化學認知中的“假說—證明”思維

張燕靜 吳俊明

摘要：?假說—證明方法的核心是“假說—證明”思維。分別討論了化學科學中假說思維的一般形式和證明思維的邏輯特點，以及化學教學中“假說—證明”思維的教學與訓練。假說—證明的教學與訓練需要抓好典型示范、實例體會、背景助悟、假說推敲、整合強化等環節。

關鍵詞：?假說思維;?證明思維;?化學的假說—證明思維;?教學訓練

文章編號：?1005-6629（2021）09-0008-04

中圖分類號：?G633.8

文獻標識碼：?B

假說—證明方法的核心是假說—證明思維，假說—證明思維是邏輯思維（抽象思維）的一種特殊形式。

1??化學的假說思維

假說的思維形式可以是邏輯的概念、范疇、判斷、論判、推理、推斷和證明，也可以是非邏輯的直覺、靈感、想象、移植、猜測和機遇等創造性的思維活動。因此，假說在某種意義上說，是人類邏輯和非邏輯的思維形式及思維方法的最高表現。

化學假說是思維形式和思維方法結合的復雜的思維過程的產物，其一般過程是：?提出假說→形成模型（包括一組假說或一組推測）→作出判斷→驗證推斷→修正或推翻舊假說→再提出新假說（包括更多的預言或論斷）→再推出新論斷→再驗證新論斷→……，如此循環往復，每一個循環都是向事物的本質接近一步，直至滿足一定的需要。類比或歸納推理是假說形成的主要邏輯形式;演繹推理是假說發展的主要邏輯形式。

現代化學正處在從宏觀向微觀、從定性向定量、從分子靜態向分子動態、從簡單體系向復雜體系、從原因性推理向規律性推理過渡、發展的過程中，這決定了當前階段化學假說推理的一般邏輯形式主要有：

“A有屬性a、?b、?c、?d;B有屬性a、?b、?c;推斷B可能也有屬性d”（類比）;

“A1是B，A2是B，A3是B，……（A1、?A2、?A3……是A的部分對象）;推斷A是B（所有的A都可能是B）”（歸納）;

“如果A是B（即假說成立），那么C是D（即結果存在）;由C是D推斷A可能是B”

根據充分條件假言推理規則，肯定后件存在，不能肯定前件存在，“A是B”只是一種可能。（逆推）;

“A是B1;或是B2;或是B3（窮盡一切可能的原因）;A不是B2，也不是B3（排除其他可能的原因）;所以，A是B1（所尋找的原因）”（選言推理）。

例如，苯分子的環狀結構假說就是應用邏輯形式和方法跟非邏輯形式和方法相結合來推斷出的：

實驗證明苯分子中有6個碳原子和6個氫原子，其中一個氫原子被其他原子或基團取代后只能生成一種取代物。由此可以推斷苯分子中的6個氫原子所處的位置是一樣的，它們分別跟一個碳原子連接，6個碳原子的連接狀態也都是一樣的，苯分子具有六邊形環狀結構。

實驗還證明，二氯苯只有鄰位、間位、對位3種異構體，鄰位二氯苯只有一種結構，由此可推斷苯環中6個碳碳鍵是一樣的、苯分子結構是正六邊形的。

為解決苯分子中6個碳原子的18個價電子如何在6個碳碳鍵中分配的困難問題，凱庫勒提出了活動鍵假說，鮑林提出了共振論假說……苯環結構假說的形成和發展是一連串假說—推理—證明的過程，生動地顯示了假說—證明思維對于化學科學形成和發展的重要性和必要性[1

]。

2??化學的證明思維（邏輯）

證明是一種形式邏輯的思維方式。在幾何學、數理學等形式科學中，證明使用人工語言，從普遍的、必然的公理出發，通過數學或幾何學的形式邏輯方法，得出具有自證性、不可推翻性和強迫接受性的結論。與此相反，人文科學研究從大多數人能夠接受的共識等或然性前提出發，前提并非是無可辯駁的公理，主要使用非形式邏輯的論證等多元方法，說服別人接受論說者的可論辯、可推翻的結論。學科的根本特點決定著學科的證明方式。

化學不是形式科學，也不是人文科學，而是物質科學，其證明的思維方式自然會跟形式科學和人文科學都有所不同：?關于物質的事實及其規律是化學邏輯的起點、核心和根本，在化學證明思維中有著決定性的作用。因此，驗證是化學證明最重要方式。“實驗是化學的最高法庭”這句在化學人中廣為流傳的經典金句，正是實驗驗證重要地位的生動寫照。不過，化學并不排斥應用已有理論對物質現象的化學假說進行論證，因為化學理論是以實驗結果為基礎，并且經過實驗檢驗的，符合化學理論的論證在本質上就意味著能夠經受實驗的檢驗。在化學科學領域，人們經常以證明思維揭示化學事實和化學理論的內在聯系。當化學科學的成就和進步融入實際生活為大家所接受時，也就進入了論證說服的領域。

