试论“证据推理与模型认知”对认知能力提升的促进作用

王云生

摘要： 依据普通高中化学课程标准，分析化学学科“证据推理与模型认知”的培养要求。从认知心理学角度结合教学实例分析“模型认知”对图式建构、化学陈述性知识表征能力提升的促进作用；“证据推理”对产生式建立、化学程序性知识表征能力提升的促进作用。

关键词： 证据推理与模型认知； 认知能力； 陈述性知识表征； 程序性知识表征

文章编号： 10056629（2024）01000305

中图分类号： G6338

文献标识码： B

1 前言

《普通高中化学课程标准（2017年版）》在前言中指出，“普通高中的培养目标是进一步提升学生综合素质，着力发展核心素养，使学生具有理想信念和社会责任感，具有科学文化素养和终身学习能力，具有自主发展能力和沟通能力”［1］。提升高中学生的终身学习能力，是普通高中的一项重要任务。

学习能力的核心是认知能力。“认知能力是人们成功地完成活动最重要的心理条件。知觉、记忆、注意、思维和想象的能力都被认为是认知能力。认知能力是人脑加工、储存和提取信息的能力，即人们对事物的构成、性能、与他物关系、发展动力、发展方向以及基本规律的把握能力”［2］。“人类对客观世界事或物的认知是通过回答三个问题，即什么、怎么、为什么来完成的”［3］。人们是通过一定的方式对事物做观察、分析思考（包括记忆、想象、分析、判断和决策等）来回答上述三个问题的。人们看待事物、分析思考事物的角度、方式和方法，即通常所说的“思维方式”。如，线性思维、系统性思考等等。

就化学课程的学习而言，研究物质的存在状态、性质、变化和合成，需要運用以化学实验为主的方法通过科学探究来辨识；从微观视角，从物质的微粒构成、微粒间的相互作用做探析，用正确的观念和思维方式做分析思考、判断和决策。2017年版普通高中化学课程标准，凝练的化学学科核心素养包括5个方面，其中“宏观辨识与微观探析”“变化观念与平衡思想”“证据推理与模型认知”，“分别是从科学观念和思维方式视角对化学科学思维的描述”［4］。“证据推理与模型认知”明确指出化学的学习，要培养化学科学思维方式，要求“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，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”［5］。这些论述说明，“证据推理与模型认知”是从思维方式视角对化学科学思维做描述。模型认知的要求侧重于用科学的方法建立研究对象的认知模型，并运用于解释化学现象、揭示本质规律；证据推理的要求侧重于能科学地提出事物及其变化的假设，通过分析推理证实或证伪所做的假设，建立观点、结论和证据间的逻辑关系，做到言之有据，依理论断。两者相辅相成，完整体现了化学科学的思维方式。

化学学科的学习，包括陈述性知识（知道某种事物是什么）、程序性知识（包括策略性知识，知道如何做某件事，为什么要这样做）。60年代兴起的认知观，从信息的存贮、认知过程、个体对自己或他人认知特征的认识和调节能力等方面，探索和研究人类学习两类知识的思维机制。认为人们是用图式来表征陈述性知识，用头脑中的产生式（或产生式系统）来表征程序性知识［6］。

化学学习中需要用图式表征物质的组成、结构、性质、变化过程与结果等陈述性知识，认识化学事物的特征与本质；也需要运用产生式（或产生式系统）表征物质变化的条件与结果、从变化的规律性推断变化的可能性，做推理判断。图式的建构、产生式系统的形成从认知心理学角度阐释了化学科学认知的机制。化学学习过程中，图式的建构、产生式系统的建立，都需要化学思维方式的支撑。“证据推理与模型认知”的发展要求，体现了化学课程实施中培养科学思维方式的重要性。从认知心理学角度看，“证据推理与模型认知”的培养对于促进学生认知能力的提升也是极为重要的。“模型认知与证据推理”对于化学学科陈述性知识和程序性知识的学习都是不可或缺的。为了简便地说明问题，下文分别从“模型认知”“证据推理”结合化学教学实例作粗浅的分析说明。

2 “模型认知”对建构图式、提升化学陈述性知识表征能力的促进作用

认知心理学认为，人们对说明某件事物是什么的陈述性知识的认知过程，是通过对同一类客体或活动的基本结构的信息进行抽象概括，在大脑中形成一个框图，这种框图被称为图式［7］。

