從數(shù)據(jù)出發(fā)

薛琴 黃謙

摘要：培養(yǎng)學(xué)生分析、處理數(shù)據(jù)并從中獲取信息、加工信息的能力，無論是在高考中還是將來學(xué)生從事科學(xué)研究都非常重要，這是學(xué)科核心素養(yǎng)的重要組成部分。文章以基于數(shù)據(jù)分析的證據(jù)推理在化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用為例，深化對概念的理解、細(xì)化對規(guī)律的探究、強(qiáng)化思維的深刻性、濃化學(xué)生的參與度，發(fā)展學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)分析；證據(jù)推理；核心素養(yǎng)；化學(xué)教學(xué)

文章編號：1008-0546（2022）01-0024-06中圖分類號：G632.41文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.01.006

“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”是普通高中化學(xué)課程的五大學(xué)科核心素養(yǎng)之一?！白C據(jù)推理”是指“基于證據(jù)的推理”。它既是科學(xué)家從事科學(xué)研究的思維方式之一，也是學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的組成部分和具體表現(xiàn)?；瘜W(xué)家可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到證據(jù)，通過相關(guān)的推理建立相應(yīng)的認(rèn)識模型并不斷修正?；瘜W(xué)上的很多重要規(guī)律和認(rèn)識，都是在大量的事實(shí)證據(jù)中發(fā)現(xiàn)的。

一、知識、信息、數(shù)據(jù)與證據(jù)推理

“證據(jù)”是學(xué)生通過科學(xué)探究開展學(xué)習(xí)活動的重要基礎(chǔ)和前提條件，在化學(xué)中的證據(jù)就是各種可見的化學(xué)現(xiàn)象、化學(xué)基礎(chǔ)知識和規(guī)律，以及抽象的各種數(shù)據(jù)等。本文主要闡述證據(jù)推理中的各種數(shù)據(jù)分析與應(yīng)用。數(shù)據(jù)有間接數(shù)據(jù)和直接數(shù)據(jù)之分。間接數(shù)據(jù)是指文獻(xiàn)資料和調(diào)查數(shù)據(jù)，主要來自各版本的高中化學(xué)教科書、普通化學(xué)原理等大學(xué)化學(xué)教材、各類化學(xué)工作手冊、各類論文論著等，也可以是學(xué)習(xí)者在調(diào)查和訪談時獲得的相關(guān)數(shù)據(jù)與材料；直接數(shù)據(jù)是指學(xué)生在課堂中通過實(shí)驗(yàn)、或者通過計(jì)算直接得到的數(shù)據(jù)。

在進(jìn)行推理時所需要的“證據(jù)”就是“信息”，它可能是以數(shù)據(jù)的形式呈現(xiàn)。同時，證據(jù)也可能是某種確定的、或者抽象意義的知識，是在數(shù)據(jù)、信息理解基礎(chǔ)之上形成的，具有可利用的形式。一般來說，數(shù)據(jù)需要經(jīng)過處理和整合，才能更為他人理解、傳播等，此時的數(shù)據(jù)已經(jīng)具有信息的形態(tài)[1]。對信息進(jìn)行加工的思維方式就是證據(jù)推理（見圖1）。

結(jié)合化學(xué)學(xué)科的特點(diǎn)，關(guān)鍵認(rèn)知能力主要表現(xiàn)為證據(jù)推理能力、科學(xué)探究能力、應(yīng)用化學(xué)知識解決實(shí)際問題的能力和批判創(chuàng)新的思維能力這四個方面。關(guān)鍵認(rèn)知能力各要素之間相互促進(jìn)、相互補(bǔ)益，其核心是證據(jù)推理能力[2]?；瘜W(xué)教學(xué)中的“證據(jù)推理”指的是根據(jù)化學(xué)概念、理論知識，從已有經(jīng)驗(yàn)、問題情境中識別、轉(zhuǎn)換、形成證據(jù)，通過比較分析、抽象概括和歸納演繹等進(jìn)行推理，從而獲得結(jié)論、解決問題的綜合能力表現(xiàn)，強(qiáng)調(diào)的是利用科學(xué)相關(guān)的證據(jù)，體現(xiàn)科學(xué)推理的思維要求[3]。

二、證據(jù)推理核心素養(yǎng)在普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）中的課程理念和要求

根據(jù)化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)對高中學(xué)生發(fā)展的具體要求，作為核心素養(yǎng)的“證據(jù)推理”其課程目標(biāo)是：（1）能夠基于證據(jù)進(jìn)行分析推理，證實(shí)或證偽假設(shè)；（2）能夠通過分析、推理等方法認(rèn)識研究對象的本質(zhì)特征、構(gòu)成要素及其相互關(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（見表1）。

