陳禛天 侯丹 占小紅

摘要： 通過探討可視化外部表征工具三維思維圖（3DTG）的內(nèi)涵，介紹該工具在支持學(xué)生進行科學(xué)探究學(xué)習(xí)、培養(yǎng)學(xué)生“證據(jù)推理與模型認知”核心素養(yǎng)中發(fā)揮的重要作用?；?DTG的構(gòu)成要素，構(gòu)建科學(xué)探究過程模型，開發(fā)基于該模型的課堂教學(xué)模式。設(shè)計以“科學(xué)使用含氯消毒劑”為主題的探究教學(xué)案例，對基于3DTG發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)的教學(xué)模式付諸實踐并予以說明。

關(guān)鍵詞： 三維思維圖（3DTG）; 科學(xué)探究; 證據(jù)推理; 含氯消毒劑

文章編號： 1005-6629（2021）03-0051-06

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

1? 問題的提出

“證據(jù)推理與模型認知”是化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)之一，對其理解可以拆分為兩個部分：“證據(jù)推理”指的是學(xué)生基于證據(jù)提出可能的假設(shè)，運用推理思維證實或者證偽，形成最終合理的結(jié)論;“模型認知”則是指學(xué)生通過建立認知模型，解釋化學(xué)現(xiàn)象，揭示現(xiàn)象背后的原理和規(guī)律[1，2]?？茖W(xué)探究學(xué)習(xí)提出，學(xué)生要像科學(xué)家一樣，采用多種方法開展研究，并根據(jù)研究所得的證據(jù)提出對自然界的解釋[3]。可見，科學(xué)探究的過程就是學(xué)生不斷發(fā)展自身“證據(jù)推理與模型認知”素養(yǎng)的過程。

證據(jù)推理作為一種高級思維活動，往往需要涉及學(xué)生的高階思維，因此對學(xué)生來說具有一定的難度[4]。研究表明，無論是在傳統(tǒng)環(huán)境還是技術(shù)支持環(huán)境下，學(xué)生往往難以把控探究節(jié)奏，進行高效的探究學(xué)習(xí)。尤其是對于一些復(fù)雜的、貼合真實生活情境的探究活動，大量的信息、數(shù)據(jù)、概念交織混合在一起，學(xué)習(xí)者往往需要經(jīng)歷復(fù)雜的認知過程。例如，從多個方面收集信息和數(shù)據(jù)，將信息與學(xué)科知識整合在一起并進行高效有序的推理，最終形成問題的解決方案，在這個過程中，許多學(xué)生不知道如何建立假設(shè)，也有學(xué)生反映自己很難將已有的信息、數(shù)據(jù)與學(xué)科知識相結(jié)合，更難以對復(fù)雜的變量及其關(guān)系進行假設(shè)和推理[5，6]。有研究指出，當學(xué)生面對相互矛盾的證據(jù)時，傾向于全盤否定而不是修改初始假設(shè)。此外，學(xué)生更傾向于證實假設(shè)而非證偽[7]。因此，在開展探究活動時，教師需要提供一些“腳手架”或支持性工具，將涉及探究和問題解決任務(wù)中的復(fù)雜認知過程程序化和外顯化，才能更好地促進預(yù)期教學(xué)目標的實現(xiàn)。

如何開展有效的探究教學(xué)活動促使學(xué)生發(fā)展“證據(jù)推理與模型認知”素養(yǎng)是目前亟待探索解決的問題。本研究利用在促進探究和證明假設(shè)方面較有優(yōu)勢的可視化外部表征工具——三維思維圖（Threedimensional Thinking Graph，簡稱3DTG），嘗試建構(gòu)基于3DTG的教學(xué)模式并結(jié)合具體的課堂教學(xué)案例，探討如何設(shè)計有針對性、有層次性地促進學(xué)生“證據(jù)推理與模型認知”素養(yǎng)發(fā)展的教學(xué)活動。

