肖中榮

摘 要：化學(xué)教學(xué)中的證據(jù)推理是指根據(jù)化學(xué)概念、理論和事實性知識，通過比較分析、抽象概括和歸納演繹等推理形式，進(jìn)行證實和證偽的求證方式，獲取新知識、解決新問題的高級思維過程。化學(xué)教學(xué)可從化學(xué)知識結(jié)構(gòu)化、教學(xué)過程邏輯化、科學(xué)探究層次化解釋證據(jù)推理“是什么”、“怎么推”和“做得怎么樣”的問題；化學(xué)教學(xué)可將證據(jù)推理劃分四個層次，為培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)論證能力、評價證據(jù)推理水平提出有效的教學(xué)策略。

關(guān)鍵詞：證據(jù)推理；教學(xué)實踐；教學(xué)策略

一、證據(jù)推理的意涵

新課標(biāo)指出，“證據(jù)推理”是重要的化學(xué)核心素養(yǎng)，是學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的思維方式，也是學(xué)生認(rèn)識客觀世界必須具備的關(guān)鍵能力，在課堂上培養(yǎng)學(xué)生證據(jù)推理的核心素養(yǎng)是令人期待的事情，為此需要厘清證據(jù)推理的意涵。

什么是證據(jù)？證據(jù)是指證明事實的材料，科學(xué)證據(jù)與經(jīng)驗證據(jù)相對應(yīng)，它指基于科學(xué)原理或科學(xué)原則而得出的證據(jù)，學(xué)者張繼成把科學(xué)理論中的定理、定律、規(guī)則等稱為科學(xué)證據(jù)。筆者認(rèn)為，中學(xué)階段化學(xué)教學(xué)中常用的證據(jù)主要指陳述性的化學(xué)知識，如化學(xué)概念、化學(xué)理論、物質(zhì)結(jié)構(gòu)、元素化合物知識、生活情境和科學(xué)常識。

什么是推理？推理是“由一個或幾個已知的判斷（前提），推導(dǎo)出一個未知結(jié)論的思維過程”，其語法規(guī)律是形式邏輯，常見的推理方式有三種：演繹推理、歸納推理和類比推理。

什么是證據(jù)推理？文獻(xiàn)[1]認(rèn)為，“證據(jù)推理”在學(xué)界是固定的專用名詞，指由 Dempster在1967年提出，后經(jīng)他的學(xué)生Shafer進(jìn)一步發(fā)展完善起來的一種不確定推理理論。百度百科中對“證據(jù)推理”解釋是“對從不同性質(zhì)的數(shù)據(jù) 源中提取的證據(jù)，利用正交求和方法綜合證據(jù)，通過證據(jù)的積累縮小集合，從而獲得問題的解”。2017年教育部頒布的《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》對“證據(jù)推理”的解釋為“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；知道可以通過分析、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?！苯Y(jié)合上述觀點，筆者認(rèn)為，化學(xué)教學(xué)中的證據(jù)推理是指根據(jù)化學(xué)概念、理論和事實性知識，通過比較分析、抽象概括和歸納演繹等推理形式，進(jìn)行證實和證偽的求證方式，從而獲取新知識、解決新問題的高級思維過程。

二、證據(jù)推理在教學(xué)中的應(yīng)用研究

陳進(jìn)前[2]研究了證據(jù)推理在解決電化學(xué)試題中的運用，顧建新[3]研究了證據(jù)推理和模型建構(gòu)在原電池教學(xué)中的運用，卓金鎮(zhèn)[4]等研究了證據(jù)推理在苯教學(xué)中的運用，劉玉榮[5]研究了論證圖是初學(xué)者學(xué)習(xí)科學(xué)論證的有效工具等?？傊?，證據(jù)推理應(yīng)用在高中化學(xué)教學(xué)中并不多，研究內(nèi)容主要集中在某一個具體的教學(xué)設(shè)計或者單一證據(jù)類的問題解決，對證據(jù)的種類、推理的角度、證據(jù)推理的水平評價等本體知識關(guān)注不夠。筆者進(jìn)行如下思考，以期更全面地詮釋證據(jù)推理在課堂教學(xué)中的實施途徑。

