基于证据推理 建构理性课堂

颜肖肖 林海斌 叶跃娟

摘要： 证据推理是化学学习的重要思维方式，其内涵包括证据意识的水平、证据搜集的能力、证据加工的层次等维度。将证据推理落实于课堂教学的具体环节，让学生对化学知识的认识更理性，对化学方法的运用更科学，让化学思维的空间更广阔，从而打造富有诗意又兼具理性的化学课堂。

关键词： 高中化学; 氨基酸; 证据意识; 证据搜集; 证据推理

文章编号： 1005-6629（2021）12-0030-06

中图分类号： G633.8

文献标识码： B

证据推理是化学学习的重要思维方式，被纳入化学学科核心素养体系。《普通高中化学课程标准（2017年版）》指出，证据推理的内涵是“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;知道可以通过分析、推理等方法认识研究对象的本质特征、构成要素及其相互关系”[1]。可见，证据推理参与了科学探究活动的诸多环节（见图1），是假设的建立、证据的搜集、结论的形成、观点的提炼等环节重要的思维形式，成为科学探究的关键思维内核。

理性的化学课堂不仅关注化学知识本身，更关注学生学习和探索化学知识的认识视角、思维方法和实践方式，从而真正凸显化学知识建构过程中的认识思路和思维过程。基于证据推理的化学课堂，要让学生疑问有依、论证有据，懂得证据及其搜集并将其转化为解决问题的有效手段，从而切实提升推理能力。在“五味杂陈的氨基酸”（选择性必修3[2，3]）的教学中，笔者尝试了基于证据推理的教学（見表1），收到了较好的效果。

1 拓宽思路，证据意识能动化

证据意识是指学生在学习过程中潜移默化地重视证据并自觉地运用证据的心理觉悟。帮助学生发展证据意识，不仅可以训练思维、活化思考方式，还蕴含着更深层次的求真态度和科学精神。在证据意识的指引下，学生才能言之有理、论之有据，全面发展科学的理性思维。

1.1 创设问题情境，活化证据意识

万有引力的发现正是牛顿对于“苹果落地”引发的思考与研究，合适的问题情境是学生开展探究并在实践中获取知识的源泉。学习“氨基酸”之初，用“味精有害吗”这一热议的健康话题创设情境。

师： 你家里做菜用味精吗？

生1： 用，可以提鲜。

生2： 不用，我妈说味精吃了不好，我家用鸡精或海鲜酱油提鲜。

生3： 我家不用，鸡鸭鱼肉做出来味道本来就很鲜了。

师： 网上流传：“摄食味精有害健康”，是真的吗？作为化学学习者应如何思考呢？……

这一情境既能激起学生对社会生活的关注，也能激发对“味精”更深入的思考，如味精究竟是什么？如何产生或生产的？在体内如何转化？……可见，这一情境活化了学生的问题意识和证据意识，让学生从化学学科的特有视角寻找破解问题的证据，在求证和论证的过程中逐步建构新知识。

1.2 优化信息呈现，深化证据意识

高效的课堂应该是学生基于已有的认知水平发现问题并尝试解决问题，在互动中质疑或认同，不断地寻求证据进行证实或证伪，反思论证方法的科学性和结论的可靠性，经一轮又一轮的论证、一步又一步的打磨最终解决问题，形成新的认识。在这一过程中，教师适时有序地呈现必要信息为学生进行的推理论证提供证据，既训练思维的严密性和灵活性，又能帮助他们在问题解决过程中体会证据的原有价值和论证价值，进而强化并深化证据意识。

在论证“味精是什么”时依次呈现表2所示信息，学生在分析问题的基础上作出假设，以呈现信息为证据逐步逼近事实的真相并最终解决问题，这正是由于证据意识根植于学生脑海之中并不断生根发芽而深化的体现。

1.3 借助实验事实，强化证据意识

用事实说话，用实验证明（证实或证伪）。用与问题直接对应的实验事实作证据，可增强证据的可靠性和关联度，从而将证据意识提升至更高的水平，并为后续的推理论证及结论的形成提供“核心动力”。