一方面，江蘇高考試題的發(fā)展越來越注重對知識運(yùn)用能力的考查，試題背景信息出現(xiàn)了大量的圖像和表格，要求學(xué)生具有較強(qiáng)的對表格數(shù)據(jù)、圖像數(shù)據(jù)的信息獲取和分析能力；另一方面，在掌握基礎(chǔ)知識的同時滲透對證據(jù)推理數(shù)據(jù)分析能力的培養(yǎng)。數(shù)據(jù)分析推理的過程是科學(xué)方法的傳授，發(fā)展學(xué)生的化學(xué)學(xué)科思維、證據(jù)推理的方法比僅僅記住一些重點(diǎn)教學(xué)內(nèi)容更加重要。數(shù)據(jù)分析的方法和證據(jù)推理能力的培養(yǎng)是重要的教學(xué)目標(biāo)。

分析《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》發(fā)現(xiàn)（見表2）：基于數(shù)據(jù)分析和應(yīng)用的證據(jù)推理在物質(zhì)結(jié)構(gòu)和化學(xué)反應(yīng)原理的知識模塊中應(yīng)用較多，在必修化學(xué)中涉及較少，有機(jī)化學(xué)基礎(chǔ)模塊中也較少涉及。

三、基于數(shù)據(jù)分析的證據(jù)推理在發(fā)展學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的應(yīng)用

證據(jù)推理是多方面的，數(shù)據(jù)的分析應(yīng)用是其中很重要的一環(huán)。數(shù)據(jù)分析的目的是將一大批看似雜亂無章的數(shù)據(jù)進(jìn)行信息的集中、萃取和提煉，以找出研究對象的內(nèi)在規(guī)律。在化學(xué)教學(xué)中的數(shù)據(jù)應(yīng)用涉及到數(shù)據(jù)的觀察、數(shù)據(jù)的對比、數(shù)據(jù)的表述和數(shù)據(jù)的分析等。有的數(shù)據(jù)不是很直觀，我們可以借助坐標(biāo)系統(tǒng)畫出曲線圖、柱狀圖、面積圖等；通過趨勢線對數(shù)據(jù)進(jìn)行探究、尋找數(shù)據(jù)表象背后的理論支撐，解釋和預(yù)測數(shù)據(jù)，也可以通過一些數(shù)據(jù)的對比，確定實(shí)驗(yàn)方案。

教學(xué)中應(yīng)充分挖掘和利用各種相關(guān)的數(shù)據(jù)資源，讓學(xué)生體驗(yàn)科學(xué)論證過程，提升他們的證據(jù)推理能力。一門學(xué)科對學(xué)生發(fā)展的價值，除了學(xué)科領(lǐng)域的知識以外，從更深的層次看，還應(yīng)該給予學(xué)生認(rèn)識世界和解決問題提供獨(dú)特的視角、思維的方法和特有的邏輯。這就是學(xué)科核心素養(yǎng)。

1.通過數(shù)據(jù)分析、證據(jù)推理，發(fā)展“科學(xué)態(tài)度與社會責(zé)任”的核心素養(yǎng)

2004年，某市物價局公布了該市天然氣銷售價格。其中居民生活用天然氣的價格變?yōu)樵瓉砉艿烂簹鈨r格的兩倍。十幾年前燃?xì)舛▋r時，廣大市民不理解。使用天然氣后，燃?xì)鈨r格真的變貴了嗎？

市民消費(fèi)的是燃?xì)?，但是根本消費(fèi)的是燃?xì)猱a(chǎn)生的熱量。因此需要比較的是使用不同燃?xì)馇昂髥挝粺崃康膬r格。從反應(yīng)熱的視角來分析，天然氣的燃燒熱（890.3kJ？mol-1）是煤氣的燃燒熱（CO的燃燒熱為283.0 kJ？mol-1，H2的燃燒熱為285.8kJ·mol-1）的3倍多，而等體積燃?xì)獾膬r格只多了1倍，所以使用天然氣反而更便宜了（見表3）。

另外，從2019年6月1日開始，民用氣價按全年用量分三個階梯收費(fèi)（見表4）：

根據(jù)單位熱量價格的換算，從表4數(shù)據(jù)可以看出，即使在調(diào)整燃?xì)鈨r格15年之后，301～600階梯段的價格才基本與2004年之前的煤氣價格持平。這還是在多年通貨膨脹之后做出的比較。可見，燃?xì)獾膬r格確實(shí)越來越實(shí)惠了。

