“证据推理与模型认知”的内涵与教学研讨

赵铭 赵华

摘要： 阐述了“证据推理与模型认知”的内涵，并对具体教学案例进行了分析。认为模型认知也有两面性，若过于强调物理模型的“类比性”，将导致“相异构想”;若过于强调“微观可视化”模型，将导致对世界复杂性认识欠缺。指出证据推理与模型认知分开表述有其操作性优势，但容易割裂，具体落实“证据推理与模型认知”需要防止“窄化”“泛化”“过分依赖建模”等倾向。

关键词： 证据推理与模型认知; 核心素养; 化学教学

文章编号： 1005-6629（2020）02-0029-06

中图分类号： G633.8

文献标识码： B

《普通高中化学课程标准（2017年版）》（以下简称“新课标”）中明确提出化学学科五维核心素养（以下简称核心素养），让核心素养落地是当前研究的重点，而对核心素养各维度的深刻理解是素养落地的关键，厘清学科核心素养内部的关系以及每一维度的内涵则是深刻理解的前提。本文拟以“证据推理与模型认知”为例，作从概念到应用的探讨。

1  “证据推理与模型认知”的课标理解

新课标从三个层次对“证据推理与模型认知”进行了阐释。一是设计、推理，即“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”;二是建立逻辑，即“建立观点、结论和证据之间的逻辑关系”;三是建模、应用，即“建立认知模型，并能运用于解释化学现象，揭示现象的本质和规律”。

王磊认为新课标的“证据推理与模型认知”是化学核心素养的思维核心，前后两者构成互为基础和水平进阶关系，证据推理的高水平是模型认知，模型认知需要基于证据推理论证[1]。王祖浩则将“证据推理与模型认知”归入“过程与方法”领域[2]。吴星认为： 证据推理所形成的科学结论是简单的模型认知，模型认知离不开证据推理，证据推理是建构模型的前提[3]。综上可见，专家一致认为：“证据推理与模型认知”是“核心素养”的思维核心，其中，证据推理是模型认知的前提和基础，模型认知是证据推理的进阶和高级形式。

关于“证据推理与模型认知”的层级界定，吴星认为： 不能把其中的“与”简单理解成两者加和，它们是相互联系的统一体[4]，“统一体”这个说法应该是调和了“前者和后者”之间的“层级论”。新课标显然是将两者融为一体来进行描述，即证据收集能力、模型认知能力和模型应用能力。比如证据收集能力，新课标是从“宏观证据→宏微证据→定性定量证据→多元证据”4个层次进行划分的。

汉语言有一个典型特点，当用“和”“与”这一类词汇进行连接时，这两个词一般属于并列关系。另外，从词组结构上看，“证据推理”“模型认知”是一个主谓或者偏正结构。若是主谓结构，即： 证据推理出什么？模型认知出什么？从偏正结构看，即： 基于证据的推理、基于模型的认知。

笔者以为，新课标更倾向于“偏正”结构。当然，我们在实践中还会分得更细致，比如将“证据推理”拆分成“证据”“推理”“证据推理”三个模块，即以“证据”为中心的教学，培养学生的“证据获取能力”“证据选择能力”“证据组合能力”“证据表达能力”等;以“推理”为中心的教学，培养学生“守恒推理能力”“类比推理能力”“控制变量推理能力”“组合推理能力”等。因此，在课堂教学实践中，我们不能将这些素养目标进行简单转化分层，贴上“素养标签和能力参数”强加给学生。而应将其内隐在宏观教学设计之中，要以“学生为中心”，以学生的认知心理、前概念和个性化学习需要为核心，呈现多元的方案供学生选择性学习。

2  关于“证据推理”的进一步思考

2.1  “证据推理”的内涵

首先，关于“证据”的涵义。在牛津词典中的表述为可获得的事实与信息的集合，用来表明一个信念或观点是否为真或者令人信服。张大松指出，证据是用以检验理论性假说的经验性陈述，包括直接观察实验报告或观察记录和间接的计算推导数据[5]。按照张大松的说法，“证据”就自然科学而言，应专指为解决科学问题而获取到的相关信息，即科学证据。证据不同于数据，数据是研究者在调查过程中收集到的观察结果，具有客观存在性。而证据是数据分析过程和后续解释的产物，具体的问题和相关的事实直接依赖于证据。因此，自然科学的证据应该有“可证之据”的涵义。就化学学科而言，证据应该是可靠的、有价值的且有明确指向，无关证据或者伪证据不在研究之列，而证据的采集和表达本身就蕴含科学参与者或者学习者的品格和能力。