在“如何由谷氨酸钠制谷氨酸”的讨论（见表3）中，以问题引导学生思考可能的事实，并设计实验以寻找更广泛的真实而直观的证据，不断强化证据意识。

2 丰富渠道，证据搜集立体化

搜集证据是证据推理的首要任务。就来源而言，证据既可以是学过的知识、原理和规律（知识性证据），也可以是经验事实、实验现象及其推理分析所得的结论（事实性证据），还可以是来自可靠资料的数据、图表或文本信息（资料性证据）;就搜集的难易而言，又可分为宏观证据、微观证据;或定量证据、模型证据等。教学中，只有让学生置身于陌生复杂情境中解决真实问题时才能有效催生主动搜集证据的行动进而有效提取证据。

2.1 问题层次化，挖掘证据深度

基于课程标准的要求并结合学生的实际认知水平，围绕教学主题在具体的教学环节中设计出逐级递进的问题，搭建学习路径，让梯度化的问题成为学生学习进程中的一个个生长点，帮助学生的认知思维向更高水平进阶，逐步深度挖掘证据。

“谷氨酸钠饱和溶液和盐酸反应”分组（共6组）实验后，只有1组没有得到白色沉淀。于是针对得到沉淀最多的一组提问（见表4）。

经历上述猜测与讨论后，学生又投入到进一步的实验探索中寻找证据。大部分同学汲取先前经验，将所得溶液一分为二进行实验，既便于比对（对照实验），又可预防实验失败后备用。

用具有逻辑性和层次性的问题引导学生在探究过程中不断地挖掘信息，在认识不断丰富、深入、精致的过程中逐步形成经得起推敲的证据链。层次化的问题设计可以帮助学生多角度地把握概念内涵，深层次地理解原理本质，从而深度挖掘证据。

2.2 知识结构化，拓宽证据广度

知识结构化是指按一定的视角和思路将知识进行结构化处理，完善知识间的联系，优化知识结构，便于有效地提取并应用知识，从而使证据形成足以论证的证据链。完善证据链的过程同时在逻辑上不断拓宽证据搜集的广度，产生更多基于推理的可能证据，使得证据更丰富、更扎实、更直接，便于在具体论证中搜索并调用有效的直接证据。

让学生通过分组探究实验得出，以谷氨酸为代表的氨基酸既能与酸反应，又能与碱反应，为两性有机物。在分析宏观现象和探讨微观本质的基础上引导学生进行符号表征，实现“宏—微—符”三重表征的统一，自主梳理核心知识，并将氨基酸与原有知识中的两性物质如Al（OH）3、HCO-3等建立联系，实现从已有无机物知识到当下有机物研究的类比迁移和实质统整（见图2），纳入并更新原有认知体系。

将两性的氨基酸与两性的无机物联系起来，可以帮助学生自主建构“在不同pH时有不同的存在形态（微粒）”的观念，促进学生形成理性深邃、系统本质层次上的学科理解，帮助学生建构符合认知规律和科学逻辑的知识网络，形成紧密联系、有章可循的知识系统，既有利于减轻记忆负担并提高学习效率，更有利于分析和解决问题时拓宽证据搜集的广度并有效提取和科学运用证据。

2.3 认识系统化，强化证据关联度

知识的日积月累会导致知识间的相互干扰的增多。系统化的学习是在概括、抽象的过程中实现知识的一般化，把特定问题的研究转化为具有一定普适性的规律或程序，进而建立起一套行之有效、操之有序的问题解决的思维框架，即认识思路和认知方式的系统化。系统化的认知在一定程度上能帮助学生在解决问题时深刻认识证据与问题的关联度，进而有效克服认识的主观性和片面性。

为帮助学生深刻、系统地认识氨基酸在不同酸碱度条件下的存在形式，让学生根据下列资料思考： 为什么味精在pH≤3.2及pH>7时鲜味很低，而在pH为6.5～7时鲜味最强？

