基于“证据推理”的 高中化学教学设计与实践研究

[摘 要]“证据推理”是基于逻辑学的一种推理方法，其核心在于利用各种事实来证明一个命题的真伪，也就是通过对事物间的相互联系进行分析和比较。作为化学学科最基本的思维方式，是学生学好化学知识和解决实际问题的基础，这一推理既可以是以证据为依据的演绎过程，也可以是通过分析、综合与类比等方法得出的结论。在高中化学教学实践中，教师应注重培养学生对化学事实或数据进行正确推理论证的能力，从而帮助学生形成理性判断，提高学习效率。基于此，本文将重点探讨基于“证据推理”的高中化学教学设计与实践研究，并以数字化实验教学为例，结合具体教学实践案例阐述如何运用“证据推理”来指导学生开展化学学科的学习以及科学活动的探究。

[关键词]高中化学；证据推理；核心素养；数字化实验教学

核心素养目标提出当前化学学科拔尖创新人才教育正处于探索阶段，其主要任务就是要全面发展学生的科学态度、科学精神以及创新能力。在这样的背景下，证据推理明确指出化学学习过程中，应让学生经历“提出问题——分析问题——解决问题”的认知和发展过程，提升学生解决问题的质量，让学生从更深层次理解物质之间相互转化关系及其规律。为此，教师要利用好“证据推理”，引导学生借助已有经验建构新信息，突破传统解题思路的限制，实现由单一向多元转变，促使他们主动地获取新知识，构建高效课堂，最终促进学生核心素养发展。

一、基于“证据推理”素养的数字化实验教学设计的基本特征

（一）设计角度的多样性

证据推理是基于知识和经验基础上的一种创造性思维，其核心问题在于对事实之间关系及其发展规律作出合理推断，“证据推理”离不开实验过程中所获取的大量真实而丰富的信息材料。证据推理具有多样性特点，最常见的有实验现象、科学本质、研究结果、历史史实、自然现象、生活经验，每一种类型都与化学教学密切相关，在动态性的化学学习情境中呈现各种不同形式的证据材料有助于学生理解实验结论产生的原因以及探究结果。在数字化实验中既能采集单一物理量的数据及变化趋势，又能同时采集不同物理量的数据及变化趋势。证据的来源和表现形式丰富多样，‌这种多样化的结果呈现方式有助于增强学生的理解和记忆，‌使得复杂的数据和实验过程更加直观和易于理解，‌提高了学生的学习效率和兴趣。‌

（二）整体结构的系统性

基于“证据推理”的数字化实验并非单一的、零散的，而是将教学设计分解为若干相互联系又相对独立的环节实施，以实现每个步骤间紧密衔接、有序递进的教学要求，从而保证了整个系统内部各要素之间内在逻辑关系的合理性及有效性。教师要尽可能关注数字化实验中的每一个子片段，体现出其相互影响又彼此关联的整体性特征，以此形成教学设计系统化意识，进而指导课堂教学实践。这极大地‌提高了数据分析的准确性和效率，‌不仅减少了人工操作的时间和误差，‌还确保了实验数据的可靠性和有效性，‌为学生的理解和记忆提供了坚实的基础。‌

（三）教学流程的引导性

基于“证据推理”的数字化实验教学设计既有一般教学设计的共性也有自身鲜明的个性特征。在激发学生自主学习的能力的同时，强调学生在探究中的自我发现、自我评价、自我反思和自我提高。同时将学生的情感体验融入教学过程中，让学生在学习过程中感受探究的乐趣。学生通过一定的“证据”学习化学知识的同时也会获得相应的相关技能技巧和方法。教师引导学生“推理”出正确的观点或思路，让学生自己建构起关于事物发生发展变化规律的认识模型，鼓励其发现问题、提出问题、解决问题，培养创新思维和创新能力，从而落实拔尖创新型人才培育目标。

二、着眼核心素养的数字化教学与拔尖创新人才培养的现状分析

（一）学科优势向教学优势转化不足

拔尖创新人才的培养不仅需要深厚的教育理念和管理体制的支撑，更要求将高中化学学科的“基础”与“应用”两大特性有效融合于教学实践中，然而，在实际教学中，学科优势向教学优势的转化存在明显不足。尽管高中化学为学生提供了丰富的知识体系，但由于化学实验课程资源有限、课时紧张等原因，教师往往难以将学科的“应用性”特点充分展现，导致实践环节未能发挥其应有的教育价值。