2? 基于3DTG模型的教學(xué)模式構(gòu)建

外部表征（External Representation）是學(xué)生探究學(xué)習(xí)中廣泛采用的支持性工具之一。外部表征其實是一種圖示思維，指的是利用地圖、圖片、表格等表示知識或信息之間的關(guān)系。具有代表性的外部表征方式有概念圖（Concept Map）、因果圖（Causal Map）、證據(jù)圖（Evidence Map）等，不同的表征具有不同的功能，并可以在不同的階段支持學(xué)生的探究學(xué)習(xí)[8，9]。傳統(tǒng)的課堂上教師往往采用單維外部表征輔助教學(xué)中的某一個環(huán)節(jié)，但對于一些開放性較高、復(fù)雜程度較大的探究學(xué)習(xí)活動，只使用單一的表征方式顯然是遠遠不夠的。3DTG的三個維度分別代表三種不同的外部表征。在教學(xué)實踐中發(fā)現(xiàn)，相較于使用單一維度的概念圖，使用三維思維圖的學(xué)生在探究活動中表現(xiàn)更為出色[10]。

2.1? 3DTG的構(gòu)成要素

3DTG由概念圖、數(shù)據(jù)表和推理圖三部分組成，三部分可以畫在同一張紙上。概念圖（Concept Map）以網(wǎng)狀的形式呈現(xiàn)，用于組織和表征學(xué)習(xí)者知識結(jié)構(gòu)中概念與概念之間的關(guān)系[11]。數(shù)據(jù)表（Data Table）是一些與探究問題相關(guān)的信息或數(shù)據(jù)，這些信息或數(shù)據(jù)反映為一組關(guān)鍵變量及其在觀察期間的變化。推理圖（Reasoning Map）表示與探究問題有關(guān)的一系列可能的邏輯假設(shè)與數(shù)據(jù)或主題知識之間的證據(jù)關(guān)系。

2.2? 基于3DTG的科學(xué)探究過程模型的構(gòu)建

科學(xué)探究主要有六個基本環(huán)節(jié)，分別是提出科學(xué)問題、建立合理的假設(shè)、設(shè)計與開展實驗、收集信息與數(shù)據(jù)、推理分析與論證和得出最終的結(jié)論。3DTG的概念圖、數(shù)據(jù)表和推理圖這三類表征工具分別支持了科學(xué)探究學(xué)習(xí)中不同的環(huán)節(jié)，覆蓋了科學(xué)探究的重要認知過程（見圖1）。

概念圖通過引導(dǎo)學(xué)生回顧學(xué)科知識，幫助學(xué)生明晰科學(xué)探究過程中涉及的概念、變量及其相互關(guān)系，從而形成豐富合理的假設(shè);數(shù)據(jù)表用于記錄學(xué)生閱讀支持性材料、動手實驗過程中收集到的信息和數(shù)據(jù)，幫助學(xué)生有效減少信息與數(shù)據(jù)的遺漏;推理圖清晰地反映了與每一個假設(shè)有關(guān)的支持或反對的證據(jù)，避免學(xué)生遺忘自己是何時以及如何拒絕某假設(shè)的。

三維思維圖的三種表征工具并非孤立存在，而是一個相互聯(lián)系、相互作用的有機結(jié)合體。推理圖處于核心位置，其繪制基于概念圖和數(shù)據(jù)表，結(jié)合提出假設(shè)和解釋數(shù)據(jù)的過程。從概念圖到推理圖，學(xué)生實現(xiàn)了學(xué)科關(guān)鍵知識與概念在實際問題中的遷移應(yīng)用;從數(shù)據(jù)表到推理圖，學(xué)生將收集到的數(shù)據(jù)進行篩選、提取、轉(zhuǎn)化、整合、凝煉形成證據(jù)。反過來，推理圖的繪制促進了學(xué)生腦海中概念的網(wǎng)絡(luò)化和邏輯化。推理圖中被拒絕的假設(shè)則幫助學(xué)生及時檢查核對與該假設(shè)相沖突的信息或數(shù)據(jù)。

總的來說，3DTG指導(dǎo)學(xué)習(xí)者逐步建立假設(shè)，基于相關(guān)數(shù)據(jù)和知識進行證據(jù)推理，并了解如何以及在何處修改先前形成但不合理的假設(shè)或想法。通過將問題的數(shù)據(jù)、主題知識以及假設(shè)和推理過程納入整體的視覺表征中，有效地支持了科學(xué)探究中假設(shè)的提出以及復(fù)雜問題的證據(jù)推理。

