馬娟娟

（宜興市教師發(fā)展中心 江蘇 宜興 214206）

“證據(jù)推理”是化學(xué)核心素養(yǎng)的思維核心，可以理解為“基于證據(jù)的推理”，是學(xué)生在科學(xué)探究中完成推理的思維方式。在教學(xué)過程中，設(shè)計有效的實驗探究活動引領(lǐng)學(xué)生親身實踐，讓學(xué)生在觀察和動手實驗中，學(xué)會找尋實驗現(xiàn)象和實驗數(shù)據(jù)等證據(jù)，提升學(xué)生基于證據(jù)的“證實”或“證偽”能力，并進(jìn)一步推理得到正確結(jié)論，這是化學(xué)學(xué)科特有的思維形式。

高中化學(xué)必修第1冊的“元素周期律”屬于概念原理類內(nèi)容，是需要學(xué)生在探究活動中運用科學(xué)原理掌握化學(xué)知識。元素周期律是原子結(jié)構(gòu)、物質(zhì)組成以及元素性質(zhì)之間建立聯(lián)系的樞紐，核心價值在于加深學(xué)生對元素和化合物的認(rèn)識，并能有一定的預(yù)見性和創(chuàng)造性，這就需要學(xué)生具有證據(jù)意識，并能夠借助數(shù)形結(jié)合、實驗事實等分析，有一定的證據(jù)推理能力和邏輯思維能力。本文通過對“元素周期律”的課堂實踐，試圖從實踐策略、一般路徑和必要性三個方面闡述在實驗探究教學(xué)中進(jìn)行證據(jù)推理的一些思考。

一、實驗探究教學(xué)中證據(jù)推理的實踐策略

實驗探究不僅僅是“做實驗”或“參與活動”，探究本身所依賴的證據(jù)推理是一種核心思維活動。實驗探究從本質(zhì)上說是運用證據(jù)對實驗或?qū)嶒炦^程中的問題進(jìn)行解釋、驗證、推理和概括的過程。

1.真實性的情境，提供推理依據(jù)

基于證據(jù)推理的實驗探究教學(xué)要創(chuàng)設(shè)真實情境，這樣可以讓學(xué)生置身于真實的問題中，觸發(fā)學(xué)生的思維，為進(jìn)一步推理提供依據(jù)。在“元素周期律”教學(xué)中，教師在模擬使用管道疏通劑的過程中，通過直觀的現(xiàn)象獲取情境帶來的信息證據(jù)，并結(jié)合已有的認(rèn)識經(jīng)驗，會提出疑問“疏通劑的反應(yīng)原理是什么”。此時，教師提供外部證據(jù)（說明書:管道疏通劑的成分為NaOH 固體、鋁粉等；注意事項:使用時要防明火），讓學(xué)生結(jié)合原有認(rèn)知進(jìn)行正向推理，建立“鋁粉會與NaOH反應(yīng)產(chǎn)生H2”的假設(shè)（見圖1）。

圖1 “管道疏通劑”初步推理過程

2.層次性的問題，構(gòu)建推理條件

證據(jù)推理是需要綜合運用所學(xué)的化學(xué)知識與技能、科學(xué)方法與科學(xué)思維來解決化學(xué)問題的一種思維活動，問題是證據(jù)推理的源頭，提出具有層次性的問題，為科學(xué)推理構(gòu)建了條件。層次性指的是在教學(xué)中提出由易到難、由淺入深、由具體到抽象的一系列問題串，循序漸進(jìn)，步步深入。在“元素周期律”教學(xué)中，為了解釋鋁為什么會和NaOH 反應(yīng)產(chǎn)生H2，教師通過設(shè)計以下問題串，引發(fā)學(xué)生尋找推理的證據(jù)（見圖2）。

圖2 問題串的設(shè)計與證據(jù)推理

3.高質(zhì)量的對話，提升推理水平

實驗探究過程中記錄的實驗現(xiàn)象和搜集的實驗數(shù)據(jù)，如果學(xué)生僅僅是看一眼，記一下，這個推理的過程僅是學(xué)生個體的腦部思維活動，得出的結(jié)論是否能夠讓所有人信服，這就需要與同伴、與老師之間進(jìn)行對話加以論證［1］。高質(zhì)量的對話不僅能夠清晰地闡述自己的觀點，還能在教師設(shè)計的對話內(nèi)容中進(jìn)行深入思考、質(zhì)疑、思維碰撞，有利于學(xué)生理性思維的發(fā)展。