（二）课程教学层次偏低，数字化教学资源利用不足

当前，部分化学教师仍沿袭传统的教学方式，以理论讲授为主，缺乏对实验教学的重视，即使进行了实验教学，也常因传统实验耗时、低效、受空间限制等问题，难以满足学生的多样化学习需求。同时，数字化教学资源的利用不足，使得一些复杂实验难以直观呈现，限制了学生对实验现象的深入理解和自主探究的积极性。该教学方式不仅无法激发学生的创新精神，更不利于学生核心素养的培育。

（三）教与学精力投入不足，核心素养培养缺失

在高考和升学压力的影响下，部分教师和学生往往将精力主要投入应试教育中，忽视了实验活动和研究性学习的重要性，导致学生在化学学习中出现“高分低能”的现象，即使掌握了大量理论知识，但缺乏实际操作能力和创新思维。同时，化学教学团队建设问题，以及优秀骨干教师引领示范作用的缺失，也制约了整体教学质量的提升。此外，有的考核评价制度过于关注学生的知识掌握程度，而忽视了对学生核心素养的考查，导致学生缺乏独立思考和批判性思维的能力，不利于其科学精神、科学素养的养成。

三、基于“证据推理”的数字化实验教学设计与实践案例

（一）借助技术手段，实现以微窥宏

“证据推理”是基于科学理论和方法的一种推断思维方式，通过对各种事实材料进行分析、综合，找出事物间存在着某种联系，进而推测出某些规律或结论。化学作为一门以实验为基础的自然科学，其研究对象往往具有一定程度上的抽象性和复杂性，加之学生缺乏观察能力和思维能力等因素，所以在课堂教学中教师不能仅仅依靠直观形象来展示知识，必须借助于数字化技术才能更好地提高课堂效率，促进教学质量提升。数字化实验之所以能为课堂“证据推理”提供新的思路和视角，是因为其具有强大的可视化、交互性与智能性，让原本在常规实验中看不到的现象和过程得以清晰展现，从而帮助学生更深刻地理解概念及原理。

以“杂质转化法”一课为例，可引导学生使用平板电脑，在实验开始前记录实验步骤的详细说明、化学方程式和理论依据，并拍摄或录制实验器材的摆放和配置，显示苯、苯酚、氢氧化钠溶液等。记录每个操作步骤的细节，包括加入氢氧化钠溶液至苯中的过程，同时，使用实验视频或动画展示苯酚与氢氧化钠的反应，说明苯酚转化为酚钠的过程。借助数字显微镜软件，通过高清晰度摄像头将反应过程的微观细节实时投影到屏幕上，展示酚钠在苯中的分散过程，通过缩放和实时记录，学生可在屏幕上看到分子级别的化学反应过程，从而理解分子在溶液中的变化。在证据推理与实验结果分析中，将数字化实验数据导入分析软件中，展示酚钠与苯的分离效果，进行定量分析和结果推理，利用分析软件生成实验结果的图表和数据，展示酚钠的溶解性和分离效率，促进学生理解实验原理和化学反应动力学。

（二）利用数字实验，提升证据信度

以“开发数字资源”为切入点，培养拔尖创新型人才为教学目标，设计并实施基于数字技术的化学实验教学项目，旨在培养学生科学思维和创新精神，在资源开发基础上，教师应利用数字实验，整合教学资源，开展探究性学习活动，培养学生的科学态度、创新能力等方面的素养。在此基础上，得出的证据结论也更具真实性、客观性和准确性，利用数字实验中的信息特征，可促进学生对已有认知经验的内化与发展，使其能从现象和问题出发，针对特定情境或问题，用化学语言表达出事物的本质特征。

在“硅酸的制备”实验中，通过“5G+MR”数字实验室，使学生置身于高度仿真的化学实验室环境中，学生利用语言控制，在虚拟试管中，加入了3～5mL的饱和Na2SiO3溶液，此时，溶液呈现出透明无色。接着，又滴入1～2滴酚酞溶液，在“5G+MR”技术的支持下，溶液的颜色变化被精确捕捉并实时呈现在学生眼前。随后，用虚拟的胶头滴管逐滴加入稀盐酸，在此过程中，要边加边振荡虚拟试管，以确保试剂充分混合。随着稀盐酸的加入，溶液的颜色逐渐变浅，接近消失，这是因为稀盐酸与Na2SiO3反应，生成了硅酸凝胶。由于Na2SiO3溶液中的SiO32-水解而显碱性，溶液立即呈现出粉红色。当溶液颜色变浅并接近消失时，停止加入稀盐酸，此时，透明的硅酸凝胶在虚拟试管中清晰可见。当掌握了基本的实验操作和证据推理能力后，教师可进一步引导学生进行深入探究当盐酸过量时硅酸凝胶会不会有什么其他的变化，能否通过硅酸凝胶制备SiO2。教师鼓励学生在数字实验室中模拟条件变化，发现不同情况下产生的物质状态，从而分析实验现象的本质。

