基于TAP論證模型的科學論證能力在實驗探究題中的考查特點及思考

摘 要： 基于TAP論證模型的內(nèi)涵及其相關(guān)研究，將科學論證能力解讀為“五要素五水平”，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建實驗探究題目分析框架。通過分析科學論證能力在2014～2024年北京市高考化學實驗探究題目中的呈現(xiàn)形式及水平，歸納總結(jié)科學論證能力所蘊含的考查特點、運行規(guī)律與表現(xiàn)策略，并基于試題研究結(jié)果提出相關(guān)的化學實驗教學建議。

關(guān)鍵詞： TAP論證模型； 科學論證能力； 實驗探究； 高考化學

文章編號： 10056629（2024）10008606

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

科學論證是指以資料為基礎(chǔ)，借助事實證據(jù)或理論依據(jù)支持自己的主張、反駁他人的觀點，通過邏輯推理形成最終結(jié)論的過程。隨著科學研究的發(fā)展與人才培養(yǎng)需求的提高，逐漸出現(xiàn)了將科學論證引入到教育教學領(lǐng)域的研究。而實驗探究作為科學研究的重要手段，與科學論證之間存在相輔相成的關(guān)系，共同促進學生科學素養(yǎng)的發(fā)展［1］。高考化學北京卷自2004年自主命題開始，便關(guān)注學生的學科思維與能力的培養(yǎng)，重視實驗探究在試題中的應用，題目設計具有一定的綜合性、創(chuàng)新性與代表性，是其他地區(qū)研究與借鑒的范本。本研究以2014～2024年北京市高考化學題中的13道實驗探究題目（主觀題，其中2016年與2021年各包含兩道試題）為研究對象，通過對試題進行編碼與分析，探究其考查科學論證能力的方式、特點及規(guī)律，研究其蘊含的教學內(nèi)容與邏輯，以期反向指導中學化學實驗的教學。

1 基于TAP論證模型的試題分析思路

作為非形式邏輯學的研究范疇之一，科學論證須滿足邏輯學的基本規(guī)則，如圖爾敏論證模型（TAP）。TAP是一種經(jīng)典的科學論證模型，它指出科學論證應該由主張、資料、根據(jù)、支援、限定和反駁六個要素構(gòu)成，且各要素之間滿足一定的邏輯關(guān)系，如圖1所示［2， 3］。結(jié)合TAP論證模型與化學實驗試題相關(guān)研究結(jié)果，將科學論

證能力在試題中的考查解讀為“主張的提出”“證據(jù)的陳述”“理由的說明”“條件的判斷”以及“反駁的應用”五種形式，其內(nèi)涵與要求如表1所示。

在科學論證能力的評價標準方面，《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》（下稱“新課標”）對與科學論證能力相關(guān)的“證據(jù)推理”素養(yǎng)的水平進行了詳細劃分［4］。而在TAP模型的相關(guān)研究中，不同研究者基于不同的標準對科學論證能力也進行了水平的劃分。本研究參考Lee等人開發(fā)的基于TAP結(jié)構(gòu)要素的書面科學論證能力評價標準［5］與上述有關(guān)“證據(jù)推理”核心素養(yǎng)的內(nèi)容水平劃分［6］，構(gòu)建了化學實驗探究題目中科學論證能力的水平層級，如表2所示。該水平層級的劃分兼顧TAP論證結(jié)構(gòu)要素與思維能力的進階，較為全面地體現(xiàn)了科學論證能力的不同水平。

上述科學論證能力的五種考查形式與五個水平層級構(gòu)成本研究試題的編碼與分析框架。以2023年北京市高考化學第19題為例進行編碼分析，結(jié)果如表3所示。

例1 （2023年北京卷第19題）資料顯示，I2可以將Cu氧化為Cu2+。某小組的同學設計實驗探究Cu被I2氧化的產(chǎn)物及銅元素的價態(tài)。已知：I2易溶于KI溶液。發(fā)生反應I2+I-I－3（紅棕色），I2和I－3氧化性幾乎相同。將等體積的KI溶液加入到mmol銅粉和nmol I2（n>m）的固體混合物中，振蕩。三次實驗記錄如下：

