聚焦“證據推理與模型認知”： 內涵探析及其培育案例

范夢怡 劉鸝

摘要： “證據推理與模型認知”是高中化學學科核心素養的重要內容，指向學科基礎性的思維方法，實踐中對其內涵及培育過程的認識依然存在模糊性。從微觀層面界說“證據推理與模型認知”素養的概念內涵，以“葡萄糖”的教學為例，通過科學探究、證據推理引導學生自主得出葡萄糖的結構、性質及用途，建立葡萄糖分子結構的探究模型，從而發展“證據推理與模型認知”等核心素養。

關鍵詞： 證據推理; 模型認知; 葡萄糖; 核心素養

文章編號： 1005-6629（2022）05-0033-07

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

1 問題的提出

《普通高中化學課程標準（2017年版）》（簡稱課程標準）提出了五個維度的化學學科核心素養。其中，“宏觀辨識與微觀探析”“變化觀念與平衡思想”指涉化學學科觀念;“證據推理與模型認知”意涵化學學科思維方法;“科學探究與創新意識”指向化學學科實踐;“科學態度與社會責任”聚焦化學學科價值?；瘜W學科核心素養既是對化學學科特征、本體價值和育人價值做出的界說，也是對中國學生發展核心素養的學科回應。自課程標準頒布以來，在中學化學教學中，無論學科專家還是一線教師都紛紛關注核心素養話語體系。然而，與熱點共追和眾聲喧嘩相伴的是部分教師的茫然失措，尤其是“證據推理與模型認知”素養首次以這種表述出現在課程標準中，一線教師感到新穎與陌生的同時對其理解難免存有誤差。同時，對這一素養意識的忽略、認識的不足、培育的缺位，也導致學生“證據推理與模型認知”關鍵能力的發展處于五維核心素養的劣勢。

“葡萄糖”是人教版（2019版）高中化學選擇性必修3《有機化學基礎》第四章第一節“糖類”的基本內容，是在化學必修第二冊“基本營養物質”基礎上的進階學習。葡萄糖與日常生活、醫療衛生、工業生產密切相關，是培育學生“證據推理與模型認知”核心素養的理想載體。但在以往教學中，“糖類”內容深受“偏文科”價值取向的影響，常常被淡化處理。葡萄糖的結構、性質、用途僅被當作事實性知識來學習，研究有機物的一般方法也被用作程序性知識來處理，致使學生的學習以理解、記憶為主而缺乏探究與創新，“葡萄糖”的教學沒有發揮其應有作用。因此，有必要在厘定“證據推理與模型認知”素養內涵的基礎上，明確“葡萄糖”的地位和功能，通過“葡萄糖”的教學實踐培育學生“證據推理與模型認知”核心素養。

2 “證據推理與模型認知”素養內涵

2.1 證據推理的內涵解析

“證據推理”在課程標準中體現為“具有證據意識，能基于證據對物質組成、結構及其變化提出可能的假設;通過分析推理加以證實或證偽;建立觀點、結論和證據之間的關系”[1]。對它的理解可從“推理”與“證據”說開去。邏輯學中的“推理”意指根據一個或一些命題得出另一個新命題的思維形式，通常有歸納、演繹、類比等方法[2];自然科學中的“證據”解讀為“可證之據”，是在科學探究活動中，用以驗證猜想假設是否合目的合規律的事實性材料、原理性知識、學科性觀念，譬如化學中的科學史料、規律原理、實驗現象、符號表征等。就化學學科而言，其科學推理過程不僅要遵循邏輯規則，更要依據證據思想?；瘜W學科講究基于學科特征的證據推理，強調在化學這一特定的學習領域中，通過提出問題，獲取證據，運用化學知識、觀念和方法來組織學科推理活動。常見的實驗驗證、物質推斷、離子共存等問題就屬于典型的證據推理。

