培养学生证据推理能力：内在要求、实践探索、实现路径

胡巢生

（苏州市高新区实验初级中学，江苏 苏州 215011）

一、研究的缘起

“证据推理与模型认知”是《普通高中化学课程标准（2017年版）》规定的五大化学学科核心素养之一。其中，“证据推理”表达了“基于事实证据”和“科学推理”的要求，更强调“证据”的关键作用。《义务教育化学课程标准（2022年版）》虽未明确规定这一素养，却多次提及“证据推理”。“科学思维”中指出：“基于实验事实进行证据推理、构建模型并推测物质及其变化的能力，在解决与化学相关的真实问题中形成的质疑、批判能力和创新意识。”可见，化学学科的本质力量来自于“从化学的视角认识事物和解决问题的思想、方法、观点”的化学学科价值，即学生通过化学知识的学习，所形成的从化学的视角认识事物和解决问题的化学观念、科学思维、探究实践、科学态度与责任。

很多学者从不同视角对此进行了阐释，但尚未形成统一说法。李斌认为“证据推理与模型认知”可划分为获取推理证据、基于证据推理、建立认知模型、基于模型认知等四个维度［1］。杨梅认为实验探究教学中“问题、证据、推理、结论”是证据推理的核心要素，问题情境是条件、证据是基础、推理过程为核心、结论为目标、思维发展为目的［2］。沈兆刚提出唤醒证据为本的本能，萌发收集证据的意识；学会科学推理的技巧，自发进行合情的推理；分享证据推理的成果，体验证据推理的快乐等［3］。

笔者认为，初中生的“证据推理”能力水平较低，这既与义务教育化学课程中未明确“证据推理”素养有关，也与教师未能利用恰当的方法进行培养有关。

二、培养学生证据推理能力的内在要求

基于化学学科的要求，使培养学生证据推理能力成为“素养为本”教学的一种“课堂生活方式”对提高教学质量大有裨益，体现在教的传授效果和学生学习效率的提高。因此，教师应进一步提升教学智慧，结合化学学科特色，充分遵循学习进阶理论，尊重初中生认知水平和规律，挖掘知识背后的价值、方法和学科特质，丰富实践性知识，优化教学行动逻辑，形成高质量的学科知识结构和推理过程的自成性，实现教学过程最优化。从而，科学渐进地培养学生的“证据推理”素养。在这一过程中，教师需着力处理好培养学生的“证据意识”与“获取有效推理证据的能力”、“推理意识”与“基于证据的合情推理能力”的关系（见图1）。

图1 培养初中生证据推理能力思维模型

（一）培养学生的“证据意识”

“证据意识”的培育并不简单，再加上不少课堂依然存在“化学不见化（变化）”的现象，给“证据意识”的培育增加了阻力。因此，教师应认真识别、梳理教科书中的“证据”文本，收集、整理、开发出支持教学的“证据”资源。在真实、有意义的情境下，利用具有相应特点的化学概念、化学判断和化学推理，精挑细选具有典型性、适切性和价值性的问题，引导学生通过对问题的搜寻、识别、提取，理解、转换，梳理出指向“证据意识”初中化学证据类型。

如实验教学中，可以通过改进装置、优化条件、调整实验步骤、获得技术支持和控制药品的种类、用量或添加顺序等方式提高实验现象、数据、图像等证据。研究表明，学生通过数字化实验，能逐步具有证据意识，知晓观点、证据与结论之间的逻辑关系，掌握验证观点的正确与否的方法［4］。

（二）培养学生“获取有效推理证据的能力”

让“证据”成为一种“意识”，逐步形成在探究活动中寻求证据、分析证据、表达证据的科学理性能力，有利于发展学生的核心素养。刘东方将证据分为事实性证据、史实性证据、基于自然现象的证据和基于生活经验的证据［5］。笔者认为，分析的视角不同，证据的种类就不同。如：由“结构决定性质，性质决定用途”的观念，可将其分为结构证据、性质证据、用途证据；由三重表征观念，又可将其分为宏观证据、微观证据和符号证据；还有理论证据、模型证据（如自然界中的碳循环和氧循环）和化学实验中的现象证据、数据和图象证据等。