2.3? 基于3DTG模型的探究教學(xué)模式

基于3DTG模型的探究教學(xué)模式如圖2所示。

“創(chuàng)設(shè)情境，提出問題”是探究教學(xué)中的第一個環(huán)節(jié)，主要目的是確定本節(jié)課探究的主題。教師借助生產(chǎn)生活的事例創(chuàng)設(shè)真實情境，提出或者引導(dǎo)學(xué)生提出充滿趣味性的、有實際意義的、適合課堂學(xué)習(xí)的科學(xué)探究問題，激發(fā)學(xué)生的求知欲，使學(xué)生產(chǎn)生科學(xué)探究的動力。

“建立假設(shè)，設(shè)計實驗”為科學(xué)探究實踐奠定了理論基礎(chǔ)，指引了探究的方向。在此環(huán)節(jié)中，學(xué)生經(jīng)過短暫的思考往往會給出一些猜測和假設(shè)，但多半是不完全的或脫離科學(xué)事實的想法。教師需要引導(dǎo)學(xué)生初步繪制概念圖，對先前的假設(shè)進行判斷和完善。而后，學(xué)生基于教師提供的實驗材料，選擇合適的實驗器材，設(shè)計實驗路線，以書面或口頭表達的形式表述實驗方案。

“實驗探究，分析論證”是科學(xué)探究最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。學(xué)生展開實驗探究，收集和記錄實驗信息和數(shù)據(jù)，形成支持性證據(jù)。學(xué)生根據(jù)證據(jù)提出解釋，反復(fù)審查和修改先前形成的假設(shè)，逐步完成數(shù)據(jù)表和推理圖，解決探究問題。在這個過程中，教師作為自由人，在學(xué)生探究學(xué)習(xí)出現(xiàn)困難時及時給予幫助。

“交流討論，總結(jié)歸納”這一環(huán)節(jié)主要是由教師組織學(xué)生進行交流討論。一方面學(xué)生要清晰表達自己探究的程序、證據(jù)、解釋;另一方面也要對其他同學(xué)的分享進行提問、質(zhì)疑和評價。交流結(jié)束后，教師引導(dǎo)學(xué)生進一步完善概念圖，總結(jié)歸納探究問題涉及的化學(xué)學(xué)科知識和學(xué)科思維，感受化學(xué)學(xué)科價值。

科學(xué)探究并不是一個直線性的過程，并非固定地遵循某個科學(xué)探究的基本環(huán)節(jié)。學(xué)生在實驗探究中隨時可以修改假設(shè)、建立新的假設(shè)、設(shè)計新的實驗方案。從圖2中也可以看出，盡管三維思維圖的不同維度支持不同的科學(xué)探究環(huán)節(jié)，但在教學(xué)過程中每類圖都是反復(fù)提及和使用的。下面以“科學(xué)使用含氯消毒劑”主題為例展現(xiàn)如何利用三維思維圖支持科學(xué)探究教學(xué)的開展。

3? 基于3DTG模型教學(xué)設(shè)計實踐——以“科學(xué)使用含氯消毒劑”主題為例

“科學(xué)使用含氯消毒劑”主題選自高中化學(xué)必修第一冊（2019新版魯科版）第2章“元素與物質(zhì)世界”的微項目模塊。本節(jié)課是在學(xué)生學(xué)習(xí)了氧化還原反應(yīng)、氯及其化合物后的一節(jié)拓展探究課。

3.1? 創(chuàng)設(shè)情境，提出問題

[情景導(dǎo)入]新冠肺炎疫情暴發(fā)后，84消毒液走紅。此前，這種價格低廉、使用簡單、效果可靠的消毒液已經(jīng)在戰(zhàn)勝甲肝、SARS疫情過程中發(fā)揮了巨大作用，堪稱防疫“神器”。