2.2 模型認知的概念釋義

模型認知是科學研究廣泛采用的方法。在自然科學中，客觀存在的對象有時并不能在現有基礎上直接研究，需要根據觀察實驗所得到的事實結果和科學原理，運用想象、抽象、概括等方法，設想研究對象的大致框架，進行解釋、預測并加以檢驗，從而得到能夠集中反映有關研究對象的概念、規律、本質的知識體系，稱為模型[3]?；瘜W是在原子、分子水平上研究物質的組成、結構、性質、轉化及其應用的基礎學科[4]，微觀層面的原子、分子具有抽象性和不可觀測性[5]。研究對象的特殊性，決定了其要通過建構模型來反映認知。課程標準對“模型認知”的要求是“通過分析、推理等方法認識研究對象的本質特征、構成要素及其相互關系，建立認知模型，并能運用模型解釋化學現象，揭示現象的本質和規律”[6]。

原子結構的“實心球”模型、“葡萄干”模型，有機物分子結構之比例模型、球棍模型等都屬于模型。然而，若將模型僅視為以上的類比模型、實物模型是對模型概念的窄化，抽象模型實則具有更為廣闊的內涵，通常包括化學理論的形成與化學思想的完善等。例如反映化學模型方法特點的化學分子經典結構式模型，是在分子假說的基礎上，抽象出原子價和化學鍵的概念、證偽“日拉爾類型式”等其他模型，最終得以確認誕生。再如，化學學習中的反應類型、基本概念，化學研究中的思維框架、概念圖示等都是模型的直觀表現。

2.3 證據推理與模型認知的意義關聯

“證據推理”與“模型認知”是重要的科學素養，化學課程標準將二者融為一體論述，對其理解顯然要超越簡單的加和關系（見圖1）。其一，“證據推理與模型認知”是化學學科核心素養的思維方法，需強調突出與其他學科的區別。如數學學科分別講到推理（邏輯推理）、模型（數學建模），而化學學科是基于系統論視角將“證據推理與模型認知”看作一個整體性概念。其二，“證據推理與模型認知”統一于化學的科學探究過程。證據推理所形成的某些化學結論可看作“模型”，證據推理是模型認知的前提和基礎[7]，模型認知離不開證據推理[8]，是證據推理的進階和高階表達形式。概言之，證據推理是模型認知的必要不充分條件，實踐中應通過具體的教學內容，運用證據推理建構、形成認知模型，并以模型認知將證據推理的思維過程外顯。

3 基于“證據推理與模型認知”的“葡萄糖”教學實踐

3.1 “葡萄糖”教學內容分析

重要有機物的學習常常貫穿了科學探究過程，需要嚴密的證據推理做支撐。研究有機物的規律性極強，遵循一般的步驟和方法，是典型的“模型認知”?！捌咸烟恰钡慕虒W重點是認識葡萄糖的分子結構、性質和用途，對其進行科學探究的過程，蘊含著豐富的“證據推理與模型認知”思想。

3.2 “葡萄糖”教學目標分析

（1）學會收集各種證據，對葡萄糖的結構及其性質提出可能的假設;（2）基于實驗或邏輯分析等證據進行推理，證實或證偽葡萄糖的結構假說;（3）通過建構模型，確定葡萄糖的分子結構，預測葡萄糖的性質和用途;（4）運用模型來描述、解釋葡萄糖的學習，建立解決復雜化學問題的思維框架;（5）參與葡萄糖與營養健康等社會性議題的討論，作出有證據的分析、推斷與評價。

3.3 “葡萄糖”教學過程實錄

鄭長龍教授提出了基于化學課堂教學板塊和化學學習任務的教學設計[9]，為“素養為本”的課堂教學提供了基本思路與實踐方向。依據“教學板塊-學習任務-學習活動”的層級結構，“葡萄糖”的教學設計如圖2所示。

