关于化学学科证据推理能力及评价的思考

方弯弯 龚正元

摘要： 证据推理能力是化学学科核心素养的重要组成部分，利用Klahr和Dunbar的双重搜索模型，建立证据推理概念理解图。然后依据《普通高中化学课程标准（2017年版）》对化学核心素养的水平划分，借助SOLO分类理论，重新将证据推理能力划分为四个水平。再根据证据和推理的双重复杂性，进一步细分四个水平，得到能力水平框架，为中学教师对学生的评价活动提供一定的理论依据。

关键词： 核心素养; 证据推理; 能力水平; 评价指标

文章编号： 1005-6629（2019）12-0015-06            中图分类号： G633.8            文献标识码： B

核心素养是指学生的必备品格和关键能力，具体到学科层面，学科核心能力就成为核心素养的关键内容。2018年年初《普通高中化学课程标准（2017年版）》正式颁布，明确规定“证据推理与模型认知”是化学学科核心素养5个方面之一。说明以核心素养为导向的化学教育，要求在化学教学中培养学生的证据意识与推理能力，以期学生能够适应科学技术高速发展的社会生活，满足未来自身发展的需要。化学学科核心素养“证据推理”的形成，是在培养学生证据推理能力的同时，让学生具备证据意识，以及能运用所学知识和收集到的证据参与社会性科学议题的讨论。目前，对于化学教学中培养学生证据推理能力的研究以經验总结居多，理论研究较少。本文拟对证据推理能力及其评价作一些理论思考。

1  证据推理的内涵

“证据”在《辞海》中的定义分为两类： 一类是从法学专业角度出发，是指侦查、审判机关在办案中搜集的、能够表明案情真相的材料。应是确实存在的客观事实且与案件有关，须经办案人员按法定程序收集和查证属实。另一类是从普适的角度出发，用于判定事实的依据，用来证明的材料。英文文献中“证据”译为evidence，形容词是evident（明显的;明白的）。也就是说，证据是使得观点变得明显、让人明白的材料依据。在科学体系中，科学证据是由支持主张的调查现象或数据组成，可用于进一步解释自然现象。人们倾向于用最前沿的证据说明科学现象，而随着时间的推移，证据的积累更新，就有可能会被新的证据推翻，这也是科学进步的关键。在科学领域，证据分为经验证据与理论证据。经验证据包括测量与实验得到的结果，可以通过个人操作收集（一手证据），也可以通过外部资源获得（二手证据）。理论证据是指获得权威认可的科学理论。科学证据的质量要考虑其与主张的匹配程度。仅仅因为一个数据是与主张相关，并不意味它是一个强有力的证据，在推理的过程中，学生需要对证据有判断能力，分清数据是支持主张还是与主张相矛盾。

科学教育中的推理主要涉及到逻辑推理与科学推理，逻辑推理注重证据与结论之间的逻辑关系，对于证据和结论本身是不予深究的，一般在进行推理时已默认前提为真。科学教育需要探索自然规律，自然界中事物运动的规律瞬息万变，因此科学推理不仅需要遵循一定的逻辑规则，更要关注证据本身的来源与评价，所得到的结论也不是一成不变的。Klahr和Dunbar认为科学推理是问题解决的过程，并建立了双重搜索模型（Scientific Discovery as Dual Search， SDDS）。该模型主要是对假设空间和实验空间结构的详细阐述，以及阐述这两个空间中的搜索机制。基于SDDS笔者建立了证据推理的概念理解图，如图1所示。

图1  证据推理概念理解图

假设空间是由已有证据组成。已有证据包括学生在生活中获得的已有经验和学生已经掌握的相关专业知识。学生可以在假设空间里根据已有证据提出假设，形成观点，或者已知的文字材料已经告诉学生某个观点。在假设空间形成的观点是不成熟的，需要经过实践空间的证明。实践空间是由科学实验和文献资料组成，学生通过科学实验得到的真实现象与数据，或者通过查找资料得到的科学规则，如科学概念、原理和模型等，得到的这些新证据需要进行评估，评估证据后决定在当前假设下进行实践的累积证据是否足以拒绝或接受它。证据检验假设，如果推理结果接受假设，则在实验证据的基础上形成新的概念，而新的概念又可以作为假设空间里的已有知识。如果拒绝假设，则需要回到假设空间重新收集证据进行新一轮假设。总体来看，证据推理就是根据已有证据提出假设，通过科学途径得到新证据对假设或已有观点进行推理验证，从而解决问题，获得新知识的过程。证据推理是个体发展到形式运算阶段后具有的推理类型，是个体知识水平与认知水平的重要体现[1]。

