基于证据推理素养培养的高中化学课堂研究

陈嫦

摘 要 证据推理是将已学知识作为证据，灵活、合理地应用已掌握证据推出新知识，是一种较高层次的思维方式，是高中学生应该具备的关键能力。立足教学实際，巧用教学素材，从证据推理的含义、必要性、课堂构建三个方面进行教学研究，利用生产情境来训练证据推理思维，结合实验探究推进证据推理的深度，设置问题串增加证据推理的有效性，利用证实、证伪实践活动培养证据推理能力。理论联系实际，将证据推理意识的培养与教学实践融合，能够培养学生学以致用、演绎推敲、分析推理的学习能力。

关键词 高中化学 证据推理 教学实践 课堂构建

《中国学生发展核心素养》的研究成果认为，“理性思维”是必备的文化基础之一，可以概括为“三有”：有知识——要求学生崇尚真知，能理解和掌握基本的科学原理和方法;有意识——尊重事实和证据，有实证意识和严谨的求知态度;有行动——逻辑清晰，能运用科学的思维方式认识事物、解决问题、指导行为等[1]。基于证据的推理是“理性思维”中的重要内容。高中化学学习的过程也是认识证据、积累证据、应用证据的过程，是学生将理论、事实、推理综合起来并最终形成证据推理素养的过程。证据推理素养有利于学生自主学习并深刻理解化学知识，因此，教师在课堂教学中应该重视学生证据推理素养的培养。

一、证据推理的含义

《普通高中化学课程标准（2017年版）》要求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[2]。证据是推理过程中的已知部分，要由已知推导未知，证据必须是严谨、权威、科学、真实存在的。从高中化学学习来看，证据主要包括：物质组成、结构及性质、核心概念、化学反应原理及规律、化学实验现象、实验数据及图表、文献知识、化学发展史、最新科研成果等。证据推理即基于以上种种证据，引导学生通过分析、比较、推理等思维，证明猜想、假设是正确或错误的，从而获得新知识。证据推理是知识生成、能力提升、素养培养的综合性过程。

二、证据推理素养培养的必要性

（一）教与学的需求

当前，仍有部分教师沿用传统教学方式，重知识、轻能力，重结果、轻过程，教学以灌输为主，忽视演绎推理的过程，要求学生背概念、实验结论、化学方程式等。这样的教学是无趣且枯燥的，会导致学生失去兴趣。高中学生的课业繁重、知识繁杂、升学压力大，学生的思考时间和空间缺乏。很大一部分学生倾向于简单机械地背知识点，缺乏对知识探索过程的体验，无法真正理解化学概念的含义。高中生的年龄、心理、认知都到了一个比较成熟的阶段，足以完成一些比较高级的思维。证据推理使学生通过搜集证据、筛选证据，有理有据地推出新知识，让学生学会知识的迁移应用，使学生在潜移默化中将知识内化，无需死记硬背，由被动学习变为自主学习。可见，证据推理素养对于培养学生的学习兴趣和提高学习效率有着重要的意义。

（二）学科发展的需求

化学实验是化学学科发展的基础。根据实验现象，选择合适的已学原理，经过反复推理，不断思考，不断修正、改进实验方案，最后推出结果的这些过程都需要学生具有较强的分析、推理能力。化学学科的魅力在于实用性和创造性，我们的衣食住行、环境保护、医药研发、新材料合成、能源与可持续发展等都离不开化学学科的发展。随着研究的不断深入，化学学科与其他学科的联系与融合更加紧密，未知的领域将更多元化，这些都对化学教学提出了更高的要求，迫切需要培养学生的证据推理能力。证据推理的过程是学生以尊重事实为前提，由此及彼、发散思维、反复推敲的过程。学生在推理的过程中获得快乐、满足以及成就感，这些情感体验会使学生更加乐于寻找证据，保持良性的、持续的学习状态。证据推理让课堂有生机、活力，使学习不再是枯燥的、简单的知识堆砌，使学生的学习效率、积极性持续提高，进而使学生更加热爱化学，这必将吸引更多的优秀学子加入到化学学科发展的队伍中来。

