高中化學(xué)教學(xué)中應(yīng)謹(jǐn)慎應(yīng)用類比推理

楊茵　吳星

摘要： 通過對教學(xué)中常見的質(zhì)料類推、形式類推、模型類推三大類推中具體事例“反?！爆F(xiàn)象的分析和討論，提出類比推理具有或然性，在高中化學(xué)教學(xué)應(yīng)謹(jǐn)慎應(yīng)用類比推理。

關(guān)鍵詞： 或然性; 質(zhì)料類推; 形式類推; 模型類推; 化學(xué)教學(xué)

文章編號： 10056629（2019）10008605中圖分類號： G633.8文獻(xiàn)標(biāo)識碼： B

培養(yǎng)學(xué)生化學(xué)核心素養(yǎng)是新一輪課程改革的核心，教師通過教學(xué)活動要幫助學(xué)生逐步形成正確價值觀、必備品格和關(guān)鍵能力。要提高學(xué)生化學(xué)的學(xué)習(xí)能力，必須重視對化學(xué)思維能力的培養(yǎng)。而類比推理（簡稱類推或類比）是培養(yǎng)學(xué)生思維能力的有用工具。運用類推，可以使抽象的概念變得易于理解，可以使陳述性知識變得程序化、復(fù)雜的問題變得簡單化。

1 類比推理的內(nèi)涵

類比推理是人類核心的認(rèn)知能力之一，類推思想由來已久，普遍存在于探索現(xiàn)實世界的過程中。類比推理在上個世紀(jì)70年代獲得長足的發(fā)展[1]。

迄今為止，國內(nèi)外對類比推理的研究不僅涉及理論的研究，深入到教學(xué)過程的研究也越來越多，尤其對理科教學(xué)的研究最為突出。

不同時代和不同研究領(lǐng)域，對類推定義有所不同，目前比較認(rèn)可的類比推理定義是根據(jù)兩個（或兩類）對象之間在某些方面的相同或相似點從而推斷出它們在其他方面也可能相同或相似的一種邏輯推理方法。其邏輯形式如下： 因為A對象具有屬性a、 b、 c、 d， B對象具有屬性a、 b、 c，所以B對象也可能具有屬性d。類推過程也就是問題解決的過程，一般分為三個階段： 首先，尋找合適的類推情境（也叫源問題）;其次，找到并分析命題之間、對象之間及關(guān)系之間的對應(yīng)或映射;最后，以某種方式應(yīng)用于新情境，用來描述或解釋新的情境（即靶問題）。在類推的過程中，有許多因素影響類推，如相似性和結(jié)構(gòu)。在類推中，相似性是基礎(chǔ)，是表層的，而結(jié)構(gòu)的一致性是深層次的，它在類推理論分析中占重要地位[2]。

在化學(xué)教學(xué)中，類推思想也是一種常用的思維方法。在概念學(xué)習(xí)中，類推可以幫助學(xué)生利用已有的知識形成并完善對新概念的理解。在題目解答中，類推可以以“舊”推“新”，把知識進(jìn)行遷移運用。但類比推理把化學(xué)知識從一種情境（或叫源問題）遷移至另一種情境（或叫目標(biāo)問題），依據(jù)的是兩個情境間有某種相似性[3]。問題之間具有相同點或相似點，這使類推成為可能，但問題之間必有差異，這就使類推的結(jié)論帶有或然性[4]，也就是說類比推理具有可能推出不必然結(jié)果的缺陷。

2 高中化學(xué)教學(xué)中謹(jǐn)慎應(yīng)用類比推理

根據(jù)類推的分類再結(jié)合化學(xué)學(xué)科的特點，筆者認(rèn)為類比推理在高中化學(xué)中有三種較為常用的方式，本文將結(jié)合自己的教學(xué)實踐和體會，通過討論試題或教學(xué)中的具體實例，闡述在處理常見三類類比推理方式中運用類推存在的誤區(qū)，和同行們討論。

