从数据出发

薛琴 黄谦

摘要：培养学生分析、处理数据并从中获取信息、加工信息的能力，无论是在高考中还是将来学生从事科学研究都非常重要，这是学科核心素养的重要组成部分。文章以基于数据分析的证据推理在化学教学中的应用为例，深化对概念的理解、细化对规律的探究、强化思维的深刻性、浓化学生的参与度，发展学生化学学科核心素养。

关键词：数据分析；证据推理；核心素养；化学教学

文章编号：1008-0546（2022）01-0024-06中图分类号：G632.41文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.01.006

“证据推理与模型认知”是普通高中化学课程的五大学科核心素养之一。“证据推理”是指“基于证据的推理”。它既是科学家从事科学研究的思维方式之一，也是学生化学学科核心素养的组成部分和具体表现。化学家可以根据实验现象、实验数据得到证据，通过相关的推理建立相应的认识模型并不断修正。化学上的很多重要规律和认识，都是在大量的事实证据中发现的。

一、知识、信息、数据与证据推理

“证据”是学生通过科学探究开展学习活动的重要基础和前提条件，在化学中的证据就是各种可见的化学现象、化学基础知识和规律，以及抽象的各种数据等。本文主要阐述证据推理中的各种数据分析与应用。数据有间接数据和直接数据之分。间接数据是指文献资料和调查数据，主要来自各版本的高中化学教科书、普通化学原理等大学化学教材、各类化学工作手册、各类论文论著等，也可以是学习者在调查和访谈时获得的相关数据与材料；直接数据是指学生在课堂中通过实验、或者通过计算直接得到的数据。

在进行推理时所需要的“证据”就是“信息”，它可能是以数据的形式呈现。同时，证据也可能是某种确定的、或者抽象意义的知识，是在数据、信息理解基础之上形成的，具有可利用的形式。一般来说，数据需要经过处理和整合，才能更为他人理解、传播等，此时的数据已经具有信息的形态[1]。对信息进行加工的思维方式就是证据推理（见图1）。

结合化学学科的特点，关键认知能力主要表现为证据推理能力、科学探究能力、应用化学知识解决实际问题的能力和批判创新的思维能力这四个方面。关键认知能力各要素之间相互促进、相互补益，其核心是证据推理能力[2]。化学教学中的“证据推理”指的是根据化学概念、理论知识，从已有经验、问题情境中识别、转换、形成证据，通过比较分析、抽象概括和归纳演绎等进行推理，从而获得结论、解决问题的综合能力表现，强调的是利用科学相关的证据，体现科学推理的思维要求[3]。

二、证据推理核心素养在普通高中化学课程标准（2017年版）中的课程理念和要求

根据化学学科核心素养对高中学生发展的具体要求，作为核心素养的“证据推理”其课程目标是：（1）能够基于证据进行分析推理，证实或证伪假设；（2）能够通过分析、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，确定形成科学结论所需要的证据和寻找证据的途径（见表1）。

一方面，江苏高考试题的发展越来越注重对知识运用能力的考查，试题背景信息出现了大量的图像和表格，要求学生具有较强的对表格数据、图像数据的信息获取和分析能力；另一方面，在掌握基础知识的同时渗透对证据推理数据分析能力的培养。数据分析推理的过程是科学方法的传授，发展学生的化学学科思维、证据推理的方法比仅仅记住一些重点教学内容更加重要。数据分析的方法和证据推理能力的培养是重要的教学目标。

分析《普通高中化学课程标准（2017年版）》发现（见表2）：基于数据分析和应用的证据推理在物质结构和化学反应原理的知识模块中应用较多，在必修化学中涉及较少，有机化学基础模块中也较少涉及。

三、基于数据分析的证据推理在发展学生化学学科核心素养的应用

证据推理是多方面的，数据的分析应用是其中很重要的一环。数据分析的目的是将一大批看似杂乱无章的数据进行信息的集中、萃取和提炼，以找出研究对象的内在规律。在化学教学中的数据应用涉及到数据的观察、数据的对比、数据的表述和数据的分析等。有的数据不是很直观，我们可以借助坐标系统画出曲线图、柱状图、面积图等；通过趋势线对数据进行探究、尋找数据表象背后的理论支撑，解释和预测数据，也可以通过一些数据的对比，确定实验方案。

教学中应充分挖掘和利用各种相关的数据资源，让学生体验科学论证过程，提升他们的证据推理能力。一门学科对学生发展的价值，除了学科领域的知识以外，从更深的层次看，还应该给予学生认识世界和解决问题提供独特的视角、思维的方法和特有的逻辑。这就是学科核心素养。

1.通过数据分析、证据推理，发展“科学态度与社会责任”的核心素养

2004年，某市物价局公布了该市天然气销售价格。其中居民生活用天然气的价格变为原来管道煤气价格的两倍。十几年前燃气定价时，广大市民不理解。使用天然气后，燃气价格真的变贵了吗？