如何快速、准确地识别有用、有效的证据，需要帮助学生多角度认识证据的特征和类型，提高识别证据的能力，建立起数据庞大的“证据库”（见表1），以培养、增强学生对证据推理的认同感，形成自觉性推理意识，使其在遇到新的信息时，与大脑中的已有证据进行对比，在一定的理性、逻辑和事实的基础上进行论证，以获得有效的“证据”。从而，在全面依靠证据的过程中，既培养了一种“证据意识”和“获取有效推理证据的能力”，又培养了一种课堂责任，以达成发展高阶思维的学习效果。

表1 证据库

（三）培养学生的“推理意识”

当学生不断遇到需要运用“推理”才能解决的问题并作出判断与推理时，将有利于促进学生“推理意识”的萌生与发展。因此，教师既要重视证据推理与逻辑思维，帮助学生理清证据与结论间的逻辑关系，整合证据与推理的复杂性；又要重视课堂逻辑推理过程，培养学生基于证据推理的形式、方法和技巧，增强学生推理思维的缜密性和辨别其推理有效性的判断能力，甚至在推理中进行创新，产生新的思路、策略和方法。从而，将知识的思维张力和文化魅力融入课堂教学，逐步渗透“推理意识”，突出“证据”的“科学推理”。

（四）培养学生“基于证据的合情推理能力”

若将“证据意识”视为一个思维输入、内化的过程，“证据推理”则是一个思维输出、升华的过程，需要经历学习过程沉淀生成。依据能力结构理论、吉尔福特的智力三维结构理论、认知理论、信息加工理论和证据推理的基本理论，建构证据推理能力的三个要素：“内容”，即各种类型的推理任务；“操作”，即完成证据推理的全过程；“产品”，即经过推理过程而获得的成果或结论［6］。笔者认为证据推理应包含推理任务、推理思路、推理方法和推理结论。其中，推理任务是证据推理的前提，推理思路是证据推理的核心思维过程，推理方法是证据推理的条件，推理结论是证据推理的目标。基于证据的合情推理，应表现为选择适宜的推理任务，能针对不同的任务类型选择不同的推理思路和推理方法，获得推理结论。评价证据推理水平的完整性，需将推理任务、推理过程、推理方法和推理结论有机地结合起来。

化学实验不失为培养学生证据意识的有效途径，基于证据的推理是连接问题与假设、证据与结论等环节的桥梁，涉及证据的整理、转换（数据分析），再利用收集的数据（事实、现象、理论等），加以整合分析，获得“可利用”的证据形式，再运用推理思维，做出推断、决策的能力表现［7］。使学生在所经历的基于有效证据的合情推理过程中，调动探究学科知识的积极性，激发学生想象、猜想、知觉、判断、推理等活力，形成“具有证据意识、获取有效证据、掌握推理方法、应用推理结果”等能力促进证据推理生态运作。

三、培养学生证据推理能力的实践探索

培养学生证据推理能力，教师不仅能够用慧眼去寻求教科书的证据文本和证据资源，设计适宜的推理任务，而且更要能够用智慧从“证据推理”出发，将具有客观表征的“课程知识”与特定的情境加以沟通，重建知识的“境域”品性，在不同类型的推理任务中体现着不同的推理思路、推理方法，将证据意识与证据推理的认知活动贯穿始终，帮助学生尊重事实和证据，形成求知态度和理性思维，培养实证意识和证据推理能力。使学生在化学知识结构化的自主建构中形成认识视角和认识思路，理解化学学科核心观念，达成学科能力表现化、学科经验连续化、学科思想体系化之目的，以实现知识向素养转化的“质变”飞跃。

（一）探究实践与证据推理能力发展

化学教学的核心是科学探究，科学探究的核心是科学方法和科学态度的培养。为了让学生体验基于证据收集、证据推理、形成结论的科学探究过程，感受物质的微粒性，笔者充分挖掘教科书内容，重构、创新设计学生分组实验，将宏观物质的性质与其微观特征联系起来，充分展开问题讨论，猜想假设，以获得有效证据，通过分享获得证据、推理过程、推理思路、推理方法和推理结论，诊断、纠正学生思维漏洞，让学生获知相同情境的处理方式，包括原因、关系、步骤、方法等。使学生在问题的解决中发展证据推理能力，逐步由“获得有效证据”向形成“基于证据的合情推理能力”的过渡（见表2）。