三、巧用证据推理培养学生证据推理素养

（一）利用生产情境，训练证据推理思维

真实情境承载着各种化学知识，在课堂教学中引入真实情境，会使知识更加生动，让学生感觉学习化学知识更有意义，激发学生对知识的探寻与思考。例如，“真实情境结合反应物的选择”这类问题蕴含着一定的逻辑思维规律，需要教师设计相应的推理教学，使推理由浅入深，使证据的选取从理论到生产实际，两个方面相辅相成，直至问题解决。为使学生顺利完成推理，此类情境问题的解决建议设计成以下步骤：理解情境中的问题→从物质性质、反应条件等理论方面考虑反应的可能性→结合生产实际，从速率、限度、成本、环保等方面分析选择的优劣→对比、综合考量，得出结论。下面，笔者以工业炼铁教学片段为例：

[工业炼铁情境]高炉炼铁：用CO还原Fe3O4制备Fe。

[教师设置问题]CO、H2都是强还原剂，为什么不用H2？

[学生]在教师设置的问题提示下寻找证据，并由证据结合生产情境进行推理，从还原性更强者可置换出更弱者的角度讨论反应的可行性，最后得出结论（详见表1）。

[教师设置问题]CO、H2在反应限度、速率、成本、环保方面分别有何优劣？

[学生]从加快反应速率、提高反应限度、降低生产成本、安全生产、节能环保等生产实际角度寻找证据并进行对比，再通过深层思考与推理形成结论（详见表2）。

学生通过从多个角度对物质的选择进行对比，感受到化工生产既具有创造性又具有科学性，学会了选择反应物的一般推理过程，同时学会应辩证地看待问题，事物没有绝对的优与劣;懂得了若要优化工业生产的原料选择，需要具有严密的逻辑思维、丰富的化学知识并通过大量的证据推理专业训练才能完成。

（二）利用实验探究，推进证据推理的深入

化学是一门建立在实验基础上的学科。化学实验探究是推进证据推理深度的重要途径，一般按以下方式进行：初步分析问题→进行猜想或假设→设计实验方案→实施实验方案→抓住实验现象，分析推理→改进实验方案→再实验、再思考→得出结论。实验现象是科学证据，也是思考的开始。教师应引导学生抓住实验现象，自主寻找丰富的证据并进行合理解释，完成从现象到本质的逐渐深入推理的过程。例如：

[实验]用酸性KMnO4溶液检验FeCl2中的Fe2+

[教师]设置问题：检验是否合理？引导学生分析所给检验试剂的性质和溶液中存在的离子，进行猜想和假设，设计验证实验并给出理由。

[学生]提出三种假设：①仅Fe2+被KMnO4氧化;②仅Cl-被KMnO4氧化;③均被氧化，但是存在反应先后的问题。设计验证假设的实验方案，详见表3。

根据实验现象进行分析推理，在两个实验中，KMnO4溶液均有褪色，实验现象明显，可见两个实验方案均可行。实验现象说明假设③可能是对的，且证明有Cl-存在时，不可用酸性KMnO4溶液检验Fe2+。笔者引导学生进行深度思考：如果假设③是正确的，Fe2+、Cl-哪个优先反应，如何判断？学生意识到反应先后的问题应与二者的还原性强弱有关系。此时，继续引导学生深入思考：在学过的知识中能否找到与二者相关的实验？学生很快找到Fe2+与Cl2反应的实验。再次引导学生思考：这个实验证明了什么？学生最终推理得出“Fe2+还原性比Cl-更强，所以是Fe2+优先反应，证明假设③合理”的结论。

利用实验探究引导学生合理猜想并设计实验，再通过控制实验条件、观察实验现象、多途径查阅资料等方式调动学生将已有的知识经验——化学现象、化学方程式、实验数据等作为证据，再综合种种证据，推出合理结论，并整理知识间的关系，可使学生的知识更加系统化。可见，建立在化学实验基础上的教学有利于推进证据推理的深入。