市民消费的是燃气，但是根本消费的是燃气产生的热量。因此需要比较的是使用不同燃气前后单位热量的价格。从反应热的视角来分析，天然气的燃烧热（890.3kJ？mol-1）是煤气的燃烧热（CO的燃烧热为283.0 kJ？mol-1，H2的燃烧热为285.8kJ·mol-1）的3倍多，而等体积燃气的价格只多了1倍，所以使用天然气反而更便宜了（见表3）。

另外，从2019年6月1日开始，民用气价按全年用量分三个阶梯收费（见表4）：

根据单位热量价格的换算，从表4数据可以看出，即使在调整燃气价格15年之后，301～600阶梯段的价格才基本与2004年之前的煤气价格持平。这还是在多年通货膨胀之后做出的比较。可见，燃气的价格确实越来越实惠了。

设计意图：通过引入生活中的真实情境，引导学生在发现问题解决问题的过程中能够自觉运用化学的思维方式进行有逻辑地思考，习惯于运用数据与事实进行有证据地表达与交流。能依据证据证明或证伪假设。不被大众的舆论所裹挟，人云亦云，而应该有自己独立的见解和思考。

2.通过数据分析、证据推理，发展“证据推理与模型认知”的核心素养

根据表5数据，以温度为横坐标，密度为纵坐标做出图2。

图2可以很直观地发现，从0℃到4℃，水的密度逐渐增大，4℃达到最大。4℃以后，水的密度随温度升高又逐渐减小。

温度升高，液体的体积膨胀，会带来其密度的减小，这是学生的物理学常识。然而从0℃到4℃，水的密度不降反升，这种反常现象究竟是如何发生的？0℃到4℃的水中一定有我们不知道的秘密。另一个生活常识是，水结冰之后体积会发生膨胀，在冰中间存在着大量的空腔。可以想象，空腔的产生意味着固态的水有着固定的晶体结构。此处应该有一种特殊的分子间作用力支撑起这种固定的晶体结构。

既然有这种作用力的存在，这种作用力会不会对水的熔沸点也产生一些特别的影响呢？此时教师给出了IVA、VA、VIA、VIIA元素形成的氢化物沸点变化趋势图（图3）。

可以发现NH3、H2O和HF沸点突然升高，意味着一定有额外的分子间作用力存在。结合元素周期表中“构”“位”“性”三者关系，引导学生推导出原子半径小，电负性大，吸引电子的能力很强，生成的HF、H2O、NH3的共价键的极性很强，共用电子对强烈偏移，使H原子几乎成为“裸露”的质子，进而在静电作用的本质上提出了氢键的概念。

能够形成这种晶体结构的正是氢键。再次分析水的密度变化：当温度逐渐升高时，冰逐渐融化，从0℃到4℃过程中破坏了冰的晶体中有规律的氢键，使得水分子中的空腔减少，水的密度增大；4℃以后，由于水仍然是液体，分子间距离很小，虽然氢键继续存在，但是不断被破坏，随着分子热运动加剧，此时以水的热膨胀为主导，密度减小。

设计意图：从宏观和微观结合上收集证据，依据证据从不同视角分析问题，推出合理的结论。在化学教学中，教师要能够有意识地引导学生关注一些“反常”数据，关注实验过程中所表现的形态变化，通过想象理解物质的微观结构特征，建立“观察—假设—实验验证—理论—修正—再验证—再修正理论”这样的研究方法，发展学生证据推理与模型认知核心素养。

3.通过数据分析、证据推理，发展“宏观辨识与微观探析”的核心素养

1903年，汤姆逊在发现电子的基础上提出了原子结构的“葡萄干布丁”模型，开始涉及原子内部的结构。1911年，物理学家卢瑟福根据α粒子散射实验提出了原子结构的核式模型。那么原子核外电子分层排布的证据是什么呢？

教师给出由Na原子到Ar原子的各电离能的数据（见表6）。

根據电离能的定义可知，电离能越小，表示在气态时该元素的原子（或离子）越容易失去电子；反之，电离能越大，表示在气态时该元素的原子（或离子）越难失去电子。通常运用电离能数值来判断金属元素的原子在气态时失去电子的难易程度。

分析表6数据，发现从纵列看，同种元素的原子从I1到I6数据不断增大，说明电子越来越难电离，原子核对电子的吸引力不断增强。“反常”之处在于变化增大的过程中数据会突然增大很多。引导学生分析，每一种元素的原子都有一些电子处于最外层，这些电子相对容易失去，此时电离能较小。当失去最外层电子之后，进入内一层，原子核对电子的吸引力突然增强很多，导致电子更难失去，电离能增大。这是核外电子分层排布的一个重要证据。

设计意图：“核外电子是分层排布的。”这一知识点同学们初中就已经知道。但是在教学设计中为什么要花费这么多时间给出这么多数据来重新学习呢？我们重新经历的不是学习知识点的过程，而是正在经历寻找证据的过程。“结构决定性质”。电子看不见也摸不着，但是通过对宏观可测得的电离能数据的分析，我们可以窥见微观世界的奥秘。在这里解决问题的方法比记住这些问题的答案更为重要。

