科學(xué)推理能力的構(gòu)成及其考查研究

任唯+劉東方

摘要：從理論上界定科學(xué)推理、科學(xué)推理能力的內(nèi)涵，并梳理出科學(xué)推理的基本構(gòu)成類(lèi)型，概括各推理類(lèi)型的核心思維過(guò)程，為科學(xué)推理能力的培養(yǎng)提供理論依據(jù)與切入點(diǎn)。從2009～2013年全國(guó)高考試卷中選取試題，分析其如何對(duì)科學(xué)推理能力進(jìn)行考查，為進(jìn)一步開(kāi)發(fā)和完善科學(xué)推理能力測(cè)試工具提供借鑒意義。

關(guān)鍵詞：科學(xué)推理；能力構(gòu)成；試題分析；能力考查

文章編號(hào)：1005–6629（2015）3–0063–04 中圖分類(lèi)號(hào)：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

隨著青少年的年齡增長(zhǎng)，思維發(fā)展隨之發(fā)生變化，逐漸能夠通過(guò)判斷和推理來(lái)認(rèn)識(shí)科學(xué)原理，進(jìn)而掌握科學(xué)規(guī)律。科學(xué)推理能力是一種高級(jí)思維，對(duì)青少年科學(xué)思維能力乃至科學(xué)素養(yǎng)的形成起到關(guān)鍵作用。自二十世紀(jì)六十年代以來(lái)，科學(xué)推理已成為國(guó)外心理學(xué)的一個(gè)重要研究領(lǐng)域。

1 科學(xué)推理能力的界定

在邏輯學(xué)中，推理是指根據(jù)一個(gè)或一些命題得出另一個(gè)新判斷的思維形式。每一項(xiàng)推理都是由前提和結(jié)論兩部分組成。已知的判斷，是推理的前提；得出的新判斷，是推理的結(jié)論。正確的前提可以得到正確的結(jié)論，反之亦然。科學(xué)推理（scientific reasoning）是在推理的基礎(chǔ)上得以發(fā)展的，最早由皮亞杰在其認(rèn)知發(fā)展理論中提出。

皮亞杰將人類(lèi)從出生至成人思維質(zhì)的變化劃分為四個(gè)階段：感知運(yùn)動(dòng)階段（0～2歲）、前運(yùn)算階段（2～7歲）、具體運(yùn)算階段（7～12歲）和形式運(yùn)算階段（12～15歲以后），并認(rèn)為兒童只有進(jìn)入到形式運(yùn)算階段才進(jìn)入到科學(xué)思維的階段。隨著研究的逐步深入，諸多學(xué)者對(duì)科學(xué)推理的概念提出了自己的觀點(diǎn)。萊德曼（Lederman）定義科學(xué)推理為歸納思維和演繹思維。歸納思維包括概念獲得、概念形成、概念圖式；演繹思維包括基于創(chuàng)造力、觀察、模型建構(gòu)以及根據(jù)經(jīng)驗(yàn)證據(jù)的評(píng)價(jià)[1]?？死瓲枺↘lahr）[2]和鄧巴（Dunbar）[3]則將科學(xué)推理視為問(wèn)題解決。齊默爾曼（Zimmerman）認(rèn)為科學(xué)推理能力從廣義上來(lái)說(shuō)，涵蓋了探究學(xué)習(xí)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、證據(jù)評(píng)估、推論思辨、邏輯論證等活動(dòng)中所需要的一切思維能力和推理技能，這些活動(dòng)是在形成并逐歩修繕對(duì)自然世界和人文社會(huì)的各種概念以及理論的認(rèn)知過(guò)程中的關(guān)鍵步驟[4]。斯圖西（Stuessy）認(rèn)為，科學(xué)推理能力是個(gè)體所擁有的在科學(xué)探究過(guò)程中觀察事物之間關(guān)系、作出假設(shè)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)假設(shè)、預(yù)言結(jié)果出現(xiàn)概率、給出邏輯推斷、進(jìn)行證據(jù)評(píng)估，最終證明特定結(jié)論合理所需要具備的內(nèi)在邏輯思維形式[5]。湯姆·施萊伯（Tom Schreiber）認(rèn)為，科學(xué)推理能力是建構(gòu)和評(píng)價(jià)科學(xué)論點(diǎn)且能夠作出并證明與科學(xué)技術(shù)問(wèn)題相關(guān)的決定的能力[6]。

