化学实验探究中证据推理过程模型的建构

杨梅 莫尊理

摘要： 基于科学探究、问题解决的信息加工理论、科学问题解决心理机制、批判性思维等理论，初步建构化学实验探究中证据推理过程模型。以该模型要素为初始概念对优质课例进行分析，得出以“原型匹配”为主的“假设检验”推理过程，以及以“重组联结”为主和以“提供模板”为主的“假设创造”推理过程模型，体现对于学科核心素养落实与教师能力提升的双重价值。

关键词： 化学实验探究； 证据推理； 过程模型； 案例研究

文章编号： 10056629（2023）05001406

中图分类号： G633.8

文献标识码： B

证据推理自20世纪提出就被广泛应用于法律、人工智能、系统工程、管理科学、医疗诊断、心理学、教育学等领域［1，2］。2018年以来，化学教学中证据推理的问题备受关注，实验探究教学是重要载体。而有关证据推理教学的研究处于初期，就研究内容而言，包括“为培养学生证据推理思路的教学设计与实施研究”和“对证据推理的内涵、类型、模式、影响因素、证据的类型等方面的理论探析”，取得了较为丰硕的研究成果；就研究方法而言，整体较为单一，以教学实践案例研究为主，涉及少量理论思辨型研究。相对而言，关于实验探究教学中证据推理的教学模式或证据推理过程的程序性知识的研究亟需加强。

1 问题的提出

自20世纪80年代中期以来，发达国家致力于科学教育理论的创新和科学教育教学的改革，认为公民的科学素养包括科学的推理过程和科学的探究方法［3］，证据推理是科学探究的典型活动，促进对科学本质的理解。《普通高中化学课程标准（2017年版）》提出化学学科核心素养，将证据推理作为思维核心［4］。但是，课堂教学中教师提供的教学材料所呈现证据的科学性、可靠性，以及推理过程的逻辑性、严密性较为欠缺，导致学生在寻找事实证据、辨析证据、获得结论、习得科學探究思维能力和方法、分析物质世界等方面存在不足。

过程模型是由响应事件的过程组成的概念框架，也是动态的内在运作机制，影响着学生对外在事物进行描述、解释和预测的行为与方式。实验探究教学中证据推理过程模型的研究旨在解决以下问题：实验探究中证据推理过程模型有哪些要素，要素之间有什么样的关系？以期为一线教师提供证据推理过程的程序性知识，提示教师以何种方式进行证据推理教学，同时也为学术同仁开展证据推理研究提供参考。

2 理论构建

实验探究中的证据推理指经过实验探究活动在证据和结论之间建立逻辑关系的过程，包含两个方面：一是根据证据经过推理得出科学的结论，即“假设创造”；二是利用证据证实或证伪假设，即“假设检验”［5］。具体指“学生以科学知识为基础，根据学习材料，识别、转换或推演问题情境及已有知识经验，形成已知判断，提出猜想，多方收集证据，设计并实施实验方案，对假设进行证明或创造，从而获取新知、解决问题、得出目标概念的深度思维过程”［6］。

首先，科学探究从本质上来看是运用证据对科学及与科学有关的问题进行解释、检验、得出结论的过程，问题是科学探究的起点，解释是科学探究的核心［7］。实验探究中的证据推理即为“始于问题，基于证据的假设检验或假设创造，以及基于推理的结论”的过程，“问题、证据、推理、结论”是反映证据推理本质的核心要素。其次，证据推理的过程就是问题解决的过程，化学问题解决的心理机制包括“问题表征、原型匹配、反思结果、元认知监控”等［8］。即感知系统接收外在资料，将其传递到短时记忆中。在分析外来证据的基础上，选择并调用长时记忆中有效的成分，重新组织策略性知识得到一定的解决方法后通知反应系统，反应系统做出相应的反应行为，整个过程受元认知的监控。最后，证据推理是批判性思维形成的一种途径［9］，根据“应用、分析、综合和/或评估”等不同的思维过程及批判性思维要素形成批判性思维进阶。