图式实质上是一种认知心理结构，是能帮助人们知觉、组织、获得和利用信息的认知结构。图式表征是陈述性知识的一个整合单位，它是命题、表象和线性排序三种基本表征形式的综合［8］。图式是人的头脑在认知过程中经过一系列操作建构的。认知心理学用“认知模型”表征人类对真实世界进行认知的过程。人们通常所说的“认知模型”也指人在认识某一特定事物过程中，在头脑中形成的可以用符号、图形、文字、数字等形式描绘的图式。

例如，对原电池反应的认知，包括下述命题的形成：通过自发的化学反应可以把化学能转化为电能；物质间的氧化还原反应，有电子转移发生；发生氧化反应的物质把电子转移到发生还原反应的物质中；利用特定的装置使氧化还原反应中电子的转移不在两种反应物间直接进行，而是通过连接两种物质的导线（外电路）进行，就可以形成定向移动的电子流。这些命题是以一定的线性排列顺序组织的，能呈现原电池反应发生过程各个因素出现的时序；这些命题还可以非语言形式，以表象直观地呈现，显示原电池反应发生过程中各种因素在空间的相互关系。伏打电池模型、铜锌原电池模型图（见图1），就是用文字、符号、图像呈现的电化学发展不同时期科学家对原电池反应认识过程的图式。伏打电池模型，表明用导线连接的锌片、铜片插入稀硫酸，锌片发生氧化反应，电子从外电路流向铜片，溶液中的氢离子在铜片上结合电子还原为氢气。解释了电流形成的原因，说明在一定条件下，利用自发的氧化还原反应可以使化学能转化为电能。这一认知模型的建构把有关原电池反应的命题、表象和线性排序三种基本表征形式综合，形成了表征原电池反应的图式。铜锌原电池模型，反映了人们对原电池反应认识的发展，例如认识到需要把发生电子转移的物质隔离，防止两者直接发生电子转移，只能通过外电路进行，用盐桥沟通离子在电解质中的迁移，使原电池反应得以持续进行，提高能量转化效率。两种模型的差异，反映了在科学发展的不同阶段科学家对原电池反应认识深刻程度的变化。

认知心理学所说的“认知模型”是人类对真实世界的认知过程，是人类看待和处理一类问题的方式［9］。认知模型既可以帮助我们有效地认知未知的事物、提高学习效果；同时，还可以借用认知模型创造解决事情的方法、诊断问题产生的原因。

构建认知模型，用认知模型表征客观事物是认知能力的关键。“证据推理与模型认知”的“模型认知”可以简要地理解为通过建构认知模型的思维方法来认识事物。“模型认知”指认知过程中的图式建构，也含有借助科学家建构的并被人们普遍认可的认知模型来促进图式的建构。

在化学课程标准学业质量水平1的描述中，对元素化合物性质的学业质量要求是“能对常见物质及其变化进行描述和符号表征”［10］，能建构表征物质化学性质和可能发生的化学变化的图式。包括知道下列命题：组成该物质的元素（或中心元素）的种类与它的化学活动性的关系，组成该物质的元素在周期表的位置、原子结构与该元素单质或其化合物的性质之间的关系；化合物中元素的价态、在一定条件下发生价态变化的可能性；化合物所属的物质类别与其具有的通性。按线性排序这些命题，以某种图式表征元素在周期表中的位置、原子结构、元素性质三者的逻辑关系，物质类别、价态和物质性质间的规律性。构成元素化合物性质、变化与转化的认知模型（见图2）。

人类认知活动是复杂、多样的，难以建立一个囊括一切的认知模型，每个认知模型一般只能反映一方面或若干方面的认知特征。例如，就化学反应的学习而言，就有化学反应机理的认知模型、化学反应过程的体系能量变化认知模型等等。如图3是表征化学反应过程、反应中能量变化的两种图式（分别引用自2020年高考理综能力测试1卷选择题第10题、2021年高考理综能力测试甲卷非选择题第28题）。

从高中化学的学习内容要求看，表征化学陈述性知识的认知模型，有化学概念模型（如表征原电池反应）、化学过程模型（如表征化学反应机理、化学反应过程的能量变化）、物质结构模型（如表征原子结构、晶胞结构）、化学问题的数学模型（如表征以摩尔单位计量的物质及其质量，气态物质在标准状态下的体积、含有的微粒数之间的数量关系）等。

