楊季冬　吳冰寒　童文昭

摘要： 證據(jù)推理是一項(xiàng)關(guān)鍵能力，也是化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)之一。把握學(xué)生證據(jù)推理特點(diǎn)有利于培養(yǎng)學(xué)生發(fā)展該能力。91名學(xué)生對(duì)乙硼烷結(jié)構(gòu)進(jìn)行推測，對(duì)結(jié)果進(jìn)行歸納總結(jié)發(fā)現(xiàn)高中生證據(jù)推理的特點(diǎn)有： （1）不同學(xué)生面對(duì)相同的問題時(shí)，其推理的復(fù)雜程度有所差異;（2）學(xué)生的結(jié)論并不是憑空而生，而是有一定依據(jù)的，但所依之“據(jù)”并不一定可靠;（3）學(xué)生通過推理得到結(jié)論后，反思意識(shí)較弱。

關(guān)鍵詞： 核心素養(yǎng); 證據(jù)推理; 推理特點(diǎn)

文章編號(hào)： 10056629（2019）10001905中圖分類號(hào)： G633.8文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

1 關(guān)于“證據(jù)推理”

“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”是化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)之一，《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》指出學(xué)生應(yīng)“具有證據(jù)意識(shí)，能基于證據(jù)對(duì)物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)及其變化提出可能的假設(shè)，通過分析推理加以證實(shí)或證偽，建立觀點(diǎn)、結(jié)論和證據(jù)之間的邏輯關(guān)系”[1]。由此可見，證據(jù)推理作為一種高階能力，是開展科學(xué)探究、解決科學(xué)問題等過程中不可或缺的。為了讓學(xué)生有效地形成證據(jù)推理的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)，教師及研究人員需要更好地了解高中學(xué)生的推理特點(diǎn)以及他們對(duì)“證據(jù)”的使用情況。本研究采用實(shí)證研究，能夠具有針對(duì)性地回應(yīng)此問題。

“推理”是由已知判斷推出未知判斷，“證據(jù)”是可獲得的事實(shí)與信息。在高中階段，“證據(jù)推理”可視為學(xué)生所需的關(guān)鍵能力，是科學(xué)學(xué)習(xí)領(lǐng)域中的重要能力特質(zhì)，與科學(xué)推理、科學(xué)思維，人的基本認(rèn)知能力等密切相關(guān)，對(duì)學(xué)生的科學(xué)學(xué)習(xí)和高階思維發(fā)展有著重要的價(jià)值。羅瑪曾總結(jié)作為高中生能力的“證據(jù)推理”有如下特點(diǎn)： 領(lǐng)域特殊性（科學(xué)學(xué)習(xí)、解決科學(xué)問題等），可測評(píng)（可以評(píng)價(jià)、測量），發(fā)展性（可教、可學(xué)），差異性（不同的個(gè)體與發(fā)展階段）[2]。本研究贊同其說法，并作為開展測評(píng)研究的假設(shè)前提。

2 研究方法

2.1 任務(wù)設(shè)計(jì)

為了考查學(xué)生推理的特點(diǎn)，在進(jìn)行任務(wù)設(shè)計(jì)時(shí)盡可能避免采用學(xué)生熟悉的知識(shí)點(diǎn)，以避免學(xué)生是通過簡單回憶直接解決問題，也應(yīng)避免學(xué)生通過簡單的遷移便能解決問題。同時(shí)，任務(wù)又不能完全脫離學(xué)生的知識(shí)基礎(chǔ)，使他們完全沒有推理的操作空間。由此，我們選取乙硼烷（分子式為B2H6）的結(jié)構(gòu)推測作為學(xué)生任務(wù)，任務(wù)單如圖1所示。做此選擇有如下優(yōu)點(diǎn)：

（1） 硼元素為短周期元素，學(xué)生能夠根據(jù)其在元素周期表中位置知道其原子結(jié)構(gòu);

（2） 學(xué)生已經(jīng)具有分子結(jié)構(gòu)、共價(jià)鍵、共價(jià)化合物等相關(guān)概念;

硼是一種重要的非金屬元素，常作為原料制備一些特殊的硼化合物。硼可以和氫形成一系列共價(jià)型氫化物，如B2H6、 B4H10、 B5H9等，它們被稱為硼烷。目前已制出的硼烷有20多種，通過測定硼烷氣體密度，已經(jīng)證明最簡單的穩(wěn)定的硼烷是乙硼烷，分子式為B2H6。請(qǐng)?jiān)谙路疆嫵鲆遗鹜榈慕Y(jié)構(gòu)式，并說明各處的成鍵情況。

