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1、应用信息技术测查推理论证能力从中学化学实验试题的命制说起 黄丹胄作者简介：黄丹青，福建省普通教育教学研究室教研员，中学特级教 师。原发信息：中小学数字化教学（京）2020年第20201期第64-68页内容提要：利用数字化信息系统（DIS）及其数据、图像信息，根据 “证据推理”思想命制化学实验试题，优化和创新化学实 验教学评价，解决了传统化学实验纸笔测试中长期存在且 难以解决的问题。关键词：数字化信息系统/实验教学评价/实验试题命制期刊名称：中学化学教与学复印期号：2020年05期如何有效测评学生在化学实验方面的推理论证能力是一个重要课题。笔者利用数字化信息系统（DIS ）及其数据、图像信息，根
2、据证据推理思想命制化学实验试题,以期拓宽视野,使化学实验测试真正起到检测并反响学生化学学科能力的作用，为化学实验的纸笔测试评价提供新思路。人们无法改变社会科技开展的进程，但可以改变获取知识的方法和能力。在DIS大面积应用的背景下，教育工作者不仅要思考如何用纸笔测试 的方式，将化学知识、实验探究能力与化学学科能力的开展有机结合，以 检测学生对化学实验体系的整体理解，而且要将目光转向新的高地一将 数字化信息系统应用于化学实验表现性评价,使评价具有甄别、反响、指 导和激励的功能，以促进学生全面开展。一、数字化信息系统对化学实验评价产生的影响（-）化学实验评价的现状化学研究对象具有多样性、特殊性和复杂
3、性的特点，实验者需要做大 量的化学实验以获取与物质性质有关的信息，同时对化学实验事实提出假 设、分析、匕匕较和概括，揭示物质内部特征及其变化的本质和规律，再通 过基于证据的推理得出结论。开展化学实验教学对于全面开展学生化学学 科能力有积极意义。目前，国内大多数中学的化学实验评价仅用纸笔测 试。学校评价学生实验活动表现，如果仅做纸笔测试，存在三方面的不 足：一是受高考指挥棒影响，过分关注结果，忽略学生独立思考的过程性 活动表现，无法有效评估学生的实验素养；二是过于强调共性和一般趋 势，评价内容停留在浅层次的实验基础知识记忆和简单的技能应用上，难 以考查学生对化学思想的理解程度和应用化学知识的能力
4、；三是较多关注 化学反响的宏观现象和化学变化原理及规律的相关性，较少考查基于数据 进行推理的情况，难以准确检测学生的推理论证等化学学科能力。（二）数字化信息系统对化学实验评价的影响数字化信息系统（DIS ）是由计算机+传感器+数据采集器+实验软 件包组成的新型实验系统。随着现代信息技术的迅速开展，实验者利用 数字传感器采集数据和图像可以再现化学实验第一手资料，为得出实验结 论提供必要的信息基础，支持信息技术与化学实验教学的全面整合。这也 使化学实验评价理念发生了巨大变革，即实验评价从强调单纯的知识、原理或规律验证向基于证据的探求、获取知识（或结论）的科学过程转化。在此背景下，化学实验试题命制模
5、式也在悄然变化。笔者利用DIS技术提供的蝇或图像信息，将证据推理”思想运用于化学实验试题的命制过程中，探索化学实验测试评价新思路。二、基于DIS命制化学实验试题的实践（一）建构基于“证据推理的实验题命制思想思想是客观事实反映在人的意识中经过思维活动而产生的结果，是关系个体行为方式和情感方法的重要表达。普通高中化学课程标准（2017年版）对学生的化学学习能力提出了明确要求，将化学学科能力概括为理解能力、推理论证能力、实验探究能力和综合分析能力。基于证据的推理论证能力水平决定了 变化观念平衡思想模型认知”等化学学科核心素养的开展水平。实验探究能力决定了 “创新意识科学精神等化学学科核心素养开展水平