c（KI）實驗現(xiàn)象

實驗Ⅰ0.01mol/L極少量I2溶解，溶液為淡紅色；充分反應后，紅色的銅粉轉(zhuǎn)化為白色沉淀，溶液仍為淡紅色

實驗Ⅱ0.1mol/L部分I2溶解，溶液為紅棕色；充分反應后，紅色的銅粉轉(zhuǎn)化為白色沉淀，溶液仍為紅棕色

實驗Ⅲ4mol/LI2完全溶解，溶液為深紅棕色；充分反應后，紅色的銅粉完全溶解，溶液為深紅棕色

（1） 初始階段，Cu被氧化的反應速率：實驗Ⅰ （填“>”“<”或“=”）實驗Ⅱ。

（2） 實驗Ⅲ所得溶液中，被氧化的銅元素的可能存在形式有［Cu（H2O）4］2+（藍色）或［CuI2］-（無色），進行以下實驗探究：

步驟a.取實驗Ⅲ的深紅棕色溶液，加入CCl4，多次萃取，分液。

步驟b.取分液后的無色水溶液，滴入濃氨水，溶液顏色變淺藍，并逐漸變深。

i. 步驟a的目的是 。

ii. 查閱資料，2Cu2++4I-2CuI↓+I2， ［Cu（NH3）2］+（無色）容易被空氣氧化。

用離子方程式解釋步驟b的溶液中發(fā)生的變化： 。

（3） 結(jié)合實驗Ⅲ，推測實驗Ⅰ和Ⅱ中的白色沉淀可能是CuI，實驗Ⅰ中銅被氧化的化學方程式是 。分別取實驗Ⅰ和Ⅱ充分反應后的固體，洗滌后得到白色沉淀，加入濃KI溶液， （填實驗現(xiàn)象），觀察到少量紅色的銅。分析銅未完全反應的原因是 。

（4） 上述實驗結(jié)果，I2僅將Cu氧化為+1價。在隔絕空氣的條件下進行電化學實驗，證實了I2能將Cu氧化為Cu2+。裝置如圖所示，a、 b分別是 。

（5） 運用氧化反應規(guī)律，分析在上述實驗中Cu被氧化的產(chǎn)物中價態(tài)不同的原因是 。

2 基于TAP論證模型的實驗探究試題分析及結(jié)果

2.1 實驗探究試題中科學論證能力考查的整體特征

2.1.1 科學論證能力形式的考查特征

對2014～2024年北京市高考化學題中的13道實驗探究題目（主觀題）的每一空的考查內(nèi)容進行編碼與頻次統(tǒng)計，結(jié)果以年份為單位進行分析匯總，研究結(jié)果如圖2所示。

由圖可知，從科學論證能力的考查形式來看，對“理由的說明”要素的考查在歷年的實驗探究題目中占比最高（46次），約占所有形式考查頻次（101次）的45.55%。位列其后的依次是“證據(jù)的陳述”（27次，占比26.73%）、“主張的提出”（24次，占比23.76%）、“條件的判斷”（3次，占比3.0%）和“反駁的應用”（1次，占比1.0%）。并且“證據(jù)的陳述”與“理由的說明”在每年的實驗探究題目中均有出現(xiàn)，分別年均考查2～3次與4～5次，屬于重點考查內(nèi)容。這是因為新課標頒布以來，命題者對“證據(jù)推理”核心素養(yǎng)的重視程度逐步加深，且學業(yè)要求的內(nèi)涵也更側(cè)重于“證據(jù)的陳述”與“理由的說明”，這進一步驗證了本研究的結(jié)果的合理性。然而在實驗探究題中，對“條件的判斷”與“反駁的應用”要素的考查少之又少，反映出該結(jié)構(gòu)要素在該類型試題設計與應用中的缺失現(xiàn)象。

2.1.2 科學論證能力水平的考查特征

依據(jù)上述基于TAP模型的科學論證能力水平層級劃分，對13道實驗探究題目所考查的科學論證能力水平進行編碼統(tǒng)計，結(jié)果如圖3所示。

由圖可知，在實驗探究題目中，對科學論證能力的考查主要聚焦在水平2與水平3，在每年的試題中均有涉及。這兩水平要求學生能建立結(jié)論與證據(jù)的聯(lián)系，更進一步則是要多維度且多層次地解釋結(jié)論與證據(jù)間的邏輯關(guān)系。由此可見，實驗探究題目對學生的論證能力的邏輯性、系統(tǒng)性與全面性有較高的要求。對水平1的考查頻次僅次于水平2與3，說明依據(jù)實驗證據(jù)得到相關(guān)結(jié)論仍是實驗探究題目的重點考查水平。水平4與水平5要求學生對論證發(fā)生的條件做出判斷，并在論證不成立時提出合理的反駁，這對學生的科學論證能力要求極高，因此考查比例很小，但該水平是最能體現(xiàn)學生高階證據(jù)推理素養(yǎng)的標準之一。

