基于“證據(jù)推理”的化學(xué)教學(xué)設(shè)計(jì)

曾海輝

摘要： 以“解密自熱包”為例，嘗試建構(gòu)基于證據(jù)推理的化學(xué)探究框架，在教學(xué)中實(shí)踐“證據(jù)調(diào)用證據(jù)獲取科學(xué)論證”的推理論證循環(huán)，提煉以證據(jù)為核心的探究策略，為核心素養(yǎng)背景下的化學(xué)探究教學(xué)提供借鑒與參考。

關(guān)鍵詞： 初中化學(xué); 證據(jù)推理; 科學(xué)論證; 模型解釋

文章編號(hào)： 10056629（2022）09004606

中圖分類號(hào)： G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

“證據(jù)推理”不僅是重要的科學(xué)思維，更是化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的內(nèi)容之一，它是掌握化學(xué)核心概念、實(shí)踐科學(xué)探究、培養(yǎng)化學(xué)學(xué)科能力、解決實(shí)際問(wèn)題的關(guān)鍵。將證據(jù)推理引入化學(xué)教學(xué)，可起到細(xì)化教學(xué)環(huán)節(jié)、突出科學(xué)思維、強(qiáng)化學(xué)科能力的作用，是落實(shí)化學(xué)學(xué)科素養(yǎng)的有效途徑。本文將以九年級(jí)復(fù)習(xí)課“解密自熱包”為例，對(duì)基于“證據(jù)推理”的化學(xué)教學(xué)設(shè)計(jì)進(jìn)行具體說(shuō)明。

1 基于“證據(jù)推理”的化學(xué)教學(xué)框架

在復(fù)習(xí)課“解密自熱包”的教學(xué)中，教師以自嗨鍋的發(fā)熱原理為情境，設(shè)計(jì)了基于證據(jù)推理的教學(xué)過(guò)程，引導(dǎo)學(xué)生從已有經(jīng)驗(yàn)、問(wèn)題情境中識(shí)別、轉(zhuǎn)換、形成證據(jù)，利用證據(jù)進(jìn)行推理，從而獲得結(jié)論，解決問(wèn)題[1]。教學(xué)框架設(shè)計(jì)如圖1所示。

教學(xué)框架以“證據(jù)”為核心，包含科學(xué)推理、科學(xué)論證、建模解釋、科學(xué)實(shí)踐四個(gè)隱含要素。

1.1 證據(jù)

貫穿于“解密自熱包”教學(xué)的全過(guò)程，是自熱包原理探究過(guò)程中學(xué)生做出判斷的理由與依據(jù)，它是科學(xué)推理與論證的起點(diǎn)，具體包含兩層含意： 一是學(xué)生所獲得的可用于推理論證過(guò)程的信息和數(shù)據(jù)。如實(shí)驗(yàn)中的現(xiàn)象與數(shù)據(jù)、情境中獲取的信息、調(diào)用和轉(zhuǎn)化的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)以及其他權(quán)威研究的報(bào)告、資料與數(shù)據(jù)等均可成為證據(jù);二是獲得（形成）證據(jù)的過(guò)程，包括確定所需的證據(jù)、設(shè)計(jì)實(shí)施方案獲取證據(jù)、處理證據(jù)數(shù)據(jù)、評(píng)價(jià)檢驗(yàn)證據(jù)等過(guò)程。

1.2 科學(xué)推理

主要包括正向推理（由證據(jù)推理出結(jié)論）和逆向推理（由結(jié)論反向推理出所需的證據(jù)）兩種形式[2]。它們是探究式學(xué)習(xí)的主要思維方式： 正向推理主要作用于建立假設(shè)與得出結(jié)論的過(guò)程，偏重集中思維;逆向推理則作用于由假設(shè)推理出所需證據(jù)，進(jìn)而設(shè)計(jì)方案取證，偏重發(fā)散思維。兩者均不可或缺。