從上述對(duì)科學(xué)推理以及科學(xué)推理能力的界定中可以看出，科學(xué)推理的特點(diǎn)是“已知的判斷”為科學(xué)證據(jù)，而得出的“新判斷”則是科學(xué)結(jié)論。因此，在科學(xué)研究活動(dòng)中進(jìn)行，并根據(jù)以科學(xué)知識(shí)、科學(xué)規(guī)律以及科學(xué)技術(shù)手段為支撐的科學(xué)證據(jù)得出科學(xué)結(jié)論，是科學(xué)推理有別于一般性推理的顯著特征?；诖?，本研究認(rèn)為，科學(xué)推理是對(duì)科學(xué)理論進(jìn)行歸納和演繹的過(guò)程，經(jīng)由發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、提出假設(shè)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、證據(jù)評(píng)估、解釋推斷等一系列活動(dòng)，最終使問(wèn)題得以解決的思維過(guò)程。在這一系列活動(dòng)中所需要的內(nèi)在思維能力和技能即為科學(xué)推理能力，科學(xué)推理能力是形式運(yùn)算階段開(kāi)始發(fā)展的內(nèi)在邏輯思維形式。

2 科學(xué)推理能力基本構(gòu)成類(lèi)型及其考查

為了考查學(xué)生的科學(xué)推理能力，不同國(guó)家和地區(qū)開(kāi)發(fā)了測(cè)試工具，這些測(cè)試工具的理論框架可以作為歸納科學(xué)推理構(gòu)成類(lèi)型的依據(jù)。皮亞杰首先將科學(xué)推理分為六種類(lèi)型，即理論推理、組合推理、比例推理、變量控制、概率與關(guān)系推理[7]。1980年，托賓（Tobin）和卡皮（Capie）根據(jù)皮亞杰的理論發(fā)展出邏輯思維測(cè)試工具（Test of Logical Thinking，TOLT），主要是用來(lái)測(cè)試學(xué)生的邏輯推理能力。此測(cè)試主要涵蓋五種推理類(lèi)型：比例推理、控制變量推理、組合推理、幾率推理和相關(guān)推理[8]。

此后，瑞得陽(yáng)卡（Roadrangka）等人在1982年開(kāi)發(fā)邏輯思維能力的測(cè)試工具（Group Assessment of Logical Thinking，GALT），由12個(gè)題目組成，主要測(cè)試六種推理類(lèi)型：守恒推理、比例推理、控制變量推理、組合推理、概率推理、相關(guān)推理[9]。美國(guó)俄亥俄州立大學(xué)物理系編制的科學(xué)推理測(cè)試工具（Lawsons Classroom Test of Scientific Reasoning，LCTSR）涵蓋七種推理類(lèi)型：質(zhì)量和體積守恒概念、比例推理、變量控制能力、高級(jí)變量控制、概率推理、相關(guān)性推理、假設(shè)演繹推理。雖然這些測(cè)試工具對(duì)于科學(xué)推理的類(lèi)型劃分有差異，但可以從中提煉出在科學(xué)學(xué)習(xí)和研究活動(dòng)中，科學(xué)推理的基本類(lèi)型包括守恒推理、比例推理、控制變量推理、組合推理、相關(guān)推理、概率推理等六種基本類(lèi)型構(gòu)成。

高考是我國(guó)大型的中學(xué)生綜合素質(zhì)測(cè)試，具有較高的信效度、必要的區(qū)分度和適當(dāng)?shù)碾y度，在高考理科試題中蘊(yùn)涵著諸多科學(xué)推理。分析高考試題是如何考查科學(xué)推理能力，運(yùn)用了哪些題型、匹配了哪些試題情境，將為進(jìn)一步開(kāi)發(fā)和完善科學(xué)推理能力測(cè)試工具提供借鑒意義。本文以2009～2013年全國(guó)各地高考化學(xué)試卷為例，舉例說(shuō)明對(duì)其中的守恒推理、比例推理、控制變量推理、組合推理四種科學(xué)推理類(lèi)型的考查，分析解題思路和科學(xué)推理歷程。需要指出的是，我國(guó)高考中極少關(guān)注相關(guān)推理、概率推理這兩種推理方式的應(yīng)用。

2.1 守恒推理

守恒概念研究協(xié)作組在《心理學(xué)報(bào)》上的“守恒概念獲得的研究”一文中指出，守恒是在物體外形發(fā)生變化時(shí)，仍能認(rèn)識(shí)到該物體的某些特性并無(wú)改變的能力[10]。守恒推理的核心思維過(guò)程為：第一步利用已被證實(shí)了的定律、定理分析出在變化過(guò)程中始終不發(fā)生變化的量或關(guān)系；第二步利用這種等量關(guān)系推斷出要得到的未知量。