在元素周期律教學(xué)中，對于得出元素周期律這樣一個結(jié)論，教師與學(xué)生開展了如下對話（見表1），環(huán)環(huán)相扣，邏輯性很強。

表1 “元素周期律”對話片段

二、實驗探究教學(xué)中證據(jù)推理的一般路徑

證據(jù)推理首先源于問題，在實驗探究過程中基于系列的證據(jù)進(jìn)行推理，最終得出結(jié)論或產(chǎn)生新的問題［2］。通過諸多實踐分析，發(fā)現(xiàn)證據(jù)推理過程包含兩種路徑:線性路徑和循環(huán)路徑。

1.線性路徑

證據(jù)推理的線性路徑是在明確問題之后，直接運用證據(jù)進(jìn)行推理，得出結(jié)論（見圖3）。

圖3 實驗探究教學(xué)中的證據(jù)推理的線性路徑

依據(jù)3~9 號，11~17 號元素的原子半徑和主要化合價的數(shù)值比較（見表2），讓學(xué)生畫出原子半徑與核電荷數(shù)的二維關(guān)系圖（見圖4），并從“點、線、面”三方面進(jìn)行觀察，得出元素的原子半徑的變化規(guī)律。這是從數(shù)據(jù)進(jìn)行分析來探尋本質(zhì)，得出一般的規(guī)律，一目了然（見表3）。

表2 部分元素原子半徑與主要化合價（不考慮稀有氣體元素）

表3 證據(jù)推理的線性路徑建構(gòu)

圖4 原子半徑與核電荷數(shù)的二維關(guān)系圖

2.循環(huán)路徑

證據(jù)推理的循環(huán)路徑可以理解為在一般路徑的基礎(chǔ)上，循環(huán)往復(fù)地進(jìn)行論證。如果出現(xiàn)循環(huán)，說明在推理的過程中，發(fā)現(xiàn)之前的證據(jù)無法對提出的假設(shè)進(jìn)行證實或證偽［3］，那就要重新審視之前的假設(shè)是否合理，可以把假設(shè)拆解成若干的新問題，通過分析再次形成新的假設(shè)，在這一過程中有必要對實驗探究活動的方案進(jìn)行重新設(shè)計，直至能有新的證據(jù)推理出正確的結(jié)論。（見圖5）。

圖5 實驗探究教學(xué)中的證據(jù)推理的循環(huán)路徑

在“元素周期律”教學(xué)中，引導(dǎo)學(xué)生探究同周期元素非金屬性的變化規(guī)律時，教材中根據(jù)信息提示給出判斷元素非金屬性強弱的依據(jù):1.元素單質(zhì)與氫氣化合越容易，氣態(tài)氫化物越穩(wěn)定，元素非金屬性越強；2.元素非金屬性越強，最高價氧化物對應(yīng)水化物的酸性越強。有些實驗無法現(xiàn)場探究，教材附有資料卡片（見表4）。

表4 部分非金屬元素性質(zhì)

根據(jù)信息，學(xué)生很容易推斷，同周期中，Si、P、S、Cl元素的非金屬性逐漸增強，也就意味著他們最高價氧化物對應(yīng)水化物的酸性也逐漸增強。那么如何比較H3PO4與H2SiO3的酸性強弱呢？教師引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計如下實驗探究（實驗方案:向試管中加入約2 mL 飽和Na2SiO3溶液，滴入2~3 滴酚酞，再向試管中逐滴加入1 mol/L 的H3PO4溶液，觀察現(xiàn)象），并根據(jù)宏觀現(xiàn)象進(jìn)行分析解釋，形成假設(shè)（見表5）。

表5 證據(jù)推理的循環(huán)路徑建構(gòu)（1）

通過宏觀的實驗現(xiàn)象和原理的分析，同時通過查閱這兩種酸的Ka值，并且測試等濃度下兩種酸的pH大小比較等邏輯證據(jù)，最終可以確定磷酸的酸性比硅酸的酸性強。表6 所呈現(xiàn)的過程就是對“酸性:H3PO4＞H2SiO3”的假設(shè)的拆解，由此我們可以看到循環(huán)路徑中，從上一實驗現(xiàn)象無法最終推理得出結(jié)論時，需要重新審視問題，對問題進(jìn)行拆解再進(jìn)行上述的推理分析過程，最終通過新的證據(jù)進(jìn)行證實或證偽，得出結(jié)論。

