化學(xué)科學(xué)及化學(xué)教學(xué)中的推理

吳俊明 張慧琴

摘要： 概述了現(xiàn)代推理的多種類型、化學(xué)科學(xué)中推理的主要題材。討論了化學(xué)推理的主要類型及分布特點(diǎn)、化學(xué)范疇有沒有“證據(jù)推理”、化學(xué)概念與化學(xué)推理的關(guān)系，以及化學(xué)推理能力的形成與培養(yǎng)。

關(guān)鍵詞： 推理; 化學(xué)科學(xué); 化學(xué)教學(xué); 化學(xué)學(xué)科特點(diǎn)

文章編號： 1005-6629（2022）05-0003-05

中圖分類號： G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識碼： B

化學(xué)是研究物質(zhì)（實(shí)物材料）組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和變化規(guī)律的科學(xué)，無論是在宏觀方面進(jìn)行研究，抑或是在分子原子水平上進(jìn)行微觀研究，都離不開推理?；瘜W(xué)科學(xué)的這個特點(diǎn)決定了化學(xué)教學(xué)也離不開推理。為搞好化學(xué)科學(xué)和化學(xué)教學(xué)中的推理活動，本文對化學(xué)科學(xué)和化學(xué)學(xué)科中的推理做一些初步的討論。

1 推理概述

推理是由一個或幾個已知的判斷（前提）推出新判斷（結(jié)論）的過程，“判斷”是對事物情況有所斷定的思維形式;判斷離不開語句，表達(dá)判斷的語句亦稱為命題。邏輯學(xué)認(rèn)為，推理是思維的基本形式之一[1]，并且一直把推理納入自己的研究范疇。知名邏輯學(xué)者陳波鮮明地宣稱：“邏輯是關(guān)于推理和論證的科學(xué)”[2]。實(shí)際上，心理學(xué)、人工智能和現(xiàn)代哲學(xué)等學(xué)科也把推理作為本學(xué)科的研究對象之一。

現(xiàn)代的推理有多種類型：

按推理過程思維方向的不同，可以把推理劃分為演繹推理、歸納推理和類比推理，這是大家比較熟悉的。

推理有直接推理和間接推理之分： 以一個直接的、無條件的判斷（直言判斷）為前提做出的推理是直接推理，又稱直言判斷的推理。以兩個或兩個以上直言判斷為前提做出的推理則是間接推理。其中，兩個直言判斷前提和一個直言判斷結(jié)論組成的推理，叫作直言三段論（所有前提都是直言命題的演繹推理）。

推理有單調(diào)推理和非單調(diào)推理之分： 如果一個推理系統(tǒng)得出的結(jié)論不會隨推理前提條件的增加而改變，相應(yīng)的推理被稱為“單調(diào)推理（monotonic reasoning）”[3]。經(jīng)典邏輯的推理形式是演繹的，因而是單調(diào)的。單調(diào)推理具有語義上的保真性，而非單調(diào)推理（nonmonotonic reasoning）的有效性主要在于符合實(shí)際情況的合理性。換句話說，單調(diào)推理只要滿足前提真，那么結(jié)論一定為真。與之不同，非單調(diào)推理需要滿足對現(xiàn)實(shí)情況的合理解釋。三段論推理規(guī)則中有一條要求： 前提中必須有一個全稱命題和一個特稱命題，由此得到的結(jié)論才是成立的，這就要求對前提中的命題內(nèi)容做逐一考察。然而，在無法掌握所有有用信息的常見情形下這樣做不一定行得通。由于前提中的命題都存在特稱的可能性，或者是有的前提還處于未知狀態(tài)，由此所得的結(jié)論難以肯定成立。因此，一般說來，單調(diào)推理只適用于不太復(fù)雜的事物，非單調(diào)推理適用于比較復(fù)雜的事物[4]。

上面所述各種推理中，有關(guān)事物常常是以抽象的概念形式呈現(xiàn)的。實(shí)際上，它們也可能以概括的形象在人腦中呈現(xiàn)?？梢?，按推理內(nèi)容的性質(zhì)來看，推理還有抽象推理和形象推理之分。

真實(shí)世界充斥了不完全信息和不斷變化的狀況，在解決復(fù)雜問題的過程中，常常要求應(yīng)用并不保證正確的假設(shè)。即使對于一個比較簡單的問題求解任務(wù)，也常常難以找到一組一致性的邏輯公式，即使能找到，也不能保證在變化的世界中保持一致性。因此，有必要放寬傳統(tǒng)邏輯系統(tǒng)的限制、允許作出必要的假設(shè)作為推理的依據(jù)。不過，在做出推理之后，隨著新事物的出現(xiàn)，可能會發(fā)現(xiàn)原先所作的假設(shè)不恰當(dāng)、應(yīng)予撤銷，從而形成推理的非單調(diào)性，即新知識（事實(shí)）的加入引起已有知識（假設(shè)以及基于假設(shè)的推理結(jié)果）的舍棄。這意味著在傳統(tǒng)的定理證明和邏輯演繹技術(shù)不再適用時，必須開拓面向非單調(diào)推理的概念、方法和技術(shù)。假設(shè)推理和缺省推理就是這樣應(yīng)運(yùn)而生的。

