基于数字化实验的高中生“证据推理与模型认知”素养提升探究

基于数字化实验的高中生“证据推理与模型认知”素养提升探究

马琛* * 吴伯鑫

（北京市东直门中学  北京 100007）

摘要：“证据推理与模型认知”是化学学科重要的核心素养，主要围绕其内涵与结构分析、教学策略探讨、高考例题评析、教学课例设计以及定量测评研究五个方面开展研究。本文结合数字化实验特点，就数字化实验在化学课堂教学中的引入及应用进行探究和分析。

关键词：数字化实验 证据推理与模型认知 素养提升

一．“证据推理与模型认知”素养发展综述

20世纪中后期，世界各国都逐步开展对核心素养的研究。大量教育教学工作者对影响学生学业的因素进行调查，Chandran等人发现在众多影响因素中，“逻辑推理”能力是最重要的因素，高中阶段是逻辑推理能力培养的关键时期。英国在十九世纪中期就将模型运用于课堂教学中，美国和日本稍晚，但很多教育工作者都在积极倡导应用模型教学。

“证据推理与模型认知”一词虽没有明确在国外化学课程标准中出现，但其思想在各国课程标准中均有所渗透。例如，在欧洲一些国家化学课程中提出，通过观察、分析和解释环境中的自然科学现象和过程来应用科学知识和技能，找出环境之间联系并得出结论。以及发展初级阶段的关键技能，使用各种媒体表达科学知识和意见，并基于证据提出观点。《美国国家科学教育标准》中将“证据、模型和解释”作为5个科学统一的概念和过程之一。美国颁布的 k-12教育中强调学生的独立思考、创新思维和质疑精神。英国国家初中课程标准提出化学学习需要使学生亲身经历科学推理的过程，激发他们的探究兴趣。从中掌握探究方法，形成科学探究的能力和态度，进而提高他们的科学素养。

通过对近现代国外一些国家的化学课程标准进行研究发现，国外注重培养学生的独立分析和独立解决问题能力。在这个过程中要寻找相对应的证据，并建立合适的模型去解决

实际问题，国外在“证据推理与模型认知”研究方面较国内研究超前与全面一些。

国内学者对 “证据推理与模型认知”素养的研究起步较晚，在2017年由中华人民共和国教育部颁布的《普通高中化学课程标准》中才正式提出化学学科核心素养。通过阅读相关文献，梳理总结目前对“证据推理与模型认知”素养主要围绕内涵与结构分析、教学策略探讨、高考例题评析、教学课例设计以及定量测评研究五个方面开展研究。

图1 证据推理与模型认知素养研究方向

进一步对基于“证据推理与模型认知”素养教学策略探讨进行整理分析，发现不同学者提出的策略各不相同，研究呈现多样化趋势，例如：曹贻利论证了真实问题情境创设与培养学生证据推理、建模用模能力之间的关系。蒋伟琳将思维导图与课堂教学相结合，对思维导图如何促进学生“证据推理与模型认知”素养的提升展开研究。戴雨濛、吴新建、张贤金通过对话教学模式进行课题的教学设计和教学实施，探讨对话教学如何促进学生素养培养。胡巢生通过设计实验活动，以数字化实验为推理依据，从而建立和优化认知模型，实现化学素养目标的培养。

目前对“证据推理与模型认知”素养的研究存在以下几点不足：

①相关期刊论文虽然数量较多，但研究较为零散琐碎，有必要进行梳理整合。②大部分学者将证据推理和模型认知分开研究，证据推理所形成的科学结论即为简单的模型认知，模型认知离不开证据推理，证据推理是建构模型的前提，所以不可对证据推理与模型认知进行人为地割裂。③基于“证据推理与模型认知”核心素养的课程实践课例较多，但已有课例之间的关系处于一种杂乱、无序的状态，不同课例间相对独立，缺乏内在关联度与逻辑关联性。与此同时，“证据推理与模型认知”素养的培养与达成绝不是一两节化学课可以实现的，需要教师长时间、大跨度、成体系的持续跟进。