例1 （2012年海南卷）將0.195g鋅粉加入到20.0mL的0.100 mol·L-1 MO2+溶液中，恰好完全反應(yīng)，則還原產(chǎn)物可能是（ ）

A. M B. M2+ C. M3+ D. MO2+

第一步：題干給出明暗兩條信息，這是一個(gè)氧化還原反應(yīng)；鋅被氧化的物質(zhì)的量可以通過(guò)計(jì)算得出。鋅失去電子生成氧化產(chǎn)物，MO2+得到電子生成還原產(chǎn)物，溶液中的粒子之間無(wú)論發(fā)生何種氧化還原變化，溶液始終顯中性恒定不變。

第二步：根據(jù)這一特征，得失電子數(shù)值相等。以參加反應(yīng)的離子得到電子與失去電子的數(shù)目相等為依據(jù)推理出還原產(chǎn)物。

2.2 比例推理

比例推理是形式計(jì)算的一個(gè)重要成分。皮亞杰將比例推理定義為：“能以數(shù)學(xué)的形式來(lái)陳述和闡述函數(shù)關(guān)系?！蔽覈?guó)學(xué)者魏金財(cái)認(rèn)為，比例推理是比較不同比（ratio）的能力[11]。比例推理的核心思維過(guò)程為：第一步利用題目中信息推斷出各量之間的比例關(guān)系；第二步能夠運(yùn)用公式、定理等數(shù)學(xué)關(guān)系式將結(jié)果正確表達(dá)。

例2 （2012年新課標(biāo)全國(guó)卷）鐵是應(yīng)用最廣泛的金屬，鐵的鹵化物、氧化物以及高價(jià)鐵的含氧酸鹽均為重要化合物。要確定鐵的某氯化物FeClx的化學(xué)式，可用離子交換和滴定的方法。實(shí)驗(yàn)中稱取0.54g的FeClx樣品，溶解后先進(jìn)行陽(yáng)離子交換預(yù)處理，再通過(guò)含有飽和OH-的陰離子交換柱，使Cl-和OH-發(fā)生交換。交換完成后，流出溶液的OH-用0.40 mol·L-1的鹽酸滴定，滴至終點(diǎn)時(shí)消耗鹽酸25.00mL。計(jì)算該樣品中氯的物質(zhì)的量，并求出FeClx中x值。

第一步：根據(jù)所給信息推出各量之間的比例關(guān)系，酸堿滴定的實(shí)質(zhì)是n（H+）：n（OH-）=1：1，因含有飽和OH-的陰離子交換柱，故n（H+）：n（OH-）：n（Cl-）= 1：1：1，n（Cl-）=0.010mol。

第二步：欲求x，可通過(guò)Fe與Cl物質(zhì)的量之比推出結(jié)果，m（Fe）=0.19g；n（Fe）=0.0034mol；物質(zhì)的量之比推出結(jié)果，n（Fe）：n（Cl）≈1：3。

2.3 控制變量推理

控制變量推理是對(duì)其他變量加以控制，而使需要觀察的變量按照特定要求發(fā)生變化，據(jù)此推理出事物發(fā)展變化規(guī)律的思維形式?？刂谱兞客评淼暮诵乃季S過(guò)程為：第一步逐一分析出每一因素對(duì)結(jié)果產(chǎn)生的影響；第二步人為地保持其中一種因素不變，施加另一種因素，觀察對(duì)結(jié)果產(chǎn)生的影響。運(yùn)用同樣的思維方式，保持前面施加的因素不變，使前面保持不變的因素發(fā)生變化。當(dāng)因素很多時(shí)，逐一加以控制。第三步綜合推斷幾種因素對(duì)結(jié)果的影響，得出結(jié)論。

例3 （2009年遼寧、寧夏卷）硫代硫酸鈉溶液與稀硫酸反應(yīng)的化學(xué)方程式為：Na2S2O3+H2SO4=Na2SO4+SO2+S↓+H2O，下列各組實(shí)驗(yàn)中最先出現(xiàn)渾濁的是（ ）

本題目選項(xiàng)中給出濃度和溫度兩因素對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率影響的信息。

第一步：控制溫度變量不變，根據(jù)反應(yīng)物濃度觀察、比較反應(yīng)速率情況。

第二步：在此基礎(chǔ)上控制濃度變量不變，再根據(jù)溫度比較反應(yīng)速率。

第三步：分別在不同階段控制溫度和濃度變量，發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)渾濁的變化規(guī)律。