“证据推理”是化学核心素养的重要组成部分，也是高中生学习化学的重要思维方式。基于化学学科的证据推理既具有科学教育视野下证据推理的通性，又具有其特殊性。纵观化学史，化学科学中许多理论的建立和原理的发现，都是建立在对大量实验事实进行比较分析、归纳概括的基础上的。实验是化学学科形成和发展的基础，也是检验化学科学知识真理性的标准。化学教学中理应体现化学学科的特点，因此，化学学科教学中的证据推理主要是以实验事实作为证据，这里的实验事实包括师生实验得到的直接经验和科学家实验留下的间接经验。当然，实验事实并不是化学教学过程中的唯一证据，化学概念和理论知识同样可以作为强有力的证据。因此，笔者认为基于化学学科的证据推理是学生凭借已有的生活经验和化学知识提出假设，再根据实验事实、化学概念、化学理论通过比较分析、抽象概括和归纳演绎等推理形式，对猜想进行证实和证伪的求证方式，是学生获取新知识、解决新问题的高级思维过程。教师在化学教学中，可以通过化学知识结构化、教学过程逻辑化、科学探究层次化等途径来帮助学生掌握证据推理的思维方式[2]。

2  证据推理能力的内涵

能力是学生顺利完成某种活动的主观条件，是包括智力、非智力、知识、技能、行为等多因素的复合体[3]。证据推理能力是学生在某个科学的情境中或面对某个科学问题时所表现出的分析与实证能力。具体表现在收集证据、评估证据、基于证据提出观点、利用证据推理验证等探究性学习活动中需要的思维能力与推理技能。这些学习活动是学生进行科学知识学习时掌握概念与理论认知的关键步骤。

2.1  證据推理能力以科学知识为基础

科学知识是人类在科学实践历史长河中积淀下来的经验总结。科学素养是一个人利用科学知识发现问题和得出基于证据的结论的能力，以便理解和帮助做出关于科学问题的决定，有科学知识的人会用他们的科学知识去思考，去解决科学问题[4]。证据推理的关键在于学生根据科学的证据推出合理结论的过程。其中包括两方面，第一，证据是科学知识的提取。在假设过程中，学生利用已有的科学知识，得到的证据与假设要保证其合理性。在推理过程中，学生利用科学实验结果或查阅的文献资料得到科学知识，这是获得新知的一个过程。第二，通过证据推理过程得到的结论是科学知识的凝练。学生使用新证据推理得出新观点，这里要保证证据与结论的科学性。找到证据与结论的关联度时，也就是学生获得能力的过程，这是一个科学概念与理论的深入理解以及转变的过程。

2.2  证据推理能力以证据评估、推理技能与元认知技能为核心

证据推理应用于课堂实践，就科学性而言，学生需要知道什么是证据，评估什么是合适的证据，知道证据和观点的内在联系，在搜集证据的基础上对证据质量进行评估，选择科学合理的证据成为支持自己观点的理由。学生通常依赖于认知形式较低的理由，比如说个人的经历，还有不恰当的证据类型，如相互矛盾或无关的数据。因此，证据评估成为证据推理能力的一个重要组成部分。推理过程是一个将证据与观点建立科学联系的过程，学生需要对问题进行全面的分析，在推理过程中有三点非常重要。第一，要确定证据与观点之间建立的联系是否可靠。第二，要保证证据数量的充足，排除证据推理的片面性。第三，要反思推理过程的繁琐程度，不同的证据类型，不同的解释都可能导致推理路径的不同，要防止陷入思维定势，寻找最科学有效的途径。元认知是对认知的认知，元认知技能是学生在证据推理过程中调整和优化推理的能力[5]。在证据推理过程中，证据的质量、观点的科学性、证据与结论的联系程度需要学生及时进行评价与反思，这也是学生证据推理能力的核心影响因素。

