化学学科证据推理研究与实践

杨梅 莫尊理

摘要：
证据推理是科学思维的一种高级形式，也是化学学科核心素养的重要组成内容。基于证据推理的内涵、基本形式、教学模式及其要素的分析，提出通过“应用证据推理的教学模式、在情境体验中培养证据意识、在‘假设检验和‘假设创造活动中凸显推理思维、在问题解决中强化结论应用”培养证据推理，旨在落实化学学科核心素养，提升学生证据推理能力及复杂性思维能力。

关键词：
化学学科核心素養; 证据推理; 培养路径

文章编号：
10056629（2022）06000305

中图分类号：
G633.8

文献标识码：
B

18世纪，人们对于不确定、不精确、不完整信息的有效处理提出了不确定推理问题[1]，其中，证据推理既可灵活处理不确定信息，又可有效融合定量信息和定性知识[2]。20世纪初，Wigmore在证据法学的语境下区分了证据法研究与证明过程的研究[3]，1967年，Dempster首次提出证据推理，Shafer将其推广并形成证据推理理论，称为Dempster-Shafer理论[4]。在教育学领域，“推理”一词来自皮亚杰的认知发展阶段理论。他认为在形式运算阶段，儿童思维已经超越了对具体的、可感知事物的依赖，使形式从内容中解脱出来，促进形象思维向推理、论证等抽象思维的转变[5]。“证据推理”作为化学学科核心素养的思维核心，要求学生以尊重事实和证据为前提，基于证据提出假设，通过分析、推理得出结论[6]，培养学生“从宏观与微观相结合的视角认识物质的组成、结构、性质和变化，从结构与性质相联系的视角表征物质变化的原因，从变化与平衡相统一的视角揭示物质变化的规律”等化学学科思维方式。本研究基于证据推理的内涵、基本形式、教学模式及其要素，提出证据推理的培养路径，旨在促进“证据推理”学科核心素养落实于化学课堂教学。

1 证据推理的内涵

1.1 证据推理的含义

“证据推理”是个合成词，“证据”一词源自法律，“推理”一词源自逻辑学。在哲学层面，思考的过程主要是人与证据之间的对话、人与人之间的对话，以及研究者自我对话的过程。沈兆刚认为证据推理是生动地、直接地感知周围世界中的形象、画面、现象和事物，并进行逻辑分析，寻找因果关系，获取新知识的思维训练过程[7]。在逻辑学层面，证据推理指的是“在掌握证据的基础上推理出新的命题”，即证据推理的起点是证据、终点是结论，进行证据推理就是建构二者之间的逻辑关系[8]。在科学学习层面，罗玛认为“证据推理”属于“科学推理”的范畴，科学推理的本质是普适的科学推理技能和科学探究过程，证据推理更突出强调“证据”，重视证据意识，识别、转换、形成证据的过程[9]。化学学科核心素养中将“证据推理”解释为具有证据意识，建立“证据推理结论”之间的逻辑关系，基于证据提出假设，通过推理加以证实或证伪，或依据证据从不同视角推出合理结论[10]。

综上所述，从本质上来看，证据推理是根据某一判断得出另一判断的思维过程。从形式上来看，证据推理表现为判断与判断的联结[11]。从推理取向来看，证据推理包含两个方面：
一是利用证据证实或证伪假设，即“假设检验”;二是根据证据推理得出科学结论，即“假设创造”[12]。从范畴来看，证据推理是强调证据的特殊科学推理。因此，证据推理指的是学生以其经验或科学知识为基础，根据学习材料，识别、转换或推演问题情境及已有知识经验，形成已知判断，基于已有判断提出猜想，多方收集证据，设计并实施实验方案，对假设进行证明或创造，从而获取新知、解决问题、得出目标概念的深度思维过程[13]。

许多学者及教育实践者会将“推理”和“论证”混用。虽然，论证依赖于推理，但是，两者在其思维活动的进程、复杂性、性质判断等方面存在差异，具体如表1所示[14]。

1.2 证据推理的基本形式

证据推理是一种过程性的思维活动，证据作为它的前提判断，也是推理的依据，由前提推导出来的判断称为推理的结论，两个判断之间存在着一定的逻辑性，而判断间的这种逻辑关系构成了推理形式。按照思维的进程和推理结论是否具有必然性，可以将推理分为类比推理、演绎推理和归纳推理[15];根据观察对象的个数及是否存在进一步观察，可以将推理分为归纳推理和溯因推理。因此，证据推理的基本类型包括归纳推理、演绎推理、类比推理和溯因推理，它们各自相对独立，均有独特的推理模式，主要区别如表2所示[16～18]。

在实际课堂中，教师基于自身经验应用归纳、演绎、类比、溯因等推理形式进行教学的案例比比皆是，但是，对于“不同推理形式的教学模式适用于哪种类型的教学内容？如何应用于具体教学过程？”等问题的研究却凤毛麟角。譬如，有研究通过对教学中常见的质料类推、形式类推、模型类推中具体事例“反常”现象的分析和讨论，认为在高中化学教学中应慎用类比推理[19]。也有研究结合实例介绍了三段论演绎推理法在化学教学中的应用及作用[20]，这些研究是化学教学从经验走向循证的有效路径，也是化学教学科学性的有力支撑。