2.4 組合推理

把任何單個(gè)因素、每?jī)蓚€(gè)或每三個(gè)結(jié)合在一起，就有可能建立所需要的任何關(guān)系或分類(lèi)，這種分類(lèi)運(yùn)算和次序關(guān)系運(yùn)算的概括最后發(fā)展成為一個(gè)組合系統(tǒng)。皮亞杰把同時(shí)對(duì)多個(gè)變量進(jìn)行推理，能夠測(cè)定一系列變量中的一個(gè)或全部變量的結(jié)果，也能測(cè)定變量的某種組合的結(jié)果稱為組合推理[12]。

組合推理的核心思維過(guò)程為：第一步由呈現(xiàn)出的多個(gè)單一的科學(xué)事實(shí)及一些隱含的因素，分別推理得到多個(gè)單一的科學(xué)結(jié)論；第二步觀察提出的問(wèn)題，把這些單一的科學(xué)結(jié)論中一個(gè)或幾個(gè)人為地看成或組合成一個(gè)集體，得到新的推理結(jié)論。第三步以此方式深入分析、整理，最終使問(wèn)題得到解決。

例4 （2012年四川卷）下列框圖中的字母分別代表一種常見(jiàn)的物質(zhì)或其溶液，相互之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系如下圖所示（部分產(chǎn)物及反應(yīng)條件已略去）。已知A、B為氣態(tài)單質(zhì)，F(xiàn)是地殼中含量最多的金屬元素的單質(zhì)；E、H、I為氧化物，E為黑色固體，I為紅棕色氣體；M為紅褐色沉淀。

請(qǐng)回答下列問(wèn)題：

（1）B中所含元素位于周期表中第 周期，

族。

（2）A在B中燃燒的現(xiàn)象是_____ 。

（3）D+E→B的反應(yīng)中，被氧化與被還原的物質(zhì)的物質(zhì)的量之比是_____ 。

（4）G+J→M的離子方程式是_____ 。

（4）要書(shū)寫(xiě)G+J→M的離子方程式，需分別推得物質(zhì)G和J是什么物質(zhì)。

第一步：根據(jù)題目所給信息F是地殼中含量最多的金屬元素的單質(zhì)，則F是Al；M是紅褐色沉淀，故M是氫氧化鐵。

第二步：分析物質(zhì)G。A、B均為氣態(tài)單質(zhì)，根據(jù)（2）生成AB的反應(yīng)條件，且D與黑色固體E（二氧化錳）反應(yīng)生成B，所以A是氫氣，B是氯氣，D是氯化氫，這樣X(jué)是氯化物。推得C是強(qiáng)堿，與鋁反應(yīng)生成偏鋁酸鹽。

第三步：分析物質(zhì)J。I為紅棕色的氣體氧化物，則I是NO2，進(jìn)而Y是硝酸鐵。Y受熱分解的另一種氧化產(chǎn)物為H：氧化鐵；所以J是氯化鐵。

第四步：G偏鋁酸鹽與J氯化鐵，二者發(fā)生雙水解生成氫氧化鋁，最終結(jié)合離子方程式的書(shū)寫(xiě)規(guī)范進(jìn)行書(shū)寫(xiě)。可見(jiàn)，正確結(jié)論的得出依賴于各因素的綜合判斷。

3 結(jié)論與建議

科學(xué)推理能力是思維發(fā)展到一定程度后的一種高級(jí)思維形式。在美國(guó)的2061計(jì)劃中也強(qiáng)調(diào)指出科學(xué)的“思維習(xí)慣”[15]，因此重視對(duì)青少年科學(xué)推理能力的培養(yǎng)具有十分重要的意義。對(duì)于科學(xué)推理能力的研究應(yīng)不僅限于心理學(xué)領(lǐng)域，還應(yīng)更好地與科學(xué)教育相結(jié)合。在國(guó)內(nèi)科學(xué)教育（物理、化學(xué)、生物、地理）中，對(duì)于青少年的科學(xué)推理的相關(guān)研究還很少，廣大的一線教育工作者還沒(méi)有對(duì)青少年科學(xué)推理能力培養(yǎng)形成清晰的認(rèn)識(shí)?？茖W(xué)教育工作者應(yīng)在深刻理解科學(xué)推理能力內(nèi)涵、構(gòu)成的基礎(chǔ)上，更加深入地挖掘青少年頭腦中科學(xué)推理能力的形成歷程，建立針對(duì)科學(xué)推理能力的評(píng)價(jià)框架，確定統(tǒng)一規(guī)范的考查量表，以測(cè)查青少年能夠達(dá)到的不同水平，進(jìn)而更好地培養(yǎng)他們的科學(xué)推理能力，提高其科學(xué)素養(yǎng)。

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