其次，关于“推理”的涵义。推理是由一个或几个已知的判断推出一个新的判断的思维形式。“推理”亦称“推论”，是“客观事物的一定联系在人们意识中的反映”，在逻辑学领域，是指思维的基本形式之一，“由一个或几个已知的判断（前提）推出新判断（结论）的过程，有直接推理、间接推理等”[6]。因此，推理是人进行有意识的意义建构，应用逻辑，明确并验证事实，基于新的或当前的信息改变或判断实践、信念，是人类本质的决定性特质。

核心素养中的“证据推理”，是立足于科学探究过程中，并建立在一般推理能力的基础上，遵循科学推理的思维形式，强调“证据”的识别、转换和表达的。因此，证据推理是在科学学习这个特定的领域情境下，获取证据进行推理的认知活动。

2.2  “证据推理”的案例分析

为了更清晰地理解这种内在逻辑思维形式的特点，不妨看一个案例。詹发云老师在“构成物质的微粒”这节课中运用推理这种思维形式，其核心是“证据链”[7]（见图1）。

图1  “构成物质的微粒”的证据推理过程

在此案例中，运用了“演绎推理”和“归纳推理”，演绎推理的一般句式为“高锰酸钾可以被研磨得更细、更小;大颗粒变成小颗粒是一种分割;故高锰酸钾固体可以被分割”。归纳推理在这节课中表现得并不充分，因为“物质可以被分割为更小的微粒”是一个典型的“不完全归纳”，在化学教学中，我们通常用的是“类别或者代表物”舉证这个方法。在这节课中，我们可以尝试“固态物质可分、液态物质可分、气态物质可分”或者其他视角，如“高锰酸钾固体不断被分割”“液态水加热至完全变成看不见的水蒸气，也是一种分割”“打开窗户后，二氧化硫的刺激性气味会逐渐消散”等。

在上述案例中，搜集证据的能力主要体现在观察及观察后的反思，反思之后的实验设计，其实就是“新证据获得的必经过程”。因此，证据获得能力中显然包括反思能力和设计能力等。上述案例表明，“证据推理”的内在逻辑思维形式经历了以下4个过程： （1）宏观现象的联想和潜在信息的调用;（2）证据的识别、转换与表达;（3）运用科学推理能力进行证据与结论之间的关联;（4）结论再检验，印证推理过程的可靠性。

“证据推理”在教学中的应用，一要防止“证据窄化”。实验证据是重要证据，但要引导学生关注实验过程中的“条件控制”“技术控制”“证据采集手段”等;文献和科学数据是重要证据，要指导学生查阅“一手文献”和“权威数据”;跨学科理解等也是重要证据，化学问题有时需要物理学和数学支撑，也需要生物学、地理学等支撑，更需要哲学思考。二要防止“证据泛化”。在指导学生学习化学的过程中，要关注“证据筛选”能力，加强有效证据的判断力和选择力，加强为观点提供“核心证据”的能力。

3  关于“模型认知”的进一步思考

3.1  “模型”的内涵

我们首先梳理一下国内外学者对“模型”的概念界定，其中对模型分类有2种视角： 认知视角和本体视角。（1）人类对世界的认知视角对模型进行分类。奥耐克（F. Ornek）将模型分为心智模型和概念模型[8]。心智模型是指人头脑内部的、认知的表征，概念模型是对物体、现象和系统等简化的和理想化的外部表征，包括数学模型、计算机模型和实物模型。国内学者余自强将模型分为两类： 物质模型和思想模型[9]，物质模型主要是指实物模型和模拟模型，思想模型是指事物在人们思想中的理想化反映。林国栋则将模型分为物理模型和数学模型，认为物理模型包括物质模型和思想模型，数学模型包括确定性模型和随机性模型[10]。（2）人类使用模型认知世界的功能与模型本体的演化角度。哈里森（A.G. Harrison）和揣古斯特（D.F. Treagust）于2000年总结了认知模型和本体模型的10项功能： ①尺度模型;②教学的类比模型;③图像和符号模型;④数学模型;⑤理论模型;⑥示意图、图像和表格;⑦概念—过程模型;⑧模拟;⑨心智模型或心智模式;⑩综合模型[11]。吉尔伯特（GILBERT.J.K）等依据模型的本体演进将其分为8类，分别是： 心智模型、表达模型、共识模型、科学模型/历史模型、课程模型、教学模型、混合模型、教育学模型[12]，这8类显示出人类怎样认识世界、怎样给后代传递知识文明的模型时所使用的方法和规律。前4个主要是人类怎样认识世界，也就是科学研究者模型的建立过程;后4个则是人类如何学习科学的模型演进过程。当下的研究集中在后4个，即所谓的科学教育模型。例如，化学学科学习建构的初中、高中的课标内容体系，就是属于“课程模型”范畴;以实验探究进行证实、证伪等方式就属于“教学模型”等。