1.3 科學(xué)論證

對(duì)證據(jù)與結(jié)論進(jìn)行邏輯分析，以此來(lái)支持或修正主張，并提供數(shù)據(jù)、資料、文獻(xiàn)等佐證信息，它通過(guò)證據(jù)分析與佐證、科學(xué)推理與解釋、主張反駁與修正等過(guò)程來(lái)共同完成[3]。在基于證據(jù)推理的“解密自熱包”探究教學(xué)中，科學(xué)推理與論證相伴而生，由“證據(jù)獲取科學(xué)論證修正假設(shè)”構(gòu)成的“推理論證循環(huán)”是學(xué)習(xí)者一步步逼近真相、解決問(wèn)題的關(guān)鍵。

1.4 建模解釋

此要素隱含在整個(gè)證據(jù)推理教學(xué)過(guò)程之中。如教學(xué)伊始，學(xué)生結(jié)合情境信息和原有認(rèn)知對(duì)提出的問(wèn)題進(jìn)行初步解釋，并建立假設(shè)，此處的假設(shè)為“心智模型”;實(shí)施探究方案之后基于新的證據(jù)解釋與修正假設(shè)，這是“完善模型”;繼而最后的科學(xué)解釋和問(wèn)題解決過(guò)程，則是“建模遷移”。不難發(fā)現(xiàn)，在模型認(rèn)知的過(guò)程中，科學(xué)解釋總是相伴而生，共同推進(jìn)模型的建構(gòu)、完善與應(yīng)用。

1.5 科學(xué)實(shí)踐

與“科學(xué)探究”同義，它包含了問(wèn)題解決的基本環(huán)節(jié)，是發(fā)展科學(xué)思維、掌握化學(xué)觀念、培養(yǎng)教學(xué)態(tài)度的載體和基礎(chǔ)。本文將其表述為“科學(xué)實(shí)踐”[4]，意在解決現(xiàn)下科學(xué)探究所出現(xiàn)的問(wèn)題： 一是將科學(xué)探究僵化為單一步驟的集合體，缺乏假說(shuō)、推測(cè)、解釋等理論性思考;二是對(duì)科學(xué)探究的解讀陷入“科學(xué)方法”的思維定勢(shì)，弱化科學(xué)思維的作用;三是對(duì)科學(xué)探究的理解未能統(tǒng)一，教學(xué)實(shí)踐千差萬(wàn)別而又偏離重點(diǎn)，浪費(fèi)大量人力物力[5]。

2 基于“證據(jù)推理”的化學(xué)教學(xué)策略

基于“證據(jù)推理”的化學(xué)教學(xué)，旨在通過(guò)證據(jù)推理過(guò)程，提升推理能力，發(fā)展高階思維，培養(yǎng)核心素養(yǎng)。具體做法如下。

2.1 基于證據(jù)調(diào)用，設(shè)計(jì)初步推理

“基于真實(shí)情境的問(wèn)題解決”是發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)的重要途徑，區(qū)別于傳統(tǒng)講授式課堂，它可以提供非良構(gòu)的復(fù)雜情境、隨機(jī)觸發(fā)的探究困境及運(yùn)用高階思維的環(huán)境。基于“證據(jù)推理”的化學(xué)教學(xué)同樣始于真實(shí)情境。在“解密自熱包”教學(xué)中，教師先呈現(xiàn)自嗨鍋的情境，創(chuàng)造機(jī)會(huì)讓學(xué)生獲取情境證據(jù)（信息）、調(diào)用原有證據(jù)（認(rèn)知），經(jīng)過(guò)表達(dá)問(wèn)題、評(píng)價(jià)問(wèn)題，確立“自熱包的發(fā)熱原理”為研究主題。此時(shí)教師提供外部證據(jù)（說(shuō)明書： 自熱包的成分為生石灰、鋁粉、碳酸鈉），讓學(xué)生結(jié)合原有認(rèn)知進(jìn)行正向推理，建立“自熱包熱量主要來(lái)自生石灰與水反應(yīng)”的假設(shè)（見圖2）。