随着人们对事物认识的发展变化，表征陈述性知识的图式的形成也随之发生变化。在教学过程中，利用新旧认识的冲突，可以引导学生主动地改进或重建图式。例如，人类对原子结构认识的发展变化，不同时代的科学家基于当时的认识水平，建构了不同的原子结构图式，并以原子结构模型图呈现。为了帮助学生更新、改进或重建对原子结构认识的图式，要依据有关原子结构中探索新发现的实验事实，找到原有的表征原子结构的图式与实验事实之间存在的矛盾，尝试找到原有图式存在的问题，鼓励学生说明自己的观点，提出、修改或重建图式的想法，阐述修改或重建的图式与新发现的实验事实的一致性。又如，高中化学必修课程与选择性必修课程“化学反应原理”模块的教科书中，基于学习要求深度的差异，引用不同的原电池认知模型表征原电池的概念和工作原理。从必修课程的原电池概念的教学转入“化学反应原理”模块中原电池工作原理的深入理解，要注意帮助学生认识两种认知模型表征的异同点，鼓励、支持学生通过思考拓展学生原有的图式，构建新的图式，深化对原电池反应的理解。消除学生头脑中把“单液原电池”和“双液原电池”模型割裂、对立起来的错误认识，在脑子中形成能正确表征原电池工作原理的图式。

3 “证据推理””对建立产生式、提升化学程序性知识表征能力的促进作用

程序性知识是知道如何行动的知识，在头脑中的表征是通过产生式（或产生式系统）来完成。一个完整的产生式，有三个特征：以“如果—那么”为结构形式；产生式不一定以外部动作表现，可以在头脑中进行“操作”；产生式的执行有明确的目标［11］。通过实验获得证据，通过推理得到结论的“证据推理”过程，就是运用产生式对程序性知识做表征。

高中化学课程标准在学业质量水平4的描述中要求“能用数据、图表、符号等描述实验证据并据此进行分析推理形成结论”［12］。例如，浓硫酸和铜片反应生成的气体通入氯化钡溶液，如果观察到有白色沉淀生成，那么就可以推断气体中一定有三氧化硫存在，因为只有三氧化硫能和氯化钡溶液反应生成不溶于酸的白色硫酸钡沉淀。但不能由此断定气体中不含二氧化硫，因为在上述实验中二氧化硫是否存在与硫酸钡沉淀的析出不存在因果关系。这种从实验现象推知结果的分析、判断的过程是在头脑中进行“操作”、通过“如果—那么”为结构形式的产生式来完成的。由一系列产生式组成的产生式系统，可以表征一个大型的“如何行动”的知识。例如在上述问题的解决中，还需要确认气体中是否含有二氧化硫气体，就必需建构“如果有二氧化硫气体，那么通入品红溶液、高锰酸钾溶液会使品红溶液褪色，会被高锰酸钾溶液氧化，使高锰酸钾溶液褪色”的产生式作表征。

程序性知识的表征，除了“证据推理”，还有比较分类、分析归纳、综合概括等形式。以实验为主要研究手段的化学基础知识的探究学习，证据推理是一种重要的表征形式。证据推理过程中作为证据的不仅仅只有实验事实，自然界、生产生活中存在的化学事实、物质及其变化的数据、业已被证明的化学规律性知识都可以作为推理的证据。在化学教学中，可以结合教学内容，指导学生利用上述三类证据，通过学习活动，做有理有据的逻辑推理判断得到正确的结论。从而理解证据推理的内涵，提高运用产生式或产生式系统表征程序性知识的能力。

例如，依据氯气能被氢氧化钠等多种碱溶液吸收，转化为氯化物和氯的含盐酸盐溶液的反应规律，可以推断能用碱溶液吸收实验室制取氯气残余的尾气，可以利用氯气和相应的金属氢氧化物制得氯的含氧化合物（如漂白粉、巴氏消毒液）。又如，依据盖斯定律可以推知，如果一个化学反应难以直接测定反应热，又可以看成是分几步进行的，就可以由几个分步反应的反应热相加减来求得。又如，许多实验数据证明化学平衡常数是表明化学反应限度的特征值，通常只受温度的影响。如果知道几种反应在某温度下的化学平衡常数，就可以据此比较各个反应进行程度的大小。测定一个反应体系某个时刻时各个组分的浓度值，计算它的浓度商，和该温度下反应的化学平衡常数作比较，就可以判定反應是否已达到平衡状态。这些都是以“如果—那么”为结构形式实现程序性知识的表征。

证据推理能力的提高对产生式的建立、程序性知识的表征能力的提升有很强的促进作用。例如，解答下述问题：已知化合物A由处于同一周期的短周期元素W、 X、 Y、 Z组成，Z核外最外层电子数是X核外电子数的一半，已知A的结构式如图所示（见图4），推断组成该化合物的元素种类。

