高中生证据推理特点研究

杨季冬　吴冰寒　童文昭

摘要： 证据推理是一项关键能力，也是化学学科核心素养之一。把握学生证据推理特点有利于培养学生发展该能力。91名学生对乙硼烷结构进行推测，对结果进行归纳总结发现高中生证据推理的特点有： （1）不同学生面对相同的问题时，其推理的复杂程度有所差异;（2）学生的结论并不是凭空而生，而是有一定依据的，但所依之“据”并不一定可靠;（3）学生通过推理得到结论后，反思意识较弱。

关键词： 核心素养; 证据推理; 推理特点

文章编号： 10056629（2019）10001905中图分类号： G633.8文献标识码： B

1 关于“证据推理”

“证据推理与模型认知”是化学学科核心素养之一，《普通高中化学课程标准（2017年版）》指出学生应“具有证据意识，能基于证据对物质组成、结构及其变化提出可能的假设，通过分析推理加以证实或证伪，建立观点、结论和证据之间的逻辑关系”[1]。由此可见，证据推理作为一种高阶能力，是开展科学探究、解决科学问题等过程中不可或缺的。为了让学生有效地形成证据推理的化学学科核心素养，教师及研究人员需要更好地了解高中学生的推理特点以及他们对“证据”的使用情况。本研究采用实证研究，能够具有针对性地回应此问题。

“推理”是由已知判断推出未知判断，“证据”是可获得的事实与信息。在高中阶段，“证据推理”可视为学生所需的关键能力，是科学学习领域中的重要能力特质，与科学推理、科学思维，人的基本认知能力等密切相关，对学生的科学学习和高阶思维发展有着重要的价值。罗玛曾总结作为高中生能力的“证据推理”有如下特点： 领域特殊性（科学学习、解决科学问题等），可测评（可以评价、测量），发展性（可教、可学），差异性（不同的个体与发展阶段）[2]。本研究赞同其说法，并作为开展测评研究的假设前提。

2 研究方法

2.1 任务设计

为了考查学生推理的特点，在进行任务设计时尽可能避免采用学生熟悉的知识点，以避免学生是通过简单回忆直接解决问题，也应避免学生通过简单的迁移便能解决问题。同时，任务又不能完全脱离学生的知识基础，使他们完全没有推理的操作空间。由此，我们选取乙硼烷（分子式为B2H6）的结构推测作为学生任务，任务单如图1所示。做此選择有如下优点：

（1） 硼元素为短周期元素，学生能够根据其在元素周期表中位置知道其原子结构;

（2） 学生已经具有分子结构、共价键、共价化合物等相关概念;

硼是一种重要的非金属元素，常作为原料制备一些特殊的硼化合物。硼可以和氢形成一系列共价型氢化物，如B2H6、 B4H10、 B5H9等，它们被称为硼烷。目前已制出的硼烷有20多种，通过测定硼烷气体密度，已经证明最简单的稳定的硼烷是乙硼烷，分子式为B2H6。请在下方画出乙硼烷的结构式，并说明各处的成键情况。

（3） 硼及其化合物在高中不涉及，因此，学生不熟悉其性质，完成任务需要进行推理。

值得注意的是，高中生在没有学习大学化学的情况下，由于关键知识的缺失，很难得出乙硼烷的正确结构，但这并不妨碍学生产生推理行为。我们并不是期待学生能够获取正确的结果，而是通过学生对于该问题的回答归纳出高中生推理过程中的一些特点。

2.2 具体操作步骤

2.2.1 第一阶段

此阶段是纸笔测试，目的是为了了解学生完成乙硼烷相关结构推理的基本情况。

此阶段发放了96份问卷。这96名学生来自武汉市某高中二年级两个平行班，选择高二年级主要是考虑他们具有前文所述的知识基础，并且以他们为研究对象能为后续教学提供参考。为了保证学生答案的有效性，在测试前，我们以甲烷为例解释何为“画出结构式，并说明分子中各处成键情况”，然后由学生完成乙硼烷的任务单。学生完成作答后立即回收答题纸，整个作答过程约为15min。回收后进行批改，实际有效答卷（既画出了分子结构，又对各处成键进行了描述）为91份，然后对学生的答案进行归类、整理，从而得出学生关于乙硼烷结构推理的情况。

对于该问题的参考答案，拟定为： 乙硼烷的分子结构如图2所示（为了方便描述，原子下标数字为该原子的编号，化学键旁的数字为化学键编号，下文中提到的编号均以图2为准），在这个分子中，两个硼原子均以sp3杂化轨道成键、H（1）B（1）、 H（2）B（1）、 H（5）B（2）、 H（6）B（2），即①②⑤⑥处，均为σ键，这四个σ键处于同一平面，共用去8个价电子，剩余的4个价电子在B（1）B（2）和H（3）H（4）形成了2个垂直于上述平面的三中心两电子键，一个在平面之上一个在平面之下，每个三中心两电子键是由一个氢原子[H（3）或H（4）]和两个硼原子[B（1）和B（2）]构成，即③④处，结构实验指明③和④具有桥状结构，因此③④也称氢桥键[3， 4]。