2.1 質(zhì)料類推中謹(jǐn)慎應(yīng)用類比推理

所謂質(zhì)料類推，就是根據(jù)類比物的性質(zhì)與應(yīng)予解釋的系統(tǒng)的性質(zhì)之間的類似性所進(jìn)行的類推[5]?；瘜W(xué)中的質(zhì)料類推就是依據(jù)兩種研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)和性質(zhì)在某些方面的相似之處，推斷這兩種物質(zhì)在其他方面也存在相似之處，如圖1所示。

質(zhì)料類推是類推方法中比較簡單的類型，這種類推僅以兩種研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)和性質(zhì)在某些方面的相似之處為依據(jù)，所以這種類推相對膚淺，具有或然性。

同族元素化學(xué)性質(zhì)相似是學(xué)習(xí)元素化合物知識進(jìn)行類推的一個重要依據(jù)，但類推時反常也非常多，教師教學(xué)中要引起重視。例如碳與硅是同族元素，甲烷是一個穩(wěn)定的分子，不能與水反應(yīng)。那么能否類推出硅烷不與水反應(yīng)呢？實驗證明硅烷能與水發(fā)生反應(yīng)。蘇教版的《物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)》提供的C、 Si、 H三種元素的電負(fù)性數(shù)據(jù)如下（見表1）。

在有機(jī)化學(xué)的教學(xué)中，教師常會強(qiáng)調(diào)具有相同官能團(tuán)的物質(zhì)化學(xué)性質(zhì)相似，可見類推在有機(jī)化學(xué)的教學(xué)中是一個典型的教學(xué)策略。醛基能使新制氫氧化銅還原生成氧化亞銅，那么由此能否類推所有含醛基的物質(zhì)都有相似性質(zhì)呢？苯甲醛也能與新制氫氧化銅反應(yīng)嗎？在2018年江西省九所重點中學(xué)高三聯(lián)合考試?yán)砭C試卷中就出現(xiàn)了對這個知識點的考查：

某抗腫瘤藥物中間體的合成路線如下。下列說法正確的是（）

A. 吲哚的分子式為C8H6N

B. 苯甲醛中所有原子不可能全部共平面

C. 可用新制氫氧化銅懸濁液區(qū)分苯甲醛和中間體

D. 1mol該中間體，最多可以與9mol氫氣發(fā)生加成反應(yīng)

提供的答案是C，理由是苯甲醛有醛基，而中間體沒有醛基，所以可用新制氫氧化銅懸濁液來區(qū)分兩者。但查閱《有機(jī)化學(xué)》，書中這樣解釋，苯甲醛中醛基的碳發(fā)生sp2雜化，碳氧鍵中存在一個σ鍵和一個π鍵，其中的π鍵能和苯環(huán)的大π鍵發(fā)生共軛效應(yīng)，分子內(nèi)能低、穩(wěn)定性高，導(dǎo)致苯甲醛中的醛基非常牢固，不易被氧化。若進(jìn)行試驗，在苯甲醛中加入新制氫氧化銅懸濁液，加熱后，并沒有磚紅色沉淀出現(xiàn)，這也證實了苯甲醛不能與新制氫氧化銅懸濁液反應(yīng)。有機(jī)物的教學(xué)中教師一定要注意基團(tuán)間的相互影響造成有機(jī)物性質(zhì)的變化，如乙醇沒有酸性，而苯酚有酸性，這是苯環(huán)影響了羥基，在的共軛體系中，電子云向苯環(huán)偏移，使得羥基氧上的電子云密度降低，使O—H中的氫酸性增強(qiáng)。

我們在教學(xué)生運用性質(zhì)進(jìn)行類推時，一定要強(qiáng)調(diào)，不僅要關(guān)注兩種物質(zhì)結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的相似處，更要關(guān)注兩種物質(zhì)屬性間的必然聯(lián)系，也就是造成它們結(jié)構(gòu)和性質(zhì)相似的本質(zhì)原因是否相同，這樣的類推才有的放矢，類推的結(jié)論更可靠。

