，“證據(jù)”是可獲得的事實與信息。在高中階段，“證據(jù)推理”可視為學生所需的關(guān)鍵能力，是科學學習領(lǐng)域中的重要能力特質(zhì)，與科學推理、科學思維，人的基本認知能力等密切相關(guān)，對學生的科學學習和高階思維發(fā)展有著重要的價值。羅瑪曾總結(jié)作為高中生能力的“證據(jù)推理”有如下特點： 領(lǐng)域特殊性（科學學習、解決科學問題等），可測評（可以評價、測量），發(fā)展性（可教、可學），差異性（不同的個體與發(fā)展階段）[2]。本研究贊同其說法，并作為開展測評研究的假設(shè)前提。

2 研究方法

2.1 任務設(shè)計

為了考查學生推理的特點，在進行任務設(shè)計時盡可能避免采用學生熟悉的知識點，以避免學生是通過簡單回憶直接解決問題，也應避免學生通過簡單的遷移便能解決問題。同時，任務又不能完全脫離學生的知識基礎(chǔ)，使他們完全沒有推理的操作空間。由此，我們選取乙硼烷（分子式為B2H6）的結(jié)構(gòu)推測作為學生任務，任務單如圖1所示。做此選擇有如下優(yōu)點：

（1） 硼元素為短周期元素，學生能夠根據(jù)其在元素周期表中位置知道其原子結(jié)構(gòu);

（2） 學生已經(jīng)具有分子結(jié)構(gòu)、共價鍵、共價化合物等相關(guān)概念;

硼是一種重要的非金屬元素，常作為原料制備一些特殊的硼化合物。硼可以和氫形成一系列共價型氫化物，如B2H6、 B4H10、 B5H9等，它們被稱為硼烷。目前已制出的硼烷有20多種，通過測定硼烷氣體密度，已經(jīng)證明最簡單的穩(wěn)定的硼烷是乙硼烷，分子式為B2H6。請在下方畫出乙硼烷的結(jié)構(gòu)式，并說明各處的成鍵情況。

（3） 硼及其化合物在高中不涉及，因此，學生不熟悉其性質(zhì)，完成任務需要進行推理。

值得注意的是，高中生在沒有學習大學化學的情況下，由于關(guān)鍵知識的缺失，很難得出乙硼烷的正確結(jié)構(gòu)，但這并不妨礙學生產(chǎn)生推理行為。我們并不是期待學生能夠獲取正確的結(jié)果，而是通過學生對于該問題的回答歸納出高中生推理過程中的一些特點。

2.2 具體操作步驟

2.2.1 第一階段

此階段是紙筆測試，目的是為了了解學生完成乙硼烷相關(guān)結(jié)構(gòu)推理的基本情況。

此階段發(fā)放了96份問卷。這96名學生來自武漢市某高中二年級兩個平行班，選擇高二年級主要是考慮他們具有前文所述的知識基礎(chǔ)，并且以他們?yōu)檠芯繉ο竽転楹罄m(xù)教學提供參考。為了保證學生答案的有效性，在測試前，我們以甲烷為例解釋何為“畫出結(jié)構(gòu)式，并說明分子中各處成鍵情況”，然后由學生完成乙硼烷的任務單。學生完成作答后立即回收答題紙，整個作答過程約為15min。回收后進行批改，實際有效答卷（既畫出了分子結(jié)構(gòu)，又對各處成鍵進行了描述）為91份，然后對學生的答案進行歸類、整理，從而得出學生關(guān)于乙硼烷結(jié)構(gòu)推理的情況。

對于該問題的參考答案，擬定為： 乙硼烷的分子結(jié)構(gòu)如圖2所示（為了方便描述，原子下標數(shù)字為該原子的編號，化學鍵旁的數(shù)字為化學鍵編號，下文中提到的編號均以圖2為準），在這個分子中，兩個硼原子均以sp3雜化軌道成鍵、H（1）B（1）、 H（2）B（1）、 H（5）B（2）、 H（6）B（2），即①②⑤⑥處，均為σ鍵，這四個σ鍵處于同一平面，共用去8個價電子，剩余的4個價電子在B（1）B（2）和H（3）H（4）形成了2個垂直于上述平面的三中心兩電子鍵，一個在平面之上一個在平面之下，每個三中心兩電子鍵是由一個氫原子[H（3）或H（4）]和兩個硼原子[B（1）和B（2）]構(gòu)成，即③④處，結(jié)構(gòu)實驗指明③和④具有橋狀結(jié)構(gòu)，因此③④也稱氫橋鍵[3， 4]。