證明思維是用已知為真的判斷確定另一個判斷真實性的一種邏輯思維活動。證明是由論題、論據和論證方式構成的：?論題是真實性需要被證明的判斷，論據是用來證明論題真實性的根據，論證方式是論題與論據之間的邏輯聯系方式。

證明活動只有合乎邏輯才能達到預期目的，為此必須符合下列邏輯規則：?（1）論題明確、穩定，在論證過程中不擴大，不縮小，不偷換;（2）論據真實、充分，杜絕虛假，杜絕循環論證;（3）論證合乎邏輯。

由論據直接推出論題真實性的證明活動屬于直接證明;除此之外的證明活動都是間接證明，例如反證法（證明跟論題矛盾的判斷虛假）和排除法（一一排除各種不可能的選項，只留下真實的選項）。

證明能通過論據和論題的邏輯聯系揭示客觀事物間的內在聯系，有助于發現真理、推進認識、建立理論體系。證明是把概念和判斷聯結起來的紐帶，能以概念、判斷為根據推出科學結論，從邏輯角度為有關的結論提供立論的依據，因而是比推理更復雜的思維形式。

跟證明相反，用已知為真的判斷揭示另一個判斷虛假的邏輯方法是反駁。證明論題跟事實不符、由論題推導或引申出荒謬的結論（歸謬）、證明矛盾命題為真、由命題的真推出它的假以及由命題的假推出它的真（悖論、佯謬）等都是常見的反駁方法[2]。

3??化學教學中“假說—證明”思維的教學與訓練

探究式教學主張：?在概念和原理教學中，讓學生通過自己的探究活動進行閱讀、觀察、實驗、思考、討論……主動地探究和解決問題，從中不但發現并掌握相應的原理和結論，還掌握認識和解決問題的方法和步驟，而教師只是給他們必要的指點、引導和輔助。這種模式以學生為主體，能有效地培養學生的自主精神、解決疑難問題的毅力，以及學習能力、探究能力和合作習慣。探究式教學廣受推崇，在推進我國的基礎教育課程改革中發揮了積極的作用。

現在，中國特色社會主義建設進入了新階段，有了偉大的新目標，對下一代中國特色社會主義建設者有著更高的要求。為此，需要在基礎教育中，特別是科學課程教學中，進一步推進和搞好探究式教學。“假說—證明”是探究式教學的重要形式。為了搞好探究式教學，需要在化學教學中搞好“假說—證明”思維的教學與訓練，讓學生學會假說—證明思維，掌握“假說—證明”方法。

怎樣才能搞好“假說—證明”思維的教學與訓練，讓學生學會“假說—證明”思維，掌握“假說—證明”方法呢？筆者認為需要抓好些下列幾個環節：

（1）?典型示范。從化學科學的歷史和現實中選擇適宜的“假說—證明”活動作為教材進行示范，以加深學生的理解。如“氯水的性質”一課中，結合氯氣發現史組織教學內容、設計教學過程：?1774年，瑞典化學家舍勒加熱黑色的二氧化錳與鹽酸的混合物時，產生了一種煙霧，將這種黃綠色刺激性的煙霧溶解在水中后，他驚奇地發現其水溶液對紙張、蔬菜和花朵都具有漂白作用。引導學生根據科學史對氯水性質的描述，做出“氯水中起漂白作用微粒是氯氣分子”這一假說之后，再引導他們根據假說設計實驗驗證：?收集一集氣瓶干燥的氯氣，用鑷子夾取一片一端濕潤的有色紙條，伸入盛有干燥氯氣的集氣瓶中，由有色紙條濕潤的一端褪色、另一端無明顯變化，得出干燥的有色紙條不褪色，證明氯氣本身無漂白作用。再根據水和鹽酸都沒有漂白作用，進一步推測：?濕潤的有色紙條褪色，是因為氯氣溶于水發生反應Cl2+H2O