以上過(guò)程中，學(xué)生體驗(yàn)了兩次推理過(guò)程： 第一次是提問(wèn)環(huán)節(jié)，學(xué)生心中會(huì)產(chǎn)生很多與情境有關(guān)的問(wèn)題，他們會(huì)在極短時(shí)間內(nèi)，利用情境與原有認(rèn)知中的有限信息進(jìn)行推理，從而篩選出還未解決的問(wèn)題，優(yōu)化問(wèn)題質(zhì)量，為主問(wèn)題的確立打下基礎(chǔ);第二次是建立假設(shè)的過(guò)程，學(xué)生需對(duì)問(wèn)題的難易程度做出判斷、解決策略做出選擇、解決方案進(jìn)行構(gòu)思，這些都需要獲取外部證據(jù)（如說(shuō)明書）、原有證據(jù)進(jìn)行正向推理而實(shí)現(xiàn)。此過(guò)程中的證據(jù)推理都是基于“證據(jù)→結(jié)論”的正向推理過(guò)程。

2.2 基于證據(jù)獲取，建構(gòu)論證循環(huán)

“基于證據(jù)推理的自熱包探究”將推理、設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)、論證捆綁結(jié)合。首先基于假設(shè)進(jìn)行逆向推理確認(rèn)所需證據(jù)，而后以團(tuán)隊(duì)合作的方式進(jìn)入方案的設(shè)計(jì)與實(shí)施環(huán)節(jié)獲得一手實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，最后分析論證及修正假設(shè)，再次進(jìn)入基于假設(shè)的逆向推理過(guò)程。如此往復(fù)，構(gòu)成“推理論證循環(huán)”（見圖3）。

此過(guò)程中學(xué)生共經(jīng)歷三次“推理論證循環(huán)”：

第一次是實(shí)施方案1之后，學(xué)生發(fā)現(xiàn)生石灰與水反應(yīng)后的溫度僅僅升高至43℃左右，這與說(shuō)明書中標(biāo)示的200℃相差甚遠(yuǎn)。經(jīng)推理論證得知是實(shí)驗(yàn)方案中未考慮變量控制問(wèn)題，即拿“少量的生石灰”的發(fā)熱數(shù)據(jù)與“整包自熱粉”的發(fā)熱效果進(jìn)行比較，沒(méi)有控制兩者的質(zhì)量應(yīng)該相同。于是對(duì)實(shí)驗(yàn)方案中的變量控制進(jìn)行優(yōu)化，從而排除了探究錯(cuò)誤，明確了探究方向。

第二次是利用溫度傳感器獲得生石灰與水反應(yīng)的溫度曲線后，學(xué)生將其與自熱粉的溫度曲線進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)兩者仍有較大區(qū)別（見圖4），即生石灰升溫早，上升慢，末溫低，持續(xù)時(shí)間短;自熱粉升溫晚，上升快，末溫高，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。通過(guò)推理論證，確定是假設(shè)存在缺陷，此時(shí)學(xué)生結(jié)合已有知識(shí)，對(duì)假設(shè)進(jìn)行修正，將可能性鎖定在“其他成分相互反應(yīng)”上。

第三次是在發(fā)現(xiàn)其他成分相互作用均無(wú)明顯發(fā)熱現(xiàn)象后，再次推理論證，并修正假設(shè)，將可能性鎖定在“生成物（氫氧化鈉、氫氧化鈣）與鋁粉的反應(yīng)”上，最終獲得新的溫度數(shù)據(jù)曲線（見圖5），確認(rèn)自熱粉的熱量來(lái)源。

如此循環(huán)反復(fù)，在不斷的科學(xué)推理、證據(jù)分析、假設(shè)修正的過(guò)程中突破困境，一步一步逼近問(wèn)題的真相，直到證據(jù)符合預(yù)期。

三次“推理論證循環(huán)”，均包含由結(jié)論到證據(jù)的正向推理和由證據(jù)到結(jié)論的逆向推理兩種思維過(guò)程，而這些都基于“證據(jù)”進(jìn)行，包括3次調(diào)取原有證據(jù)（認(rèn)

