证据推理能力模型的建构及在评价中的应用

刘东方 邹琳 孙闻 刘宇锋

摘 要 基于能力结构理论、智力三维结构理论、认识理论、信息加工理论和证据推理的基本理论，建构了证据推理能力的构成模型，该模型具有三个维度：推理过程、推理类型、不同类型推理任务。其中推理过程包含：证据、推理思路与推理结论。将学生在完成概念原理推理任务的过程中表现出的化学证据推理过程、推理类型结合起来进行评价，是评价化学证据推理能力水平的有效途径。

关键词 中学化学 证据推理能力 概念 原理 评价

一、问题的提出

在化学学习中，结论的得出无不需要根据证据进行推理的过程，科学推理是科学思维中最重要的组成部分[1]。得出的结论是加工了客观事实后理性的分析判断结果，而非感觉或想当然，是衡量学科素养水平的重要标志之一。然而，在化学学习中，学生证据推理能力的发展却不尽如人意。重要原因之一是教师的认识和指导不足，主要有两个方面的表现：第一，对化学证据推理能力的构成要素的认识较为模糊。由于在普通高中化学课程标准中首次提出“证据推理”素养，在以往的教学中教师大都没有关注证据推理应该有哪些具体的表现。第二，不了解学生证据推理能力的发展情况，也不清楚该如何评价。因此，中学生化学证据推理能力应该由哪些要素构成，应如何评价，是要解决的关键问题。

二、化学证据推理能力的构成模型

证据推理，涉及到证据和推理两个部分。“证据”一般指判定事实的依据。在化学学科中，证据是指用以认识未知化学世界及其规律的事实和材料，包括化学事实性材料及化学变化规律。“推理”是指人在头脑中根据已知信息，经过分析与综合，引出新判断、解决新问题的过程。

化学证据推理能力是以客观存在的化学事实为证据，经过头脑中的逻辑思维过程，推出新的化学变化规律和结论及解决化学问题的能力。

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[2]。笔者以高中化学概念原理内容为例，建构出化学证据推理能力的表现模型，如图1所示。

（一）推理過程

证据推理主要包括证据、推理思路与推理结论。

1.证据。证据推理由证据开始，到得出结论结束，其本质就是经由分析、猜测和推理，建构证据与结论之间的逻辑关系。化学证据的类型主要有：基于生活经验的证据、基于自然现象的证据、化学史实性证据、事实性证据，具体如下页表1所示。

2.推理思路。推理思路是完成化学推理任务所需要的思维程序和思维路径。一般来说，在面对要解决的问题时，首先，寻找与之相关的证据。证据信息可能以多样的方式呈现出来，而推理的开始，就是从众多信息中，提炼出相关的、有效的信息，找到本质要素。其次，根据证据和要解决的问题，找出信息之间的联系，如因果关系、并列关系、条件关系等。再次，经过系统思考，将每个步骤连贯起来，确定解决问题的路径。在面对不同类型的推理任务时，相应的推理思路也随之不同。例如，面对离子推断任务时，推理思路是：根据给定信息，找到关键实验现象作为证据→确定溶液中一定存在（或不存在）的离子→利用已经确定的离子，进一步判断溶液中一定不存在的离子→根据电中性原则，确定隐含的离子→进一步排除实验中自身生成或引入的离子。具体的推理思路如图2所示。而在顺畅的推理思路形成的同时，已经在众多证据中，甄别和选择出了有价值的信息，即选择了能够有效得出结论、解决问题的思路。

再如，面对氧化还原反应计算的推理任务时，推理思路是：利用化学变化守恒的思想，知道氧化剂与还原剂的电子得失情况相同→找出氧化剂和还原剂及其对应的氧化产物和还原产物→找出一个原子或离子的得失电子数→根据得失电子守恒列出等式→求出转移电子的数目。

推理思路是证据推理的核心思维过程，是一种综合性与系统性的分析、提炼、综合的过程。正确的推理思路体现了较高的逻辑思维水平。

3.推理结论。推理结论是基于一定的化学前提信息，对其进行综合分析所做出的判断及得出的结论。证据、推理思路的选择，决定了推理结论。例如，在判断有机物的合成过程时，使用的试剂与条件不同，逻辑顺序不同，则会得出不同的合成路线。