（二）化学原理与证据推理能力发展

质量守恒定律蕴含着丰富的发展学生化学学科核心素养的素材。为了引导学生像科学家一样思考、探究，帮助学生深刻理解知识的建构过程，促进其对化学变化中的质量关系本质的理解。笔者结合“波义耳的失败、拉瓦锡的成功”的科学史实，从生活情境出发，先提出问题；再在实验探究中寻找证据：设计实验方案、构建“密闭体系”和“开放体系”，选择药品进行实验、观察现象、记录数据、分析与论证等实验探究过程。通过封闭体系中实验现象的“证实”与开放体系中实验现象的“证伪”，让学生认识化学变化中各物质的质量之间的关系；同时，利用“整个体系”内物质质量的思维框架图，对实验结果进行了去伪存真的分析，再从微观视角突出对“参加化学反应”内涵的理解。从而，既能实现从“整个体系”到“具体反应”的思维转换，又能使学生证据推理能力的基础上，厘清了“证据”与“结论”的关系［8］，使学生经历了从宏观到微观、从定性到定量的发展过程，提升了学生的思维逻辑性和深刻性，发展学生的化学学科核心素养（见图2）。

（三）化学史与证据推理能力发展

立足化学史，有助于教师厘清知识本质，提升自身的学科理解能力；有助于教师利用化学史中蕴含着的丰富的科学方法、科学本质的教学价值，引导学生进一步学习化学的基本原理和方法，以内化科学方法、理解科学本质，形成化学学科核心观念。

义务教育化学教科书关注到提出原子结构模型实验证据，重点放在汤姆生模型和卢瑟福模型的建构上。学生学习核外电子运动这部分内容，一方面是要形成对原子结构本身的认识，另一方面是领悟“原子结构模型”发展过程中所蕴含的思维过程与方法。后者对学生证据推理能力的培养更具有重要意义。

［化学史］1911年，英国物理学家卢瑟福成功地以α粒子散射实验证明了原子核与电子的关系，并提出了能够解释所有已知现象的“核式原子结构模型”。为日后电子的运动状态及原子核内部结构的研究打下了坚实的基础。

［证据收集］α粒子是具有一定质量的、带正电荷的微粒，电子的质量不到α粒子的1/7300。实验数据显示：（1）绝大多数α粒子能穿过金箔且不改变原来的方向；（2）有少量α粒子却改变了原来的前进方向，发生小角度的偏转；（3）极少数的α粒子（约为1/50 000）被反弹了回来。

［证据推理］根据第（1）和（3）实验结果，可得出一种简单的原子结构模型。金原子里绝大多数地方是空的，有一个居于中心、体积很小却集中了原子的绝大部分质量的某种极为坚硬密实的核。经过仔细计算α粒子偏转和折射的角度后可以得出原子核的直径大约比原子本身直径小105倍。若要解释第（2）实验结果，得从电荷的视角出发，它们一定靠近但并没有碰上原子中的正电荷。说明原子核一定集中了原子中的正电荷，带负电荷的电子在核外。

［获得结论］原子核式结构模型：原子由居于中心的体积很小、集中了原子大部分质量且带正电荷的坚硬密实原子核和核外绕原子核作高速运转的带负电荷的电子构成，原子的质量主要集中在原子核上。在原子中，核电荷数=质子数=核外电子数（见图3）。

图3 原子的构成概念图

由于电子在核外高速运动，靠离心力使电子不被吸引到原子核上，而正是由于正负电荷的相互吸引，电子也不至于脱离原子核的束缚。从而，利用概念图帮助学生整理知识，使学生对原子构成形成整体性、结构化认识，更有利于学生理解、内化、掌握、表征。

［知识拓展］原子结构模型经历了从实心球结构到电子云学说的一系列变化，也正是有了卢瑟福的模型研究思想，才有了玻尔轨道模型和量子力学原子模型研究的思想基础（见表3）。

表3 原子模型的演变历程及其规律

使学生明确模型并不是一成不变的，需要经历实践的考验、评估。纵观科学家对核外电子运动的探索过程，不难发现科学家建立原子结构模型背后的思维过程与方法：发现问题—获取证据—建立模型……发现问题—获取证据—修正模型/提出新模型……使学生逐步形成“人们对微观粒子的探索是在不断深入的”观念。