4.通过数据分析、证据推理，发展“科学探究与创新意识”的核心素养

将合成氨工业过程与索尔维氨碱法制备纯碱工业过程相联系，此时的氨碱法制碱就被称为联合制碱法。这是侯氏制碱法的最大特点之一。但就析出NaHCO3反应过程而言，索尔维氨碱法与侯氏制碱法的原理是一致的。

设计意图：溶解度的概念是一个经验规律，物质的量浓度是更能准确评价物质溶解性的一种参数。此处将溶解度转化为物质的量浓度的方法来进行思考，使学生的思维方式从经验的直观走向科学的理性。通过引用侯氏制碱法的真实案例，从数据分析和处理的角度出发，通过定性分析和定量计算推出合理的结论，进行科学探究，同时敢于质疑，勇于创新。

5.通过数据分析、证据推理，发展“变化观念与平衡思想”的核心素养

问题一：根据表8各难溶电解质的溶度积常数，分别计算初始浓度为1 mol/L、0.1 mol/L、0.01 mol/L、 0.001 mol/L Cu2+、Fe2+、Fe3+溶液中开始形成沉淀的pH值、沉淀完全（<10-5mol/L）的pH值。计算过程中允许学生使用计算器。这里巩固的是溶度积常数的概念，强调的是计算的方法和思路，而不是运算能力。同时可以安排学生分组计算。计算结果如表9。

问题二：如何通过调节pH的方法，将混合溶液中的Cu2+、Fe2+、Fe3+分离出来？

根据表9的数据，以pH值从小到大为数轴，学生绘制Cu2+、Fe2+、Fe3+这三种离子开始形成沉淀的pH值到沉淀完全的pH值范围。

通过数轴范围可以分析得到：当c始=1 mol/L时，Cu2+和Fe2+沉淀pH范围有重叠，此外即使将Fe2+全部氧化为Fe3+之后，在pH=3.2时也很难控制Cu2+和Fe3+彻底分离。当起始浓度逐渐减小时，三种离子随pH值的变化其分离度逐渐增大。但是当c始=0.001 mol/L时，溶液浓度过稀，实用价值不大。在c始=0.1 mol/L时，浓度不大不小，实用价值高。但是此时Cu2+完全沉淀的pH为6.7，与Fe2+开始沉淀的pH值6.9靠的太近，不易控制，此时可以将Fe2+氧化为Fe3+之后再行分离。

设计意图：数据分析和处理是最常见、最有效的培养学生定量观的手段。通过引导学生参与数据的计算，亲手绘制曲线变化图能充分调动学生学习的积极性，提高其课堂参与度，学生也能得到更加直观和深刻的印象。通过对不同浓度、不同pH情境条件下沉淀溶解平衡的讨论、数据分析和处理，发展学生变化观念与平衡思想核心素养，促进学生认识溶液pH的调控在工农业生产和科学研究中的重要作用。

四、补充说明几个问题

1.证据推理是学生经历的“再发现”和“再创造”的过程

学生在学习过程中所学的知识，大都是前人已经发现和创造的知识和经验。建构主义强调，教学应该把学习者原有的知识经验作为新知识的生长点，引导学习者从原有的知识经验出发，依靠他们的认知能力，形成对问题的解释，提出他们的假设，主动建构新的知识经验。这个“再发现”和“再创造”的过程不能简单粗暴地从外部对学习者实施知识的“填灌”，而是他们通过自己的证据推理和探究习得的。

2.学生的证据意识和能力是需要教师着力培养的

证据意识是学生在学习过程中的一种重要的心理状态。通过培养学生的证据意识，可以培养他们的批判精神，体现了学生对科学和事实的尊重。而这种意识和能力不是一朝一夕就能够形成的，需要教师在课堂教学中好好设计着重培养。不可否认，一节课的时间是有限的，有些探究环节在课堂上逐一实施会遇到很大困难。因此，对于植根于证据推理的探究能力的培养需要化整为零，通过将其合理分割成若干个环节，可以将几节课或一个单元为一个整体，将探究系统化。

3.在数据分析中合理引入数字化技术将极大地提高探究效率

首先，通过数据结合Excel等计算机软件输出可视化报表和图像将更加直观，可以带来很大的视觉冲击力，能够非常容易看出数据的拐点、变化的趋势，发现数据中所隐藏的问题；其次，借助于各类传感器技术开展数字化实验探究，可以更加快速地采集数据、更加直观地得到各类变化曲线，可及时调整我们的思路，提高探究的效率。

当前，仍然有不少教师沉溺于结论性知识的传授，或者一味地提高教学的难度和知识的深度，造成中学教学的大学化，这样的教学充其量只是提前传授一些高深的化学知识。知识本身的确很重要，但是教学过程中还有远比一味地传授知识多得多的东西值得我们去关注和发现。带领学生认识世界，重构对中学化学教学的理解和实践，努力改变纯传授知识的教学现状，有效落实“素养为本”的教育理念，还有很多东西值得我们去研究。

参考文献

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