资料： 味精的主要成分为L-谷氨酸钠，其溶液pH为6.96，会呈现腥味而非鲜味，但与稀食盐水混合后才呈现鲜味，可能是由于分子中α-NH+3和γ-COO-基团之间静电作用形成类似五元环结构[图3（c）]对味觉有鲜味的作用。

由于L-谷氨酸钠与食盐稀溶液的pH较为接近，此时主要以类似五元环结构存在，鲜味最高;随着pH减小或增大都会导致α-NH+3和γ-COO-间静电作用减弱乃至消失而使鲜味降低直至消失[图3（a）（b）（d）]。

宏观现象都有与其相对应的微观本质。只有在“结构决定性质，性质反映结构”的观念和“类别通性与个体特性的辩证统一”的认识的系统支持下，以“L-谷氨酸钠在不同pH时的形态不同”为证据，解释谷氨酸钠的鲜味程度。同时在资料分析中认识食盐稀溶液对L-谷氨酸钠呈现鲜味的调节作用，从而理解食盐的去腥作用，体会物质间相互协同作用的奥妙，领悟合作的重要性。

通过不断追问，让学生的认识思路和认知方式外显，實现问题解决思路的显性化和认识思路的系统化，从而深刻认识不同证据间的联系、证据与问题间直接或间接的关联，从而更灵活高效地搜集并调用证据。

3 辩证施教，证据加工理性化

“玉不琢，不成器”，证据不经加工也往往成不了足以用于证成的证据。证据加工过程的本质就是推理论证的过程，化学学习中常用的是归纳推理、类比推理和演绎推理。从一般到特殊的演绎推理及从特殊到一般的归纳推理的结论有较好的可靠性;但不完全归纳推理及由特殊到特殊的类比推理的结论往往具有猜测性、可错性（见图4）。

3.1 注重思维的发散性，扩大证据的可能性

类比是根据两个或两类对象间某些相同或相似而推断出它们在其他方面也可能相同或相似的一种推理方法。事物间的相同或相似使类比成为可能，但两个事物间的差异又是必然的，这就便于我们通过类比扩大证据搜集的可能性，同时必须保持清醒的头脑，又要注意类比的结论带有或然性，依靠类比但不迷信类比[4]。

为了帮助学生突破“氨基酸形成内盐”这一难点，让学生结合表5资料思考： 为什么谷氨酸熔点较高？

呈现①时，有学生不假思索地回答： 谷氨酸分子间存在氢键。也有学生提出质疑： 2-羟基戊二酸分子间也存在氢键，且两者分子结构相似，摩尔质量相近，通过类比可知： 谷氨酸与2-羟基戊二酸应该有相近的熔点。此时思维陷入了僵局，于是呈现②，大多数学生恍然大悟： 谷氨酸的熔点竟然比谷氨酸钠还高，谷氨酸钠是盐，通过类比可知，氨基酸应该形成盐才会有如此高的熔点——进而认识到羧基与氨基相互作用形成内盐的本质。

类比推理尽管其结论不一定可靠，但其推理的过程是“合乎情理”的，可以为学习和探究提供思路和方向，为研究和发现创造可能。教学中通过提问引发学生独立思考，调用原有的方法和经验，养成积极的类比推理习惯，充分挖掘证据的可能性，进而建构个性化的知识生长和认识发展路径。

归纳是根据某些事物的共同属性推断出整类事物都具有这种共同属性的推理方法。完全归纳法所得的结论是可靠的，但平常所使用的归纳法往往是没有穷举全部对象的不完全归纳法，无法保证没有例外，因此必须注意不能以偏概全[7]。

仅通过列举某几种α-氨基酸归纳得到“α-氨基酸都为手性分子”的结论显然是错误的。倘若从“α-氨基酸的通式”和“手性碳的定义”入手，反其道而行之，采用从一般到特殊的演绎推理，学生则可清晰认识到： 当R基不为氢原子（反例： 甘氨酸）、羧基（反例： 2-氨基缩苹果酸）或氨基（反例： 2，2-二氨基乙酸）时的α-氨基酸均为手性分子。