再次强调，我们的目的是通过任务单研究学生的推理情况，而不是期望他们能够做出标准答案。我们拟出标准答案，是为了在整个过程中有科学的参考依据作为指导。在实际分析学生作答时，则考虑高中生认知发展阶段，重点关注结构式与成键情况。

2.2.2 第二阶段

本阶段采用的是半结构访谈法，目的是为进一步了解学生相关错误认识，并获取这些错误认识产生的原因。

此阶段我们首先将第一阶段学生的作答进行了分类，从每种作答类型中选出具有代表性回答的学生，最后决定将其中11名学生作为访谈对象。而访谈的内容主要是针对学生的错误之处要学生解释为何会这样作答，思考过程是怎样的，理由是什么。比如有学生给出了错误的乙硼烷的结构，我们会要求学生说明写出此结构的缘由。访谈过程中主要利用纸笔记录，并辅以录音设备记录。

访谈完毕后我们根据记录情况进行整理，依据学生的解释可以知道他们在进行推理时的具体过程，从而归纳出高中生推理中的一些特点。

3 数据分析

3.1 纸笔测试

91名学生均未能給出乙硼烷的正确结构，但他们的作答能给我们提供重要信息。他们的作答可分为以下三种情况： （1）认为乙硼烷结构类似氯化铝，如图3所示。为表述方便，这种错误结构称为“氯化铝式”。（2）认为乙硼烷结构类似乙烷，如图4所示。为表述方便，这种错误结构称为“乙烷式”。（3）虽然给出了上述两种结构之一作为回答，但通过文字表述了其结构可能存在的问题。上述分析三种情况人数及比例如表1所示。因此，在下一个阶段中我们将针对这些情况进行进一步研究。

3.2 访谈

根据前一阶段的分析我们发现，学生的错误主要集中在乙硼烷的结构方面，即“认为乙硼烷结构类似氯化铝”和“认为乙硼烷结构类似乙烷”。为了进一步获取学生关于乙硼烷结构推测的深层次信息，我们采取了访谈法。

根据任务单作答的类型及学生作答实际情况，我们挑选了11名学生参与访谈，其中6名认为乙硼烷结构类似氯化铝（其中有一名学生给出类似氯化铝结构，但对此有质疑），5名认为乙硼烷结构类似乙烷。表2展现了访谈的具体情况。下文是选取的三个比较有代表性的访谈。

举例一：

[教师]这是刚才交的关于乙硼烷那题的作答吗？

[学生1]是的。

[教师]你能给老师解释一下画这个结构的原因吗？（该生画的类似氯化铝的结构）

[学生1]我写的时候是这么想的，硼族元素不就是硼、铝、镓、铟、铊吗？氯化铝实际存在形式不就是Al2Cl6嘛，它的结构我知道，硼既然和铝是一族的，于是我就参照氯化铝写出了B2H6的结构。

[教师]你写出这个结构后有没有想过这个结构的合理性？

[学生1]我不知道合不合理，反正就是那样推的。

根据这名学生的描述，发现在解决该问题的时候，该生由于无法直接在脑海中直接提取乙硼烷的结构。但是他依然有解决问题的办法。他利用同族元

素的性质具有相似性，于是联想同族元素的氯化物——Al2Cl6，而氯化铝对于学生来说较为熟悉，于是自然而然地按照氯化铝写出乙硼烷的结构。

举例二：

[教师]这张是不是你的作答？

[学生2]（点头）。

[教师]你能给老师解释一下画这个结构的原因吗？（该生画的类似乙烷的结构）

[学生2]（想了一下）我对这个物质不是很熟，我就看着跟乙烷很像，我就按着写了。

[教师]你写出这个结构后有没有想过这个结构的合理性？

[学生2]（摇头）没。

根据这名学生的描述，可以看到他和上例中的学生有相同之处，同样是无法在脑海中直接提取乙硼烷的结构，于是找到了形式上相似的乙烷作为模型写出了乙硼烷的结构。不过相比于上例，他的推测过程简单许多。

举例三：

[教师]这张是你写的关于乙硼烷的结构吧？

[学生3]嗯（点头）。

[教师]你给出这个结构后又用文字提出了质疑，能给我说一下其中的缘由吗？（该生画的类似氯化铝的结构，但用文字表达了其困惑）

[学生3]我当时比较纠结。我第一反应就是我写的那个结构，不过写完后，感觉电子数量好像对不上。

[教师]电子数量？能具体说说吗？

[学生3]（一边在纸上写一边说）就是说成键的话一个“杠”代表两个电子，电子是来源于成键原子双方，一个氢原子提供一个电子没问题，但是硼原子，你看，这么画的话要提供四个电子，好像不太对。

[教师]所以还是画出一个结构，但实际上你认为也不太对是吧？

[学生3]嗯。

针对这名学生的作答情况，我们主要询问了她对自己结论产生质疑的原因。可以看到她和前两例中的学生的不同之处在于，虽然她也因为知识结构不完整而造成无法得出正确结构的情况，但她对于结果能够通过已有知识，进行深入思考，发现了其中的问题。因此，与前两例相比，她的推理过程深入了许多。

