證據推理能力模型的建構及在評價中的應用

劉東方 鄒琳 孫聞 劉宇鋒

摘 要 基于能力結構理論、智力三維結構理論、認識理論、信息加工理論和證據推理的基本理論，建構了證據推理能力的構成模型，該模型具有三個維度：推理過程、推理類型、不同類型推理任務。其中推理過程包含：證據、推理思路與推理結論。將學生在完成概念原理推理任務的過程中表現出的化學證據推理過程、推理類型結合起來進行評價，是評價化學證據推理能力水平的有效途徑。

關鍵詞 中學化學 證據推理能力 概念 原理 評價

一、問題的提出

在化學學習中，結論的得出無不需要根據證據進行推理的過程，科學推理是科學思維中最重要的組成部分[1]。得出的結論是加工了客觀事實后理性的分析判斷結果，而非感覺或想當然，是衡量學科素養(yǎng)水平的重要標志之一。然而，在化學學習中，學生證據推理能力的發(fā)展卻不盡如人意。重要原因之一是教師的認識和指導不足，主要有兩個方面的表現：第一，對化學證據推理能力的構成要素的認識較為模糊。由于在普通高中化學課程標準中首次提出“證據推理”素養(yǎng)，在以往的教學中教師大都沒有關注證據推理應該有哪些具體的表現。第二，不了解學生證據推理能力的發(fā)展情況，也不清楚該如何評價。因此，中學生化學證據推理能力應該由哪些要素構成，應如何評價，是要解決的關鍵問題。

二、化學證據推理能力的構成模型

證據推理，涉及到證據和推理兩個部分。“證據”一般指判定事實的依據。在化學學科中，證據是指用以認識未知化學世界及其規(guī)律的事實和材料，包括化學事實性材料及化學變化規(guī)律?！巴评怼笔侵溉嗽陬^腦中根據已知信息，經過分析與綜合，引出新判斷、解決新問題的過程。

化學證據推理能力是以客觀存在的化學事實為證據，經過頭腦中的邏輯思維過程，推出新的化學變化規(guī)律和結論及解決化學問題的能力。

依據能力結構理論、吉爾福特的智力三維結構理論、認知理論、信息加工理論和證據推理的基本理論，建構證據推理能力的三個要素：“內容”，即各種類型的推理任務;“操作”，即完成證據推理的全過程;“產品”，即經過推理過程而獲得的成果或結論[2]。筆者以高中化學概念原理內容為例，建構出化學證據推理能力的表現模型，如圖1所示。

（一）推理過程

證據推理主要包括證據、推理思路與推理結論。

1.證據。證據推理由證據開始，到得出結論結束，其本質就是經由分析、猜測和推理，建構證據與結論之間的邏輯關系。化學證據的類型主要有：基于生活經驗的證據、基于自然現象的證據、化學史實性證據、事實性證據，具體如下頁表1所示。

2.推理思路。推理思路是完成化學推理任務所需要的思維程序和思維路徑。一般來說，在面對要解決的問題時，首先，尋找與之相關的證據。證據信息可能以多樣的方式呈現出來，而推理的開始，就是從眾多信息中，提煉出相關的、有效的信息，找到本質要素。其次，根據證據和要解決的問題，找出信息之間的聯系，如因果關系、并列關系、條件關系等。再次，經過系統思考，將每個步驟連貫起來，確定解決問題的路徑。在面對不同類型的推理任務時，相應的推理思路也隨之不同。例如，面對離子推斷任務時，推理思路是：根據給定信息，找到關鍵實驗現象作為證據→確定溶液中一定存在（或不存在）的離子→利用已經確定的離子，進一步判斷溶液中一定不存在的離子→根據電中性原則，確定隱含的離子→進一步排除實驗中自身生成或引入的離子。具體的推理思路如圖2所示。而在順暢的推理思路形成的同時，已經在眾多證據中，甄別和選擇出了有價值的信息，即選擇了能夠有效得出結論、解決問題的思路。

再如，面對氧化還原反應計算的推理任務時，推理思路是：利用化學變化守恒的思想，知道氧化劑與還原劑的電子得失情況相同→找出氧化劑和還原劑及其對應的氧化產物和還原產物→找出一個原子或離子的得失電子數→根據得失電子守恒列出等式→求出轉移電子的數目。

推理思路是證據推理的核心思維過程，是一種綜合性與系統性的分析、提煉、綜合的過程。正確的推理思路體現了較高的邏輯思維水平。

3.推理結論。推理結論是基于一定的化學前提信息，對其進行綜合分析所做出的判斷及得出的結論。證據、推理思路的選擇，決定了推理結論。例如，在判斷有機物的合成過程時，使用的試劑與條件不同，邏輯順序不同，則會得出不同的合成路線。