2.3  证据推理过程有思维品质的四个主要成分参与

证据推理能力结构中需要包含能够反映证据推理能力强弱的思维品质，推理的过程是学生高级思维的外显过程，是学生思维活动中推理特征的表现，思维品质是判断证据推理能力水平的主要标志，主要包括思维的逻辑性、灵活性、深刻性、批判性。证据推理过程表现出的思维活动是按一定的逻辑规律进行，而证据推理是归纳推理和演绎推理等的综合运用，是概括、分析、迁移等思维方法的灵活运用。同时，学生在全面的分析问题、抓住事物规律与本质、思考事物发展方向等方面存在差异。而学生对推理过程思考得越深刻，就越能抓住问题的本质。在证据推理的整个过程中，需要学生具有批判意识、评估和反思智力品质[6]。

综合以上分析，笔者认为中学生证据推理能力应该是由证据的质量、推理的技能和证据推理监控三个方面构成的有机整体。具体的结构图如图2所示：

图2  证据推理能力结构图

3  证据推理能力评价指标

证据推理能力结构已经确定了评价的一级指标和二级指标，接下来笔者通过对证据推理能力进行行为表现分析，确定三级指标（见表1）。证

表1  证据推理能力各级指标

一级指标二级指标三级指标

证据的质量证据的科学性收集证据的途径是否官方权威

科学证据是否是科学概念、原理、理论、模型等

证据的充分性证据数量的充足

证据类型的多元

推理的技能分析问题的全面性提出假设的合理性

评估证据的全面性

分析推理过程的全面性

证据与结论的关联度相关但矛盾

相关且表象上支持

相关且理论上支持

证据推理监控思维的逻辑性假设的逻辑性

推理的逻辑性

思维的灵活性归纳与演绎的灵活运用

归纳与类比的灵活运用

解释与反驳的灵活运用

思维的深刻性掌握证据推理的规律

理解所得结论

思维的批判性主动寻找反驳证据

对所得结论存在思考

据推理过程存在两轮证据的出现，第一轮是在假设空间里，利用学生已有的经验体会与专业知识得到假设，这是激发学生进行推理的前提，某些情境中甚至不需要这一轮证据的出现，比如说给出的观点是学生运用已有知识得不到的抽象知识，那往往会直接给出观点。学生只需要寻找证据对这一新观点进行推理解释、证实或证伪。因此，假设空间里的证据不用过多考虑科学性，因为其科学性会经实践空间的检验。第二轮在实践空间里的证据需要保证其科学性和充分性，这是保证证据推理科学性的前提。证据类型可以是科学数据、科学概念、科学理论、科学模型，化学课堂上还可以包括学生基于科学实验得出的实验现象。证据收集途径需要科学有效，一方面，学生需要提升实验技能，另一方面，当今网络信息爆炸，真伪难辨，学生收集的文献资料，来源需要保证权威官方。科学结论往往不是一条证据就能推理得到的，而且，有些结论是多条证据均可以推理得到，证据之间可以互相补充。如甲烷的正四面体结构，学生在得到这个结论之前可以收集到两条证据。证据一： 甲烷的中心原子形成的两个化学键所成键角为109°28′;证据二： 二氯甲烷是甲烷的二元取代物，是无色透明易挥发具有刺激性气味的液体，常压下有固定沸点，为39.8℃（纯净物有固定的沸点）。这两条证据均可以判断甲烷是正四面体结构而非平面四边形结构。证据一是科学数据，证据二是事实证据，证据类型不同。

学生在假设空间提出的假设要先分析其合理性与必要性，否则会导致整个推理过程的多余和无效。学生收集证据以后，并不能保证所有资料均对推理过程有帮助，因此需要对证据进行整理分析。学生在将证据与理论建立联系的过程，可以从不同维度进行思考，如宏观现象上的联系，微观解释上的相关度等。考虑证据与理论的关联度时，证据应该涉及到相关证据和无关证据，无关证据在前期评估证据质量时就已剔除，相关证据又可分为相关支持证据和相关矛盾证据，相关支持证据又可以评估在多大程度上的支持。

思维的逻辑性是指按照一定的规则进行，学生在提出假设和进行推理的过程中均需要有清晰的思路，常用句式是“因为……并且……所以……”。证据推理中思维的灵活性应该表现在归纳与演绎、归纳与类比以及解释与反驳的灵活运用。由于学生在思维的周密、精细程度上存在差异，所以在推理的深度上存在不同。深刻性不同表现在证据推理过程中对推理规律的认识和对所得的结论理解程度的不同。学生证据推理过程中思维应该是主动的，而不是盲目跟风。对于推理过程应该有反驳的意识，对于所得结论的正确性与科学性不能过于笃定，这导致的结果就是寻找更多的科学证据来证明自己的疑惑。