（3） 硼及其化合物在高中不涉及，因此，學(xué)生不熟悉其性質(zhì)，完成任務(wù)需要進(jìn)行推理。

值得注意的是，高中生在沒有學(xué)習(xí)大學(xué)化學(xué)的情況下，由于關(guān)鍵知識(shí)的缺失，很難得出乙硼烷的正確結(jié)構(gòu)，但這并不妨礙學(xué)生產(chǎn)生推理行為。我們并不是期待學(xué)生能夠獲取正確的結(jié)果，而是通過學(xué)生對(duì)于該問題的回答歸納出高中生推理過程中的一些特點(diǎn)。

2.2 具體操作步驟

2.2.1 第一階段

此階段是紙筆測試，目的是為了了解學(xué)生完成乙硼烷相關(guān)結(jié)構(gòu)推理的基本情況。

此階段發(fā)放了96份問卷。這96名學(xué)生來自武漢市某高中二年級(jí)兩個(gè)平行班，選擇高二年級(jí)主要是考慮他們具有前文所述的知識(shí)基礎(chǔ)，并且以他們?yōu)檠芯繉?duì)象能為后續(xù)教學(xué)提供參考。為了保證學(xué)生答案的有效性，在測試前，我們以甲烷為例解釋何為“畫出結(jié)構(gòu)式，并說明分子中各處成鍵情況”，然后由學(xué)生完成乙硼烷的任務(wù)單。學(xué)生完成作答后立即回收答題紙，整個(gè)作答過程約為15min。回收后進(jìn)行批改，實(shí)際有效答卷（既畫出了分子結(jié)構(gòu)，又對(duì)各處成鍵進(jìn)行了描述）為91份，然后對(duì)學(xué)生的答案進(jìn)行歸類、整理，從而得出學(xué)生關(guān)于乙硼烷結(jié)構(gòu)推理的情況。

對(duì)于該問題的參考答案，擬定為： 乙硼烷的分子結(jié)構(gòu)如圖2所示（為了方便描述，原子下標(biāo)數(shù)字為該原子的編號(hào)，化學(xué)鍵旁的數(shù)字為化學(xué)鍵編號(hào)，下文中提到的編號(hào)均以圖2為準(zhǔn)），在這個(gè)分子中，兩個(gè)硼原子均以sp3雜化軌道成鍵、H（1）B（1）、 H（2）B（1）、 H（5）B（2）、 H（6）B（2），即①②⑤⑥處，均為σ鍵，這四個(gè)σ鍵處于同一平面，共用去8個(gè)價(jià)電子，剩余的4個(gè)價(jià)電子在B（1）B（2）和H（3）H（4）形成了2個(gè)垂直于上述平面的三中心兩電子鍵，一個(gè)在平面之上一個(gè)在平面之下，每個(gè)三中心兩電子鍵是由一個(gè)氫原子[H（3）或H（4）]和兩個(gè)硼原子[B（1）和B（2）]構(gòu)成，即③④處，結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)指明③和④具有橋狀結(jié)構(gòu)，因此③④也稱氫橋鍵[3， 4]。

再次強(qiáng)調(diào)，我們的目的是通過任務(wù)單研究學(xué)生的推理情況，而不是期望他們能夠做出標(biāo)準(zhǔn)答案。我們擬出標(biāo)準(zhǔn)答案，是為了在整個(gè)過程中有科學(xué)的參考依據(jù)作為指導(dǎo)。在實(shí)際分析學(xué)生作答時(shí)，則考慮高中生認(rèn)知發(fā)展階段，重點(diǎn)關(guān)注結(jié)構(gòu)式與成鍵情況。

2.2.2 第二階段

本階段采用的是半結(jié)構(gòu)訪談法，目的是為進(jìn)一步了解學(xué)生相關(guān)錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)，并獲取這些錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)產(chǎn)生的原因。