（二）不同類型的推理任務

評價化學證據推理能力，首先需要設計適宜的推理任務。以化學概念原理為例，其核心內容主要有：物質的量、物質結構和元素周期律、氧化還原反應、離子反應、水溶液中的離子平衡、化學反應速率與平衡、化學反應與能量、電化學等。進一步分析這些內容所涉及的推理任務主要有：（1）關于物質的量的推理任務是基于物質的量進行相關計算;（2）關于離子反應的推理任務是利用守恒法正確書寫離子反應方程式、離子推斷;（3）關于氧化還原反應的推理任務是利用守恒法書寫氧化還原方程式、計算氧化還原反應中的電子得失;（4）關于物質結構和元素周期律的推理任務是根據元素預測物質的性質;（5）關于化學反應與能量的推理任務是計算化學反應中的能量變化;（6）關于化學反應速率與平衡的推理任務是影響化學反應速率因素的推理;（7）關于水溶液中的離子平衡的推理任務是利用守恒法比較離子濃度;（8）關于電化學的推理任務是原電池的工作原理與應用、電解池的工作原理與應用等。

（三）推理類型

為考查學生的推理能力，不同國家和地區(qū)的學者如皮亞杰、Roadrangka、Capie和Tobin等人將推理能力分類并開發(fā)了測試工具。筆者從中提煉出下述5種推理類型，闡述其在化學概念原理中所涉及的主要任務類型。（1）比例推理，主要任務有：基于物質的量進行計算、計算氧化還原反應中的電子得失、計算化學反應中的能量變化等;（2）守恒推理，主要任務有：離子推斷、氧化還原反應的計算、氧化還原反應方程式的書寫、水溶液中的溶質及離子濃度大小的比較、離子方程式的書寫、原電池的工作原理與應用;（3）控制變量推理，主要任務有：影響化學反應速率因素的推理;（4）類比推理，主要任務有：根據元素預測物質的性質;（5）組合推理，主要任務有：離子推斷、化學反應中能量的計算、原電池的工作原理與應用。

三、應用模型評價化學證據推理能力的方法

（一）推理過程的評價方法

在評價時，可以將推理過程的要素劃分成多個不同的表現水平，可以依據深刻性、系統性、相關性、創(chuàng)造性等，表現水平分別為“無關—局部相關—完整相關”“孤立—簡單系統—復雜聯系—復雜系統”“輸出有誤—局部—嚴密完整”等。例如，“證據”的水平1為“收集不出和推理任務有關的證據和線索”;水平2為“能收集到部分和推理任務相關的信息，但是并不完整”;水平3為“能夠收集到與推理任務相關并且完整的證據和信息”?！巴评磉^程”的水平1為“不會用收集到的證據進行推理”;水平2為“在簡單情境下能夠進行系統推理并得出結論”;水平3為“在復雜情境下能將證據與推理任務部分進行聯系，得出不完整的結論”;水平4為“能夠在復雜情境下將證據與推理任務進行有效聯系，系統地進行分析與綜合并得出完整結論”。“推理結論”的水平1為“雖然能得出結論，但是無法將推理過程與結論表達出來”;水平2為“能將得出的結論和推理過程部分表達出來，或表達不嚴密”;水平3為“能將得出的結論與推理過程嚴密、系統地表達出來”。

（二）不同類型推理任務中推理思路的評價方法

在研究過程中，需將推理類型運用到不同類型的推理任務中去進行推理，因此，推理類型的應用主要體現在不同類型推理任務的推理思路中。在評價時，劃分表現水平可以根據推理思路的關鍵性和完整性，主要表現為“是否具備關鍵點”“局部—完整”。例如，氧化還原反應方程式書寫的推理任務屬于守恒推理，低水平表現為找不到關鍵的變價元素，不能形成完整、順暢的思路;高水平表現為能夠找出關鍵的變價元素，能夠判定得失電子情況并進一步將化學方程式配平。

在應用本模型評價時，為了體現出學生化學證據推理能力發(fā)展水平的完整性，須將推理過程和推理類型有機地結合起來進行評價。

[參 考 文 獻]

[1]王磊.基于學生核心素養(yǎng)的化學學科能力研究[M].北京：北京師范大學出版社，2017：14-15.

[2]劉東方.科學探究能力表現模型的建構及其在評價中的應用[J].課程·教材·教法，2018，38（9）：122-127.

（責任編輯：趙曉梅）