總體來看，實驗探究類題目以真實的化學實驗作為情境載體，對學生而言是熟悉的論證環(huán)境，但也具備一定的陌生度，處于學生的“最近發(fā)展區(qū)”?？茖W論證能力的主要考查形式是“理由的說明”與“證據(jù)的陳述”，水平考查多分布于中級水平，這與學科核心素養(yǎng)的指向與要求高度一致。

2.2 實驗探究試題中科學論證能力的考查形式詳析

2.2.1 對“主張的提出”形式考查的具體知識點

主張是用資料和根據(jù)可以證實的命題，一般基于研究者的已有經(jīng)驗提出，在實驗探究中多早于實驗過程而出現(xiàn)。然而基于實驗探究試題的考查目的，很難在試題呈現(xiàn)初始時就讓學生提出主張，故“主張的提出”多以實驗結(jié)論的形式展現(xiàn)，要求學生依據(jù)實驗數(shù)據(jù)或現(xiàn)象得到并呈現(xiàn)一定的結(jié)論或主張，如2023年第19題第1問、2021年第16題第2問、2019年第11題第3問，2018年第28題第1、 3、 4問等都涉及該要素的考查。以2019年第11題第3問為例進行分析解讀。

例2 （2019年北京卷第11題節(jié)選）（3）根據(jù)沉淀F的存在，推測SO2-4的產(chǎn)生有兩個途徑：

途徑1：實驗一中，SO2在AgNO3溶液中被氧化生成Ag2SO4，隨沉淀B進入D。

途徑2：實驗二中，SO2-3被氧化為SO2-4進入D。

實驗三：探究SO2-4的產(chǎn)生途徑

① 向溶液A中滴入過量鹽酸，產(chǎn)生白色沉淀，證明溶液中含有 。

本題提供了實驗操作及其現(xiàn)象，學生通過解讀題干信息就能得到相應的結(jié)論并陳述。由前置問題可知反應體系中存在Ag+，將題干中提到的實驗現(xiàn)象“產(chǎn)生白色沉淀”與已有知識“AgCl白色沉淀”相聯(lián)系也能證明溶液中含有Ag+。此類題目意在考查學生對學科知識的應用能力，是極具基礎(chǔ)性的考查方式，有利于學生錨定具體的知識要點，為后續(xù)題目的作答提供一定的支架。

2.2.2 對“證據(jù)的陳述”形式的考查強調(diào)資料搜集與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化能力

“證據(jù)的陳述”多要求學生找出題目中已知的可以支持結(jié)論的各種實驗現(xiàn)象、數(shù)據(jù)、圖表等宏觀表征資料，考查學生從化學實驗及其變化中提取證據(jù)資料的能力，此部分與TAP論證模型中的“資料”相對應，如2023年第19題第3問、2022年第19題第1問，2020年第19題第2、 3問以及2017年第28題第1、2問等都屬于對該要素的考查。以2023年第19題第3問為例（上述中例1）：題干中提出主張“推測實驗Ⅰ和實驗Ⅱ中的白色沉淀可能是CuI”，學生需找出并陳述能證明該主張成立的證據(jù)資料。由上一問可知，實驗Ⅰ和Ⅱ中發(fā)生了化學反應：2Cu+KI32CuI+KI，實驗現(xiàn)象“觀察到少量紅色的銅”可以推出加入濃KI溶液后發(fā)生了上述反應的逆反應，故白色CuI沉淀溶解。在這一科學論證過程中，主張與部分實驗資料已經(jīng)明確給出，學生只需要補充完整實驗現(xiàn)象即可。除此之外，對“證據(jù)的陳述”要素的考查與“實驗現(xiàn)象”“實驗數(shù)據(jù)”等實驗要素緊密相連，能有效考查學生解讀實驗現(xiàn)象與數(shù)據(jù)以及進行轉(zhuǎn)化的能力。

2.2.3 對“理由的說明”形式的考查契合“證據(jù)推理”核心素養(yǎng)要求

根據(jù)作為連接資料與主張的橋梁，用來說明主張與資料間聯(lián)結(jié)的合理性。根據(jù)的存在是隱性的，不一定展現(xiàn)在論證環(huán)節(jié)中，但卻是整個論證活動中最為重要的環(huán)節(jié)。而支援可以用來補充說明根據(jù)的權(quán)威性。“理由的說明”與上述兩種TAP論證結(jié)構(gòu)要素緊密相連，是實驗探究題型中考查頻次最多的形式要素，要求學生能基于實驗資料解釋其與實驗主張之間的邏輯關(guān)系，如2022年第19題第4問、2021年第16題第3問，第18題第2、 4問，2018年第28題第2問等問題。以2021年18題第1問為例進行分析解讀。