此階段我們首先將第一階段學(xué)生的作答進(jìn)行了分類，從每種作答類型中選出具有代表性回答的學(xué)生，最后決定將其中11名學(xué)生作為訪談對(duì)象。而訪談的內(nèi)容主要是針對(duì)學(xué)生的錯(cuò)誤之處要學(xué)生解釋為何會(huì)這樣作答，思考過程是怎樣的，理由是什么。比如有學(xué)生給出了錯(cuò)誤的乙硼烷的結(jié)構(gòu)，我們會(huì)要求學(xué)生說明寫出此結(jié)構(gòu)的緣由。訪談過程中主要利用紙筆記錄，并輔以錄音設(shè)備記錄。

訪談完畢后我們根據(jù)記錄情況進(jìn)行整理，依據(jù)學(xué)生的解釋可以知道他們?cè)谶M(jìn)行推理時(shí)的具體過程，從而歸納出高中生推理中的一些特點(diǎn)。

3 數(shù)據(jù)分析

3.1 紙筆測試

91名學(xué)生均未能給出乙硼烷的正確結(jié)構(gòu)，但他們的作答能給我們提供重要信息。他們的作答可分為以下三種情況： （1）認(rèn)為乙硼烷結(jié)構(gòu)類似氯化鋁，如圖3所示。為表述方便，這種錯(cuò)誤結(jié)構(gòu)稱為“氯化鋁式”。（2）認(rèn)為乙硼烷結(jié)構(gòu)類似乙烷，如圖4所示。為表述方便，這種錯(cuò)誤結(jié)構(gòu)稱為“乙烷式”。（3）雖然給出了上述兩種結(jié)構(gòu)之一作為回答，但通過文字表述了其結(jié)構(gòu)可能存在的問題。上述分析三種情況人數(shù)及比例如表1所示。因此，在下一個(gè)階段中我們將針對(duì)這些情況進(jìn)行進(jìn)一步研究。

3.2 訪談

根據(jù)前一階段的分析我們發(fā)現(xiàn)，學(xué)生的錯(cuò)誤主要集中在乙硼烷的結(jié)構(gòu)方面，即“認(rèn)為乙硼烷結(jié)構(gòu)類似氯化鋁”和“認(rèn)為乙硼烷結(jié)構(gòu)類似乙烷”。為了進(jìn)一步獲取學(xué)生關(guān)于乙硼烷結(jié)構(gòu)推測的深層次信息，我們采取了訪談法。

根據(jù)任務(wù)單作答的類型及學(xué)生作答實(shí)際情況，我們挑選了11名學(xué)生參與訪談，其中6名認(rèn)為乙硼烷結(jié)構(gòu)類似氯化鋁（其中有一名學(xué)生給出類似氯化鋁結(jié)構(gòu)，但對(duì)此有質(zhì)疑），5名認(rèn)為乙硼烷結(jié)構(gòu)類似乙烷。表2展現(xiàn)了訪談的具體情況。下文是選取的三個(gè)比較有代表性的訪談。

舉例一：

[教師]這是剛才交的關(guān)于乙硼烷那題的作答嗎？

[學(xué)生1]是的。

[教師]你能給老師解釋一下畫這個(gè)結(jié)構(gòu)的原因嗎？（該生畫的類似氯化鋁的結(jié)構(gòu)）

[學(xué)生1]我寫的時(shí)候是這么想的，硼族元素不就是硼、鋁、鎵、銦、鉈嗎？氯化鋁實(shí)際存在形式不就是Al2Cl6嘛，它的結(jié)構(gòu)我知道，硼既然和鋁是一族的，于是我就參照氯化鋁寫出了B2H6的結(jié)構(gòu)。

[教師]你寫出這個(gè)結(jié)構(gòu)后有沒有想過這個(gè)結(jié)構(gòu)的合理性？

[學(xué)生1]我不知道合不合理，反正就是那樣推的。

根據(jù)這名學(xué)生的描述，發(fā)現(xiàn)在解決該問題的時(shí)候，該生由于無法直接在腦海中直接提取乙硼烷的結(jié)構(gòu)。但是他依然有解決問題的辦法。他利用同族元

素的性質(zhì)具有相似性，于是聯(lián)想同族元素的氯化物——Al2Cl6，而氯化鋁對(duì)于學(xué)生來說較為熟悉，于是自然而然地按照氯化鋁寫出乙硼烷的結(jié)構(gòu)。

