【一线教师的深度思考！】中学化学教学中的证据推理！

A．产物B的状态只能为固态或液态

B．平衡时，单位时间内n(A) 消耗 ﹕n(C) 消耗 =1:1

C．保持体积不变，向平衡体系中加入B，平衡可能向逆反应方向移动

D．若开始时向容器中加入1molB和1molC，达到平衡时放出热量Q

许多考生对题中“缩小容器体积，重新达到平衡时，C的浓度与缩小体积前的平衡浓度相等”产生疑问，甚至认为题目有科学性问题。理由是“它违反了勒夏特列原理”：缩小容器体积，C的浓度马上增大，根据勒夏特列原理，平衡逆向移动，但重新达到平衡时，C的浓度必比原来大，而不可能与原平衡浓度相等 [5] 。在这几年的高考复习资料中也常出现这道题，学生甚至还认为增大压强，平衡逆向移动，重新达到平衡时，C的浓度必比原来小。

案例2：t℃时，在1L密闭容器中加入1molPCl 3 后，反应：

达到平衡时，当向平衡体系中再加入lmol PCl 5 反应物时，对该化学平衡的移动有两种解释：第一种：由勒夏特列原理知，增加反应物浓度，平衡向正反应方向移动。所以，增加PCI 5 浓度，平衡必然向正反应方向移动。第二种：由勒夏特列原理知，增加压强，平衡向体积缩小方向移动，所以，增加PCI 5 浓度，相当于增大体系压强，平衡向体积减小的方向移动，即平衡向逆反应方向移动。两种移动方向自相矛盾，在笔者的课堂中曾出现学生互相说服不了彼此的情况，导致学生一度不敢用勒夏特列原理来判断平衡移动的方向。

勒夏特列原理描述精练，使用方便，应用广泛，非常重要。上述两个案例可见，在实际教学中，学生运用平衡移动原理经常犯错。笔者认为：出错的原因是推理时没有提供有力的证据，以理推理学生难以理解，难以接受，甚至犯错。

我们运用平衡常数来进行思考例1，若B非气态，平衡常数K=c(C)，由于容器保持恒温，缩小容器体积，达到新平衡时平衡常数不变，则气体C的浓度不变，合理；若B是气体，平衡常数K=c(B)·c(C)，因容器保持恒温，缩小容器体积，达到新平衡时平衡常数不变，则气体C的浓度也一定不变（B、C在方程式同一侧，题给条件B与C的浓度只能均增大、均减小或均不变，要维持两浓度乘积不变，只能两浓度均不变），也符合题意。学生对此讲解清楚明白，没有半点疑虑。当我们在教学过程中引入“平衡常数”讲解例2，通过比较k与Q c的大小关系来判断平衡移动方向，学生一下子就明白，教学效果非常理想。为什么引入“平衡常数”教学效果非常好？原因就是提供了数据作为推理的证据。

2 没有推理的证据

证据是能够证明某事物真假性的有关事实或材料。化学家可以通过观察或实验得到证据，从而对事物的真假性做出证明，化学的许多理论，包括质量守恒定律、化学平衡常数、平衡移动原理等，都是在大量的事实证据中发现的。没有推理的证据是不借助理论思维、没有逻辑推理的事实或材料，是一些孤立的事实或材料，把握不了证据和结论之间的关系。在中学化学教学中倾向于用事实来分析、解释事实，导致反映客观规律的原理推导缺失 [6] ，使得化学知识之间难以组织，感觉是化学知识点较为零散，学习化学需要死记硬背。

案例3：氨溶于水的喷泉实验，人版旧教材 [7] 对其操作描述为：“在干燥的圆底烧瓶里充满氨，用带有玻璃管和滴管的塞子塞紧瓶口。倒置烧瓶，使玻璃管插入盛水的烧杯。轻轻挤压滴管，使水进入烧瓶。观察并描述现象。”水充入烧瓶形成喷泉，中学化学中给出的解释是：氨气极易溶解于水。水充入烧瓶形成喷泉是事实，氨气极易溶解于水也是事实。如果将形成喷泉的原因解释成因为氨气极易溶解于水，这就是用事实解释事实。中学化学教学中常有老师对打开弹簧夹和挤压胶头滴管的先后顺序进行争论，也有老师认为打开弹簧夹和挤压胶头滴管的先后无所谓，因为都能引发喷泉。人教版新教材 [8] 改成：“在干燥的圆底烧瓶里充满NH 3 ，用带有玻璃管和胶头滴管（预先吸入水）的橡胶塞塞紧瓶口。倒置烧瓶，使玻璃管插入盛有水的烧杯中（预先在水里滴入少量酚酞溶液）。打开弹簧夹，挤压胶头滴管，使水进入烧瓶。观察并描述现象，分析出现这些现象的可能的原因。”人教版新教材明确指出先打开弹簧夹，后挤压胶头滴管，原因是什么？不少对老师此修改视而不见，或者是见而不明。这是因为形成喷泉和氨气极易溶解于水两个事实之间缺少推理，在两个事实证据之间没有建立起逻辑关系，分析推理的缺失，致使认知结构中的两个事实之间缺乏实质性的联系，阻碍着教师此对操作顺序的认识。

