科學推理能力的構成及其考查研究

任唯+劉東方

摘要：從理論上界定科學推理、科學推理能力的內涵，并梳理出科學推理的基本構成類型，概括各推理類型的核心思維過程，為科學推理能力的培養提供理論依據與切入點。從2009～2013年全國高考試卷中選取試題，分析其如何對科學推理能力進行考查，為進一步開發和完善科學推理能力測試工具提供借鑒意義。

關鍵詞：科學推理；能力構成；試題分析；能力考查

文章編號：1005–6629（2015）3–0063–04 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

隨著青少年的年齡增長，思維發展隨之發生變化，逐漸能夠通過判斷和推理來認識科學原理，進而掌握科學規律。科學推理能力是一種高級思維，對青少年科學思維能力乃至科學素養的形成起到關鍵作用。自二十世紀六十年代以來，科學推理已成為國外心理學的一個重要研究領域。

1 科學推理能力的界定

在邏輯學中，推理是指根據一個或一些命題得出另一個新判斷的思維形式。每一項推理都是由前提和結論兩部分組成。已知的判斷，是推理的前提；得出的新判斷，是推理的結論。正確的前提可以得到正確的結論，反之亦然。科學推理（scientific reasoning）是在推理的基礎上得以發展的，最早由皮亞杰在其認知發展理論中提出。

皮亞杰將人類從出生至成人思維質的變化劃分為四個階段：感知運動階段（0～2歲）、前運算階段（2～7歲）、具體運算階段（7～12歲）和形式運算階段（12～15歲以后），并認為兒童只有進入到形式運算階段才進入到科學思維的階段。隨著研究的逐步深入，諸多學者對科學推理的概念提出了自己的觀點。萊德曼（Lederman）定義科學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造力、觀察、模型建構以及根據經驗證據的評價[1]。克拉爾（Klahr）[2]和鄧巴（Dunbar）[3]則將科學推理視為問題解決。齊默爾曼（Zimmerman）認為科學推理能力從廣義上來說，涵蓋了探究學習、設計實驗、證據評估、推論思辨、邏輯論證等活動中所需要的一切思維能力和推理技能，這些活動是在形成并逐歩修繕對自然世界和人文社會的各種概念以及理論的認知過程中的關鍵步驟[4]。斯圖西（Stuessy）認為，科學推理能力是個體所擁有的在科學探究過程中觀察事物之間關系、作出假設、設計實驗檢驗假設、預言結果出現概率、給出邏輯推斷、進行證據評估，最終證明特定結論合理所需要具備的內在邏輯思維形式[5]。湯姆·施萊伯（Tom Schreiber）認為，科學推理能力是建構和評價科學論點且能夠作出并證明與科學技術問題相關的決定的能力[6]。

從上述對科學推理以及科學推理能力的界定中可以看出，科學推理的特點是“已知的判斷”為科學證據，而得出的“新判斷”則是科學結論。因此，在科學研究活動中進行，并根據以科學知識、科學規律以及科學技術手段為支撐的科學證據得出科學結論，是科學推理有別于一般性推理的顯著特征。基于此，本研究認為，科學推理是對科學理論進行歸納和演繹的過程，經由發現問題、提出假設、設計實驗、證據評估、解釋推斷等一系列活動，最終使問題得以解決的思維過程。在這一系列活動中所需要的內在思維能力和技能即為科學推理能力，科學推理能力是形式運算階段開始發展的內在邏輯思維形式。

2 科學推理能力基本構成類型及其考查

為了考查學生的科學推理能力，不同國家和地區開發了測試工具，這些測試工具的理論框架可以作為歸納科學推理構成類型的依據。皮亞杰首先將科學推理分為六種類型，即理論推理、組合推理、比例推理、變量控制、概率與關系推理[7]。1980年，托賓（Tobin）和卡皮（Capie）根據皮亞杰的理論發展出邏輯思維測試工具（Test of Logical Thinking，TOLT），主要是用來測試學生的邏輯推理能力。此測試主要涵蓋五種推理類型：比例推理、控制變量推理、組合推理、幾率推理和相關推理[8]。

此后，瑞得陽卡（Roadrangka）等人在1982年開發邏輯思維能力的測試工具（Group Assessment of Logical Thinking，GALT），由12個題目組成，主要測試六種推理類型：守恒推理、比例推理、控制變量推理、組合推理、概率推理、相關推理[9]。美國俄亥俄州立大學物理系編制的科學推理測試工具（Lawsons Classroom Test of Scientific Reasoning，LCTSR）涵蓋七種推理類型：質量和體積守恒概念、比例推理、變量控制能力、高級變量控制、概率推理、相關性推理、假設演繹推理。雖然這些測試工具對于科學推理的類型劃分有差異，但可以從中提煉出在科學學習和研究活動中，科學推理的基本類型包括守恒推理、比例推理、控制變量推理、組合推理、相關推理、概率推理等六種基本類型構成。

高考是我國大型的中學生綜合素質測試，具有較高的信效度、必要的區分度和適當的難度，在高考理科試題中蘊涵著諸多科學推理。分析高考試題是如何考查科學推理能力，運用了哪些題型、匹配了哪些試題情境，將為進一步開發和完善科學推理能力測試工具提供借鑒意義。本文以2009～2013年全國各地高考化學試卷為例，舉例說明對其中的守恒推理、比例推理、控制變量推理、組合推理四種科學推理類型的考查，分析解題思路和科學推理歷程。需要指出的是，我國高考中極少關注相關推理、概率推理這兩種推理方式的應用。