（三）利用梯度适当的问题串，增加证据推理的有效性

知识问题化是教学常用手段，教师可围绕问题串来展开教学。学生学习、解题的过程是思考并解决问题的过程，教师教授学生知识的同时更应教会学生如何思考。而设置梯度适当且关联的问题串，能引导学生逐步思考，顺理成章地推理出新知识，使学生对于新知识的出现不觉唐突，并能更好地接受理解，同时也能很好地提高学生思维的缜密度。在问题串的引导下，学生的证据推理才更有方向性，也因此增加了证据推理的有效性。例如，“用量对产物的影响”是高考的热点问题，也是学生学习过程中的易错点。而运用梯度适当的问题串辅助进行证据推理教学，可以加深学生对化学反应的理解。

[课程内容]对Fe与Cl2的反应进行探讨

[设置问题串]少量、过量的Fe分别在Cl2中燃烧有什么现象？燃烧的产物分别是什么呢？FeCl2、FeCl3固体分别是什么颜色？（在问题串的引导下，学生的思考从表面到本质）

[学生活动]做实验，记录现象。通过查阅资料并根据所学知识找到相关证据，由证据与实验现象经深度思考与推理，形成相关结论（详见表4）。

为加深学生对反应本质的理解，让学生书写Fe与FeCl3反应的化学方程式，将此作为证据，推理得出相关结论：Fe可将FeCl3反应至FeCl2;然后进一步设置问题：为何过量的Fe与Cl2反应仍生成FeCl3？引导学生分析比对Fe与FeCl3、Fe与Cl2反应的物质状态，结合离子反应、氧化还原反应概念，找到相关证据，再次推理得出结论（详见表5）。

为使学生知识更加系统化，设置问题串：氯气、液氯、氯水成分有何异同点？工业上，为什么可以将液氯保存在钢瓶中？钢瓶中保存的液氯必须干燥，否则会产生什么问题？

[学生活动]宏观现象结合微观分析：条件不同，反应不同。

整个问题串涉及用量对产物的影响、离子反应概念、氧化还原反应概念、氯气—液氯—氯水，引导学生不断深入思考，并通过进阶式的推理，寻找、分析各种证据，发现不同反应间的共性与差异。在对比、思考中对概念的理解得以深刻，繁杂知识点之间的联系与差异逐渐清晰。可见，在问题串引导下的证据推理使教学更加有效。

（四）利用证实的实践活动，培养证据推理能力

准确理解待证实原理是实践的起点，基础知识、基本技能是学生已具备的证据，教师应在此基础上引导学生灵活运用知识与技能，通过在证实的实践活动中对条件不断优化的方式，可以达到更好地培养学生證据推理能力的效果。通过实践活动对化学知识进行证实，学以致用，既能加深学生对化学知识的理解，又能培养学生的动手能力。在整个证实的过程中，学生的证据意识、推理能力均得到很好的锻炼。例如，鲁科版高中化学必修2中的微项目——“自制米酒”是个非常好的证实活动，学生自主完成酿制过程，动手实践证实：酒曲发酵淀粉制米酒是真实存在的。

[课程内容]如何酿制米酒？

[学生活动]通过网络、文献查找证据，了解酿制米酒的原理、步骤、条件控制，通过动手实践，根据实验现象和结果，经过深层思考与推理得出结论（详见表6）。

[教师引导]你认为酿制米酒还得注意哪些方面？（经验总结，丰富证据）

[学生思考]要注意容器消毒彻底、发酵温度适中、容器密闭、米饭要熟透且分散状、饭与水的比例等。

该活动从生活、化学的角度证实了酿造工艺的可行性。学生在查阅文献获得证据、从专业与科研的角度利用各种实验数据进行证据推理得出结论的过程中，其理论、学术、实践水平均得到了提高。学生通过教材学知识，通过生活对知识进行检验，真正做到了知行合一。