（二）不同类型的推理任务

评价化学证据推理能力，首先需要设计适宜的推理任务。以化学概念原理为例，其核心内容主要有：物质的量、物质结构和元素周期律、氧化还原反应、离子反应、水溶液中的离子平衡、化学反应速率与平衡、化学反应与能量、电化学等。进一步分析这些内容所涉及的推理任务主要有：（1）关于物质的量的推理任务是基于物质的量进行相关计算;（2）关于离子反应的推理任务是利用守恒法正确书写离子反应方程式、离子推断;（3）关于氧化还原反应的推理任务是利用守恒法书写氧化还原方程式、计算氧化还原反应中的电子得失;（4）关于物质结构和元素周期律的推理任务是根据元素预测物质的性质;（5）关于化学反应与能量的推理任务是计算化学反应中的能量变化;（6）关于化学反应速率与平衡的推理任务是影响化学反应速率因素的推理;（7）关于水溶液中的离子平衡的推理任务是利用守恒法比较离子浓度;（8）关于电化学的推理任务是原电池的工作原理与应用、电解池的工作原理与应用等。

（三）推理类型

为考查学生的推理能力，不同国家和地区的学者如皮亚杰、Roadrangka、Capie和Tobin等人将推理能力分类并开发了测试工具。笔者从中提炼出下述5种推理类型，阐述其在化学概念原理中所涉及的主要任务类型。（1）比例推理，主要任务有：基于物质的量进行计算、计算氧化还原反应中的电子得失、计算化学反应中的能量变化等;（2）守恒推理，主要任务有：离子推断、氧化还原反应的计算、氧化还原反应方程式的书写、水溶液中的溶质及离子浓度大小的比较、离子方程式的书写、原电池的工作原理与应用;（3）控制变量推理，主要任务有：影响化学反应速率因素的推理;（4）类比推理，主要任务有：根据元素预测物质的性质;（5）组合推理，主要任务有：离子推断、化学反应中能量的计算、原电池的工作原理与应用。

三、应用模型评价化学证据推理能力的方法

（一）推理过程的评价方法

在评价时，可以将推理过程的要素划分成多个不同的表现水平，可以依据深刻性、系统性、相关性、创造性等，表现水平分别为“无关—局部相关—完整相关”“孤立—简单系统—复杂联系—复杂系统”“输出有误—局部—严密完整”等。例如，“证据”的水平1为“收集不出和推理任务有关的证据和线索”;水平2为“能收集到部分和推理任务相关的信息，但是并不完整”;水平3为“能够收集到与推理任务相关并且完整的证据和信息”。“推理过程”的水平1为“不会用收集到的证据进行推理”;水平2为“在简单情境下能够进行系统推理并得出结论”;水平3为“在复杂情境下能将证据与推理任务部分进行联系，得出不完整的结论”;水平4为“能够在复杂情境下将证据与推理任务进行有效联系，系统地进行分析与综合并得出完整结论”。“推理结论”的水平1为“虽然能得出结论，但是无法将推理过程与结论表达出来”;水平2为“能将得出的结论和推理过程部分表达出来，或表达不严密”;水平3为“能将得出的结论与推理过程严密、系统地表达出来”。

（二）不同类型推理任务中推理思路的评价方法

在研究过程中，需将推理类型运用到不同类型的推理任务中去进行推理，因此，推理类型的应用主要体现在不同类型推理任务的推理思路中。在评价时，划分表现水平可以根据推理思路的关键性和完整性，主要表现为“是否具备关键点”“局部—完整”。例如，氧化还原反应方程式书写的推理任务属于守恒推理，低水平表现为找不到关键的变价元素，不能形成完整、顺畅的思路;高水平表现为能够找出关键的变价元素，能够判定得失电子情况并进一步将化学方程式配平。

在应用本模型评价时，为了体现出学生化学证据推理能力发展水平的完整性，须将推理过程和推理类型有机地结合起来进行评价。

[参 考 文 献]

[1]王磊.基于学生核心素养的化学学科能力研究[M].北京：北京师范大学出版社，2017：14-15.

[2]刘东方.科学探究能力表现模型的建构及其在评价中的应用[J].课程·教材·教法，2018，38（9）：122-127.

（责任编辑：赵晓梅）