[探究性問題]有新聞報道84消毒液和潔廁靈（通常含鹽酸）等酸性產(chǎn)品混合使用反而產(chǎn)生負面效果，甚至危害人類健康。84消毒液真正起到消毒作用的成分究竟是什么？為什么84消毒液不能與潔廁靈同時使用？

設(shè)計意圖： 提出問題使學(xué)生產(chǎn)生認知沖突，對84消毒液背后的科學(xué)知識產(chǎn)生學(xué)習(xí)興趣。

3.2? 建立假設(shè)，設(shè)計實驗

[學(xué)生]提出所有可能的假設(shè)并將其記錄在推理圖中（見圖4右側(cè)推理圖）。

[教師]同學(xué)們提到的假設(shè)中涉及一些含氯物質(zhì)，如氯氣、氯化氫、氯化鈉、次氯酸、次氯酸鹽等。結(jié)合已學(xué)知識，在導(dǎo)學(xué)案中畫出這些含氯物質(zhì)之間轉(zhuǎn)化的概念圖及涉及的化學(xué)反應(yīng)。

[學(xué)生]基于已有知識，回顧有關(guān)含氯物質(zhì)的轉(zhuǎn)化的方程式并畫出相應(yīng)的概念圖（見圖4左下概念圖）。

可能涉及反應(yīng)的化學(xué)方程式有：

① 次氯酸見光分解： 2HClO光照2HCl+O2↑

② 次氯酸鈉與酸反應(yīng)（強酸制備弱酸）： NaClO+CO2+H2ONaHCO3+HClO

③ 氯氣與氫氧化鈉反應(yīng)： Cl2+2NaOHNaCl+NaClO+H2O

④ 氯氣溶于水的反應(yīng)： Cl2+H2OHCl+HClO

⑤ 電解飽和食鹽水： 2NaCl+2H2O通電2NaOH+Cl2↑+H2↑

⑥ 酸堿中和反應(yīng)： HCl+NaOHNaCl+H2O

⑦ 化合反應(yīng)： H2+Cl2點燃2HCl

[教師]請同學(xué)們判斷哪些反應(yīng)是氧化還原反應(yīng)？

[學(xué)生]除了②和⑥，其他都是氧化還原反應(yīng)。

[教師]次氯酸鈉可能具有怎樣的性質(zhì)呢？請閱讀導(dǎo)學(xué)案中84消毒液的產(chǎn)品說明書（見圖3）。

[學(xué)生活動]結(jié)合所學(xué)知識歸納和推測84消毒液的性質(zhì)，將結(jié)果記錄在3DTG的數(shù)據(jù)表中（見圖4左上數(shù)據(jù)表）。

[實驗設(shè)計]學(xué)生設(shè)計實驗并匯報自己的想法。

實驗藥品： 稀釋的84消毒液（84消毒液和蒸餾水1∶1體積混合）、稀鹽酸、稀硫酸、NaOH溶液、淀粉碘化鉀溶液、酚酞溶液;淀粉碘化鉀試紙、pH試紙、膠頭滴管、培養(yǎng)皿、表面皿、棉花、玻璃棒

提示： 實驗過程應(yīng)在通風條件下完成，盡量使用相對微型及封閉的實驗裝置（如培養(yǎng)皿上蓋上表面皿），同時注意尾氣吸收。

設(shè)計意圖： 讓學(xué)生基于先前學(xué)習(xí)的氯及其化合物知識和生活經(jīng)驗在腦海中提出初步的猜想。而后利用概念圖作為支持性工具，幫助學(xué)生建立含氯物質(zhì)轉(zhuǎn)化的概念框架，進一步修改完善先前假設(shè)。通過提供84消毒液的產(chǎn)品說明書的閱讀材料，引導(dǎo)學(xué)生從物質(zhì)類別、元素化合價的視角預(yù)測84消毒液中有效成分的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)，并設(shè)計驗證假設(shè)的實驗。

3.3? 實驗探究，分析論證

[實驗探究]學(xué)生基于自己的實驗設(shè)計開展實驗探究，將實驗現(xiàn)象記錄在3DTG的數(shù)據(jù)表中（見圖4左上數(shù)據(jù)表）。