因此，化學的“模型”，主要研究对象是自然科学教育的教学和学习过程中采用的模型认知和建构方法。作为核心素养的“模型”，则主要指向的是“学生学习化学学科的过程中进行具体或抽象的模型建构”。

陆军等认为化学学科的“模型”包括实物模型和非实物的形式模型2类，形式模型又包括数学模型、图像模型和语义模型等情况[13]。单旭峰认为的化学模型有5种： 概念模型、结构模型、过程模型、数学模型和复杂模型[14]，这种分类是从化学学科知识分类视角进行划分的，难免有交叉，比如“过程模型”“数学模型”与“复杂模型”，概念间的界限不明确。

3.2  模型认知与科学教育模型

从教育学视角来看，科学教育模型是指进行科学教学和学习的模型，而核心素养中的“模型认知”是科学教育模型的重要表现形式，这里的“模型认知”从属于科学教育模型。但学科核心素养中的“模型认知”主要指学生化学视角的思维发展，关注化学学科的模型本体和自我学习的模型理解。

首先，有必要审视一下“模型”在科学教育中的功能。哈德森（D. Hadson）提出了模型在科学教育中的3个功能： 学习科学;学习做科学;学习什么是科学，同时指出模型在这三个方面均发挥作用[15]。

其次，关于模型和建模过程在科学教育中的具体操作，国内外学者均有各自见解。（1）从建模的方式看，温德比尔特大学的李尔（R. Lehrer）与沙伯（L. Schauble）提出的科学教学中的四种类比映射，即物理微缩（physical microcosms）、“镌刻”（inscriptions）、句法模型（syntactic models）和涌现模型（emergent models）[16]。物理微缩其实就是“实体模型”，如硫酸工业制备模型等;“镌刻”是进一步抽象与强化，如原子结构示意图、化学方程式等;句法模型是对整个知识系统的概括，有点类似于“思维导图”，如学生在学习后所形成的知识导图;涌现模型（又称新兴模型或激发模型等），它旨在尊重个体“自在表达”，如每一个学生都可以在自己理解的基础上对“原子结构”进行建模，个体之间或者教师如果不强加“正确模型”的影响，最终一定会“涌现”出一些更有“表达力”的模型，涌现模型特别强调对世界认知的多元表达（指向某个结果非单一起因）、个体与整体差异和微观追溯到宏观的能力。（2）关于“建模”，国内学者何美与裴新宁的观点是： 泛指人类描述和解释自然现象的一切概念化过程，是对真实世界的经验与发展对经验的解释之间的中心环节，使人们的经验从混沌无序向逻辑有序发展[17]。史凡和王磊则认为“建模”即产生科学模型的过程，是一个动态的历程，通常包括构建、应用、评估和修正等四个方面[18]。

不难发现，国内外学者更侧重从科学研究中模型的功能上进行分类，即： 数学模型、计算机模型、物理（实体）模型、视觉或图画模型、类比模型等。笔者以为，化学研究模型和化学教学模型还是有差异的，化学研究模型较多使用的是类比模型和数学模型（一种抽象形式），比如电子云、原子轨道和元素周期表等，这些概念或者形式严格意义上说是一种数学模型（与毕达哥拉斯学派“万物皆数”的观点相契合）。而化学教学模型则是为了使学习者更容易理解某个化学概念或者原理，在化学研究模型和认知规律之间搭建的“脚手架”，如原子结构的五种历史模型演变、氧化还原反应规律（较强氧化剂+较强还原剂）、原电池模型（单液-双液）等，都是为了让个体更好或更准确预测、理解和表达某个客观存在。