2.1 守恒推理

守恒概念研究協作組在《心理學報》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生變化時，仍能認識到該物體的某些特性并無改變的能力[10]。守恒推理的核心思維過程為：第一步利用已被證實了的定律、定理分析出在變化過程中始終不發生變化的量或關系；第二步利用這種等量關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，則還原產物可能是（ ）

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

第一步：題干給出明暗兩條信息，這是一個氧化還原反應；鋅被氧化的物質的量可以通過計算得出。鋅失去電子生成氧化產物，MO2+得到電子生成還原產物，溶液中的粒子之間無論發生何種氧化還原變化，溶液始終顯中性恒定不變。

第二步：根據這一特征，得失電子數值相等。以參加反應的離子得到電子與失去電子的數目相等為依據推理出還原產物。

2.2 比例推理

比例推理是形式計算的一個重要成分。皮亞杰將比例推理定義為：“能以數學的形式來陳述和闡述函數關系。”我國學者魏金財認為，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程為：第一步利用題目中信息推斷出各量之間的比例關系；第二步能夠運用公式、定理等數學關系式將結果正確表達。

例2 （2012年新課標全國卷）鐵是應用最廣泛的金屬，鐵的鹵化物、氧化物以及高價鐵的含氧酸鹽均為重要化合物。要確定鐵的某氯化物FeClx的化學式，可用離子交換和滴定的方法。實驗中稱取0.54g的FeClx樣品，溶解后先進行陽離子交換預處理，再通過含有飽和OH-的陰離子交換柱，使Cl-和OH-發生交換。交換完成后，流出溶液的OH-用0.40 mol·L-1的鹽酸滴定，滴至終點時消耗鹽酸25.00mL。計算該樣品中氯的物質的量，并求出FeClx中x值。

第一步：根據所給信息推出各量之間的比例關系，酸堿滴定的實質是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Fe與Cl物質的量之比推出結果，m（Fe）=0.19g；n（Fe）=0.0034mol；物質的量之比推出結果，n（Fe）：n（Cl）≈1：3。

2.3 控制變量推理

控制變量推理是對其他變量加以控制，而使需要觀察的變量按照特定要求發生變化，據此推理出事物發展變化規律的思維形式。控制變量推理的核心思維過程為：第一步逐一分析出每一因素對結果產生的影響；第二步人為地保持其中一種因素不變，施加另一種因素，觀察對結果產生的影響。運用同樣的思維方式，保持前面施加的因素不變，使前面保持不變的因素發生變化。當因素很多時，逐一加以控制。第三步綜合推斷幾種因素對結果的影響，得出結論。

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

本題目選項中給出濃度和溫度兩因素對化學反應速率影響的信息。

第一步：控制溫度變量不變，根據反應物濃度觀察、比較反應速率情況。

第二步：在此基礎上控制濃度變量不變，再根據溫度比較反應速率。

第三步：分別在不同階段控制溫度和濃度變量，發現出現渾濁的變化規律。

2.4 組合推理

把任何單個因素、每兩個或每三個結合在一起，就有可能建立所需要的任何關系或分類，這種分類運算和次序關系運算的概括最后發展成為一個組合系統。皮亞杰把同時對多個變量進行推理，能夠測定一系列變量中的一個或全部變量的結果，也能測定變量的某種組合的結果稱為組合推理[12]。

組合推理的核心思維過程為：第一步由呈現出的多個單一的科學事實及一些隱含的因素，分別推理得到多個單一的科學結論；第二步觀察提出的問題，把這些單一的科學結論中一個或幾個人為地看成或組合成一個集體，得到新的推理結論。第三步以此方式深入分析、整理，最終使問題得到解決。

例4 （2012年四川卷）下列框圖中的字母分別代表一種常見的物質或其溶液，相互之間的轉化關系如下圖所示（部分產物及反應條件已略去）。已知A、B為氣態單質，F是地殼中含量最多的金屬元素的單質；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。

請回答下列問題：

（1）B中所含元素位于周期表中第 周期，

族。

（2）A在B中燃燒的現象是_____ 。

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

（4）G+J→M的離子方程式是_____ 。

（4）要書寫G+J→M的離子方程式，需分別推得物質G和J是什么物質。

第一步：根據題目所給信息F是地殼中含量最多的金屬元素的單質，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G。A、B均為氣態單質，根據（2）生成AB的反應條件，且D與黑色固體E（二氧化錳）反應生成B，所以A是氫氣，B是氯氣，D是氯化氫，這樣X是氯化物。推得C是強堿，與鋁反應生成偏鋁酸鹽。

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

第四步：G偏鋁酸鹽與J氯化鐵，二者發生雙水解生成氫氧化鋁，最終結合離子方程式的書寫規范進行書寫。可見，正確結論的得出依賴于各因素的綜合判斷。

3 結論與建議

科學推理能力是思維發展到一定程度后的一種高級思維形式。在美國的2061計劃中也強調指出科學的“思維習慣”[15]，因此重視對青少年科學推理能力的培養具有十分重要的意義。對于科學推理能力的研究應不僅限于心理學領域，還應更好地與科學教育相結合。在國內科學教育（物理、化學、生物、地理）中，對于青少年的科學推理的相關研究還很少，廣大的一線教育工作者還沒有對青少年科學推理能力培養形成清晰的認識。科學教育工作者應在深刻理解科學推理能力內涵、構成的基礎上，更加深入地挖掘青少年頭腦中科學推理能力的形成歷程，建立針對科學推理能力的評價框架，確定統一規范的考查量表，以測查青少年能夠達到的不同水平，進而更好地培養他們的科學推理能力，提高其科學素養。

參考文獻：

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[15] American Association for the Advancement of Science. Project 2061： Science for all Americans [M].New York： Oxford University Press， 1989.