4  证据推理能力水平划分

关于评价标准，2017年新版《普通高中化学课程标准》对化学核心素养的每一条均进行了水平划分，其中有关证据推理的水平划分如表2所示：

表2  新课标对证据推理能力的各水平要求

水平层级水平要求

水平1能从物质及其变化的事实中提取证据，对有关的化学问题提出假设，能依据证据证明或证伪假设。

水平2能从宏观和微观结合上收集证据，能依据证据从不同视角分析问题，推出合理的结论。

水平3能从定性与定量结合上收集证据，能通过定性分析与定量计算推出合理的结论。

水平4能依据各类物质及其反应的不同特征寻找充分的证据，能解释证据与结论之间的关系。

SOLO分类理论将学生对问题的理解程度进行了划分，从前结构到抽象擴展结构水平比较好地分析了学生的思维进阶，可以将其作为能力水平测量的借鉴工具。根据SOLO分类理论，笔者将证据推理能力同样划分为四个水平，由于本文主要针对的是高中学生，研究对象已有一定的知识基础，基本不会出现前结构水平。具体划分如表3所示：

表3

基于SOLO分类理论的

证据推理能力水平划分

水平层级水平要求

单点结构水平能针对问题提出假设，能根据假设找出相关的一类证据，得出的结论具有改进的空间

多点结构水平能通过多种科学途径，寻找多种类型的相关证据，能够建立证据与结论之间的联系

续  表

水平层级水平要求

关联结构水平能够将得到的科学证据之间建立联系，有逻辑地从证据推理结论

抽象扩展结构水平在针对问题由证据推理出结论的基础上，能凝练出来自问题情境以外的信息，将所得结论扩展延伸，举一反三

以“关联结构水平”和“抽象扩展结构水平”为例，针对以下问题情境，处于这两水平的学生对问题的理解程度以及解答问题的全面性都存在区别。

问题情境： 把在常压下的NO气体压缩到100个大气压，然后在一个体积固定的容器里加热到50℃，发生歧化反应，反应后发现气体的压力迅速下降，当压力降至略小于原压力的2/3时就不再改变。已知其中一种产物为N2O。请分析该过程发生的化学反应。

处于“关联结构水平”的学生，能找出情境中的相关证据：“NO气体”“发生歧化反应”“压力降至原压力的2/3”“其中一种产物是N2O”。可以分析给出的证据，然后联系已有的化学知识：“歧化反应是反应中某个元素的化合价既有上升又有下降的自身氧化还原反应”、“氮元素的化合价，常见的有NH3中的-3价、N2中的0价、NO中的+2价、NO2中的+4价”。接着进行分析推理，反应物NO中的氮是+2价，生成物N2O中的氮是+1价，根据证据中的歧化反应和已学知识可以知道另一产物为NO2，最后根据压力变化写出反应3NO一定条件下

N2O+NO2。

处于“抽象扩展结构水平”的学生，在找出已有证据，分析已有证据间的联系，通过已有化学知识从而推理出化学反应3NO一定条件下

N2O+NO2的基础上，能根据NO的歧化反应和情境内容加深对一定温度下，气体分子数与压强关系的理解;并且能够抓住情境中的“压力略小于”这个关键词，认识到容器内在发生歧化反应后，分子数目会继续减小;从而根据已有知识分析出NO2与N2O4之间的相互转化，写出反应2NO

N2O4。而处于“关联结构水平”的学生一般会忽略这个条件，认为是实验误差导致的。

课程标准中关于化学学科核心素养“证据推理”的水平划分更贴近化学学科，从物质性质、化学变化、宏观微观、定性定量等角度进行分析，关注的是学科内容。SOLO分类理论关注的是学生的思维，由易到难的认知结构水平。本研究是基于化学学科分析学生的证据推理能力，因此将两者相结合。已有研究说明证据推理的复杂性来源于两个方面，一是证据的复杂性，二是推理的复杂性。证据的复杂性主要是情境的熟悉度、证据的数量和证据的显性化程度。推理的复杂性主要分为直接推理和间接推理，和逻辑推理不同的是，证据推理更注重证据的科学性，处理证据之间的复杂关系导致了推理的复杂性[7]。所以推理的复杂性源头在于证据的数量与情境的综合性程度。证据在试题情境中表述得越明显，或需要用到的化学知识越单一，则推理过程越简单，所需要的能力水平越低。相反，证据在情境中未有明显表述，需要学生进行理论分析，或者得出结论需要用到的化学知识越复杂，则推理过程越复杂，所需要的能力水平越高。根据情境与证据的不同，将四个水平进行细分（见表4），细分后的证据推理能力水平给课堂教学中的试题编制提供了更为严谨的依据。