HCl+HClO，溶液中的另一種物質次氯酸具有漂白性……。

（2）?實例體會。從貼近學生化學學習的現實中選擇難度適中、可引起學生興趣的問題引導學生運用“假說—證明”方法開展學習活動，體會假說—證明過程。例如“鋁的性質”一課中，教師可結合“垃圾分類”這一社會背景，以學生最熟悉的利樂包作為鋁的性質研究情境線，根據利樂包的結構——鋁箔被塑料薄膜包裹，假說金屬鋁能跟堿性溶液反應。然后設計鋁與氫氧化鈉溶液反應的實驗，通過實驗觀察認識鋁和氧化鋁的性質，并進一步探究反應本質。

（3）?背景助悟。注意介紹問題形成、發展和存在的自然及社會的歷史場景，即知識背景，反映知識在空間和時間維度上廣泛的內、外聯系，推助學生解決問題的思維活動，使他們積極地開展假說思維和證明思維活動，較為順利地形成思路[3]。

例如，在教學有機化合物結構時，可以先扼要介紹有機化學中的同系列、類型（假）說等有關史實[4]：

1843年前后，法國化學家羅朗按照阿伏伽德羅分子假說初步分辨了原子量、當量和分子量，確認氫、氧、氮、氯等元素的分子是由兩個原子組成的;又跟日拉爾合作確定了一些有機化合物的分子式，正確地初步建立了有機化合物的分子概念，初步為有機化合物結構理論建立了基礎。

1843年，日拉爾提出了“同系列”概念，總結有機化合物存在多個系列，例如烷烴系列、醇系列、脂肪酸系列等，每一個系列都有自己組成的代數式，在同一系列中兩個化合物分子式之差為CH2或CH2的倍數，它們的化學性質相似，物理性質則有規律地變化。

19世紀50年代，日拉爾從有機取代反應出發，把有機化合物看成是簡單無機化合中一個或數個氫原子被取代后得到的衍生物，并把當時已知的有機化合物分為4個基本類型：?水型、氫型、氯化氫型和氨型。1857年，凱庫勒在日拉爾4類型基礎上又提出了沼氣類型。

類型假說對原子價概念的提出起了啟示作用。1857年，凱庫勒又提出了相當于原子價的“原子數”概念;1858年，凱庫勒再次強調碳是4價，提出碳原子間可以相連成鏈狀的碳4價假說，為有機化學結構理論的建立奠定了基礎……在上述背景知識以及旋光異構現象的發現等背景材料基礎上引導學生初步總結、概括有機化合物結構假說并嘗試證明，可以使他們更好地理解、領悟假說—證明方法及其在化學學習中的應用。

（4）?假說推敲。假說決定了后續認知活動的內容、方式和成效，因此，假說比證明更為重要，是假說—證明活動的前提和核心所在，必須作為重點努力抓好。雖然假說一般都有某些事實作為依據，然而這些依據一般都是不充分的。因此，假說有或大或小錯誤或者存在漏洞的可能。為了提高后續活動的成效，需要運用已有知識、經驗先對假說進行初步論證。有作者提出，在教學中把“假說/猜想—驗證”模式改為“假說/猜想—辯論—驗證”模式（見圖1）[5]。

這是一個很好的建議，不但有助于提高假說的正確性，也有助于提高學生的“假說—證明”思維水平，應該廣為采納。

（5）?整合強化。在解決既定問題之后，回顧、整理優化解決問題的過程，特別是思維過程，總結經驗，強化收獲。

如張燕靜在“物質的檢驗”教學中設計了一道例題：?有一瓶失去標簽的試劑，初步觀察試劑是淺綠色的晶體，怎樣確定這是什么試劑？學生分組討論檢驗方案并完成檢驗操作后，都確定這瓶試劑是硫酸亞鐵，較好地完成了任務。但教師并不滿足，又進一步提出要求：?總結、概括未知無機物檢驗的一般程序，以強化教學效果。經過交流、討論，形成了從外表觀察、初步試驗到溶液中的離子檢驗，從初步作出判斷到再進一步確定的基本程序，在問題解決中建立了物質檢驗的思維模型（見圖2）。

參考文獻：

[1]中國自然辯證法研究會化學化工專業組《化學哲學基礎》編委會編著.?化學哲學基礎[M].?北京：?科學出版社，?1986：?346，?347.

[2]《自然辯證法講義》編寫組.?自然辯證法講義（初稿）[M].?北京：?人民教育出版社，?1979：?322～331.

[3]吳俊明.?背景知識與學科教學立德樹人[J].?化學教學，?2019，?（2）：?3.

[4]《化學發展簡史》編寫組編寫.?化學發展簡史[M].?北京：?科學出版社，?1980：?170～175.

[5]鄭小夏.?化學教學中“假說/猜想-辯論-驗證”模式例談[J].?山東教育，?2005，?（17）：?43～44.