而用学理解释，则是氨气溶解于水后烧瓶内形成了较强的负压（真空）。这就是说，如果没有形成负压，氨气易溶于水也不会导致喷泉形成；烧瓶内原本就有较强的负压，即使氨气不溶于水，水也会形成喷泉。如果错误操作先挤压胶头滴管，后打开弹簧夹，若烧瓶内原本就有较强的负压，即使氨气不溶于水也会形成喷泉。所以，正确的操作是先打开弹簧夹，检验到没有负压（没形成喷泉说明没有负压）的情况下，然后挤压胶头滴管，几滴水溶解大量的氨气形成了负压，从而观察到喷泉现象，证明氨气极易溶于水。

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3 中学化学中的证据推理

教育部颁布的《普通高中化学课程标准（2017年版）》对“证据推理”的解释为：“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。”沈兆刚老师 [9] 认为：“基于证据的推理，意即在掌握证据的基础上推理出新的知识和原理，切不可凭空臆想，闭门造车。无论是化学家的研究还是学生的探究性学习都基于证据，总结出事实性知识，推理出原理性知识，形成学科观念性知识。”肖中荣老师 [10] 认为：化学教学中的证据推理是指根据化学概念、理论和事实性知识，通过比较分析、抽象概括和归纳演绎等推理形式，进行证实和证伪的求证方式，从而获取新知识、解决新问题的高级思维过程。杨玉琴和倪娟老师 [11] 认为：“证据推理”是合成词，“证据”修饰或限制“推理”，推理是思维过程，证据是前提条件，可理解为“以证据为依据的推理”。

上述几种对证据推理的认识在本质上是一致，证据推理表现为严格的逻辑形式，以可靠的、无可争论的事实证据作为依据进行的推理，镶嵌着明显的科学特色是以证据作为推理的依据。证据推理是涵盖接受、提取和整合证据的过程，包含两个方面的含义：一是具有证据意识，能基于证据提出假设，利用证据证实或证伪；二是运用证据进行推理得出科学的结论。

4 关于证据推理的教学思考

化学作为一门中心科学，尤其强调实验为基础。证据推理是关键认知能力的核心要素，涵盖接受证据、提取证据和整合信息的能力和基于数据分析判断的能力。在化学教学中，我们以“证据推理”这一核心素养为目标，强调学生在化学学习中逐步形成证据意识，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……这既是学科核心素养的描述，也是学科育人的需要。

4.1 以实验探究为契机 唤醒学生证据意识

证据意识是指学生在学习过程中对证据作用和价值的一种觉醒和知晓的心理状态，是学生在面对学习问题和说服他人时重视证据并自觉运用证据的心理觉悟，包括收集、保存和运用证据的意识。证据意识不仅包含了必要的逻辑推理、分析与比较等能力，还蕴含着更深层的求真精神与态度，体现了科学对事实的尊重、对观察的依赖、对结论的谨慎、对错误的勇于修正等 [12] 。通过培养学生的证据意识，可以培养他们的质疑精神，让他们把尊重事实作为科学的基本态度，把讲证据、信证据作为一种说话方式，使之成为一种课堂文化。在证据意识的牵引下，学生疑问有依，论证有据，进而学会平等讨论、互相包容，方能形成科学理性思维。

唤醒学生证据意识，沈兆刚老师 [11] 认为：教师可以使用策略激发学生证据意识：（1）做收集证据的“爱好者”，善于从化学的视角去发现和采集生活和学习中的证据。（2）认识收集证据的重要性，教师可以通过化学事实和学习经历说明，化学学习和实践必须重视实验研究，尊重事实和证据，基于证据推理形成结论。（3）教学尽可能地基于证据。笔者认为：实验探究是唤醒学生证据意识的契机，通过实验方案的设计与优化、实验现象的观察与记录，培养学生收集证据、保存证据、相信证据、尊重证据、运用证据的意识和能力。