知）、3次逆向推理確定所需證據(jù)、3次處理生成證據(jù)（實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)）。因此，證據(jù)是推理論證的核心與關(guān)鍵。此外，學(xué)生在推理與論證的同時(shí)，經(jīng)歷了科學(xué)實(shí)驗(yàn)、調(diào)查研究、資料查閱、詢問(wèn)求助等研究過(guò)程以及合作、討論、評(píng)價(jià)、辯論、說(shuō)服、反駁等實(shí)踐過(guò)程。

2.3 基于證據(jù)建模，推進(jìn)問(wèn)題解決

學(xué)生經(jīng)過(guò)以上的“推理論證循環(huán)”之后，獲得了與預(yù)期相符的證據(jù)集合，即“證據(jù)群”。但證據(jù)與證據(jù)，證據(jù)、結(jié)論與問(wèn)題之間還需要建立一定的邏輯關(guān)系，問(wèn)題方能真正解決。這就需要通過(guò)科學(xué)建模、科學(xué)解釋、科學(xué)推理來(lái)共同完成（見圖6）。

學(xué)生基于探究形成的證據(jù)，通過(guò)科學(xué)推理建立科學(xué)模型Ⅰ，并試圖以此來(lái)解釋之前獲得的數(shù)據(jù)與現(xiàn)象，遺憾的是科學(xué)解釋并不成立。此時(shí)教師便引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注上課實(shí)驗(yàn)中鋁粉和氫氧化鈉、自熱粉中鋁粉與氫氧化鈉兩個(gè)反應(yīng)的區(qū)別。學(xué)生通過(guò)分析、推理，發(fā)現(xiàn)前者氫氧化鈉是一次性直接加入，而在自熱包中則是生石灰與水反應(yīng)所生成的氫氧化鈣與碳酸鈉反應(yīng)逐步產(chǎn)生的。后者氫氧化鈉的提供方式，推遲了反應(yīng)起點(diǎn)，降低了反應(yīng)溫度，延長(zhǎng)了持續(xù)時(shí)長(zhǎng)（見圖7）?；诖?，學(xué)生進(jìn)一步完善模型，建立科學(xué)模型Ⅱ，再次對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和現(xiàn)象進(jìn)行解釋，發(fā)現(xiàn)科學(xué)解釋成立，模型建構(gòu)完成。

然而，通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究完成模型建構(gòu)并不意味著問(wèn)題已經(jīng)解決。最終學(xué)生還要將模型應(yīng)用于情境問(wèn)題，利用模型對(duì)自熱粉發(fā)熱反應(yīng)及參數(shù)（說(shuō)明書中所標(biāo)的最高溫度和持續(xù)時(shí)間等）進(jìn)行解釋，尤其是說(shuō)明書標(biāo)示的高達(dá)200℃的蒸氣溫度，與最高不到100℃實(shí)驗(yàn)溫度形成強(qiáng)烈反差。學(xué)生需要再次搜索用于解決問(wèn)題的證據(jù)，即探究實(shí)驗(yàn)與自熱包發(fā)熱的區(qū)別： 一是探究實(shí)驗(yàn)中藥品用量只有3g，整包自熱粉的質(zhì)量則大得多;二是說(shuō)明書中標(biāo)注的是蒸氣溫度，而實(shí)驗(yàn)中測(cè)量的數(shù)據(jù)均為反應(yīng)混合物（溶液）的溫度，一般不會(huì)超過(guò)100℃。此過(guò)程包含了學(xué)生對(duì)探究過(guò)程的重新審視與評(píng)價(jià)，需要較高的遷移、分析和綜合能力。

3 基于“證據(jù)推理”的化學(xué)教學(xué)的應(yīng)用價(jià)值

3.1 使探究實(shí)踐真實(shí)有效

基于“證據(jù)推理”的化學(xué)教學(xué)始于真實(shí)情境中的證據(jù)信息，結(jié)合學(xué)生的認(rèn)知和生活經(jīng)驗(yàn)，