表4  证据推理能力水平框架

水平划分水平要求说明水平细分

水平1能从物质及其变化的事实中提取相关的一类证据，对有关的化学问题提出假设，能依据证据证实或证伪假设。情境类型： 物质及其变化的事实

证据： 单一证据且显性化程度高水平1-a

情境类型： 物质及其变化的事实

证据： 多类证据且显性化程度高水平1-b

续  表

水平划分水平要求说明水平细分

水平2能通过多种科学途径，寻找多种类型的相关证据，能够建立证据与结论之间的联系。情境类型： 宏观现象和微观原理

证据： 单一证据且显性化程度高水平2-a

情境类型： 定性分析与定量计算

证据： 多类证据且显性化程度高水平2-b

水平3能够将得到的科学证据之间建立联系，有逻辑地从证据推理结论。情境类型： 宏观现象和微观原理

证据： 多类证据且显性化程度低水平3-a

情境类型： 定性分析与定量计算

证据： 多类证据且显性化程度低水平3-b

水平4能在已有知识的基础上进行拓展延伸，能凝练出来自问题情境以外的信息，依据各类物质及其反应的不同特征寻找充分的证据，能解释证据与结论之间的关系，能举一反三。情境类型： 各类物质及其反应的不同特征，以及相关拓展

证据： 多类证据且显性化程度高水平4-a

情境類型： 各类物质及其反应的不同特征，以及相关拓展

证据： 多类证据且显性化程度低水平4-b

5  结论与启示

证据推理在课堂教学中更多的是对知识的加工过程，教材中的知识点大多是以结论的形式直接呈现，当教师只是将这些结论以口语表达的形式再让学生听一遍时，这个过程中，其实学生对于知识的来龙去脉并不了解，长此以往，学生也就习惯了化学知识是靠记忆而不是靠理解，而这也正是素质教育需要转变的地方。将证据推理融入课堂教学中，已有知识是证据，新知识是推理得出的结论，这个过程也就是知识建构的过程。如果化学知识是通过科学数据计算出来的，是通过实验现象总结出来的，是通过文献查阅分析出来的，那化学的学习将充满科学学习的乐趣。

教师在引导学生学习的过程中，同样要懂得反思： 教学是否让学生既掌握了知识，又提升了素养？学生能力水平到达了什么层级？接下来该如何有针对性地教学？本文针对化学核心素养中一个重要的点——证据推理进行研究，一方面给教师的课堂教学带来反思，另一方面通过对证据推理及其能力水平的剖析，为教师在课堂教学中对学生的证据推理能力评价以及相关试题编制均提供了一定的理论依据。

参考文献：

[1]朱丽杰. 国外科学推理能力内涵与策略的发展研究[D]. 长春： 东北师范大学硕士学位论文， 2012： 3～6.

[2]肖中荣. 证据推理在化学教学中的实践与思考[J]. 教学月刊·中学版（教学参考）， 2018， （Z2）： 54～58.

[3]刘晋伦. 能力与能力培养[M]. 济南： 山东教育出版社， 2001： 1～28.

[4]Zeineddin A.， Abd-El-Khalick F.. Scientific Reasoning and Epistemological Commitments： Coordination of Theory and Evidence Among College Science Students[J]. Journal of Research in Science Teaching， 2010， 47（9）： 13～28.

[5]余昭. 中学化学学困生与学优生元认知技能的差异性研究[D]. 武汉： 华中师范大学

硕士学位论文， 2016： 4～12.

[6]黄河浪. 思维[M]. 海口： 海南出版社， 2001： 13～25.

[7]罗玛. “证据推理”科学能力的实证研究[D]. 上海： 华东师范大学

博士学位论文

， 2018： 57～61.