3.3.1 科學史話，整體認知

學習任務1： 構建葡萄糖的基本認知

[引入新課]今天你吃糖了嗎？說到糖，大家現在腦海中浮現的是什么？化學中的糖與生活中的糖有什么區別呢？讓我們學習自然界分布最廣且最為重要的一種單糖——葡萄糖。

[微課制作]課前學習小組制作了微課“大家來說葡萄糖”，視頻中選取學生、教師、路人甲等角色闡述葡萄糖的物理性質、用途等。

[活動1]微課學習——“大家來說葡萄糖”（可掃二維碼觀看）。

[活動2]了解葡萄糖的化學史。

[教師介紹]1747年，德國化學家馬格拉夫（Marggraf）從葡萄汁中提取了葡萄糖。德國科學家埃米爾·費歇爾（Fischer）歷時多年，確定了葡萄糖的分子結構，于1902年獲得諾貝爾化學獎。當前，國際對葡萄糖的研究熱點聚焦于葡萄糖在健康與疾病中的調節和代謝作用。近年來我國科學家顏寧解析出葡萄糖轉運蛋白的三維結構，為針對人類疾病開發藥物提供了直接依據，在世界上處于領先水平，被譽為“一項偉大的成就”。

設計意圖： 通過微課和化學史的學習，共話葡萄糖，體現葡萄糖的學科價值、社會價值以及育人功能。

3.3.2 結構假設，實驗探究

學習任務2： 建構有機物分子結構探究模型

[教師引導]如果你是科學家，如何對未知的葡萄糖分子結構進行探究？應該遵循怎樣的研究思路？

[學生思考]回憶研究有機物的一般步驟，明確“最簡式→分子式→結構式”的基本思路和常見研究方法，分析討論，建構探究有機物分子結構的一般模型即方法，如圖3所示。

學習任務3： 探究葡萄糖的分子結構

[教師引導]根據以上模型，讓我們按照科學家的思維和方法來探究葡萄糖的分子結構。

[活動1]推理葡萄糖的分子式。

資料卡片： 1.80g葡萄糖完全燃燒，得到2.64g CO2和1.08g H2O;葡萄糖的質譜圖。

[證據推理]計算可得葡萄糖的最簡式CH2O，根據質譜圖得到葡萄糖相對分子質量為180，確定分子式為C6H12O6。

[活動2]結合不飽和度，推測葡萄糖分子中可能含有哪些結構或官能團？

[學生猜想]計算葡萄糖含有1個不飽和度，與不飽

和度相關的結構可能為碳碳雙鍵、—COOH、 —CHO、 —COOR、羰基、環狀……

[小組討論]設計實驗方案，檢驗上述假設的某種官能團或結構。（提供的試劑有： 葡萄糖溶液，2% AgNO3溶液，2%稀氨水，溴水，溴的四氯化碳溶液，石蕊試液，熱水，10% NaOH溶液，5% CuSO4溶液等）

[方案假設]小組討論，初步設計以下五種實驗方案（見表1）。

[方案評價]評價方案一和方案二用于檢驗碳碳雙鍵的可行性。

[證據推理]碳碳雙鍵能使溴水褪色，葡萄糖分子中“可能”存在的醛基也能使溴水褪色，考慮到醛基不能使溴的四氯化碳溶液褪色，因此檢驗碳碳雙鍵選用方案二為佳，可以規避方案一帶來的醛基干擾問題。

[活動3]小組合作完成方案二、三、四、五涉及的實驗探究，部分試劑用量已給出。

實驗一： 在試管中加入1mL溴的四氯化碳溶液，再滴加1mL葡萄糖溶液，振蕩，觀察現象。

實驗二： 在試管中加入1mL葡萄糖溶液，滴加幾滴紫色石蕊試液，觀察現象。

實驗三： 在潔凈的試管中加入1mL 2% AgNO3溶液，邊振蕩試管，邊逐滴加入2%稀氨水，至沉淀恰好消失。滴加1mL葡萄糖溶液振蕩后，水浴加熱，觀察現象。

實驗四： 在試管中加入2mL 10% NaOH溶液，滴加5% CuSO4溶液5滴，再加入2mL葡萄糖溶液，水浴加熱，觀察現象。

[證據推理]實驗一溴的四氯化碳溶液未褪色，證明葡萄糖中無碳碳雙鍵;實驗二紫色石蕊試液未變紅，證明葡萄糖中無羧基;實驗三有光亮的銀鏡生成;實驗四新制的氫氧化銅變得澄清，且呈現另一種特殊的藍色，水浴加熱后有磚紅色沉淀生成，證明葡萄糖中有醛基。