設(shè)計(jì)意圖：通過引入生活中的真實(shí)情境，引導(dǎo)學(xué)生在發(fā)現(xiàn)問題解決問題的過程中能夠自覺運(yùn)用化學(xué)的思維方式進(jìn)行有邏輯地思考，習(xí)慣于運(yùn)用數(shù)據(jù)與事實(shí)進(jìn)行有證據(jù)地表達(dá)與交流。能依據(jù)證據(jù)證明或證偽假設(shè)。不被大眾的輿論所裹挾，人云亦云，而應(yīng)該有自己獨(dú)立的見解和思考。

2.通過數(shù)據(jù)分析、證據(jù)推理，發(fā)展“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”的核心素養(yǎng)

根據(jù)表5數(shù)據(jù)，以溫度為橫坐標(biāo)，密度為縱坐標(biāo)做出圖2。

圖2可以很直觀地發(fā)現(xiàn)，從0℃到4℃，水的密度逐漸增大，4℃達(dá)到最大。4℃以后，水的密度隨溫度升高又逐漸減小。

溫度升高，液體的體積膨脹，會帶來其密度的減小，這是學(xué)生的物理學(xué)常識。然而從0℃到4℃，水的密度不降反升，這種反?，F(xiàn)象究竟是如何發(fā)生的？0℃到4℃的水中一定有我們不知道的秘密。另一個生活常識是，水結(jié)冰之后體積會發(fā)生膨脹，在冰中間存在著大量的空腔。可以想象，空腔的產(chǎn)生意味著固態(tài)的水有著固定的晶體結(jié)構(gòu)。此處應(yīng)該有一種特殊的分子間作用力支撐起這種固定的晶體結(jié)構(gòu)。

既然有這種作用力的存在，這種作用力會不會對水的熔沸點(diǎn)也產(chǎn)生一些特別的影響呢？此時教師給出了IVA、VA、VIA、VIIA元素形成的氫化物沸點(diǎn)變化趨勢圖（圖3）。

可以發(fā)現(xiàn)NH3、H2O和HF沸點(diǎn)突然升高，意味著一定有額外的分子間作用力存在。結(jié)合元素周期表中“構(gòu)”“位”“性”三者關(guān)系，引導(dǎo)學(xué)生推導(dǎo)出原子半徑小，電負(fù)性大，吸引電子的能力很強(qiáng)，生成的HF、H2O、NH3的共價鍵的極性很強(qiáng)，共用電子對強(qiáng)烈偏移，使H原子幾乎成為“裸露”的質(zhì)子，進(jìn)而在靜電作用的本質(zhì)上提出了氫鍵的概念。

能夠形成這種晶體結(jié)構(gòu)的正是氫鍵。再次分析水的密度變化：當(dāng)溫度逐漸升高時，冰逐漸融化，從0℃到4℃過程中破壞了冰的晶體中有規(guī)律的氫鍵，使得水分子中的空腔減少，水的密度增大；4℃以后，由于水仍然是液體，分子間距離很小，雖然氫鍵繼續(xù)存在，但是不斷被破壞，隨著分子熱運(yùn)動加劇，此時以水的熱膨脹為主導(dǎo)，密度減小。

設(shè)計(jì)意圖：從宏觀和微觀結(jié)合上收集證據(jù)，依據(jù)證據(jù)從不同視角分析問題，推出合理的結(jié)論。在化學(xué)教學(xué)中，教師要能夠有意識地引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注一些“反?！睌?shù)據(jù)，關(guān)注實(shí)驗(yàn)過程中所表現(xiàn)的形態(tài)變化，通過想象理解物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)特征，建立“觀察—假設(shè)—實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證—理論—修正—再驗(yàn)證—再修正理論”這樣的研究方法，發(fā)展學(xué)生證據(jù)推理與模型認(rèn)知核心素養(yǎng)。

3.通過數(shù)據(jù)分析、證據(jù)推理，發(fā)展“宏觀辨識與微觀探析”的核心素養(yǎng)

1903年，湯姆遜在發(fā)現(xiàn)電子的基礎(chǔ)上提出了原子結(jié)構(gòu)的“葡萄干布丁”模型，開始涉及原子內(nèi)部的結(jié)構(gòu)。1911年，物理學(xué)家盧瑟福根據(jù)α粒子散射實(shí)驗(yàn)提出了原子結(jié)構(gòu)的核式模型。那么原子核外電子分層排布的證據(jù)是什么呢？