三、證據(jù)推理在化學(xué)教學(xué)中的實踐和思考

（一）化學(xué)知識結(jié)構(gòu)化，拓展證據(jù)推理的廣度

化學(xué)知識結(jié)構(gòu)化是指按照知識間的邏輯關(guān)系形成的認(rèn)知圖示，知識結(jié)構(gòu)化的豐富程度將影響學(xué)生調(diào)取證據(jù)、進(jìn)行推理的廣度。

蘇教版《化學(xué)1》 “鎂的性質(zhì)”教學(xué)片段。

【情境】 1807年英國化學(xué)家戴維電解苛性鈉制得金屬鈉，1808年戴維電解氧化鎂制得金屬鎂。戴維通過研究發(fā)現(xiàn)鎂很活潑，跟鈉的化學(xué)性質(zhì)相似，請你尋找支持戴維觀點的證據(jù)。

【活動】學(xué)生或獨立思考，或合作討論，或動手實驗，或查閱資料，證據(jù)推理的課堂如此熱烈：有的小組查閱資料發(fā)現(xiàn)，自然界中無游離態(tài)鎂，鎂主要以菱鎂礦、光鹵石、氯化鎂等形式存在，自然界中也無游離態(tài)鈉，說明鈉、鎂均活潑。有的小組通過實驗發(fā)現(xiàn)，鎂可以和氧氣、二氧化碳、氮氣、鹽酸、水反應(yīng)，鈉也可以和氧氣、二氧化碳、氮氣、鹽酸、水反應(yīng)，鈉、鎂在反應(yīng)中都是失去電子，說明鈉、鎂都是還原劑。有的小組分析原子結(jié)構(gòu)認(rèn)為，鎂是12號元素，易失去最外層2個電子，鈉是11號元素，易失去最外層1個電子，二者均顯示還原性；還有的小組查閱資料發(fā)現(xiàn)，工業(yè)制備鈉、鎂是通過電解氯化鈉、氯化鎂得到，證明鈉、鎂是活潑金屬單質(zhì)。還有競賽同學(xué)發(fā)現(xiàn)鈉、鎂的標(biāo)準(zhǔn)電極電勢均很小，說明鈉、鎂均容易失去電子。

【思考】教師借助科學(xué)史設(shè)定驅(qū)動任務(wù)——如何證明鈉、鎂的化學(xué)性質(zhì)相似？學(xué)生主動尋找證據(jù)，積極進(jìn)行推理分析，將鎂的類別、結(jié)構(gòu)、存在、制備等問題形成整體，統(tǒng)攝在鎂的化學(xué)性質(zhì)教學(xué)的大主題下。筆者以為，影響物質(zhì)性質(zhì)的直接因素有物質(zhì)類別、化合價和原子結(jié)構(gòu)、化學(xué)鍵等；反映物質(zhì)性質(zhì)的間接因素有物質(zhì)的制備、存在和用途等，物質(zhì)在某反應(yīng)中的具體性質(zhì)受到反應(yīng)方向、限度和速率等化學(xué)理論的動態(tài)控制，它們之間關(guān)系如圖1所示。教師要根據(jù)不同的課程階段和學(xué)業(yè)質(zhì)量要求，幫助學(xué)生建立影響物質(zhì)性質(zhì)因素的知識網(wǎng)絡(luò)，豐富收集證據(jù)的渠道，拓展證據(jù)推理的廣度，使元素化合物教學(xué)凸顯立體思考的色彩。