[結論1]葡萄糖有醛基。

[教師補充]實驗四出現的特殊的藍色稱為絳藍色。

[學生質疑]有學生對絳藍色溶液感到困惑，提出乙醛與新制氫氧化銅的反應過程中并無此現象。

[證據推理]醛基與新制氫氧化銅作用未出現絳藍色溶液，說明葡萄糖分子中應有其他結構的基團與新制氫氧化銅作用呈現絳藍色。

[大膽猜想]結合葡萄糖中有6個氧原子，學生立即猜想到可能有羥基。

[活動4]趣味對比實驗： 在試管中加入2mL 10%NaOH溶液，滴加5%CuSO4溶液5滴，將溶液分成兩份，一份中加入1mL乙醇溶液，另一份中加入1mL開塞露（家用藥品，成分為丙三醇）。

[實驗現象]加入乙醇的試管中無明顯現象，加入開塞露的試管中新制氫氧化銅變得澄清，且出現絳藍色。

[證據推理]對比乙醇和開塞露（丙三醇）結構最大的區別是羥基的數目，推理可得，含有多個羥基的物質與新制氫氧化銅作用呈現絳藍色。

[結論2]定性實驗得出葡萄糖應有多個羥基。

[活動5]根據補充信息定量計算。

資料卡片： 在一定條件下，1.80g葡萄糖能與0.05mol乙酸發生酯化反應;葡萄糖可以被氫氣還原為直鏈己六醇。

[證據推理]定量計算可得葡萄糖含有5個羥基。

[結論3]葡萄糖含有5個羥基，且為直鏈結構。

[結構確定]根據“同一個碳原子上連接兩個—OH不穩定”，確定葡萄糖的分子結構，學生成功書寫結構簡式CH2OH—（CHOH）4—CHO。

[視野拓展]在不同條件下，葡萄糖的鏈狀結構可轉化為環狀形態，其中葡萄糖分子5號碳原子上的羥基與醛基作用可形成兩種環狀結構。尤其是在葡萄糖稀溶液中，環狀結構占據99%以上（見圖4）。

設計意圖： 基于證據對葡萄糖的結構提出可能的假設，通過實驗設計、科學探究、分析推理加以證偽或證實，依據方法、證據和結論之間的關系，建立葡萄糖分子結構的探究模型（見圖5）。

3.3.3 性質推理，用途總結

學習任務4： 推理葡萄糖的性質

[證據推理]依據葡萄糖的官能團羥基和醛基，推理葡萄糖具有醇的性質和醛的性質。

[活動]回顧乙醛分別與銀氨溶液、新制氫氧化銅、氫氣反應的化學方程式，在此基礎上改寫成葡萄糖參與的化學方程式。

[學生板書]

CH3CHO+2Ag（NH3）2OH△CH3COONH4+

??????? ?????

CH2OH（CHOH）4???? CH2OH（CHOH）4

2Ag↓+3NH3+H2O

CH2OH（CHOH）4CHO+2Cu（OH）2+NaOH△CH2OH（CHOH）4COONa+Cu2O↓+3H2O

CH2OH（CHOH）4CHO+H2△CH2OH（CHOH）4CH2OH

[模型建構]找出乙醛與葡萄糖結構簡式的“相同”與“不同”，由熟悉物質遷移到陌生物質，通過改寫方程式建立“書寫陌生化學方程式”的認知模型。

[教師講解]第一個反應用于工業制鏡;傳統醫學診斷糖尿病利用了第二個反應原理，現代醫學快速發展，一般通過血糖檢測儀即可診斷糖尿病;第三個反應中己六醇廣泛用于食品添加劑、稠化劑、甜味劑、利尿劑等。