教師給出由Na原子到Ar原子的各電離能的數(shù)據(jù)（見表6）。

根據(jù)電離能的定義可知，電離能越小，表示在氣態(tài)時該元素的原子（或離子）越容易失去電子；反之，電離能越大，表示在氣態(tài)時該元素的原子（或離子）越難失去電子。通常運(yùn)用電離能數(shù)值來判斷金屬元素的原子在氣態(tài)時失去電子的難易程度。

分析表6數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)從縱列看，同種元素的原子從I1到I6數(shù)據(jù)不斷增大，說明電子越來越難電離，原子核對電子的吸引力不斷增強(qiáng)?！胺闯！敝幵谟谧兓龃蟮倪^程中數(shù)據(jù)會突然增大很多。引導(dǎo)學(xué)生分析，每一種元素的原子都有一些電子處于最外層，這些電子相對容易失去，此時電離能較小。當(dāng)失去最外層電子之后，進(jìn)入內(nèi)一層，原子核對電子的吸引力突然增強(qiáng)很多，導(dǎo)致電子更難失去，電離能增大。這是核外電子分層排布的一個重要證據(jù)。

設(shè)計(jì)意圖：“核外電子是分層排布的?！边@一知識點(diǎn)同學(xué)們初中就已經(jīng)知道。但是在教學(xué)設(shè)計(jì)中為什么要花費(fèi)這么多時間給出這么多數(shù)據(jù)來重新學(xué)習(xí)呢？我們重新經(jīng)歷的不是學(xué)習(xí)知識點(diǎn)的過程，而是正在經(jīng)歷尋找證據(jù)的過程。“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)”。電子看不見也摸不著，但是通過對宏觀可測得的電離能數(shù)據(jù)的分析，我們可以窺見微觀世界的奧秘。在這里解決問題的方法比記住這些問題的答案更為重要。

4.通過數(shù)據(jù)分析、證據(jù)推理，發(fā)展“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識”的核心素養(yǎng)

將合成氨工業(yè)過程與索爾維氨堿法制備純堿工業(yè)過程相聯(lián)系，此時的氨堿法制堿就被稱為聯(lián)合制堿法。這是侯氏制堿法的最大特點(diǎn)之一。但就析出NaHCO3反應(yīng)過程而言，索爾維氨堿法與侯氏制堿法的原理是一致的。

設(shè)計(jì)意圖：溶解度的概念是一個經(jīng)驗(yàn)規(guī)律，物質(zhì)的量濃度是更能準(zhǔn)確評價物質(zhì)溶解性的一種參數(shù)。此處將溶解度轉(zhuǎn)化為物質(zhì)的量濃度的方法來進(jìn)行思考，使學(xué)生的思維方式從經(jīng)驗(yàn)的直觀走向科學(xué)的理性。通過引用侯氏制堿法的真實(shí)案例，從數(shù)據(jù)分析和處理的角度出發(fā)，通過定性分析和定量計(jì)算推出合理的結(jié)論，進(jìn)行科學(xué)探究，同時敢于質(zhì)疑，勇于創(chuàng)新。

5.通過數(shù)據(jù)分析、證據(jù)推理，發(fā)展“變化觀念與平衡思想”的核心素養(yǎng)

問題一：根據(jù)表8各難溶電解質(zhì)的溶度積常數(shù)，分別計(jì)算初始濃度為1 mol/L、0.1 mol/L、0.01 mol/L、 0.001 mol/L Cu2+、Fe2+、Fe3+溶液中開始形成沉淀的pH值、沉淀完全（<10-5mol/L）的pH值。計(jì)算過程中允許學(xué)生使用計(jì)算器。這里鞏固的是溶度積常數(shù)的概念，強(qiáng)調(diào)的是計(jì)算的方法和思路，而不是運(yùn)算能力。同時可以安排學(xué)生分組計(jì)算。計(jì)算結(jié)果如表9。

問題二：如何通過調(diào)節(jié)pH的方法，將混合溶液中的Cu2+、Fe2+、Fe3+分離出來？

根據(jù)表9的數(shù)據(jù)，以pH值從小到大為數(shù)軸，學(xué)生繪制Cu2+、Fe2+、Fe3+這三種離子開始形成沉淀的pH值到沉淀完全的pH值范圍。