2 化学教学中证据推理素养的培养路径

教学模式指的是在一定教学思想或教学理论指导下，为完成特定教学任务、实现特定教学目标所建立起来的较为稳定的、突出从宏观上把握教学活动整体及各要素之间内部关系的教学活动框架，以及突出教学模式的有序性和可操作性的教学程序[21]。因此，教学模式包含了教学要素及其关系。通过应用证据推理教学模式，把握证据推理的要素及注意点，培养证据推理能力。

2.1 应用证据推理EBR教学模式

Brown等人简化了Toulmin的论证模式，提出证据推理框架，简称EBR框架，如图1所示。其中“数据”（data）是推理的基础，是过去或现在观察到的、可支持证据的系列事实;“分析”（analysis）是将数据的观察结果联系起来，产生一份证据陈述的过程;“证据”（evidence）表示个体观察所得的关系，包括一些支持的证据和反证的证据;“解释”（interpretation）是对证据的概括;“规则”（rules）是前提和结论之间的联系，证明了结论是如何从前提得到的，是描述普遍性、一般性关系的语句;“前提”（premise）是由一个或多个陈述组成，描述特定的情况作为输入，将导致结论所描述的结果;“应用”（application）是根据前提所描述的信息和规则所描述的关系，确立结论的可能性或必要性;“结论”（claim）是关于未来所做事情的预测、过去所做事情的观察或现在所做事情的总结的一个特定结果或状态，是特定于前提所定义的单一情况的集合[22]。387C1BFC-8CFB-4BFB-A78B-E2E3B7F59AB1

EBR框架通过前提和数据两种输入，基于证据和规则进行“分析、解释和应用”三步处理，输出科学结论。譬如，在“基于微粒观的离子反应多元探究”中，以EBR框架解决“AgNO3和NaBr溶液能否发生反应”这一问题，学生根据“常温下，AgCl为白色固体，溶解度为1.9×10-3g，AgBr为淡黄色固体，溶解度为1.9×10-5g”的数据，通过二者溶解度数值的比较分析，得到“AgCl的溶解度大于AgBr的溶解度”的证据，作出“在相同条件下，所溶解的AgCl的质量大于所溶解的AgBr的质量”的解释，形成“溶解度越小越容易沉淀，溶解度越大越容易溶解，以及有沉淀生成的复分解反应能够发生”的规则，并基于“AgCl是沉淀”的前提，推出“AgBr也是沉淀”的应用，设计并实施NaBr和AgNO3的混合实验，观察发现有淡黄色沉淀生成，得出“AgNO3和NaBr能够发生反应，并且反应生成AgBr和NaNO3”的结论。在此过程中，学生将事实数据进行关联形成证据，对证据进行概括生成一般性关系的规则，再结合前提和规则得出结论，在思维过程的外显中培养证据推理意识。

2.2 应用科学探究中的证据推理教学模式

杨玉琴等从科学探究的历程出发，提出了“科学探究过程及证据推理”的教学模式，如图2所示。基于情境发现问题，再根据已有的资料、数据或知识等证据对问题形成假设，搜集证据，根据进一步的资料、数据等证据对假设进行证实或证伪，最终获得结论[23]。

譬如，在“基于微粒观的离子反应的多元探究”中，要解决“AgNO3和NaBr溶液反应实质是什么，如何设计实验证明”这一问题，学生已知“硝酸银和溴化钠溶于水，可以电离出Ag+、 NO-3、 Na+和Br-”，提出“Ag+和Br-反应生成AgBr，NO-3和Na+反应生成NaNO3;Ag+和Br-反应生成AgBr，NO-3和Na+不发生反应;Ag+和Br-不发生反应，NO-3和Na+反应生成NaNO3;都不发生反应”等假设，又因为混合之后有淡黄色沉淀生成，且NaNO3为强电解质，在溶液中以NO-3和Na+的形式存在，所以AgNO3和NaBr溶液反应的实质为Ag++Br-AgBr↓，至此，对假设进行修正。再通过离子检测实验验证假设，得出结论。在此过程中，培养学生基于证据提出假设、通过循证对假设进行证实或证伪的能力，体现了科学求真精神与评判质疑能力。

2.3 应用证据推理的三要素教学模式

2017年，中国化学学会对证据推理素养进行了解析，认为证据推理包括“证据、推理思路与推理结论”三大要素。其中，证据是支持推理结论的事实;推理思路是经过分析与綜合做出逻辑判断的过程。推理思路的形成会随着推理任务和推理类型的不同而发生改变;在问题解决的过程中可以对该问题进行解释，得到结论，就是推理结论。不同的推理任务、推理思路以及证据，会产生不同的推理结论[24]。