6、。证据推理也称普特斯谢弗推理法，其过程属于科学思维的范畴，意指从不同数据源中提取证据，利用科学方法综合证据，通过证据的积累缩小集合，从而获得问题的解。在化学学科核心素养的表述中，证据推理指能初步学会收集各种证据，对物质的性质及其变化提出可能的假设；基于证据进行分析推理，证实或证伪；能解释证据与结论之间的关系，确定形成科学结论所需要的证据和寻找证据的途径。从化学实验试题的命制视角看，证据推理是实验探究的思维本质和基础，也是将素养立意的命题思想具体化的桥梁。笔者根据证据推理思想提出命制中学化学实验试题的思路一以化学实验问题为背景，遵循真实形态的实验情境，将理性活动的结果或思想物化为一定的物质形态（
7、 或其他信息形态），再从物质形态中汲取感性表象，上升为理性认识，从 而正确地反映客观事实,进而设计问题，表达知识、能力和素养之间相互 依存、相互促进的关系，考查学生是否能“透过现象把握具体研究对象的 本质，评估学生理解和综合运用化学学科核心知识”的水平，实现对 学生在解决实际问题过程中的推理论证等化学学科能力的测试。（二）开发实验数据资源，利用数据信息考查学生的思维品质基于DIS的化学实验具有数字化、直观化等特点，为学生基于证据推 理形成感性和理性认知，提供了技术支撑。基于DIS技术的化学实验是一 个动态体系，相匕劭能单一的传统化学实验，具有明显的组合优势。数字 化技术的应用特别是数据（或图像
8、）与信息的互联互通,为教师科学检测 学生透过现象看本质、分析问题解决问题的能力提供了可能。笔者屡次参 与省级考试命题的工作，现以原创实验试题的命制为例，将“证据推理 思想运用于试题的编制中，说明DIS数据资源在化学实验评价中的应用， 使实验问题由验证向推理转化，让化学实验测试真正起到检测并 反响学生化学学科能力的作用。1 .因果分析：设计基于证据的科学推理设问方式，考量思维的深刻性思维的深刻性包括思维活动的逻辑水平及抽象程度,在完成化学实验 试题的过程中，集中表现为能抓住事物的本质和规律，去粗取精、去伪存 真；善于预见事物的变化进程，由此及彼、由表及里。在实验试题的设计中，笔者利用DIS实验技
9、术的处理功能所揭示的相关量关系的函数图像, 测评学生对化学现象进行多角度的感知和多视角深入分析与研究的思维品 质。【案例1 （2019年福建省中考试题节选）某兴趣小组开展测定 密闭容器中氧气的体积分数探究实验活动。实验1 ：利用图1所示装置，通过燃烧红磷的方法测定空气中氧气的 加只分数。实验2:利用图2所示装置，在集气瓶内壁用水均匀涂附铁粉除氧剂 （其中辅助成分不干扰实验），应用铁锈蚀原理测定空气中氧气的体积分 数。实验过程中,连接数字传感器，测得实验I、实验2中氧气的体积 分数随时间变化的关系分别如图3、图4所示。依据图3、图4信息、，利 用（填实验1或实验2）的方法测定更准确，判断依据是假
10、设要寻找红磷或铁粉除氧剂的替代物，用图1或图2装置来测定空 气中氧气的体积分数，该替代物应满足的条件是O【命题意图】考查传统测定密闭容器中氧气的体积分数实验时， 一般是通过图1或图2所示的实验装置,利用“非气态物质消耗一定容积 密闭容器中的氧气生成非气体的产物，导致密闭容器内外产生压强差”的 宏观现象来解释或阐述化学变化的本质，到达测算空气中氧气含量的目的，并初步了解定量研究的科学方法。笔者在问题（如图3、图4 ）中呈现基于数字传感器采集实验过程中的氧气体积分数随时间的变化关系，为学生提供更可靠的可视化工具，赋予学生观察微观世界的眼睛，要 求学生对所采集的数据进行处理和分析，考查学生获取有效信
11、息、分析与 解决问题的能力。同时，在问题所提供的信息基础上，设计问题进行 综合分析，更深入地考查学生的逻辑思维水平及抽象能力。2 .关联分析：探究化学实验过徵据与结论的自洽性，考查思维的灵 活性思维视角宽广，能从不同角度和方向，用多种方法解决问题；思维起 点灵活，运用规律的自觉性高，善于分析、概括；思维过程灵活，有弹 性，能较全面地迁移，妥善地解决问题（完成知识迁移）一可认为 学生具有很好的思维灵活性。笔者设计实验试题时，通过引导学生从数据 信息中找到结论、规律及其关联性，探究化学实验过程中数据和结论的自 洽性,从而深入考查学生对化学核心 概念、化学原理的本质和内涵的理解 程度，进而考查学生思