案例4：有效的形式是通过捕捉实验细节展开探究求证，从耳熟能详的实验中发现问题并进行分析和解释。例如，过氧化钠与水的反应，人教社2019版化学教材，必修第一册的35页描述为：将1－2mL水滴入盛有1－2克过氧化钠固体的试管中，立即用带火星的木条伸入试管中，检验生成的气体。用手轻轻触摸试管外壁，有什么感觉？用pH试纸检验溶液的酸碱性。这里要求用手轻轻触摸试管外壁，感受温度变化。其目的是让学生获取过氧化钠与水的反应是放热反应的证据。明显木条燃烧也是放热反应，试管外壁温度升高到底是木条燃烧放热引起的，还是过氧化钠与水的反应是放热引起的？如果按照教材要求的顺序操作，所提供的证据就不真实。只有先用手轻轻触摸试管外壁，感受到试管温度明显升高才能真实反映也过氧化钠与水的反应是放热反应。

4.2 基于证据提出假设 利用证据证实或证伪

证据的作用不仅仅是肯定，还包括否定，即可以证实也可以证伪。证实的基本意思是确认证明。通常是指通过一项或者多项客观存在的证据证明一件事情是真实的。试探性理论总有可能是错的，通过证伪检验某个结论、观点是错误的，那么这个结论、观点要被放弃，为新的理论所代替。不管证实还是证伪不光需要较真的勇气，更要能拿出有力的证据，所有结论的得出都必须建立在事实证据的基础上。教学之中，提供证据，验证猜想，既是一个证实或证伪的过程，也是科学探究最为重要的一步，是学生不断触及知识本真的过程。

案例5：苯分子结构的探究过程 [ 13 ]如下：

提出假设

[教师活动]根据资料采用燃烧法作为研究手段，测出苯分子中的碳、氢的质量分数，可得出哪些结论？

[学生活动]苯仅含碳、氢两种元素。得出苯是有机物，属于烃类，最简式CH。

[教师活动]借助于质谱仪图谱来获取有机化合物的相对分子质量，苯的相对分子质量为78。能写出苯的分子式吗？

[学生活动]分子式 C 6 H 6 。

[教师活动]苯分子是什么样的结构？请尝试写出苯可能的结构，说出你的依据。

[学生活动]讨论、书写结构简式：（选几个典型代表）

CH 3 —C≡C—C≡C—CH 3

CH 2 =CH—CH=CH—C≡CH

CH 2 =CH—C≡C—HC=CH 2

……

[教师活动]若苯分子为上述结构之一，猜想其应具有什么化学性质？可设计怎样的实验来证明？

证实证伪

[学生活动]小组讨论：根据碳碳双键或碳碳叁键能使溴水或酸性高锰酸钾溶液褪色的性质，设计并完成如下实验:（1）取少量溴水于一支试管中，滴加几滴苯，振荡，静置，观察现象。溶液分层，上层黄色，下层无色。（2）取少量酸性高锰酸钾溶液于一支试管中，滴加几滴苯，振荡，静置，观察现象。溶液分层，上层无色下层紫红色。

得出结论：(1）苯萃取了溴，未发生反应。(2) 苯不能使酸性高锰酸钾溶液褪色。证明苯分子中不含碳碳双键和碳碳叁键。

[教师活动]实验现象表明苯分子中既无碳碳双键，又无碳碳叁键。那我们假设的苯的分子结构都是不正确的。我们需要继续寻找证据修正假设。那大家有什么想法呢？链状的结构不行，我们是否换个思路，找环状结构呢？立体结构呢？

[学生活动]讨论、书写结构简式：（选几个典型代表）

[教师活动]同学们的假设不错，有根据吗？都可能是苯的分子结构吗？

证实证伪

[学生活动]小组讨论：根据碳碳双键或碳碳叁键能使溴水或酸性高锰酸钾溶液褪色的性质，苯分子结构中不可能含碳碳双键或碳碳叁键，不可能是

[教师活动]提供证据资料：苯在一定条件下可与氯气、氢气发生加成反应，所以苯分子结构不可能是

4.3 以解决问题为契机 教会推理的方法

知识转化为能力需要以解决问题为媒介，在特定情境的问题解决中，情境和知识同时服务于问题解决过程。情境、问题、知识和能力之间建立相互联系，拓展解决问题的思路和方法。解决问题的过程中，学生有意无意地对问题中的各个条件进行联想、求证、演绎、推理，从问题到问题解决必须经历推理过程，这个过程中就要教授学生推理的方法。推理往往不是直奔问题解决，是错综复杂的过程；因此，需要我们一线老师掌握一些基本的教学策略，教会学生推理的基本方法，让学生在真实情境的问题解决中训练，不断练习中强化思维习惯以触类旁通。