譬如，在“基于微粒观的离子反应的多元探究”中，要解决“如何从微粒的角度验证反应实质为Ag++Br-AgBr↓”这一问题，其中证据为具体的实验现象。推理思路是基于定量实验思想，分别检验Ag+和Br-能否反应生成AgBr，NO-3和Na+能否反应生成NaNO3，首先，取第一次实验后的上层清液，继续向其中滴加AgNO3溶液，没有明显现象，说明Br-已经消耗完了，因此，是Ag+和Br-反应生成AgBr沉淀;其次，学生经过讨论发现，在现有认知范围内既无法用物理方法，也无法用化学方法检验NO-3和Na+能否发生反应，教师提供钠离子计传感技术，通过溶液中钠离子浓度判断钠离子是否参与反应，最终得出NO-3和Na+不发生反应。推理结论为“AgNO3和NaBr能够发生反应，反应实质：
Ag++Br-AgBr↓，Na+和NO-3不参加反应”。在此过程中，培养学生基于证据进行逻辑判断，形成证据推理思路，得出结论的能力。

除此之外，也有学者提出解题过程中证据推理的要素及教学模式、证据推理与模型认知素养要素及教学模式、证据推理逻辑化模型、实验探究教学中证据推理的线性模型和循环模型等[25]。各个证据推理教学模式具有一定的教学指导价值，但也存在一些问题，证据服务于推理过程，推理思路决定推理结论，对于证据及其类型的研究已比较成熟，而对于推理思路的研究只限于某一节课。因此，无论是一线教师、学生，还是教育研究者，都会困惑于某一主题问题解决过程中的推理思路，并试图将其外显成一种程序性知识，着力把证据推理教学思想变成教学思路，把思路变成解决问题的方法，使师生更加明确推理的思维过程，为今后复杂性问题的解决提供思考的角度。

3 使用证据推理的要素及注意点

逻辑学中的“推理”包括“结论”“前提”和“推理指示词”三个要素，结论是论证中被理由支持的那个断言，前提是被提出来作为结论理由的断言，推理指示词指的是给结论和前提插上“小旗子”，包括结论指示词和前提指示词[26]。同时，结合证据推理的各种模式，我们认为证据推理的核心要素包括“证据、推理、结论”，证据是基础，服务于推理过程;推理是核心环节，决定推理结论;结论是目标，影响推理思路，又是新的证据[27]。

首先，在情境体验中培养证据意识。证据意识是学习者对于证据的认识和反映，包括“证据如何收集、选择、组织和评估”。关于证据的收集，一是认识证据类型，从表现形式划分为“数据、文本信息、经验、图像、图表、实物、实验、史料和模型”等，从学科本质划分为“宏观证据、微观证据和符号证据”，从定性定量划分为“定性证据和定量证据”，从呈现方式划分为“直接证据和间接证据”，从来源划分为“基于实验、调研、测量、查阅所获得的‘数据证据”和“分析已有认知所获得的‘知识证据”等;二是建立证据库，这些证据不是简单的并列关系，证据的有效使用必须依附学生原有认知，将证据与个人经验建构起关联，形成个性化的证据库，再通过探究性练习，多角度认识证据之间的联系，形成证据链，丰富证据库。关于证据的选择和组织，即“在新情境中准确判断问题的逻辑关系，识别问题中隐含的证据，与已有认知建立联系，调用、整合、重组相关证据，与问题形成联结”。关于证据的评估，包括“证据的科学性、准确性、可重复性、充分性”等四个方面[28]。387C1BFC-8CFB-4BFB-A78B-E2E3B7F59AB1

其次，在“假设检验”和“假设创造”活动中凸显推理思维。证据推理思维是关于“如何进行证据推理”的思考，是化学教学中证据推理的条理脉络。化学教学中证据推理即为“始于问题，基于证据的假设检验或假设创造过程”，基于证据提出假设的关键是将一般性问题转化为具有可测变量的化学问题，再通过控制变量思维设计实验方案、做出猜想;基于实验证实或证伪假设的关键在于无关变量的控制、实验变量的操作和因变量的测量，从实验试剂和仪器装置两个方面控制实验条件是多角度收集正确、充分、多样的证据的基础[29];假设创造过程的关键在于关注异常现象，强调基于实验探究制造认知冲突，通过改造相近原型重组已有知识，或以某种情况替代原有情况转换研究思路、方法、原理，在证据和问题之间产生新的联结，通过新的概念来解释旧的假设或提出新的假设。

最后，在问题解决中强化结论应用。基于证据推理所得的科学结论又以真实情境的问题解决为媒介，情境、问题、知识、能力之间通过联想、求证、推理建立相互联系，拓展解决问题的思路和方法，结论又通过外显化、观念化和结构化得以强化，强化后的知识、方法、思路、策略又可作为新的证据应用于新一轮的问题解决中。另外，证据推理所得结论要具有客观性、多样性、关联性，以证据为前提、客观事实的观察为基础、准确的实验设计与实施为保障，得到并列平行的诸多答案，培养发散性思维[30]。在“证据推理结论”的教学过程中，培养学生收集证据、整合证据、运用证据、评估证据、优化证据的意识和能力，形成多角度考虑问题的习惯，构建结构化的证据推理思维模型，强化结论的迁移运用，有利于学生在高级的、复杂的综合性创造活动中，以新颖而有效的方法，运用创造力和反思评判能力对复杂情境的问题进行创造性的解决。

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