3.3  模型认知的分类

根据以上的分析，模型主要有2大类，一类是科学研究和发现中的建模，主要是基于理解和阐释;二是科学教育和科学学习中的模型，主要是学习者和施教者为学习和理解而建立模型。因此，化学学科的教学和学习领域的模型认知，笔者认为分为3类（见图2）： 镌刻模型（包括实体微缩、抽象、数学表达式等）、混合模型（为个性化学习理解而建立的、融入心智和科学理解的系统模型）、算法模型（包括计算机模拟在内的、智能、网络系统参与构建的深度学习模型）。

图2  模型认知在化学教学中的三种应用分类

特别需要指出的是，建模就是个体“建立模型过程”，是个体在认识自然世界时的一种习惯性的反射，这种反射初期表现为“个性理解”，并以模型的方式在心智中表征，这种“个性理解”要被认可，还需要循环的“证据推理”过程，并经过实践检验。因此，在化学教学过程中，建模的整个过程一般表述为5个环节： 建模、用模、评模、修模、优模，这5个环节是循环往复的。

在化学学科教学中，我们更多使用的是混合模型。新课标中的学业评价主要依据布卢姆教育目标分类学（修订版）对认知维度的划分进行设计，即由低到高的4个水平： 水平1—认识模型、水平2—理解模型、水平3—运用模型、水平4—建构模型[19]。课堂教学的建模活动中，主要依据概念和原理的认知进阶，设计教学的一般流程： 初始模型（元认知）→依据证据，认识初始模型缺陷→设计方案或者实验→获得可靠证据，修改模型→新旧模型对比，升华概念和原理的理解→再产生新的问题→……，为螺旋式上升的过程。

3.4  模型认知的案例分析

我们来看一个混合模型使用的案例，教师主要采用学习、创造、统整的方式进行教学设计。南师附中保志明老师在“化学键”一节课的设计中，将“观点、证据、结论和模型”之间构建逻辑关系，教学中以“模型”为核心，始终关注个体的模型建构[20]（见图3）。在“离子键”学习过程中，教师帮学生构建起从证据→观点→模型→修模→再修模→结论呈现的“循环构成”。提供证据（由教师直接提供相关物质的熔沸点与导电性数据），接着引导学生产生“观点”（熔沸点高且导电性好、熔沸点高且导电性差、熔沸点低且导电性差），再接着引导学生建构一个恰当的“初始模型1”（Na+与Cl-自由离散模型），进而根据“放热证据”提出“初步模型2”（“静电作用”模型形成），再从“微观粒子到宏观晶体”的构建视角“修正模型”（“离子键”模型），最后根据“熔沸点很高的证据”进一步修正为模型3“离子晶体堆积模型”。

图3  “离子键”到“離子晶体”的建模过程

值得注意的是，模型认知并非只见其利，任何方法都有其两面性，关键是“度”的把握。（1）过于强调物理模型的“类比性”，导致“相异构想”。比如球棍模型容易产生“化学键”就是“真实”连接的想法;比例模型容易产生原子之间的结合是“相互镶嵌”。（2）过于强调“微观可视化”模型，导致对世界复杂性认识欠缺，延滞一些科学真理的发现。比如“柏拉图的四元素说”等等。

高中化学核心素养的习得不能是“被动接受”，不能以“灌输”的教学方法培养学生的化学核心素养，更不能把化学核心素养简单地转化成“宏观、微观、变化、平衡、模型、推理、实验”等知识内容进行讲授，离开了科学、正确的化学学习过程和学习方式就无法形成化学核心素养[21]。

“模型认知”在教学中的应用，不要过分强调“模型”“建模”在学生独立构建概念中的作用，不过分依赖教师或者专家的“成熟模型”强制植入到学生的“个性化模型”中。《人是如何学习的》一书中有如下观点： 一是有效的教学始于学生原有的认知和技能。教师越大程度地尊重和暴露学生的“个性化模型”，越能取得“模型进阶”。二是将教学重点局限于准确性方面，无助于培养学生学习的流畅度[22]。因此，化学教学中不能直接展示正确的“模型”和“建模方式”，比如： 直接告知学生人类对原子结构认识的“五个阶段”的图示，并逐个精准讲解科学家的“建模”进程，这种做法是很不尊重学生既有认知的一种做法。三是学生需要发展“自己教育自己的能力”。建立“学习共同体环境”，让学生展示自己“建模”的过程，表达自己的“模型”优劣，不断激活学生自我教育的潜能。

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