再次強調(diào)，我們的目的是通過任務單研究學生的推理情況，而不是期望他們能夠做出標準答案。我們擬出標準答案，是為了在整個過程中有科學的參考依據(jù)作為指導。在實際分析學生作答時，則考慮高中生認知發(fā)展階段，重點關(guān)注結(jié)構(gòu)式與成鍵情況。

2.2.2 第二階段

本階段采用的是半結(jié)構(gòu)訪談法，目的是為進一步了解學生相關(guān)錯誤認識，并獲取這些錯誤認識產(chǎn)生的原因。

此階段我們首先將第一階段學生的作答進行了分類，從每種作答類型中選出具有代表性回答的學生，最后決定將其中11名學生作為訪談對象。而訪談的內(nèi)容主要是針對學生的錯誤之處要學生解釋為何會這樣作答，思考過程是怎樣的，理由是什么。比如有學生給出了錯誤的乙硼烷的結(jié)構(gòu)，我們會要求學生說明寫出此結(jié)構(gòu)的緣由。訪談過程中主要利用紙筆記錄，并輔以錄音設(shè)備記錄。

訪談完畢后我們根據(jù)記錄情況進行整理，依據(jù)學生的解釋可以知道他們在進行推理時的具體過程，從而歸納出高中生推理中的一些特點。

3 數(shù)據(jù)分析

3.1 紙筆測試

91名學生均未能給出乙硼烷的正確結(jié)構(gòu)，但他們的作答能給我們提供重要信息。他們的作答可分為以下三種情況： （1）認為乙硼烷結(jié)構(gòu)類似氯化鋁，如圖3所示。為表述方便，這種錯誤結(jié)構(gòu)稱為“氯化鋁式”。（2）認為乙硼烷結(jié)構(gòu)類似乙烷，如圖4所示。為表述方便，這種錯誤結(jié)構(gòu)稱為“乙烷式”。（3）雖然給出了上述兩種結(jié)構(gòu)之一作為回答，但通過文字表述了其結(jié)構(gòu)可能存在的問題。上述分析三種情況人數(shù)及比例如表1所示。因此，在下一個階段中我們將針對這些情況進行進一步研究。

3.2 訪談

根據(jù)前一階段的分析我們發(fā)現(xiàn)，學生的錯誤主要集中在乙硼烷的結(jié)構(gòu)方面，即“認為乙硼烷結(jié)構(gòu)類似氯化鋁”和“認為乙硼烷結(jié)構(gòu)類似乙烷”。為了進一步獲取學生關(guān)于乙硼烷結(jié)構(gòu)推測的深層次信息，我們采取了訪談法。

根據(jù)任務單作答的類型及學生作答實際情況，我們挑選了11名學生參與訪談，其中6名認為乙硼烷結(jié)構(gòu)類似氯化鋁（其中有一名學生給出類似氯化鋁結(jié)構(gòu)，但對此有質(zhì)疑），5名認為乙硼烷結(jié)構(gòu)類似乙烷。表2展現(xiàn)了訪談的具體情況。下文是選取的三個比較有代表性的訪談。

舉例一：

[教師]這是剛才交的關(guān)于乙硼烷那題的作答嗎？

[學生1]是的。

[教師]你能給老師解釋一下畫這個結(jié)構(gòu)的原因嗎？（該生畫的類似氯化鋁的結(jié)構(gòu)）

[學生1]我寫的時候是這么想的，硼族元素不就是硼、鋁、鎵、銦、鉈嗎？氯化鋁實際存在形式不就是Al2Cl6嘛，它的結(jié)構(gòu)我知道，硼既然和鋁是一族的，于是我就參照氯化鋁寫出了B2H6的結(jié)構(gòu)。