[實驗1]取1mL稀釋后的84消毒液于潔凈的試管中，向試管中滴加3～4滴淀粉碘化鉀溶液。

[實驗2]取一張pH試紙于潔凈的培養(yǎng)皿中，用玻璃棒蘸取少量的稀釋后的84消毒液點在pH試紙中央。

[實驗3]（1）取1mL久置的稀釋后84消毒液于潔凈的試管中，向試管中滴加3～4滴酚酞溶液;

（2）再將溶液一分為二，分別向兩支試管中加入3～4滴NaOH溶液和3～4滴酚酞溶液。

[實驗4]取一張pH試紙于潔凈的培養(yǎng)皿中，用玻璃棒蘸取少量的硫酸酸化的稀釋后的84消毒液點在pH試紙中央。

[實驗5]（1）取1mL稀釋后的84消毒液于潔凈的試管中，向試管中滴加0.5mL稀鹽酸溶液;

（2）取一張濕潤的淀粉碘化鉀試紙放在試管口，觀察現(xiàn)象;

（3）實驗結(jié)束時，向試管口塞上加有氫氧化鈉溶液的棉花。

[分析推理]學(xué)生基于數(shù)據(jù)表和概念圖完成3DTG的推理圖（見圖4右側(cè)的推理圖）。

設(shè)計意圖： 借助自主實驗，讓學(xué)生動手驗證84消毒液的氧化性、漂白性等化學(xué)性質(zhì)，收集記錄實驗數(shù)據(jù)，形成84消毒液不能和潔廁靈共用的證據(jù)。利用三維思維圖進行分析推理，強化證據(jù)推理的意識。

3.4? 交流討論，總結(jié)歸納

[學(xué)生活動]小組間相互交流實驗的現(xiàn)象和結(jié)果，選取一名代表進行匯報。

[探究結(jié)果]整理完善3DTG圖（見圖4），回答探究問題。

84消毒液中的主要成分次氯酸鈉與水和空氣中的二氧化碳反應(yīng)生成具有強氧化性的次氯酸而具有消毒的功能。由于次氯酸鈉與潔廁靈中的鹽酸反應(yīng)可產(chǎn)生有刺激性氣味的有毒氣體氯氣[NaClO+2HCl（濃鹽酸）NaCl+H2O+Cl2↑]，因此兩者不可同時使用。

設(shè)計意圖： 通過交流討論和小組匯報，使學(xué)生學(xué)會質(zhì)疑與評價。通過完善三維思維圖，使學(xué)生對自己的探究過程進行回顧反思，豐富含氯物質(zhì)轉(zhuǎn)化的概念框架。從氧化還原的視角分析并解釋消毒劑在使用過程中產(chǎn)生的現(xiàn)象和出現(xiàn)的問題，使學(xué)生形成合理使用化學(xué)品的意識，科學(xué)使用含氯消毒劑。

4? 小結(jié)

本課例利用3TDG支持“科學(xué)使用含氯消毒劑”探究學(xué)習(xí)中建立假設(shè)、數(shù)據(jù)收集和證據(jù)推理過程。含氯物質(zhì)概念圖幫助學(xué)習(xí)者清晰地回顧和梳理氯氣、氯化氫、氯化鈉、次氯酸和次氯酸鈉五者之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系;數(shù)據(jù)表幫助學(xué)生理清資料卡和實驗中有關(guān)含氯消毒劑性質(zhì)的證據(jù);推理圖使學(xué)生的注意力集中在次氯酸鈉與其他消毒劑和潔廁靈反應(yīng)的推理分析上;3TDG引導(dǎo)學(xué)生運用元素化合物認知模型，從物質(zhì)類別通性、元素化合價兩個角度認識含氯物質(zhì)的性質(zhì)與轉(zhuǎn)化，最終解決日常生活中的真實問題。總之，3TDG通過視覺表征整個探究學(xué)習(xí)過程中所需的信息、基本概念和推理過程，促進了學(xué)生進行高效的科學(xué)探究學(xué)習(xí)，進一步提升了學(xué)生證據(jù)推理與模型認知的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

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