由此，初步建构“化学实验探究中证据推理的过程模型”，包括有原型时所进行的“假设检验”推理过程和无原型或原型匹配不成功时所进行的“假设创造”推理过程，形成“实验探究中证据推理过程”的分析工具，如表1所示。

3 案例分析

3.1 研究对象

课例作为研究对象，包括“现场”和“事后整理的教学实录”。重点是教学典型案例，通过从“名课”中发掘优秀教师的教学知识，力图转化为公共知识，这是学科教学论研究以及教学理论研究的知识生长点［10］。本研究基于三个标准选择研究对象：（1）包含“性质、规律、结构、分离、检验、制备”等实验探究内容；（2）遵循“提出假设、检验假设等实验方案的设计与实施”的实验探究过程；（3）有“假设检验”或“假设创造”等思维参与的证据推理教学过程。最终筛选了第十三、十四届全国基础教育化学新课程实施成果交流大会中的9节课例，这是授课教师在其共同体中经过智慧共享、反复推敲、大会筛选之后展示给专家学者的优质课例，可以为其他教师提供借鉴和引领作用。

3.2 研究方法

案例研究的本质在于展现一个或一系列决策的过程，分为单案例研究和多案例研究，研究设计包括“研究问题、理论假设、分析单位、连接资料与假设的逻辑、解释研究结果的标准”五个要素，其中“分析单位”指的是“划定案例边界”［11］。本研究基于“理论推演初建模型、案例分析修正模型”的研究思路，采用多案例研究法，基于“科学探究、问题解决教学、批判性思维理论和科学问题解决的心理机制”，初步构建“化学实验探究中证据推理的过程模型”；再将优质课例视频形成转录文本，利用分析工具所提供的初始概念对关键教学行为进行人工编码，进一步修正模型，形成“化学实验探究中证据推理的过程模型”。

3.3 三级编码

3.3.1 开放式编码

对优质课例进行收集、整理，并转换成文字资料。对每一个关键教学行为与初始概念、原始资料进行不断的对比与分析，对其进行概念化和范畴化，得到24个初始概念（表示为Pxn、 Exn、 Rxn、 Cxn）和13个范畴（表示为Px、 Ex、 Rx、 Cx），其中x和n都用1、 2、 3……表示，具体见表2。

3.3.2 主轴式编码

通过解释范畴内涵，建立各个范畴间逻辑关系，将范畴归类形成主范畴［12］，得到“问题、证据、推理、结论”4个主范畴（表示为P、 E、 R、 C），并对范畴内涵予以解释。以“基于微粒观的离子反应多元探究”为例，编码如表2所示。

3.3.3 选择式编码

通过课例发现，“问题、证据、推理、结论”将实验探究教学中证据推理的过程完整地联系起来，证据的选择应符合问题要求，是问题相关的证据，问题是寻找证据的条件；找到证据之后需要进一步推理，才能得到更科学的结论；推理后得到新的问题，推理的结果即为假设；得出结论后进一步形成假设，进行推理，或得出结论后，提出新的问题，层层深入；强化后的原型可作为新的证据，用于新一轮的推理过程。

在课例选择过程中同时进行课例编码，通过对9节课例范畴及其路径的汇总发现，共出现“2种范式、3种过程、7种变式”，每条路径至少有两次及两次以上的案例支持，因此，证据推理过程模型在高中化学教学中具有一定普遍性和推广性。

4 过程模型

4.1 实验探究中证据推理的过程模型

化学实验探究中证据推理过程模型包括“2种范式、3种过程”：

（1） “假设检验”的证据推理范式，类似于皮亚杰的同化，属于学生利用已有图示把新的刺激纳入到已有认知结构中去的认知过程。整合图示即“PM过程”（核心为“原型匹配”，命名为PM过程），学生基于问题情境，识别“字里行间的事实、假设、观点、结论”等证据资料，传到短时记忆；成功调用长时记忆中有效的知识和经验，将已知信息进行分类比较，找出原型与问题的相同点或相似点，并做出解释，原型匹配成功即形成假设，进一步检验假设、得出结论、作出决策、强化原型。