通过访谈我们归纳出以下信息：

第一，学生推测乙硼烷的分子结构式，实际上是套用了他们熟悉的A2B6分子的结构，并能说出一定的理由，具体来说就是套用了乙烷和氯化铝的结构。

第二，学生不同的回答反映了他们推理的复杂程度。其中根据涉及到的知识点多少可以做定性区分。认为乙硼烷有类似乙烷结构的推理，仅仅是从“形”到“形”，其思维过程最为简单;认为乙硼烷有类似氯化铝结构的推理，除了“形似”以外，还涉及到了元素周期律，是从“形”到“理论”再到“形”的过程其思维过程较复杂;而能够对写出结构进行反思的推理，除了具有前者的思维过程以外，还涉及到了原子结构、化学键等微观知识，运用这些知识反思了推理结论，其思维过程最为复杂。此观点在表2中也有呈现。

4 结果与讨论

通过上述实证研究及分析，我们归纳出学生证据推理有如下特点。

第一，不同学生面对相同的问题时，其推理的复杂程度有差异。就本任务而言，其中认为其结构类似乙烷的推理最为粗浅，认为其结构类似氯化铝的推理过程有一定的深度，对于给出其结构并能探讨其问题的推理最为复杂。造成这种现象可能与学生对相关知识的掌握程度有关，知识运用越娴熟，那么可利用的武器就越多，对于许多要害也会越敏感。比如认为乙硼烷类似乙烷结构的学生只是简单的类比，认为类似氯化铝结构的学生则参考了元素周期表，并结合同族元素性质可能相同的特点，而对于结构产生质疑的学生则还要理解原子结构排布、化学键等知识。

第二，学生的结论并不是凭空而生，而是有一定依据的，但所依之“据”并不一定可靠。从访谈的情况来看，不论是哪种情况的作答，所有学生得出结论都是有依据的。一方面，学生的这种意识值得肯定;另一方面，学生所依之“据”可能并不可靠，而他们依此“据”时也并未意识到这一点。在本任务中，绝大多数学生本质上是套用了自己熟悉的A2B6分子的结构。从心理学角度看，这实际上是一种负迁移，他们之前所学阻碍了他们获取正确的结论;从逻辑学上看，他们使用的是演绎式的形式逻辑，这种推理的最大问题在于忽略了前提的可靠性，而基于这种前提的推理往往会得出一系列不可靠结论。同时他们忽视了一些更加深入的问题，比如依据硼與铝同族，乙硼烷与氯化铝分子式形式相似，就推测两者结构也相似，看似找到了一个合理的前提能够说服自己，但他们忽略了如硼和铝结构差异，氢和氯的结构差异，氯化铝形成的物质基础等信息。由此也可看出，学生推理有时不够缜密，显现浅表化，而之前的研究也提出了类似观点[5]。

第三，学生通过推理得到结论后，反思意识较弱。有学者将此归结于“重传习轻思辨”的教育传统影响，学生反思能力的培养在我国没有引起足够的重视[6]。反思也是一种高阶思维，而高阶思维的培养在我国也比较薄弱[7]。从本研究来看，不论是在纸笔测试中，还是访谈中，能够对结果进行反思的是少数学生，这个证据验证了之前一些学者的说法。不过在访谈的学生中，有人能够深入思考了结构的合理性，这说明高中生是能够具备反思意识的，并能以此提高推理的质量。反思能力不论是在学术上，还是生活中都具有重要价值。因此，在平时的教育教学中应注重学生的反思能力培养。

从研究的结果可以看出，学生在进行证据推理时呈现出诸多特点，也暴露出了诸多问题。在高中化学课程中落实基础知识、培养证据意识、加强反思环节对于培养学生“证据推理”能力有促进作用。在实际教学中，教师还需据此形成有效的操作性策略，如让学生有序体验并持续反思推理过程。“证据推理”的培养并不能一蹴而就，需要纳入日常的教学设计中，设计真实情境，激发学生的问题意识，加强学生学习活动中的反思行为，从而落实化学学科核心素养。

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部制定. 普通高中化学课程标准（2017版）[S]. 北京： 人民教育出版社， 2018.

[2]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.

[3]大连理工大学无机化学教研室. 无机化学（第三版）[M]. 北京： 高等教育出版社， 2006： 407～409.

[4]李晓艳， 曾艳丽， 鲁彬， 孟令鹏， 郑世钧. 乙硼烷分子的结构与化学键讨论[J]. 大学化学， 2005， 20（5）： 36～39.

[5]杨季冬， 周慧， 王后雄. 高中生对物质结构与性质关系理解的调查研究[J]. 化学教育， 2017， 38（11）： 24～27.

[6]姚林群. 论反思能力及其培养[J]. 教育研究与实验， 2014， （1）： 39～42.

[7]杨季冬， 王后雄， 童文昭. 凸显高阶思维的化学教学： 内涵、 必要性和实践策略[J]. 化学教学， 2018， （6）： 37～40.