（二）教學(xué)過程邏輯化，強(qiáng)化證據(jù)推理的角度

教學(xué)過程邏輯化是指按照思維品質(zhì)的條理性特點，設(shè)計符合學(xué)生認(rèn)知規(guī)律的教學(xué)過程，教學(xué)過程的嚴(yán)密程度將啟發(fā)學(xué)生選擇不同的論證方式進(jìn)行證據(jù)推理的角度。

蘇教版《化學(xué)反應(yīng)原理》 “化學(xué)反應(yīng)方向”的教學(xué)片段。

【情境——類比推理】教師呈現(xiàn)自然現(xiàn)象：高水低流、高溫低降、高物低落，類比推理引出自發(fā)化學(xué)反應(yīng)的概念：在一定溫度和壓強(qiáng)下，無需外界幫助，可向外做非體積功（電功、機(jī)械功）的化學(xué)反應(yīng)。

【活動1——歸納推理】教師給出如下自發(fā)反應(yīng)，歸納其共同特點。

C3H8（g）+5O2（g）=3CO2（g）+4H2O（g） ΔH<0

2Na（s）+Cl2（g）=2NaCl（s） ΔH<0

HCl（aq）+NaOH（aq）=NaCl（aq）+H2O （l） ΔH<0

Cl2（aq）+2KBr（aq）=2KCl（aq）+Br2 （aq）

ΔH<0

學(xué)生歸納得出自發(fā)反應(yīng)的特點：自發(fā)反應(yīng)為發(fā)熱反應(yīng)，PPT展示：

【焓減原理】體系趨向于從高能狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榈湍軤顟B(tài)，放出熱量多，反應(yīng)趨勢大。

【活動2——實驗證實、證偽】學(xué)生分組實驗：①鋅和鹽酸反應(yīng)，發(fā)現(xiàn)反應(yīng)自發(fā)后體系溫度升高；②氫氧化鋇晶體和氯化銨固體反應(yīng)，發(fā)現(xiàn)反應(yīng)自發(fā)后體系溫度降低。

教師給出影響反應(yīng)自發(fā)性的另一個因素——熵：衡量一個體系混亂度的物理量；學(xué)生類比“焓減原理”得出熵變影響反應(yīng)的自發(fā)性，PPT展示：

【熵增原理】體系趨向由有序狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闊o序狀態(tài)——即混亂度增加（ ΔS>0）方向，ΔS越大，微粒不規(guī)則運動加劇，越有利于反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行。

【活動3——演繹推理】解釋下列反應(yīng)在常溫常壓下能否自發(fā)進(jìn)行的原因。

2Na（s）+Cl2（g）=2NaCl（s）ΔH<0 ΔS<0

2NH4Cl（s）+Ba（OH）2·8H2O（s）=2NH3↑（g）

+CaCl2（s）+10H2O（l） ΔH>0 ΔS>0

C3H8（g）+5O2（g）=3CO2（g）+4H2O（l） ΔH<0 ΔS>0

CaCO3（s）=CaO（s）+CO2（g） ΔH>0 ΔS<0

學(xué)生根據(jù)焓減原理、熵增原理進(jìn)行解釋，教師給出判斷反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行的聯(lián)合判據(jù)：ΔG=（ΔH-TΔS）<0，反應(yīng)自發(fā)；ΔG=（ΔH-TΔS）>0，反應(yīng)非自發(fā)。

【活動4——定量思維】CaCO3（s）=CaO（s）+CO2（g）常溫常壓不能發(fā)生，已知ΔG=（ΔH-TΔS）=178 300J·mol-1 - 160.4 TJ·mol-1·K-1，當(dāng)ΔG<0反應(yīng)自發(fā)發(fā)生，計算碳酸鈣分解的臨界溫度。學(xué)生代入數(shù)值計算臨界轉(zhuǎn)化溫度>1112K。

師生總結(jié)：某一定條件下不能自發(fā)進(jìn)行的反應(yīng)，當(dāng)改變外界條件或者外界干預(yù)反應(yīng)（做非體積功），不自發(fā)的反應(yīng)也能發(fā)生。