（2） “假设创造”的证据推理范式，类似于皮亚杰的顺应，学生改变已有图示或形成新图示来适应新刺激的认知过程。改变已有图示即“RC过程”（核心为“重组联结”，命名为RC过程），在接收问题信息、表征问题之后，若原型匹配不成功或无现成原型时，学习者需要组织已有知识，改造相近原型，产生新联结；进一步分析综合，提出猜想，或设计实验探究过程，实施方案、理论推演，创造新知识，得出结论；再通过信息的多方收集、评估，作出决定，采取行动；最后通过反思证据推理、实验探究过程，整合知识结构，加入长时记忆，强化原型。

形成新图式即“PT过程”（核心为“提供模板”，命名为PT路径），在接收问题信息、表征问题之后，若无现成原型或原型匹配不成功时，教师提供模板，学生根据提供的学习支架作为新图式，进一步形成假设或创造知识，得出结论。具体如图1所示。

4.2 实验探究中证据推理的路径

4.2.1 “假设检验”的证据推理范式

“假设检验”的推理是学生已有原型与教师所提供的信息匹配成功时发生的证据推理过程。以“基于微粒观的离子反应多元探究”课例为例：

提出问题：AgNO3和NaBr能否发生反应？

表征问题：学生接受教师所提供的有关“AgCl和AgBr物理性质”的有效信息，识别出“AgCl为白色固体，溶解度为1.9×10-3g；AgBr为淡黄色固体，溶解度为1.9×10-5g”的事实，以及隐含“AgNO3和NaBr能发生反应；AgNO3和NaBr不能发生反应”的假设，将其传到短时记忆。

调用原型：调用“AgCl是沉淀；溶解度越小越容易沉淀；有沉淀生成的复分解反应能够发生”等原型。

匹配原型：通过“溴化银的溶解度小于氯化银，AgCl是沉淀，所以溴化银也是沉淀”等进行有效的信息与原型的匹配。

形成假设：形成“AgNO3+NaBrAgBr↓+NaNO3”的假设。

检验假设：基于“在试管中先后加入NaBr和AgNO3，生成淡黄色沉淀”的实验现象。

得出结论：推出“AgNO3和NaBr反应生成AgBr沉淀和NaNO3”的结论。

统计发现，“假设检验”推理范式中最普遍的推理过程是“问题情境表征问题调用原型匹配原型形成假设检验假设得出结论”（即PM路径），该路径在9个课例中出现18次，通过要素的增减形成4种变式，分别为：变式1.问题情境表征问题调用原型匹配原型形成假设检验假设得出结论强化原型；变式2.问题情境表征问题调用原型匹配原型形成假设检验假设问题情境；变式3.問题情境表征问题调用原型匹配原型形成假设检验假设形成假设检验假设得出结论；变式4.问题情境表征问题调用原型匹配原型得出结论强化原型。

4.2.2 “假设创造”的证据推理范式

“假设创造”的推理是学生无现成原型或已有原型与问题信息匹配不成功时发生的证据推理过程。以“有机化合物中常见官能团的检验”课例为例：

提出问题：阿司匹林（C9H8O4）中是否含有酯基？

表征问题：学生通过识别“阿司匹林溶液和稀硫酸能发生反应；阿司匹林溶液和稀硫酸不能发生反应”的假设和“某些酚类在中性或pH为4～6弱酸性条件下与FeCl3溶液反应生成紫色配位化合物”的事实，传到短时记忆中。

原型匹配不成功：调用“酯基的相关性质”的原型，但无法将二者建立联系。

重组联结：在教师引导下重新组织“酯基在酸性条件下水解产生醇/酚和羧酸；酯基在碱性条件下水解产生醇/酚所形成的盐和盐；水解生成的醇或酚能使酸性高锰酸钾溶液褪色”相关知识。