案例6：下面以写出乙烯原料设计制备草酸二乙酯的合成路线为例，教授学生三段论演绎推理方法，具体论述如何发展学生的推理能力。

对于目标物的合成，可根据其碳骨架特点，用逆向合成法进行拆解。（1）一个草酸二乙酯有两个酯基，按照酯化反应的规律我们将酯基断开，得一个草酸分子和两个乙醇分子。（2）根据所学知识，羧酸可以由醇氧化得到，草酸的前一步中间体应为乙二醇。（3）乙二醇的前一步中间体是1,2－二溴乙烷，（4）据烯烃的性质，1,2－二溴乙烷的前一步中间体是乙烯。（5）乙醇可通过乙烯与水加成得到。通过分析，这些相关知识被激活后，接着就进入探索可能的方法解决问题阶段，尝试构建结论和证据之间的逻辑关系，具体推理过程如下。

[推理1]

大前提：碳碳双键可与卤素单质发生加成反应；

小前提：乙烯含有碳碳双键；

结论：乙烯可与溴单质发生加成反应，生成1,2－二溴乙烷。

[推理2]

大前提：卤代烃可在氢氧化钠溶液中发生水解反生成醇；

小前提：1,2－二溴乙烷是卤代烃；

结论：1,2－二溴乙烷在氢氧化钠溶液中发生水解反生成乙二醇；

[推理3]

大前提：伯醇氧化可以得羧酸；

小前提：乙二醇是伯醇；

结论：乙二醇氧化得乙二酸。

[推理4]

大前提：碳碳双键可与卤化氢发生加成反应，生成卤代烃；

小前提：乙烯含有碳碳双键；

结论：乙烯可与溴化氢发生加成反应，生成溴乙烷。

[推理5]

大前提：卤代烃可在氢氧化钠溶液中发生水解反应生成醇；

小前提：溴乙烷是卤代烃；

结论：溴乙烷可在氢氧化钠溶液中发生水解反生应成乙醇。

[推理6]

大前提：羧酸可以与醇类反应生成酯；

小前提：乙二酸是羧酸；

结论：乙二酸可以与乙醇反应生成乙二酸二乙酯（草酸二乙酯）。

通过以上六个基于三段论的推理过程，我们可以设计出合成目标产物的路线图，符合新课标关于核心素养的要求，是培养推理能力在课堂上落地的具体体现。

5 结语

还是在20世纪50年代，我国著名科学家余光远教授曾经告诫我们说，任何站得住脚的科学结论，有两条：一条是事实可靠，一条是合乎逻辑。给我们自然学科教师提出，证据与推理相结合才能建立观点、结论和证据之间的逻辑关系，只有这样才能得出站得住脚的科学结论。所以，证据与推理在整个科学探索过程中相互联系，是相互渗透和相互依赖的两个友面。无论是探索经验定律还是探索理论原理，其证据与推理都不可能截然分开 [10] 。

发展学科核心素养是立足于学生终身学习和长远发展，离不开正确观念的建构和关键能力的培养。证据推理能力是关键能力的核心，发展证据推理能力是学生关键能力发展的动力源泉。发展学生证据推理能力，教学中要以实验探究实验为契机培养学生的证据意识，在真实情境中训练学生收集证据、尊重证据、利用证据的能力；在问题解决中不断练习，强化推理习惯以触类旁通。

参考文献

[1] 中华人民共和国教育部．关于全面深化课程改革落实立德树人根本任务的意见[Z].2014-3-30

[2] 核心素养研究课题组．中国学生发展核心素养[J].中国教育学刊，2016,(10): 1-3

[3] 中华人民共和国教育部．普通高中化学课程标准（2017年版）[S]．北京：人民教育出版社：3

[4] 王秀阁 化学关键认知能力的发展路径及培养策略[J].化学教育（中英文）2020,41(15):24－28

[5] 陈向明，陈运可.突破思维定势 严谨应用“勒沙特列原理”化学教学，2015,(3):89

[6] 束长剑.中学化学教学中的学理分析[J].化学教育（中英文），2020,41(7):81

[7] 人民教育出版社课程教材研究所化学课程教材研究开发中心.普通高中教科书．化学必修1[M]．3版．2007：97

[8] 人民教育出版社课程教材研究所化学课程教材研究开发中心.普通高中教科书．化学必修第二册[M]．1版．2019：13

[9] 沈兆刚.基于证据的推理：内涵、意义及培养路径[J].化学教育（中英文），2019,40(15):48

[10] 肖中荣.证据推理在化学教学中的实践与思考[J].教学月刊·中学版2018，(7·8): 54-55

[11] 杨玉琴，倪 娟.证据推理与模型认知：内涵解析及实践策略[J].化学教育（中英文），2019，40(23)23

[12] 吴克勇，蔡子华.证据推理解读及教学思考——以化学学科为例[J].教育研究与评论，2018，(1):80

[13] 闫银权.基于“证据推理与模型认知”培育的教学——以“苯”的教学实践为例[J].化学教学，2020，(2):53

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