例3 （2021年北京卷第18題節(jié)選）某小組探究鹵素參與的氧化還原反應，從電極反應角度分析物質(zhì)氧化性和還原性的變化規(guī)律。

（1） 濃鹽酸與MnO2混合加熱生成氯氣，氯氣不再逸出時，固液混合物A中仍存在鹽酸和MnO2。

① 反應的離子方程式是 。

② 電極反應式：

i. 還原反應：MnO2+2e-+4H+Mn2++2H2O

ii. 氧化反應： 。

③ 根據(jù)電極反應式，分析A中仍存在鹽酸和MnO2的原因。

i. 隨c（H+）降低或c（Mn2+）濃度升高，MnO2氧化性減弱。

ii. 隨c（Cl-）降低， 。

本題干的信息提供了實驗過程、實驗現(xiàn)象與實驗結(jié)果，并且第（1）問的①②問中要求學生分別寫出該反應的總反應與電極反應的離子方程式。題目已明確給出實驗結(jié)論，即“濃鹽酸與MnO2發(fā)生了化學反應，且生成了氯氣”，學生需要以離子方程式的形式來表征這一化學反應過程。第③問中，學生需依據(jù)電極反應式對實驗現(xiàn)象做出解釋說明。根據(jù)題目與學生已有知識經(jīng)驗可知，電極反應式為：還原反應：MnO2+2e-+4H+Mn2++2H2O，氧化反應：2Cl--2e-Cl2↑。反應中，隨c（H+）降低或c（Mn2+）濃度升高，MnO2的氧化性減弱，或者隨c（Cl-）降低，Cl-還原性減弱，都會導致反應不完全，仍殘留鹽酸與MnO2。在該推理論證過程中，學生通過前后信息的對比便可得出答案。對“理由的說明”要素的考查在實驗探究類題目中最為常見，并且多是以化學方程式或離子方程式的形式進行的。

2.2.4 對“條件的判斷”的考查突出學科知識的建構(gòu)邏輯

限定用以界定主張在何種程度上可以成立的范圍，體現(xiàn)在試題設計中可以“條件的判斷”形式出現(xiàn)，即要求學生能明確主張?zhí)岢龅臈l件或適用范圍，僅在2022年第19題第（3）問中出現(xiàn)。分析解讀如下。

例4 （2022年北京卷第19題節(jié)選）（3）對比實驗Ⅰ、 Ⅱ通入Cl2后的實驗現(xiàn)象，對于二價錳化合物還原性的認識是 。

在解答本題時，學生知道題干中已經(jīng)給出關(guān)于二價錳化合物還原性的主張，而實驗Ⅰ與Ⅱ的實驗現(xiàn)象作為支持該主張的資料出現(xiàn)，故此問意在考查實驗主張與資料之間邏輯關(guān)系的適用條件。實驗Ⅰ與Ⅱ的不同在于反應體系的酸堿性差異，其中實驗Ⅱ中的反應物處于堿性環(huán)境。由實驗現(xiàn)象對比可知，在中性或弱酸性條件下，二價錳化合物只能被氧化到四價（棕黑色MnO2），而在堿性條件下可被氧化到更高價態(tài)（紫色MnO-4）。因此對于二價錳化合物還原性的認識便是明確在不同條件下其還原性的不同。在此題目的設計中，出題者暗示了主張的成立具備一定的限定條件，即“酸堿性的不同對二價錳化合物還原性的影響不同”，從而約束了“二價錳化合物具備還原性”這一主張的適用范圍，而考查形式正是對此限定條件的判斷。由上述分析可知，對于“條件的判斷”這一形式的考查對學生的邏輯推理與評估能力有較高的要求，難度相對較高，故此類考查形式在實驗探究題目中出現(xiàn)較少。

2.2.5 對“反駁的應用”形式的考查關(guān)注高階思維與創(chuàng)新意識

反駁在論證過程中本意為“與主張相悖的陳述”，是在主張、資料與根據(jù)之間的邏輯關(guān)系無法成立時出現(xiàn)的論證要素。在試題表現(xiàn)形式中，“反駁的應用”要素要求學生基于已有主張的不成立，提出合理的觀點，是對給定條件或信息的反駁，僅僅在2018年第28題第2問中考查過一次。分析解讀如下。