重构模板：产生“阿司匹林本身不能使酸性高锰酸钾溶液褪色，而阿司匹林水解后，加入酸性高锰酸钾溶液，溶液褪色”的联结。

形成假设：形成“水解后加入酸性高锰酸钾溶液，生成的醇或酚使其褪色，说明有酯基；水解后加入酸性高锰酸钾溶液，生成的醇或酚不能使其褪色，说明没有酯基”的假设。

创造知识：通过“向试管中加入1滴阿司匹林溶液，滴入5滴稀硫酸，加热至沸腾，熄灭酒精灯。将产物分成两份，一份加入酸性高锰酸钾溶液，另一份加入FeCl3溶液”的实验、“酸性高锰酸钾溶液褪色、FeCl3溶液产生紫色”的实验现象，以及“三氯化铁和酚溶液能显紫色的pH为4～6”的理论进行解释，得出“阿司匹林中有酚酯和羧基”的结论。

形成假设：提出“酯基和羧基位于苯环邻位；羧基在酚酯上”的假设。

提供模板：通过提供的“阿司匹林核磁共振氢谱和红外光谱”模板进行波谱分析。

得出结论：得出“阿司匹林中酯基和羧基位于苯环的邻位”的结论。

重建原型：反思整个探究过程，总结陌生有机物官能团的确定方法，整合知识结构。

强化原型：基于课后变式练习强化原型。

统计发现，“问题情境表征问题调用原型重组联结重构模板形成假设创造知识形成假设提供模板创造知识得出结论重建原型强化原型”路径是“假设创造”推理范式中比较普遍的过程，此路径又因为推理主体思维参与程度的不同分为两种：RC路径包含“问题情境表征问题调用原型重组联结重构模板形成假设创造知识得出结论重建原型强化原型”过程，该路径在2个课例中出现2次，它强调学生的主动性，在学生的已有原型无法与问题情境匹配时，学生通过教师的引导组织已有知识，自主改造相近原型，进一步产生新的联结，设计方案。

PT路径包含“问题情境表征问题调用原型提供模板形成假设创造知识得出结论重建原型强化原型”过程，该路径在2个课例中出现2次。通过要素的增减形成3种变式，分别为：变式1.问题情境表征问题调用原型匹配原型形成假设检验假设形成假设提供模板创造知识；变式2.问题情境表征问题调用原型匹配原型重组联结重构模板形成假设创造知识形成假设创造知识得出结论重建原型强化原型”；变式3.问题情境表征问题调用原型匹配原型提供模板创造知识”。它更强调教师的支持者角色，在学生匹配原型不成功，且无法组织已有知识改造相近原型时，教师为学生提供学习支架，包括“事实类资料、技术类支持、新原理、新概念、新方法”等，支持学生提出假设，解决问题。

5 结语

实验探究中证据推理的过程模型有助于指导教师对证据推理知识的提取和使用，提示教师以何种方式进行证据推理教学。但是，过程模型的使用切忌固化，要求教师有更强的应变能力。在使用过程中要避免对其线性的按部就班，教师需要明确问题情境是产生教学行为的条件，是教学活动开展的基础，可根据学生的学习经验选择问题的开放程度，确定探究的难度；在“分析问题记载或表达的方式”和“调取头脑中有效的知识、经验、方法、思路”等过程中，教师要引导学生尽可能做到思维的外显，提高原型匹配的质量，增强推理的逻辑性；在形成假设过程中要基于原型匹配所提供的证据链，并能用实验或其他手段进行验证，或者通过新模板，自主地将两个或两个以上的概念或事物按一定方式联系起来，从而学习未知的知识；在得出结论之后，还要将头脑中隐性的、混乱的知识巩固为外显的、观念的、结构化的知识，并作为证据用于新一轮的证据推理过程。同时，教师也要按照学生的学习风格、学习状况、问题的难易程度灵活使用过程要素，合理选择线性过程和循环过程，落实学生科学思维能力的培养。

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