舉例二：

[教師]這張是不是你的作答？

[學(xué)生2]（點(diǎn)頭）。

[教師]你能給老師解釋一下畫這個(gè)結(jié)構(gòu)的原因嗎？（該生畫的類似乙烷的結(jié)構(gòu)）

[學(xué)生2]（想了一下）我對(duì)這個(gè)物質(zhì)不是很熟，我就看著跟乙烷很像，我就按著寫了。

[教師]你寫出這個(gè)結(jié)構(gòu)后有沒有想過這個(gè)結(jié)構(gòu)的合理性？

[學(xué)生2]（搖頭）沒。

根據(jù)這名學(xué)生的描述，可以看到他和上例中的學(xué)生有相同之處，同樣是無法在腦海中直接提取乙硼烷的結(jié)構(gòu)，于是找到了形式上相似的乙烷作為模型寫出了乙硼烷的結(jié)構(gòu)。不過相比于上例，他的推測過程簡單許多。

舉例三：

[教師]這張是你寫的關(guān)于乙硼烷的結(jié)構(gòu)吧？

[學(xué)生3]嗯（點(diǎn)頭）。

[教師]你給出這個(gè)結(jié)構(gòu)后又用文字提出了質(zhì)疑，能給我說一下其中的緣由嗎？（該生畫的類似氯化鋁的結(jié)構(gòu)，但用文字表達(dá)了其困惑）

[學(xué)生3]我當(dāng)時(shí)比較糾結(jié)。我第一反應(yīng)就是我寫的那個(gè)結(jié)構(gòu)，不過寫完后，感覺電子數(shù)量好像對(duì)不上。

[教師]電子數(shù)量？能具體說說嗎？

[學(xué)生3]（一邊在紙上寫一邊說）就是說成鍵的話一個(gè)“杠”代表兩個(gè)電子，電子是來源于成鍵原子雙方，一個(gè)氫原子提供一個(gè)電子沒問題，但是硼原子，你看，這么畫的話要提供四個(gè)電子，好像不太對(duì)。

[教師]所以還是畫出一個(gè)結(jié)構(gòu)，但實(shí)際上你認(rèn)為也不太對(duì)是吧？

[學(xué)生3]嗯。

針對(duì)這名學(xué)生的作答情況，我們主要詢問了她對(duì)自己結(jié)論產(chǎn)生質(zhì)疑的原因?？梢钥吹剿颓皟衫械膶W(xué)生的不同之處在于，雖然她也因?yàn)橹R(shí)結(jié)構(gòu)不完整而造成無法得出正確結(jié)構(gòu)的情況，但她對(duì)于結(jié)果能夠通過已有知識(shí)，進(jìn)行深入思考，發(fā)現(xiàn)了其中的問題。因此，與前兩例相比，她的推理過程深入了許多。

通過訪談我們歸納出以下信息：

第一，學(xué)生推測乙硼烷的分子結(jié)構(gòu)式，實(shí)際上是套用了他們熟悉的A2B6分子的結(jié)構(gòu)，并能說出一定的理由，具體來說就是套用了乙烷和氯化鋁的結(jié)構(gòu)。

第二，學(xué)生不同的回答反映了他們推理的復(fù)雜程度。其中根據(jù)涉及到的知識(shí)點(diǎn)多少可以做定性區(qū)分。認(rèn)為乙硼烷有類似乙烷結(jié)構(gòu)的推理，僅僅是從“形”到“形”，其思維過程最為簡單;認(rèn)為乙硼烷有類似氯化鋁結(jié)構(gòu)的推理，除了“形似”以外，還涉及到了元素周期律，是從“形”到“理論”再到“形”的過程其思維過程較復(fù)雜;而能夠?qū)懗鼋Y(jié)構(gòu)進(jìn)行反思的推理，除了具有前者的思維過程以外，還涉及到了原子結(jié)構(gòu)、化學(xué)鍵等微觀知識(shí)，運(yùn)用這些知識(shí)反思了推理結(jié)論，其思維過程最為復(fù)雜。此觀點(diǎn)在表2中也有呈現(xiàn)。