學習任務5： 拓展葡萄糖的用途

[活動]創設“生活中的葡萄糖”真實問題情境，與“微課學習”前后呼應，拓展葡萄糖的用途。

[情境1]葡萄成熟季節，有些家庭經常自制葡萄酒，你知道用葡萄釀酒的原理嗎？

[學生思考]葡萄糖發酵生成酒精：

C6H12O6酒化酶2C2H5OH+2CO2↑

[情境2]運動會上劇烈跑步，小腿疼痛，長時間伏案工作學習，腰肩酸痛。你能解釋產生這些現象的原因嗎？

[學生思考]生理氧化反應——無氧呼吸。

C6H12O6酶2CH3CH（OH）COOH（乳酸）

[情境3]微課中同學提到： 運動員常常通過服用葡萄糖來補充能量;當病人身體虛弱甚至脫水時，需要醫生注射葡萄糖氯化鈉溶液，起到什么作用？

[學生思考]生理氧化反應——有氧呼吸，提供能量。

C6H12O6（s）+6O2（g）6CO2（g）+6H2O（l） ΔH=-2800kJ/mol

設計意圖： 與生物發酵工程建立學科聯系，培養跨學科意識?；诮Y構證據推理葡萄糖的性質，基于性質證據拓展葡萄糖的用途，建構有機物“結構-性質-用途”的研究模型。

3.3.4 回歸生活，體現學科價值

學習任務6： 審視葡萄糖與健康

[實踐活動]近年來，我國糖尿病患病率顯著提高，且發病年齡有年輕化趨勢。糖尿病被稱為影響人類健康的殺手，我們需要積極關注糖尿病，關愛人類健康。請課后查閱文獻資料，完成有關糖尿病的實踐短文，從飲食特點、預防機制、注意事項等方面提出自己的想法。

設計意圖： 參與有關葡萄糖的社會熱點問題討論，培養社會責任感，升華學科育人主題。

4 結語與反思

4.1 厘清概念內涵，指向學科思維方法的深入挖掘

厘清“證據推理與模型認知”概念內涵的目的在于對其進行充分理解、深入體會，從而在教學中能有效識別并有意識地運用，尤其在有機物教學中引入直觀實物模型的同時，多借助、運用類似本文中提到的抽象模型，有助于學生掌握化學學習方法，發展化學學科思維，為“證據推理與模型認知”素養培育打好基石。

4.2 滲透教學案例，指向教學模式的創新性轉向

基于“證據推理與模型認知”的“葡萄糖”教學，不僅扭轉了之前教學的形式化弊端，更是探究性、創新性教學的有益嘗試。核心教學環節“確定葡萄糖的分子結構”圍繞真實的探究性任務，不是采取給出實驗現象得出結論的模式，而是學生自主預測、選取試劑、設計實驗、活動探究、基于產物和現象證據進行推理、得出結論、建構模型，形成化學探究性學習的完美閉環，滲透“證據推理與模型認知”素養的培育。

4.3 體驗“科學家研究過程”，指向學生高階思維的發展

科學的一種作用是促使學生“像科學家那樣看問題”[10]。在“葡萄糖”的教學中，學生經歷和體驗了科學家研究有機物的過程，成功探究了葡萄糖的分子結構，學生內心獲得了蘇霍姆林斯基所言的“根深蒂固的需要”。同時，此過程指向學生高階思維的發展，學生在推理中逐步形成認識，在建模中逐步外顯思維。當遇到新的有機物時就具備穩定的分析思路，能夠觸類旁通，運用結構化知識在陌生情境中解決問題，打通化學學習的“最后一公里”。正如學生課后所說“我們可以按照葡萄糖的認知模型學習其他有機物”。

需要說明兩點： 一是葡萄糖分子結構探究模型中傳統實驗探究與現代分析方法應為互補關系?，F代分析方法可為分子結構探究提供最直接證據，對于學生探究出的葡萄糖分子結構，可進一步利用現代分析方法的圖譜來佐證。但在教學中考慮到葡萄糖的環狀結構使紅外光譜圖并不顯示醛基特征峰這一實際因素，采用傳統實驗方法，有意識“避免”紅外光譜，讓學生保持對自己探究所得結構的認同感;二是基于“證據推理與模型認知”的“葡萄糖”教學，并不否認其他核心素養的體現?！白C據推理與模型認知”的培育與其他核心素養的發展不會截然分開，這一素養貫穿于葡萄糖教學過程的始終，同樣此過程也滲透了“科學態度與社會責任”等化學學科核心素養。

參考文獻：

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