【思考】課堂上教師向?qū)W生呈現(xiàn)科學(xué)研究問題的一般思路，使教學(xué)過程充滿邏輯性：觀察生活現(xiàn)象，類比引出自發(fā)反應(yīng)的概念→比較分析，歸納得出焓減原理→證實證偽，引出熵增原理→演繹規(guī)律解釋問題，引出聯(lián)合判據(jù)→解決實際問題，定量計算，深化規(guī)律。化學(xué)反應(yīng)方向是很抽象的理論，教師引導(dǎo)學(xué)生像科學(xué)家一樣思考，設(shè)計邏輯化的教學(xué)過程，揭示證據(jù)推理的方式，幫助學(xué)生突破認(rèn)知難點。筆者以為，證據(jù)推理的角度涉及證據(jù)類型、思維形式、推理方式和證明過程，其關(guān)系如圖2所示。教師要適切地結(jié)合化學(xué)概念的內(nèi)涵和外延，向?qū)W生示范證據(jù)推理的過程，使論證過程全面而深刻，幫助學(xué)生形成證據(jù)推理的邏輯化角度，使化學(xué)概念課教學(xué)充滿辯證思維的力量。

（三）科學(xué)探究層次化，提高證據(jù)推理的深度

科學(xué)探究的層次化是指進(jìn)行科學(xué)探究既要重視宏觀求證，又要進(jìn)行微觀求證；既要重視直接證明，又要學(xué)會間接證明。學(xué)生搜尋證據(jù)的種類和證明方式不同，反映學(xué)生運用證據(jù)推理的深度不同。

【情境】向小試管中依次加入1mL 0.1mol/L NaOH溶液、4滴酚酞、2 mL乙酸乙酯，用水浴控溫70℃加熱2分鐘，振蕩，紅色褪去。對于紅色褪去原因，觀點甲認(rèn)為紅色褪去是因為酯發(fā)生水解反應(yīng)，堿被消耗；觀點乙認(rèn)為紅色褪去是因為乙酸乙酯將酚酞從水層萃取。

問題：請你結(jié)合觀點甲、乙進(jìn)行科學(xué)探究，并給出紅色褪去的合理原因。

【活動】學(xué)生先獨立思考，再分小組討論，或查閱資料分析，或設(shè)計實驗探究。

有些同學(xué)找到證據(jù)①說明觀點甲合理：乙酸乙酯在堿性完全水解，反應(yīng)方程式為：CH3COOC2H5+NaOH→CH3COONa+ C2H5OH。

有些同學(xué)找到證據(jù)②說明觀點甲不合理：向小試管中依次加入1mL 0.1mol/L NaOH溶液、4滴酚酞、2mL乙酸乙酯，用水浴控制溫度70℃加熱2分鐘，充分振蕩紅色褪去，還有明顯油層；分出水層加4滴酚酞溶液顯紅色。說明乙酸乙酯短時間不能完全水解，水層含有NaOH。

有些同學(xué)找到證據(jù)③說明觀點甲不合理：向小試管中依次加入1mL 0.1mol/L CH3COONa溶液、4滴酚酞，溶液顯紅色 ，說明即使堿全部消耗，產(chǎn)物乙酸鈉可使酚酞變紅。

有些同學(xué)找到證據(jù)④說明觀點乙合理：向小試管中依次加入1mL 0.1mol/L NaOH溶液、4滴酚酞、2mL乙酸乙酯，用水浴控溫70℃加熱2分鐘，充分振蕩，分離出水層加入1mL 0.1mol/L NaOH溶液呈無色，說明水層不含酚酞，酚酞被萃取至油層。

教師提供酚酞（結(jié)構(gòu)如圖3），有的學(xué)生發(fā)現(xiàn)證據(jù)⑤說明觀點乙合理：乙酸乙酯和酚酞都是極性有機(jī)分子，乙酸乙酯可以將少量酚酞從水層萃取出來而使紅色褪去。