在探究中引入模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)解釋、科學(xué)評(píng)價(jià)（辯論）等實(shí)踐行為[6]。踐行“真情境→真問(wèn)題→真猜想→真設(shè)計(jì)→真數(shù)據(jù)→真論證→真解決”的過(guò)程，真正實(shí)現(xiàn)從探究到實(shí)踐的轉(zhuǎn)變。每個(gè)環(huán)節(jié)力求以情境證據(jù)為起點(diǎn)，以科學(xué)推理為過(guò)程，以獲取事實(shí)為基礎(chǔ)，以問(wèn)題解決為任務(wù)，以能力提升為目標(biāo)，盡可能讓探究實(shí)踐真實(shí)有效。

3.2 使思維訓(xùn)練趨于高階

基于“證據(jù)推理”的化學(xué)教學(xué)過(guò)程，不僅包含記憶、理解等低階思維的運(yùn)用，更有分析、評(píng)價(jià)、創(chuàng)造等高階思維活動(dòng)。如方案的設(shè)計(jì)與優(yōu)化需要?jiǎng)?chuàng)造性思維;方案與證據(jù)的評(píng)價(jià)需要批判性思維;多方案比較與選擇、證據(jù)的分析與取舍體現(xiàn)決策性思維;對(duì)探究過(guò)程的反思，對(duì)學(xué)習(xí)策略的調(diào)整則需要元認(rèn)知的參與;而整個(gè)教學(xué)過(guò)程則是以統(tǒng)領(lǐng)性的問(wèn)題解決為任務(wù)，體現(xiàn)了問(wèn)題解決能力。所有這些都是高階思維的集中體現(xiàn)。

3.3 使學(xué)習(xí)層次不斷深化

基于“證據(jù)推理”的化學(xué)教學(xué)過(guò)程，擁有生活化的問(wèn)題情境（自嗨鍋中的自熱包發(fā)熱）、統(tǒng)領(lǐng)性的學(xué)習(xí)主題（自熱粉的發(fā)熱原理）、挑戰(zhàn)性的學(xué)習(xí)任務(wù)（尋找證據(jù)探索自熱粉的發(fā)熱原理）、合作交流的學(xué)習(xí)方式（探究實(shí)踐過(guò)程）、持續(xù)性的學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)（對(duì)假設(shè)、方案、證據(jù)過(guò)程的討論與反思）。作為學(xué)習(xí)主體的學(xué)生親歷其中，可獲得內(nèi)在的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)，主動(dòng)進(jìn)行知識(shí)建構(gòu)，運(yùn)用創(chuàng)造性、批判性、決策性的高階思維，實(shí)踐元認(rèn)知及建模遷移等學(xué)習(xí)過(guò)程。學(xué)生的學(xué)習(xí)層次不斷深化，由表面淺層化轉(zhuǎn)向內(nèi)涵深層次。

3.4 使核心素養(yǎng)真實(shí)落地

義務(wù)教育化學(xué)課程核心素養(yǎng)包括化學(xué)觀念、科學(xué)思維、探究實(shí)踐、科學(xué)態(tài)度等四個(gè)方面。其中，建立化學(xué)觀念、養(yǎng)成科學(xué)思維、培養(yǎng)科學(xué)態(tài)度都要通過(guò)探究實(shí)踐過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)，而“證據(jù)推理”是隱含其中的思維與能力過(guò)程，它集結(jié)了科學(xué)推理、科學(xué)論證、科學(xué)解釋、科學(xué)建模、信息加工等諸多思維和能力，建立了探究實(shí)踐與其他要素之間的聯(lián)系，提供了核心素養(yǎng)真實(shí)落地的途徑?！白C據(jù)推理”與核心素養(yǎng)各要素之間的關(guān)系如圖8所示。

教學(xué)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，在基于“證據(jù)推理”的化學(xué)教學(xué)中，問(wèn)題情境的選擇、推理任務(wù)的設(shè)置、實(shí)踐活動(dòng)的安排等均尤為重要，因?yàn)檫@直接影響教學(xué)的效果。因此，教師要具備證據(jù)推理的素養(yǎng)以及扎實(shí)的教學(xué)功底，能因地制宜地選擇合適的主題，精心設(shè)計(jì)推理任務(wù)，為學(xué)生實(shí)踐“推理與論證”過(guò)程創(chuàng)造合適而寬松的環(huán)境，力求取得更好的教學(xué)效果。

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