4 結(jié)果與討論

通過上述實(shí)證研究及分析，我們歸納出學(xué)生證據(jù)推理有如下特點(diǎn)。

第一，不同學(xué)生面對(duì)相同的問題時(shí)，其推理的復(fù)雜程度有差異。就本任務(wù)而言，其中認(rèn)為其結(jié)構(gòu)類似乙烷的推理最為粗淺，認(rèn)為其結(jié)構(gòu)類似氯化鋁的推理過程有一定的深度，對(duì)于給出其結(jié)構(gòu)并能探討其問題的推理最為復(fù)雜。造成這種現(xiàn)象可能與學(xué)生對(duì)相關(guān)知識(shí)的掌握程度有關(guān)，知識(shí)運(yùn)用越嫻熟，那么可利用的武器就越多，對(duì)于許多要害也會(huì)越敏感。比如認(rèn)為乙硼烷類似乙烷結(jié)構(gòu)的學(xué)生只是簡單的類比，認(rèn)為類似氯化鋁結(jié)構(gòu)的學(xué)生則參考了元素周期表，并結(jié)合同族元素性質(zhì)可能相同的特點(diǎn)，而對(duì)于結(jié)構(gòu)產(chǎn)生質(zhì)疑的學(xué)生則還要理解原子結(jié)構(gòu)排布、化學(xué)鍵等知識(shí)。

第二，學(xué)生的結(jié)論并不是憑空而生，而是有一定依據(jù)的，但所依之“據(jù)”并不一定可靠。從訪談的情況來看，不論是哪種情況的作答，所有學(xué)生得出結(jié)論都是有依據(jù)的。一方面，學(xué)生的這種意識(shí)值得肯定;另一方面，學(xué)生所依之“據(jù)”可能并不可靠，而他們依此“據(jù)”時(shí)也并未意識(shí)到這一點(diǎn)。在本任務(wù)中，絕大多數(shù)學(xué)生本質(zhì)上是套用了自己熟悉的A2B6分子的結(jié)構(gòu)。從心理學(xué)角度看，這實(shí)際上是一種負(fù)遷移，他們之前所學(xué)阻礙了他們獲取正確的結(jié)論;從邏輯學(xué)上看，他們使用的是演繹式的形式邏輯，這種推理的最大問題在于忽略了前提的可靠性，而基于這種前提的推理往往會(huì)得出一系列不可靠結(jié)論。同時(shí)他們忽視了一些更加深入的問題，比如依據(jù)硼與鋁同族，乙硼烷與氯化鋁分子式形式相似，就推測兩者結(jié)構(gòu)也相似，看似找到了一個(gè)合理的前提能夠說服自己，但他們忽略了如硼和鋁結(jié)構(gòu)差異，氫和氯的結(jié)構(gòu)差異，氯化鋁形成的物質(zhì)基礎(chǔ)等信息。由此也可看出，學(xué)生推理有時(shí)不夠縝密，顯現(xiàn)淺表化，而之前的研究也提出了類似觀點(diǎn)[5]。

第三，學(xué)生通過推理得到結(jié)論后，反思意識(shí)較弱。有學(xué)者將此歸結(jié)于“重傳習(xí)輕思辨”的教育傳統(tǒng)影響，學(xué)生反思能力的培養(yǎng)在我國沒有引起足夠的重視[6]。反思也是一種高階思維，而高階思維的培養(yǎng)在我國也比較薄弱[7]。從本研究來看，不論是在紙筆測試中，還是訪談中，能夠?qū)Y(jié)果進(jìn)行反思的是少數(shù)學(xué)生，這個(gè)證據(jù)驗(yàn)證了之前一些學(xué)者的說法。不過在訪談的學(xué)生中，有人能夠深入思考了結(jié)構(gòu)的合理性，這說明高中生是能夠具備反思意識(shí)的，并能以此提高推理的質(zhì)量。反思能力不論是在學(xué)術(shù)上，還是生活中都具有重要價(jià)值。因此，在平時(shí)的教育教學(xué)中應(yīng)注重學(xué)生的反思能力培養(yǎng)。

從研究的結(jié)果可以看出，學(xué)生在進(jìn)行證據(jù)推理時(shí)呈現(xiàn)出諸多特點(diǎn)，也暴露出了諸多問題。在高中化學(xué)課程中落實(shí)基礎(chǔ)知識(shí)、培養(yǎng)證據(jù)意識(shí)、加強(qiáng)反思環(huán)節(jié)對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生“證據(jù)推理”能力有促進(jìn)作用。在實(shí)際教學(xué)中，教師還需據(jù)此形成有效的操作性策略，如讓學(xué)生有序體驗(yàn)并持續(xù)反思推理過程。“證據(jù)推理”的培養(yǎng)并不能一蹴而就，需要納入日常的教學(xué)設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)真實(shí)情境，激發(fā)學(xué)生的問題意識(shí)，加強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)活動(dòng)中的反思行為，從而落實(shí)化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

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