2.2 形式類推中謹(jǐn)慎應(yīng)用類比推理

形式類推是依據(jù)類比物與應(yīng)予解釋的系統(tǒng)兩個領(lǐng)域的因果關(guān)系或規(guī)律性相似而進(jìn)行的類比[6]?；瘜W(xué)中的形式類推就是將解決某一類化學(xué)問題的方法以及經(jīng)驗移植到類似化學(xué)問題的處理過程中，最終實現(xiàn)類似問題的解決，如圖2所示。

形式類推是以相似的因果關(guān)系成規(guī)律性為依據(jù)的，較質(zhì)料類推可靠性增強(qiáng)，但也不是不存在或然現(xiàn)象。例如，氫氧化鋁的兩性的教學(xué)，教師對于酸性或堿性的常見經(jīng)驗就是酸堿電離理論，所以這個問題常處理成氫氧化鋁在溶液中既存在酸式電離，又存在堿式電離：

按照教師的講解，學(xué)生很容易誤會Al（OH）3水溶液既顯酸性又顯堿性，好像很矛盾，學(xué)生頓時糊涂了。在這里我們需要弄清楚兩個問題。第一，氫氧化鋁溶液究竟顯酸性還是堿性？第二，氫氧化鋁溶液存在酸式電離嗎？這樣的類推合適嗎？

查閱資料可知，Al（OH）3的Ka=6×10-12， Kb=5×10-9，由酸式電離常數(shù)和堿式電離常數(shù)的相對大小可看出堿式電離程度較酸式電離程度大，其溶液堿性強(qiáng)于酸性。正如武漢大學(xué)《無機(jī)及分析化學(xué)》2008年2月第3版第249頁中所說，氫氧化鋁是典型的兩性氫氧化物，其堿性略強(qiáng)于酸性但仍屬弱堿[7]。熊紹良在“實驗探究氫氧化鋁水溶液的酸堿性”一文中指出，室溫下，他用二氧化碳蒸餾水溶解分析純的氫氧化鋁固體，通過pH計測定其飽和溶液pH約為8.26，過飽和溶液pH約為9.02。實驗檢測結(jié)果也表明氫氧化鋁飽和溶液呈現(xiàn)弱堿性。

既然氫氧化鋁溶液顯弱堿性，那么氫氧化鋁溶液存在酸式電離嗎？查閱了多本大學(xué)的無機(jī)化學(xué)書，只有Al（OH）3能堿式電離，并沒有Al（OH）3能酸式電離的說法。《無機(jī)化學(xué)》中對Al（OH）3能與OH-反應(yīng)的解釋是生成了[Al（OH）4]-，即： Al（OH）3+H2O +H+，如此就可以解釋氫氧化鋁的酸性了。根據(jù)酸堿電子理論，凡能接受電子對的物質(zhì)（分子、離子或原子團(tuán)）都稱為酸，凡能給出電子對的物質(zhì)（分子、離子或原子團(tuán)）都稱為堿。也就是說，酸是電子對的受體，所以氫氧化鋁的酸性表現(xiàn)為它能接受氫氧根，而不是電離出氫離子。由此可見，用一般的酸堿電離理論來進(jìn)行形式類推會出現(xiàn)科學(xué)性的錯誤。同樣道理，我們在判斷含氧酸[（HO）mROn]屬于幾元酸時，常用電離出H+的個數(shù)也就是羥基的個數(shù)來進(jìn)行判斷。如果用這種方法對硼酸（H3BO3）進(jìn)行類推，那么，硼酸（H3BO3）分子有三個羥基，它就是三元酸。但事實上，H3BO3是一元酸。因為H3BO3的酸性不能用酸堿電離理論解釋，而是要用酸堿電子理論解釋。因為一分子H3BO3能與一分子水電離出的一個OH-反應(yīng)生成H4BO -4，即： BOHHOOH+H2O+H+，所以H3BO3是一元酸。