四、培养学生证据推理能力的实现路径

证据推理始于理解，终于“新的理解”，“新的理解”又可作为下一轮推理与行动的起点。因此，证据推理是一个从理解到新理解的循环系统。培养学生证据推理能力，一方面，“新的理解”以PCK 为主要表现形式，对教师的教学能力提出了更高的要求，教师需要不断提升自身的化学学科理解能力、证据推理能力、课堂教学引导力……以准确诊断学生的已有认知经验、能力水平、存在问题，并据此确定证据推理培养目标和解决策略；另一方面，更依赖于学生个体的主动探究下的深刻体验、感悟与自主建构，要求学生对自己的推理活动不断地进行反省，这种反省本身也是一个独立思考、逻辑推理的过程。

（一）教师的化学学科理解能力是前提

化学学科理解是《普通高中化学课程标准（2017年版）》中提出的一个新概念，提出“教师应注重通过多种途径和方法提高化学学科理解能力”［9］。乔国才认为：“化学学科理解是对化学学科知识的本原性认识，可以理解为对学科知识的形成、内涵、功能和局限性等多方面的认识；对化学学科知识的结构化认识；对化学学科知识之间相互关系的认识；对化学学科思维方式和方法的本原性、结构化认识；具有化学学科特质的认识视角和化学认识思维的形成和建构。”［10］郑长龙认为化学学科理解的对象是化学学科知识、化学学科思维方式和方法［11］。

笔者认为，教师应不断地学习，努力提升自己的思想品位、人文修养、专业能力和推理品质，强化自身教学推理的逻辑性，提升对化学课程内容中蕴涵的化学学科知识、学科思维方式和方法的理解能力和理解高度，凝练教学内容中蕴含的学科本原性问题，综合权衡教学内容、教学方法、学生认知特点、探索与发展空间等因素，努力创设学生、教师与课程的三维对话空间，建立教学事件与教学知识的实在关系，形成具有学科特质的化学认识视角、认识思路和认识思维，实现学生素养与教师自身专业的双向发展。

（二）教师自身的证据推理能力是关键

证据推理作为一种高阶的思维方式，其培养离不开一个个缜密的逻辑推理过程［12］。笔者认为，围绕教学问题，实现科学证据和实践智慧的融合、对话，是提高证据推理教学质量的关键。教师客观准确地认识化学证据推理的功能、价值，具备推理的意识、思维和方法，则是让推理教学有法可循的关键。可见，教师自身的认知能力、证据推理能力是一种内在驱动力。因此，教师需要掌握丰富的创造性推理思维和方法，并在头脑中形成推理意识，依靠先进课程理念的指引，以科学方法深化课程内容理解。以推理过程分析文本，正确进行有效证据的选择与匹配、运用与评价，关注推理中的逻辑结构的各个要素及其相互关系，鼓励学生解释与表达推理的过程，注重学生思考问题、分析问题、解决问题的过程和结果，进而将其付诸高效实施。

（三）教师的智慧课堂教学引导力是保证

“推理”与科学探究密切联系，是一种思维要求和技能，“证据”则多与学习内容联系［13］。教学中，学生知识和技能的发展，思维和方法的启迪，情意和品行的形成，是学生素养的表征指标。其产生的过程需要教师教学实践智慧的强力参与和自身的实践与探索。教师的引导力是很关键的！教师引导力的大小、价值导向和落脚点，表达着不断超越既成、因时而变的创造性意蕴，指向改造学生的理性世界。

化学教师的引导力主要表现为以化学学科核心素养为目标，在课程标准、教科书的指引下，在教学内容、学业水平和学情等具体实践要素中抽提认识视角、认识思路和核心观念，思虑课程应该关注什么、准备如何教及要实现的课程目标等智慧教学能力，即以批判性的“课程统整”态度，甄选学习内容的能力、制定学习目标的能力、选择学习方法的能力以及寻找技术支持的能力。同时，教师需要抓好典型示范、实例体会、背景助悟、假说推敲、整合强化等环节进行任务化学习，以优质活动、资源为知识确证提供条件，监控学生认知与课程目标之间的距离，以整体视野透视教学情境，强化学生学习的参与性和过程性，在知识、身体与环境交互的实践过程中，彰显知识的理解、构建和实践品性。

不仅如此，教师应加强教学实践的反思能力，提升教学思维批判力，以不断优化教学实践，将正确的教学规范融入教学事件之中，注重证据推理过程的自成性。正是这一根植于传统与共性中的情境因应和创新，不断生成着个体的“人性能力”，在形之于外与内化成人的融通中，帮助学生逐步形成“证据推理”的规范性表达和化学文化规范，促使学生“推理”水平的提升与“推理”层级的升级，实现着学生化学学科核心素养的落地和生根。▲