[教師]你寫出這個結(jié)構(gòu)后有沒有想過這個結(jié)構(gòu)的合理性？

[學生1]我不知道合不合理，反正就是那樣推的。

根據(jù)這名學生的描述，發(fā)現(xiàn)在解決該問題的時候，該生由于無法直接在腦海中直接提取乙硼烷的結(jié)構(gòu)。但是他依然有解決問題的辦法。他利用同族元

素的性質(zhì)具有相似性，于是聯(lián)想同族元素的氯化物——Al2Cl6，而氯化鋁對于學生來說較為熟悉，于是自然而然地按照氯化鋁寫出乙硼烷的結(jié)構(gòu)。

舉例二：

[教師]這張是不是你的作答？

[學生2]（點頭）。

[教師]你能給老師解釋一下畫這個結(jié)構(gòu)的原因嗎？（該生畫的類似乙烷的結(jié)構(gòu)）

[學生2]（想了一下）我對這個物質(zhì)不是很熟，我就看著跟乙烷很像，我就按著寫了。

[教師]你寫出這個結(jié)構(gòu)后有沒有想過這個結(jié)構(gòu)的合理性？

[學生2]（搖頭）沒。

根據(jù)這名學生的描述，可以看到他和上例中的學生有相同之處，同樣是無法在腦海中直接提取乙硼烷的結(jié)構(gòu)，于是找到了形式上相似的乙烷作為模型寫出了乙硼烷的結(jié)構(gòu)。不過相比于上例，他的推測過程簡單許多。

舉例三：

[教師]這張是你寫的關(guān)于乙硼烷的結(jié)構(gòu)吧？

[學生3]嗯（點頭）。

[教師]你給出這個結(jié)構(gòu)后又用文字提出了質(zhì)疑，能給我說一下其中的緣由嗎？（該生畫的類似氯化鋁的結(jié)構(gòu)，但用文字表達了其困惑）

[學生3]我當時比較糾結(jié)。我第一反應就是我寫的那個結(jié)構(gòu)，不過寫完后，感覺電子數(shù)量好像對不上。

[教師]電子數(shù)量？能具體說說嗎？

[學生3]（一邊在紙上寫一邊說）就是說成鍵的話一個“杠”代表兩個電子，電子是來源于成鍵原子雙方，一個氫原子提供一個電子沒問題，但是硼原子，你看，這么畫的話要提供四個電子，好像不太對。

[教師]所以還是畫出一個結(jié)構(gòu)，但實際上你認為也不太對是吧？

[學生3]嗯。

針對這名學生的作答情況，我們主要詢問了她對自己結(jié)論產(chǎn)生質(zhì)疑的原因?？梢钥吹剿颓皟衫械膶W生的不同之處在于，雖然她也因為知識結(jié)構(gòu)不完整而造成無法得出正確結(jié)構(gòu)的情況，但她對于結(jié)果能夠通過已有知識，進行深入思考，發(fā)現(xiàn)了其中的問題。因此，與前兩例相比，她的推理過程深入了許多。

通過訪談我們歸納出以下信息：

第一，學生推測乙硼烷的分子結(jié)構(gòu)式，實際上是套用了他們熟悉的A2B6分子的結(jié)構(gòu)，并能說出一定的理由，具體來說就是套用了乙烷和氯化鋁的結(jié)構(gòu)。

第二，學生不同的回答反映了他們推理的復雜程度。其中根據(jù)涉及到的知識點多少可以做定性區(qū)分。認為乙硼烷有類似乙烷結(jié)構(gòu)的推理，僅僅是從“形”到“形”，其思維過程最為簡單;認為乙硼烷有類似氯化鋁結(jié)構(gòu)的推理，除了“形似”以外，還涉及到了元素周期律，是從“形”到“理論”再到“形”的過程其思維過程較復雜;而能夠?qū)懗鼋Y(jié)構(gòu)進行反思的推理，除了具有前者的思維過程以外，還涉及到了原子結(jié)構(gòu)、化學鍵等微觀知識，運用這些知識反思了推理結(jié)論，其思維過程最為復雜。此觀點在表2中也有呈現(xiàn)。