解答的思维过程可以以一系列产生式表征：依据共价化合物分子结构的规律性、元素原子的成键特征解读A的结构图式，判断元素Z呈-1价、Z原子最外层电子数为7，再依据给定的信息（Z核外最外层电子数是X核外电子数的一半）可以判断X元素原子的核外电子数、核电荷数是14，可以断定元素X是Si（硅）、Z是同周期的元素Cl（氯）。X、 Z、 Y构成复杂的-1价阴离子［（Z3X）2Y］-，可以推定Y呈-3价是同周期的P（磷），W能形成+1价阳离子，是同周期的Na（钠）元素。对于程序性知识表征能力较强的学生而言，这一系列以产生式呈现的自动化程度较高，几乎可以脱口而出。反之，程序性知识表征能力较弱的学生，每个产生式的形成都需要先形成对问题的表征，然后调用已有的知识和技能，提出解决办法。例如从A的结构图式判断元素Z呈-1价，就需要先提出问题，分子中所有的Z原子都以1个共价单键和X原子结合的，这说明什么？再依据共价键的形成规则，判断X原子最外电子层应该有7个电子，可以与X原子共用一个电子对，形成饱和的电子层结构，呈现-1价。推断Y元素的产生式的建构，更需要有意识地调整、控制思维过程。

应对较为复杂或陌生问题的程序性知识的表征能力的形成，需要对相关知识有整体的理解和把握，有较强的高阶思维能力。不少学生在面对依据给定条件，推断有机化合物同分异构体种类和结构的问题感到困难。对较为陌生复杂的问题，更觉得难以入手。例如下述问题的解决：推断组成为C8H8O3且符合下列条件的同分异构体的种类和结构（以结构式表示）：①含有酚羟基，②不能发生银镜反应，③含有四种化学环境的氢原子。大部分学生都知道问题的解决必须先依据题设要求，判断具有题设的分子组成的同分异构体的组成基团（如，应含有苯环和酚羟基、不含醛基或甲酸酯基）。但是，如何推断可能的同分异构体，不少学生是用尝试拼凑出可能同分异构体结构式的解答方法，费时易错。程序性知识表征能力较强的学生，会依据题设给定的信息和条件，建立一系列产生式，较快地做出推断：（1）符合题设条件的分子应含有苯环、酚羟基（有苯酚结构特点），分子有一定的对称性；（2）从分子组成可以说明该有机化合物不饱和度大，除含有不饱和度较大的苯环外，与饱和结构相比还缺少2个氢原子，分子中还应含有碳氧双键；（3）分子中的8个碳原子，6个在苯环上，1个组成羰基，另1个只能组成烃基；（4）羰基的碳原子除了与苯环连接外，还可以与甲基连接，形成三种具有对称性结构的碳骨架（见图5）；（5）分子中的3个氧原子，除组成酚羟基、羰基外，还有1个或者取代苯环①或②位上氢原子连接到苯环上，并与被取代的氢原子组成另一个酚羟基，或者插入③或④位与碳原子连接，构成酯基。由此，推断该有机化合物的同分异构体共有有4种（见图5）。

随着学习的进展，学习活动机会的增加，学生在头脑中对行为操作的有意识控制会逐渐减少，产生式构建的技能娴熟程度、产生式的自动化程度会逐渐提高，使程序性知识的表征进入自动化阶段。程序性知识认知能力的提高，需要通过学习者主动地参与学习活动才能得到发展和提高。

在高中化学教学中，从认知心理学角度认识“模型认知与证据推理”与发展学生思维能力、提高学生知识表征能力的关系，探索如何结合教学内容有效地培养学生的科学素养、发展学生思维能力、提高学生认知能力是一个值得思考和探索的问题。仅以上述拙见与同行们探讨、切磋。

参考文献：

［1］［4］［5］［10］［12］中华人民共和国教育部制定. 普通高中化學课程标准（2017年版）［S］. 北京： 人民教育出版社， 2018： 前言， 3.

［2］百度百科， 认知能力.https：//baike.baidu.com/item/认知能力？fromModule=lemma_searchbox.

［3］［8］［9］百度百科. 认知模型， https：//baike.baidu.com/item/认知模型/10726713？fr=ge_ala.

［11］胡谊， 郝宁. 教育心理学·理论与实践的整合观［M］. 上海： 华东师范大学出版社， 2009：125.

［6］［7］百度百科， 图式. https：//baike.baidu.com/图式from Module=lemma_searchbox.