通過數(shù)軸范圍可以分析得到：當(dāng)c始=1 mol/L時，Cu2+和Fe2+沉淀pH范圍有重疊，此外即使將Fe2+全部氧化為Fe3+之后，在pH=3.2時也很難控制Cu2+和Fe3+徹底分離。當(dāng)起始濃度逐漸減小時，三種離子隨pH值的變化其分離度逐漸增大。但是當(dāng)c始=0.001 mol/L時，溶液濃度過稀，實(shí)用價值不大。在c始=0.1 mol/L時，濃度不大不小，實(shí)用價值高。但是此時Cu2+完全沉淀的pH為6.7，與Fe2+開始沉淀的pH值6.9靠的太近，不易控制，此時可以將Fe2+氧化為Fe3+之后再行分離。

設(shè)計(jì)意圖：數(shù)據(jù)分析和處理是最常見、最有效的培養(yǎng)學(xué)生定量觀的手段。通過引導(dǎo)學(xué)生參與數(shù)據(jù)的計(jì)算，親手繪制曲線變化圖能充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，提高其課堂參與度，學(xué)生也能得到更加直觀和深刻的印象。通過對不同濃度、不同pH情境條件下沉淀溶解平衡的討論、數(shù)據(jù)分析和處理，發(fā)展學(xué)生變化觀念與平衡思想核心素養(yǎng)，促進(jìn)學(xué)生認(rèn)識溶液pH的調(diào)控在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究中的重要作用。

四、補(bǔ)充說明幾個問題

1.證據(jù)推理是學(xué)生經(jīng)歷的“再發(fā)現(xiàn)”和“再創(chuàng)造”的過程

學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中所學(xué)的知識，大都是前人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)和創(chuàng)造的知識和經(jīng)驗(yàn)。建構(gòu)主義強(qiáng)調(diào)，教學(xué)應(yīng)該把學(xué)習(xí)者原有的知識經(jīng)驗(yàn)作為新知識的生長點(diǎn)，引導(dǎo)學(xué)習(xí)者從原有的知識經(jīng)驗(yàn)出發(fā)，依靠他們的認(rèn)知能力，形成對問題的解釋，提出他們的假設(shè)，主動建構(gòu)新的知識經(jīng)驗(yàn)。這個“再發(fā)現(xiàn)”和“再創(chuàng)造”的過程不能簡單粗暴地從外部對學(xué)習(xí)者實(shí)施知識的“填灌”，而是他們通過自己的證據(jù)推理和探究習(xí)得的。

2.學(xué)生的證據(jù)意識和能力是需要教師著力培養(yǎng)的

證據(jù)意識是學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中的一種重要的心理狀態(tài)。通過培養(yǎng)學(xué)生的證據(jù)意識，可以培養(yǎng)他們的批判精神，體現(xiàn)了學(xué)生對科學(xué)和事實(shí)的尊重。而這種意識和能力不是一朝一夕就能夠形成的，需要教師在課堂教學(xué)中好好設(shè)計(jì)著重培養(yǎng)。不可否認(rèn)，一節(jié)課的時間是有限的，有些探究環(huán)節(jié)在課堂上逐一實(shí)施會遇到很大困難。因此，對于植根于證據(jù)推理的探究能力的培養(yǎng)需要化整為零，通過將其合理分割成若干個環(huán)節(jié)，可以將幾節(jié)課或一個單元為一個整體，將探究系統(tǒng)化。

3.在數(shù)據(jù)分析中合理引入數(shù)字化技術(shù)將極大地提高探究效率

首先，通過數(shù)據(jù)結(jié)合Excel等計(jì)算機(jī)軟件輸出可視化報(bào)表和圖像將更加直觀，可以帶來很大的視覺沖擊力，能夠非常容易看出數(shù)據(jù)的拐點(diǎn)、變化的趨勢，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)中所隱藏的問題；其次，借助于各類傳感器技術(shù)開展數(shù)字化實(shí)驗(yàn)探究，可以更加快速地采集數(shù)據(jù)、更加直觀地得到各類變化曲線，可及時調(diào)整我們的思路，提高探究的效率。

當(dāng)前，仍然有不少教師沉溺于結(jié)論性知識的傳授，或者一味地提高教學(xué)的難度和知識的深度，造成中學(xué)教學(xué)的大學(xué)化，這樣的教學(xué)充其量只是提前傳授一些高深的化學(xué)知識。知識本身的確很重要，但是教學(xué)過程中還有遠(yuǎn)比一味地傳授知識多得多的東西值得我們?nèi)リP(guān)注和發(fā)現(xiàn)。帶領(lǐng)學(xué)生認(rèn)識世界，重構(gòu)對中學(xué)化學(xué)教學(xué)的理解和實(shí)踐，努力改變純傳授知識的教學(xué)現(xiàn)狀，有效落實(shí)“素養(yǎng)為本”的教育理念，還有很多東西值得我們?nèi)パ芯俊?/p>

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