4 結(jié)果與討論

通過上述實證研究及分析，我們歸納出學生證據(jù)推理有如下特點。

第一，不同學生面對相同的問題時，其推理的復雜程度有差異。就本任務而言，其中認為其結(jié)構(gòu)類似乙烷的推理最為粗淺，認為其結(jié)構(gòu)類似氯化鋁的推理過程有一定的深度，對于給出其結(jié)構(gòu)并能探討其問題的推理最為復雜。造成這種現(xiàn)象可能與學生對相關(guān)知識的掌握程度有關(guān)，知識運用越嫻熟，那么可利用的武器就越多，對于許多要害也會越敏感。比如認為乙硼烷類似乙烷結(jié)構(gòu)的學生只是簡單的類比，認為類似氯化鋁結(jié)構(gòu)的學生則參考了元素周期表，并結(jié)合同族元素性質(zhì)可能相同的特點，而對于結(jié)構(gòu)產(chǎn)生質(zhì)疑的學生則還要理解原子結(jié)構(gòu)排布、化學鍵等知識。

第二，學生的結(jié)論并不是憑空而生，而是有一定依據(jù)的，但所依之“據(jù)”并不一定可靠。從訪談的情況來看，不論是哪種情況的作答，所有學生得出結(jié)論都是有依據(jù)的。一方面，學生的這種意識值得肯定;另一方面，學生所依之“據(jù)”可能并不可靠，而他們依此“據(jù)”時也并未意識到這一點。在本任務中，絕大多數(shù)學生本質(zhì)上是套用了自己熟悉的A2B6分子的結(jié)構(gòu)。從心理學角度看，這實際上是一種負遷移，他們之前所學阻礙了他們獲取正確的結(jié)論;從邏輯學上看，他們使用的是演繹式的形式邏輯，這種推理的最大問題在于忽略了前提的可靠性，而基于這種前提的推理往往會得出一系列不可靠結(jié)論。同時他們忽視了一些更加深入的問題，比如依據(jù)硼與鋁同族，乙硼烷與氯化鋁分子式形式相似，就推測兩者結(jié)構(gòu)也相似，看似找到了一個合理的前提能夠說服自己，但他們忽略了如硼和鋁結(jié)構(gòu)差異，氫和氯的結(jié)構(gòu)差異，氯化鋁形成的物質(zhì)基礎(chǔ)等信息。由此也可看出，學生推理有時不夠縝密，顯現(xiàn)淺表化，而之前的研究也提出了類似觀點[5]。

第三，學生通過推理得到結(jié)論后，反思意識較弱。有學者將此歸結(jié)于“重傳習輕思辨”的教育傳統(tǒng)影響，學生反思能力的培養(yǎng)在我國沒有引起足夠的重視[6]。反思也是一種高階思維，而高階思維的培養(yǎng)在我國也比較薄弱[7]。從本研究來看，不論是在紙筆測試中，還是訪談中，能夠?qū)Y(jié)果進行反思的是少數(shù)學生，這個證據(jù)驗證了之前一些學者的說法。不過在訪談的學生中，有人能夠深入思考了結(jié)構(gòu)的合理性，這說明高中生是能夠具備反思意識的，并能以此提高推理的質(zhì)量。反思能力不論是在學術(shù)上，還是生活中都具有重要價值。因此，在平時的教育教學中應注重學生的反思能力培養(yǎng)。

從研究的結(jié)果可以看出，學生在進行證據(jù)推理時呈現(xiàn)出諸多特點，也暴露出了諸多問題。在高中化學課程中落實基礎(chǔ)知識、培養(yǎng)證據(jù)意識、加強反思環(huán)節(jié)對于培養(yǎng)學生“證據(jù)推理”能力有促進作用。在實際教學中，教師還需據(jù)此形成有效的操作性策略，如讓學生有序體驗并持續(xù)反思推理過程?！白C據(jù)推理”的培養(yǎng)并不能一蹴而就，需要納入日常的教學設(shè)計中，設(shè)計真實情境，激發(fā)學生的問題意識，加強學生學習活動中的反思行為，從而落實化學學科核心素養(yǎng)。

參考文獻：

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