在教育部2017年颁布2020年修订的普通高中化学课程标准中，对于化学核心素养“证据推理与模型认知”进行了以下陈述：具有证据意识，能够基于证据对物质组成、结构及其变化提出可能的假设，通过分析及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。化学是一门以实验为基础的学科，因此，化学实验教学无疑是培养落实学生核心素养的重要途径。在《普通高中化学课程标准（2017 版）》中强调：在教学中应精心设计学生必做实验，适当增加数字化实验，微型实验、定量实验、家庭实验和创新实践活动。这说明数字化实验在新课程改革中的地位极其重要，是培养国家期望人才的新教学模式，对化学核心素养的培养有着传统化学实验不可替代的作用。

综上所述，立足高中阶段，借助数字化实验，整合与开发知识结构高度关联、思维链条清晰自洽的课程资源，可以更好的培养与落实学生“证据推理与模型认知”化学学科核心素养。

二．数字化实验特点

1.实验证据精准化捕捉

实际教学过程中，学生在建立观点、结论和证据的逻辑关系时往往存在困难，主要表现为不能将证据与观点或结论进行联系、无法通过证据推导出结论。

数字化实验具有能够保证数据的精确性、操作起来也较为方便、教学效果较为理想等优点。因此利用数字化实验将实验证据更加明显的呈现出来，从而提高学生将证据与观点或结论进行关联的能力。

2.实验现象直观化呈现

传统实验教学绝大多数实验都是定性实验，简单直观的实验现象无法从微观和定量角度呈现实验结论，从而无法刺激学生深度思考，不利于学生严谨推论与模型构建能力的培养。

数字化实验以数形结合的形式定量呈现反应现象和结论，将传统化学实验中不能通过视觉感官直接观察到的实验现象直观化、曲线化、数字化，从符号、曲线、宏观、微观四个层次入手，带给学生全新的实验体验，有利于培养学生分析数据获得信息的能力，加深学生对知识的理解，对培养学生的化学核心素养发挥重要作用。

三．数字化实验教学实施建议

1.梳理已有数字化实验教学课例之间的内在逻辑关系

目前围绕数字化实验设计的教学案例数量虽然较多，但研究较为零散琐碎，有必要进行梳理整合。已有课例之间的关系处于一种杂乱、无序的状态，不同课例间相对独立，缺乏内在关联度与逻辑关联性。

2.寻找数字化实验与传统实验教学的融合点

高中实验教学涉及内容广泛，但不是所有实验教学均可以使用数字化实验替代，且不是所有实验采用数字化教学效果更好，因此，教师需要寻找数字化实验课堂教学的有效切入点，更大化的发挥其优势。

3.开发长链条数字化实验案例

笔者认为“证据推理与模型认知”素养的培养与达成绝不是一两节化学课可以实现的，需要教师长时间、大跨度、成体系的持续跟进。

因此，教师需要结合学生特点，借助数字化实验，整合与开发知识结构高度关联、思维链条清晰自洽的课程资源，更好的培养与落实学生“证据推理与模型认知”化学学科核心素养。

四．结语

数字化实验的引入与运用绝非否定传统化学实验教学，而是对传统实验教学进行丰富和补充，以探究、验证等活动对高中化学实验教学进行丰富。帮助学生体会化学学科思维，深化对于化学学科的认识，切实有效提升学生“证据推理与模型认知”核心素养。

笔者认为数字化实验的引入与运用能够有效提高教师的教学效率，活跃课堂氛围，吸引学生的注意力，激发学生的学习兴趣，将原本教材中晦涩难懂的化学知识变得生动形象，帮助学生逐步攻克学习过程中的重点以及难点。

学习方式的变革，不仅可以深化学生对于重难知识点的理解程度，同时可以逐渐养成良好的学习习惯，树立起创新意识，将课堂上所学习的化学知识应用到自己的日常生活中，真正做到学以致用，感受到化学学习的趣味性以及实用性。

与此同时，化学课堂数字化的不断推进也督促着教师不断更新自身的教学方法以及教学理念，摈弃传统教学模式中落后的、死板的、低效的教学方式，寻求更加高效的方法来展开教学工作，成为教学技能强、教学素养高的专家研究型教师。

*北京市教育学会“十四五”教育科研课题2021年度一般课题（DCYB2021-096）

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