（三）通过科学探究、培育创新精神

认识论视角下的化学教学，是对物质认识中各种关系的分析和理解，通过“从宏观到微观”，“从定性到定量”等方式来实现对知识系统的整体把握与建构，从而形成完整而准确的知识结构体系。在这一过程中，应从化学过程、物质守恒、动态平衡等基本观点出发，揭示出复杂化学反应发生发展变化的规律，并以此为基础构建起高中化学学习内容之间相互联系的逻辑框架，进而引导学生以正确、科学的思维方法去进行化学实验。借助数字实验，开展“证据推理”活动，有助于学生更直观地感受化学知识背后所隐含的逻辑关系，加深学生对原问题的理解，培养其解决问题能力。

以“氯气的制备”一课教学为例，通过NoBook化学实验平台，开展氯气的制备教学活动。同时，本教学设计遵循“目的——情景——问题——活动——评价”的思路。课程伊始，教师引导学生在NOBOOK虚拟实验室中设计氯气的制备实验步骤，大多数学生选择了图1所示的装置作为气体的发生装置。经过反复模拟和推理，学生发现，由于氯气具有酸性气体的特性，无法同时除去氯化氢和水蒸气，因此，决定分两步进行除杂：第一步先除去氯化氢气体，第二步除去水蒸气。在模拟实验的过程中，学生通过实践操作选择了合适的除杂装置和试剂，并深入理解化学反应的原理和过程。通过反复试验和调整，不断优化实验方案，直到最终能模拟出高效且安全的氯气制备过程。在虚拟环境中自由操作实验设备，观察实验现象，记录实验数据，并通过软件内置的评估系统对实验结果进行评估和分析。其互动式和个性化的学习方式极大地激发了学生们的学习兴趣和创新精神。实验结束后，学生撰写实验报告，并用手机拍照上传至多媒体公屏，教师则利用无线同频技术，实时共享学生实验报告并进行点评，该过程有助于促进学生获得感性认识和理性认识，增强学生分析问题、解决问题的意识和能力。

（四）拓展认识领域，促进观念形成

新课程注重综合化，信息化和人文化的发展。这就要求教师必须打破传统教育模式中知识传授与能力培养分离的格局，在教学过程中要重视学生学习方式的转变，让他们主动参与到教学活动中来。数字化实验是促进“证据推理”教学模式构建的重要途径之一，能够为学生提供直观生动的材料来支持认知活动的进行，并将其转化为一种新的认知结构，从而提升了对信息整合和处理等方面能力的掌握水平，有利于其理解科学与技术的关系，以及探索化学规律的方法与技巧。具体教学中，教师应补充新实验，解决传统实验耗时较长的问题，通过设计不同情境引导学生进行探究式实验。

在“中和热”实验中，教师利用温度传感器和pH传感器（或H+传感器），实时记录反应过程中的相关数据及变化趋势。实验时，学生利用传感器，将强酸和强碱混合在一起，观察反应过程中热量的变化，软件能实时显示反应体系的温度变化，并计算出反应放出的热量，使其直观地感受到热量变化的过程，提高了实验的可视化程度。为了减少误差，学生重复进行了两次重复实验，并记录了每次实验的数据，通过数据分析，发现两次实验结果存在的差异。通过自主探究得出为保证酸碱完全中和，便采用OH-稍过量的方法。同时，调整反应物的摩尔比来重复这一过程，观察过量反应物对实验结果的影响。这一步骤让学生更加深入地认识到数字化传感器在中和热实验中的应用，从图像上建立起中和反应的热量变化与反应进程的关系，从概念上加深了对中和热与反应物物质的量的理解，从而提升了“量变引发质变”的思维观念。

综上所述，基于“证据推理”的高中化学教学设计要始终以核心素养为导向，注重对学生科学探究能力、科学态度和责任担当等方面的培养。教师在课堂中要充分利用各种资源引导学生通过合作学习与交流来实现知识建构，并将化学数字实验作为重要载体促进思维发展，利用数字化技术帮助学生更好地理解化学原理及概念。同时还要注意创设情境、鼓励质疑、及时反思等教学策略的运用，让学生在活动中获得更多体验，关注过程性评价与终结性评价相结合，形成综合评价体系，从而提高教学质量。

参考文献：

[1]王文婷，刘子忠，张凤英，等.“证据推理与模型认知”素养评价指标建构的研究——基于德尔菲法[J].化学教育（中英文），2024（5）：118-128.

[2]高明，陈倩倩.高中化学拔尖创新人才早期培养路径——以华中师大一附中为例[J].教师教育论坛，2024（2）：60-62.

（责任编辑：姜波）