且目前无法查证2，2-二氨基乙酸是否存在，但有数据表明存在亚氨基乙酸及其盐[8]，比较两者的结构就可发现： 同一碳原子上连有两个氨基或两个羟基时具有类似的反应倾向（见图5），从而促进所学知识的迁移应用（酯化反应与成肽反应、糖的缩合与尿素形成双缩脲、有机物水解与氨解等在反应规律上的相似性）。

演绎推理是从一般到特殊的推理，只要一般结论正确（“真”），推理规则没有问题，得出的结论肯定是可靠的。如： α-氨基酸是氨基和羧基连在同一碳上的氨基酸，谷氨酸符合这一结构特点，所以谷氨酸为α-氨基酸。演绎推理所得结论的可靠性是建立一般结论为“真”的前提上的，因而往往不能产生新的命题或知识。通过演绎推理，学生获取证明一类物质中某一物质性质的基本思路，即从一般到特殊，从通性中寻找差异，从而找到更准确可靠的证据。

3.2 分析证据的关联度，注重证据的可靠性

化学学习要在获取知识、习得技能的同时领悟化学学科的认识视角、思维方式与思想方法。合情推理利于发现与发明，逻辑推理便于证实与证伪，将其融入化学课堂才能相辅相成、相得益彰。若重逻辑而轻合情推理，将丧失探索的经历和体验;反之则容易导致学生缺乏严密的思考能力。

蛋白质水解可得氨基酸，逆向思考自然明白氨基酸也能合成蛋白质。通过类比醇的羟基和酸的羧基的酯化反应，可知氨基酸中氨基和羧基通过相似的断键、成键方式脱水缩合或缩聚并形成肽键（酰胺键）。然后提问： （1） 2种不同氨基酸脱水缩合可获得几种二肽链？（4种）（2） 3种可形成几种三肽链？（9种）（3） 20种可形成几种多肽链？（只问不答）可见，氨基酸的种类、数目及排列方式不同，决定了多肽链和蛋白质的不同结构。通过合情推理和逻辑推理，让学生在辩证分析的过程中领悟“生物的复杂性和多样性在其形成之初就已奠定”的道理。

教学中应创设合适的情境和适当的机会，让逻辑推理与合情推理多“见面”，在真实而陌生、复杂而综合的情境中融入逻辑推理和合情推理，循序渐进地发展学生的综合推理能力。

在课堂教学中，最值得我们关注的是如何引导学生对化学知识本質的准确把握，并促进他们对化学思想方法的深刻理解。打造理性课堂的关键在于抓住关键事件让学生跳出“窠臼”的依附和干扰，使操作技能升级为心智技能，从而真正具有证据意识，善于搜集并有效调用证据，发展基于证据的推理论证能力和基于推理的证据搜集方法。

基于证据推理的化学课堂，让教学回归科学本真，让学生本色在场，让课堂美丽生长。

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年版2020年修订）[S]. 北京： 人民教育出版社， 2020： 4.

[2]人民教育出版社课程教材研究所， 化学课程教材研究开发中心编著. 普通高中教科书·化学·选择性必修3·有机化学基础[M]. 北京： 人民教育出版社， 2020： 109～110.

[3]王磊， 陈光巨. 普通高中教科书·化学·选择性必修3·有机化学基础[M]. 济南： 山东科学技术出版社， 2020： 97～98.

[4][7]林海斌. 三读“化学教学中值得关注的一些问题”[J]. 化学教学， 2009， （8）： 106～109.

[5][8]中国科学院上海有机化学研究所. 化学专业数据库[DB/OL]. http：//www.organchem.csdb.cn.

[6]Shakhnazaryan， G. M. Synthesis of α-substituted γ-butyrolactone-γ-carboxylic acids [J]. Zhurnal Organicheskoi Khimii， 1996， 2（10）： 1793～1795.