表6 證據(jù)推理的循環(huán)路徑建構(gòu)（2）

三、實驗探究教學(xué)中發(fā)展證據(jù)推理的必要性

1.讓實驗探究真實有效

實驗教學(xué)離不開真實的情境，基于生活經(jīng)驗、生產(chǎn)實際等提出需要解決的實際問題，在實驗探究教學(xué)中基于證據(jù)進(jìn)行推理的過程，是讓學(xué)生體驗了若干科學(xué)家們的科學(xué)探究過程，通過“提出問題——形成假設(shè)——搜集證據(jù)——得出結(jié)論”這樣基于證據(jù)的推理路徑的建構(gòu)，讓學(xué)生的探究過程真實發(fā)生，真正實現(xiàn)從探究到實踐的轉(zhuǎn)變［4］。

2.讓思維能力趨于高階

學(xué)生在進(jìn)行證據(jù)推理的過程中，除了有記憶、理解、歸納等低階思維的運用，更需要搜集證據(jù)、控制變量、比較分析、評價設(shè)計等高階思維能力的培養(yǎng)。如元素周期表這一教學(xué)中，同周期元素Na、Mg、Al 的金屬性強弱的實驗方案的設(shè)計與優(yōu)化需要的是創(chuàng)造性思維；實驗比較H3PO4與H2SiO3的酸性強弱，對方案的評價與證據(jù)的質(zhì)疑需要的是批判性思維；如何將元素各種性質(zhì)的周期性變化與原子結(jié)構(gòu)的周期性變化建立聯(lián)系需要的是決策性思維；而在整個教學(xué)過程中圍繞“管道疏通劑”中Al與NaOH溶液是否反應(yīng)的問題，解釋了同周期元素性質(zhì)的周期性變化，建構(gòu)了元素周期律的概念，需要的是問題解決能力，這些都是高階思維的核心。

3.讓學(xué)科理解理性深刻

新課標(biāo)中強調(diào)教師加強自身學(xué)科的理解，化學(xué)學(xué)科理解的對象不僅僅是化學(xué)學(xué)科知識，還包括化學(xué)學(xué)科特質(zhì)的思維方式和方法［5］。如學(xué)完元素周期律這一課，學(xué)生除了要知道知識層面的一些元素性質(zhì)的周期性變化規(guī)律，并進(jìn)行判斷以外，還需要建立元素位置、原子結(jié)構(gòu)、物質(zhì)性質(zhì)之間的聯(lián)系（見圖6），同時也要學(xué)會進(jìn)行分析比較、預(yù)測未知物質(zhì)的性質(zhì)［6］。

圖6 元素“位—構(gòu)—性”的關(guān)系

4.讓核心素養(yǎng)扎實落地

普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)核心素養(yǎng)有5 條，可以概括為4個方面:化學(xué)觀念、科學(xué)思維、探究實踐與責(zé)任擔(dān)當(dāng)。其中“證據(jù)推理”是科學(xué)思維方法，化學(xué)觀念的形成需要在探究實踐中形成，必然要用到科學(xué)的思維方式，所以化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)是一個整體，在教學(xué)實踐中不能割裂。而在實驗探究教學(xué)中積極培養(yǎng)學(xué)生證據(jù)推理能力，就是讓核心素養(yǎng)扎實落地。

教學(xué)實踐中發(fā)現(xiàn)，在實驗探究教學(xué)中，實驗方案的設(shè)計、實驗現(xiàn)象的解釋、教師對學(xué)科知識的深層次儲備對于開展證據(jù)推理的教學(xué)尤為重要。因此，教師應(yīng)科學(xué)制定具體可行的教學(xué)目標(biāo)，挖掘教學(xué)內(nèi)容的潛在價值，設(shè)計并開展豐富多樣的實驗探究活動，有針對性地引導(dǎo)學(xué)生運用“證據(jù)推理”的科學(xué)思維方法學(xué)習(xí)化學(xué)知識，不斷提升課堂教學(xué)能力。