例5 （2018年北京卷第28題節(jié)選）（2）③資料表明，酸性溶液中的氧化性FeO2-4>MnO-4，驗證實驗如下：將溶液b滴入MnSO4和足量稀H2SO4的混合溶液中，振蕩后溶液呈淺紫色，該現(xiàn)象能否證明氧化性FeO2-4>MnO-4。若能，請說明理由；若不能，進一步設計方案，理由或方案： 。

本題為一道開放性試題，對結(jié)論的不同理解會導致本題有不同的答案。根據(jù)題意可知b溶液中含有FeO2-4。FeO2-4在酸性條件下會轉(zhuǎn)化為Fe3+和O2，則溶液振蕩后呈現(xiàn)的淺紫色一定為MnO-4的顏色，故可以證明FeO2-4將Mn2+氧化成了MnO-4，氧化性FeO2-4>MnO-4。但從溶液濃度變化的角度來看，加入混合溶液后，溶液b中的c（FeO2-4）減少，則溶液的紫色也會變淺，無法證明是否發(fā)生了氧化還原反應。故需設計空白對比實驗來驗證上述結(jié)論，方案為向溶液b中滴加過量稀H2SO4，觀察溶液顏色是快速退去還是呈淺紫色。解答此類題目的關(guān)鍵在于準確充分地把握主張、資料與根據(jù)之間的邏輯關(guān)系，結(jié)合限定條件條分縷析主張成立的合理性。在實驗探究題中，“反駁的應用”要素一般涉及對已有實驗主張的評判與分析，并能基于判斷結(jié)果提出合理的反駁。由于此類試題不僅考查了學生的科學論證能力，還涉及一定的對科學論證的評價能力與創(chuàng)新能力，考查水平較高，因此在試題中的考查頻次極少。

3 基于試題分析結(jié)果的化學探究實驗教學建議

3.1 科學設計實驗探究方案，重視問題與假設的提出

提出主張是科學探究與論證過程中都必不可少的環(huán)節(jié)，對發(fā)展學生的能力素養(yǎng)至關(guān)重要。現(xiàn)有教材中關(guān)于實驗探究的編排與實際的教學中，對提出探究問題與假設方面的設計普遍較弱［7］，容易使學生產(chǎn)生依賴心理，缺乏論證意識。開展實驗教學時，教師應該提前做好教學準備與預設，創(chuàng)設有教學意義的問題情境，引發(fā)學生的論證積極性，引導學生自主提出實驗探究問題與假設?；陬A設與學生提出的問題主張，科學合理設計實驗探究方案，引領(lǐng)學生體驗完整的科學探究過程。

3.2 重視實驗探究邏輯關(guān)系的確立，建構(gòu)論證模型

科學論證的核心步驟在于建立證據(jù)資料與主張結(jié)論之間的邏輯關(guān)系，其在化學教學實踐中已經(jīng)凝練成“證據(jù)推理”這一學科核心素養(yǎng)。教師可根據(jù)教學實際需求，引導學生建構(gòu)簡單的論證模型與思路，如TAP論證模型，讓學生選擇調(diào)用合適的思維模型展開實驗探究活動，培養(yǎng)論證推理能力。此外，教師還要善于引導學生在實驗探究過程中運用不同的基本推理模式，如類比推理、歸納推理和演繹推理，綜合強化學生的邏輯推理能力的發(fā)展。

3.3 健全實驗探究評價機制，培養(yǎng)批判性思維

目前的化學實驗教學實踐中，普遍存在著“重操作輕評價”的現(xiàn)象。在實驗教學過程中，教x9vczGvrSWhsDAn4PYyKLw==師不僅要引導學生建立證據(jù)資料與結(jié)論之間的邏輯關(guān)系，也應該有意識地幫助學生對論證關(guān)系的建立進行評估，即關(guān)注證據(jù)的有效性。當能證明某一實驗結(jié)論的證據(jù)出現(xiàn)時，教師不妨多提問：“這樣的證據(jù)能否合理推出現(xiàn)有的結(jié)論？如果不能，你有什么更好的實驗方案驗證實驗結(jié)論？”對實驗方案或者結(jié)果的反思評價能強化學生對論證過程的認知，促進其科學論證能力的發(fā)展，同時也強化了學生的探究意識。

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