教師提供證據(jù)⑥：向小試管中依次加入1mL 0.1mol/L NaOH溶液、4滴酚酞、2mL四氯化碳，充分振蕩水層顯紅色，有的學(xué)生能解釋非極性分子四氯化碳不能萃取極性分子酚酞。

綜上所述，本實驗中乙酸乙酯使酚酞-氫氧化鈉紅色褪色的主要原因[6]：乙酸乙酯在堿性條件下水解速度慢，極性酚酞分子被極性乙酸乙酯萃取而使溶液褪色。

【思考】教師提供真實情境問題，學(xué)生對兩種觀點進(jìn)行探究，學(xué)生設(shè)計實驗進(jìn)行證據(jù)推理的能力參差不齊。證據(jù)①屬于教材事實知識，多數(shù)學(xué)生能想到。證據(jù)②是宏觀直接證據(jù)（證明NaOH沒有完全消耗），多數(shù)學(xué)生能想到。證據(jù)③是宏觀間接證據(jù)（證明乙酸鈉溶液加酚酞變紅），極少數(shù)學(xué)生能想到。證據(jù)④是宏觀直接證據(jù)（證明酚酞被萃?。鄶?shù)學(xué)生能想到。證據(jù)⑤是微觀結(jié)構(gòu)證據(jù)，需要教師提供酚酞分子結(jié)構(gòu)和“相似相溶原理”的知識，學(xué)生才能理解，沒有一個學(xué)生能想到。證據(jù)⑥是信息證據(jù)，需要教師解釋學(xué)生才能理解，沒有一個學(xué)生能想到。筆者根據(jù)《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》對“證據(jù)推理”的描述將證據(jù)推理的水平分為四類：宏觀證據(jù)、微觀證據(jù)、定量證據(jù)和模型證據(jù)，其含義如表1。

四、結(jié)語

倡導(dǎo)素養(yǎng)為本的化學(xué)課堂教學(xué)對證據(jù)推理核心素養(yǎng)提出了新的要求：化學(xué)知識側(cè)重素材積累，其結(jié)構(gòu)化程度解釋了證據(jù)“是什么”的廣度問題；教學(xué)過程側(cè)重思路引領(lǐng)，其邏輯化程度呈現(xiàn)了推理“怎么推”的角度問題；科學(xué)探究側(cè)重證據(jù)收集和推理方式，其層次化程度評價了證據(jù)推理“做得怎么樣”的深度問題。教師引導(dǎo)學(xué)生對這些問題進(jìn)行思考，以期強(qiáng)化學(xué)生的學(xué)科認(rèn)識思路，發(fā)展學(xué)生的學(xué)科論證能力，提高學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)。

參考文獻(xiàn)：

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[2] 陳進(jìn)前.基于證據(jù)推理解答電化學(xué)試題[J].化學(xué)教學(xué)，2017（11）：80-84.

[3] 顧建新.關(guān)于化學(xué)核心素養(yǎng)培育的微觀思考——原電池教學(xué)中的“證據(jù)推理與模型認(rèn)識”的教學(xué)思考[J].化學(xué)教學(xué)，2017（11）：34-38.

[4] 卓金鎮(zhèn)，等.“問題猜想，證據(jù)推理”彰顯化學(xué)魅力——苯的教學(xué)設(shè)計[J].中學(xué)化學(xué)教與學(xué)，2017（09）：10.

[5] 劉玉榮，等.論證圖——促進(jìn)初學(xué)者學(xué)習(xí)科學(xué)論證的有效工具[J].化學(xué)教育，2017（17）：10-13.

[6] 李偉偉，等.乙酸乙酯使含酚酞的氫氧化鈉溶液褪色的原因研究[J].化學(xué)教學(xué)，2017（12）：68 -70.