12、维的灵活性。笔者在命制2018年福建省高三质量检测试题时，从硫酸亚铁及氯化铁与硫酸亚铁混合溶液与氢氧化钠溶液反响的沉淀pH曲线的测定及分析“实验取材，以局部实验数据为载体，围绕溶液的配制、元素化合物的性质、溶液状态的分析、氧化还原反响滴定的原理及数据的处理等，基于 滴定过程溶液的pH与时间（t）的关系设计了考题，考查学生获取图像信 息和数据分析问题和解决问题的能力。3 .精确分析：检测基于实验数据突破思维定式的能力，考查思维的创 造性思维的创造性表现为思维的批判性、发散性、求异性和独创性，不墨 守成规，不人云亦云。DIS实验系统的优势是定量、精确、快速。学生利 用DIS技术可多通道采集数据、多
13、元化处理函数图像，多视觉感悟化学现 象。笔者在设计实验试题时，整合传统实验和数字化实验，通过精确的实 验数据或数据曲线诠释实验事实，以考查学生思维的创造性学生能否 透过表象揭示事物本质，解释问题的原因，具备精确分析的能力和科学探 究的精神。【命题意图】图像法是数形结合的一种思想方法。题目取材于“基于话C传感技术对镁、铝的氢氧化物沉淀反响习题科学性的研究”实验，以与NaOH溶液的反响为载体，利用数字传感器所提供的溶液的pH变化与碱溶液体积变化关系数据采集（图像）为背景，针对基于实验数据的处理 和分析来设计问题，不仅检泗厂;的相关核心知识，还侧重考查学生获取信息与加工能力、独立思考能力、分析推理能
14、力，评估学生宏观辨识与微观探析、证据推理与模型认知等学科核心素养水平。C项正确，分析思路如下：随着NaOH溶液加入,浓度增大，两种离子浓度比值增大。设计D项是为了考查学生思维的创造性，期望能纠正局部师生对-J与碱溶液反响图像认识的偏差或思维定式，养成实事求是、严谨求实的科学精神。当今，智能化数据分析、处理技术与化学实验深度融合，大大激活学 生认识自然环境、外界条件对物质及其变化影响的好奇心和求知欲。化学 实验教学评价的优化和创新，解决了传统化学实验纸笔测试中长期存在且 难以解决的问题。精确的数据（或图像）信息成了学生解决实际问题、完 成测试任务不可或缺的工具。目的取向决定工具取向，工具取向反作
15、用于 目的取向。笔者认为，在命制基于DIS的化学实验试题时,以下几个方面 值得关注。一是所考查的实验应具有情景功能，能激发学生学习的兴趣，提供促 进学生主动探究的学习情境，获取化学学习所必需的感性资料一不仅为 后续科学实践活动奠定基础，而且为化学实验评价提供载体和工具。命题 者可以围绕资源、能源、环境等与可持续开展密切相关的化学问题开展实 验并采集数据，如基于DIS的水样中的某种指标的测定、空气中一k 污染物浓度的测定、物质发生化学变化时温度、浓度（或压强）、溶液的 pH等的变化情况；或者围绕生命健康相关问题，开展以食物成分的检 测、天然药物的提取和药物成分的检验等为主题的综合实践活动，如测定
16、 补铁剂中铁的含量。二是基于DIS设计化学实验试题,对教师的教学理念和信息资源整合 能力提出更高要求。化学实验本身是科学实践。教师应让学生理解当今先 进技术的本质，理解化学与环境的相互作用。所考查的实验应具有实践创 新功能，能为培养学生的创新精神和实践能力提供有效的渠道和宽广的空 间。命题者选择的实验载体，应有助于学生体验、认识并应用科学方法， 引导学生思考，基于证据与逻辑关系得出结论；有助于学生探究实验目的 与结论关系的合理性、事实证据与实验结论的可靠性；有助于培养学生的 理解能力、推理论证能力、实验探究能力和综合分析能力。三是所命制的试题本身具有教育功能，设问指向化学问题的起点、思 维的方向和学科能力的关键，试题评价目标明确、精准，能重构学科核心 知识、学科思想方法与实验过程、结论的相互关系，通过考查学生能否寻 找解决问题的路径、解释问题的原因，检测学生的思维水平，并有利于开 展科学教育活动。