（五）利用证伪的实践活动，培养证据推理能力

科学发展最需要的就是一种永不停歇的创新精神，一种敢于挑战权威、不怕犯错的精神。波普尔的证伪理论强调对科学理论持怀疑态度、否定态度的重要意义，这正是科学创新的前提[5]。若能证明一个命题是不成立的，即证伪。证伪是一个质疑、批判、创新的过程。课堂中存在诸多证伪契机，如师生、生生交流中出现的分歧均可作为“证伪”的命题。证伪方式很多，例如，举反例、根据伪命题推导出一个荒谬的结论、实验验证、计算验证等。通过证伪能检验学生对知识的掌握程度，也能锻炼学生的论证推理能力。例如：

[伪命题]常温，Fe放入浓H2SO4无明显现象，可用铁槽车运输浓硫酸，因此，“常温，Fe与浓H2SO4不反应”。（引导：证伪的关键在于发现伪命题的错误所在）

[学生]由课本可知，“无明显现象”是由于Fe在浓H2SO4中发生钝化，表面生成致密氧化膜的缘故。

[教师引导]如何验证氧化膜的存在？如何鉴别铁、铁的氧化物？两者性质有何异同？

[学生]选择借助实验证伪。分别从金属、金属氧化物的通性角度寻找证据，思考两者异同，据此设计实验进行证伪，最终得出结论（详见表7）。

证伪的过程，需要学生敢于质疑，敢于提出不同的见解，不止于表面，不迷信权威，胆大、心细，在质疑中不断产生认知冲突，遵从事物的本质，在冲突中思维不断碰撞，最后通过实验验证，达到证伪的目的。这样，既有利于培养学生严谨求实、创新精神和正确的三观，同时也提升了学生的证据推理素养。

四、培养证据推理素养的几点反思

（一）充分挖掘教材的价值

教材蕴含着整个高中化学知识体系及思想精华，是个巨大的知识证据库。要使学生通过学习拥有这个庞大的知识证据库，教师应在教学中充分利用好教材，扎根于教材，挖掘教材中各种素材的教学价值，例如，化学小故事、补充资料、方法介绍、新技术、拓展实验等，利用这些素材设计一些富有启迪性、趣味性、拓展性的探究活动，激发学生的学习热情，培养学生灵活运用知识证据进行逻辑推理的能力。

（二）要辩证地证实或证伪

鉴于高中生的认知水平有限，在教学中要教会学生筛选证据，要引导学生理论结合实际，辩证地看待事物，不以偏概全，不轻易地否定或肯定;引导学生用严密的思维方式进行证据推理活动，用证据说话，从而得出证据与结论之间的关系。

（三）问题串设计要精心

问题串只有建立在学生现有学情之上，难度梯度适中，才能有利于证据推理的顺利进行。问题的设计要着眼于证据推理素养的培养，力求每个问题都能调动学生的主观能动性，让学生感受到知识的“生长”过程，使得学生对事物的理解更接近其本质。设置问题串梯度的目的在于，使学生在每一个梯度上都能够在问题的引导下，在课本中、在记忆中、在资料的查阅中找到相关证据，经过层层深入的思考与推理得出结论，重新构建对事物的认知，以利于学生正确的化学观念的形成。

（四）培养学生证据推理素养需长期实践

证据推理的训练是一个长期的、持续性的过程，不可能一蹴而就，不可以半途而廢。教学实际中，由于课时紧，许多教师认为没有时间“瞎折腾”。殊不知，只要用心设计，学生就会在潜移默化中逐渐形成较强的学习能力，变成懂学习、会学习的人。一旦形成了这种能力，有的知识学生依靠由此及彼的推理就能轻松理解并掌握，从而达到高效教学的效果。教学是个点滴积累的过程，而量的积累必将引起质的变化。

[参 考 文 献]

[1]沈兆刚.基于证据推理：内涵、意义及培养路径[J].化学教育（中英文），2019，40（15）：48-52.

[2]中华人民共和国教育部.普通高中化学课程标准（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018：4.

[3]袁华伟，张健，张雪婷，等.酿造米酒发酵条件的优化[J].中国酿造，2020，39（2）.

[4]赵龙飞，徐亚军.米曲霉的应用研究进展[J].中国酿造，2006，25（3）：8-10.

[5]余洪翔.波普尔的证伪理论研究[D].重庆：西南大学，2009：1.

（责任编辑：赵晓梅）