元素周期律的學(xué)習(xí)中常要比較非金屬元素氣態(tài)氫化物的穩(wěn)定性，通常用“同一周期從左到右，元素的非金屬性逐漸增強(qiáng)，非金屬元素的氣態(tài)氫化物穩(wěn)定性逐漸增強(qiáng)”這樣的規(guī)律來類推。根據(jù)規(guī)律，穩(wěn)定性： CH4NH3。這是因為甲烷分子中，碳原子采取sp3雜化軌道成鍵，C—H鍵的鍵能為415.3kJ·mol-1，分子的空間構(gòu)型是正四面體，具有高度的對稱性，結(jié)構(gòu)的對稱造成分子的穩(wěn)定。而氨分子中，氮原子采取不等性sp3雜化軌道成鍵，N—H鍵的鍵能為390.8kJ·mol-1，分子中有一對孤對電子和三個共價單鍵，分子是三角錐形，分子不對稱，使得分子有相當(dāng)大的極性，偶極矩為1.66D， N—H鍵之間有一定的排斥作用，分子穩(wěn)定性差于CH4[8]。

通過上述例子可以看到，形式類推也存在或然性。鑒于化學(xué)問題的復(fù)雜性，解決某類問題的經(jīng)驗或方法并不能完全遷移應(yīng)用，需要我們加強(qiáng)專業(yè)學(xué)習(xí)，拓寬專業(yè)視野，提高類推的可靠性。

2.3 模型類推中謹(jǐn)慎應(yīng)用類比推理

質(zhì)料類推和形式類推的源問題和靶問題都是化學(xué)中的同質(zhì)問題，而模型類推中的源問題往往不帶化學(xué)屬性，可能只是和靶問題具有某些相似性的實物模型。在化學(xué)中的模型類推就是用宏觀的模型來代替或描述微觀的物質(zhì)或性質(zhì)，說明它的存在，如圖3所示。

化學(xué)是在原子、分子等水平上研究物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，在原子、分子等微觀世界中，很多抽象的信息讓學(xué)生難以理解，如果教師將之與一些生活中的宏觀物質(zhì)、宏觀現(xiàn)象相比較，用適當(dāng)?shù)哪Ｐ痛?，就會變得生動和具體，易于學(xué)生理解和掌握。但在類推時也要注意適用性，要不然容易出現(xiàn)問題。如在講解碰撞理論時，常用“投籃”類比微粒間的碰撞。這樣的類推的確能讓學(xué)生理解有效碰撞需要一定運動取向和能量。但這個類推存在一個問題，就是“投籃”和微粒運動的本質(zhì)不一樣，投籃是主動有目的的行為，而微粒運動是雜亂無序的。因此，容易讓學(xué)生誤會微粒發(fā)生的有效碰撞也是微粒間運動有序的行為。

教學(xué)中常用水池蓄水或進(jìn)出展覽館的人數(shù)來類推平衡，水池蓄水如圖4所示。顯然，當(dāng)V1（H2O）=V2（H2O）時，水池中水的體積保持不變，達(dá)到了“平衡狀態(tài)”。這樣的類推容易使學(xué)生以為化學(xué)平衡也是這種“收支平衡”。其實，兩者本質(zhì)不同?；瘜W(xué)平衡只有在封閉系統(tǒng)里才能達(dá)成，收支平衡卻是一個開放系統(tǒng)。 化學(xué)平衡是平衡態(tài)，而收支平衡卻是穩(wěn)定態(tài)。試想，若我們減少入水管的流量，該系統(tǒng)會不會自發(fā)地減少出水管的流量來維持收支平衡呢？顯然不會。 但化學(xué)平衡卻是個自發(fā)的動態(tài)平衡，兩者在本質(zhì)上是有差異的，教師在類推時一定要告知學(xué)生兩者本質(zhì)上的差異，幫助學(xué)生從本質(zhì)上理解化學(xué)平衡。