在缺乏信息時，一個有效的做法就是根據(jù)已有信息和經(jīng)驗作有益的猜測，只要不發(fā)現(xiàn)反面的證據(jù)就行。含有這些猜測的推理過程稱為缺省推理。限制（Circumscription）是缺省推理的另一種重要類型，即： 將滿足某特性的對象，限制為僅是從基本信念可以推導(dǎo)出滿足的那些對象，只考慮實(shí)際上明顯存在的不利條件，其余的只當(dāng)不存在。換言之，限制推理把應(yīng)考慮的因素限制在易于清晰證明的范圍內(nèi)[5]。

上世紀(jì)70年代前后，登姆普斯特（Dempster）和謝弗推理（Shafer）提出了一種新的推理方法——證據(jù)推理（evidential reasoning，簡稱D-S推理，也稱D-S證據(jù)理論）。該方法將假設(shè)視作一個集合，引入信任函數(shù)、似信度函數(shù)、類概率函數(shù)等概念來描述命題的精確信任程度、信任程度和估計信任程度，對命題的不確定性作多角度的描述，對從不同性質(zhì)的數(shù)據(jù)源中提取的證據(jù)，利用正交求和方法綜合證據(jù)，通過證據(jù)的積累縮小集合，從而獲得問題的解。證據(jù)推理具有處理不確定信息的能力，是一種不確定推理方法。該方法最早應(yīng)用于專家系統(tǒng)中，屬于人工智能范疇。在醫(yī)學(xué)診斷、目標(biāo)識別、軍事指揮等領(lǐng)域，常常需要綜合考慮來自多來源的不確定信息（例如多個傳感器的信息、多位專家的意見等等），通過證據(jù)的積累逐步縮小結(jié)論散布的范圍（集合），以完成問題的求解，證據(jù)理論的組合規(guī)則在求解過程中發(fā)揮著重要作用[6，7]。

2 化學(xué)科學(xué)中推理的主要題材

考察化學(xué)科學(xué)發(fā)展的過程可以發(fā)現(xiàn)，化學(xué)科學(xué)中的推理活動主要集中于下列3個方面[8]。

2.1 關(guān)于元素、化合物的推理

關(guān)于元素、化合物的推理有兩種情況：

第一種情況是關(guān)于個別元素或化合物的推理，主要解決“該元素或化合物存在嗎？”“是該元素或化合物嗎？”“該元素或化合物屬于哪類元素或化合物？判斷的依據(jù)是什么？”“該元素或化合物的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、制法、用途等認(rèn)知要素如何？跟其屬類的一般特點(diǎn)有哪些差別？”等問題。一般說來，只要確定了該元素或化合物的屬類，在掌握該類元素或化合物的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、制法、用途一般規(guī)律的基礎(chǔ)上，可以通過三段論式演繹推理獲得上述問題的答案。729B0DE7-DCDD-4219-8A32-ABED2DCB2662

第二種情況是關(guān)于一類元素或化合物的推理，主要解決“該類元素或化合物的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、制法、用途……的一般特點(diǎn)是什么？它們的標(biāo)志性特點(diǎn)是什么？屬類中各元素或化合物的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、制法、用途等有什么變化規(guī)律？”等問題。解決這類問題，需要先獲得同類元素或化合物的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、制法、用途等方面的實(shí)際考察資料或者文獻(xiàn)資料，通過分析和綜合形成有關(guān)判斷（命題），歸納推理是其邏輯活動的主要形式。

2.2 關(guān)于化學(xué)反應(yīng)的推理

關(guān)于化學(xué)反應(yīng)的推理主要涉及“這是什么反應(yīng)？”“該化學(xué)反應(yīng)的諸要素（反應(yīng)物、生成物、反應(yīng)條件、特別條件等）以及應(yīng)用價值是什么？”“該反應(yīng)是怎樣的？其宏觀過程和微觀過程各有哪些特點(diǎn)？”“該化學(xué)反應(yīng)在化學(xué)反應(yīng)分類體系中屬于哪一類？”“該類化學(xué)反應(yīng)的一般特點(diǎn)是什么？”等問題。

如果先確定了反應(yīng)類型，其后的思維活動主要是進(jìn)行演繹推理。

為了確定一類反應(yīng)的一般特點(diǎn)，需要在綜合思維的基礎(chǔ)上進(jìn)行歸納推理。

2.3 關(guān)于各種化學(xué)理論的推理

科學(xué)理論是由科學(xué)事實(shí)、科學(xué)概念、科學(xué)規(guī)律等構(gòu)成的特殊的陳述說明系統(tǒng)，它們不僅具有概括、解釋功能，還具有預(yù)言功能，具有可檢驗性、可證偽性。

把實(shí)物材料在特定方面的科學(xué)事實(shí)、科學(xué)概念和推理所得規(guī)律等等按照一定的架構(gòu)組織起來，即形成該方面的化學(xué)理論?；瘜W(xué)科學(xué)中的元素理論、原子理論、分子理論、化學(xué)鍵理論、燃燒理論、電解理論、質(zhì)量作用定律、當(dāng)量定律、反應(yīng)速率理論、化學(xué)平衡理論、質(zhì)量守恒定律、催化理論、活性理論、元素周期律理論、溶液理論、膠體理論等等，都是這樣形成的科學(xué)理論。歸納推理、演繹推理在其中核心概念及理論體系整體的形成中都有著重要的作用，是萬不可“缺席”的。

3 關(guān)于化學(xué)推理幾個問題的討論

這里所謂“化學(xué)推理”主要是指化學(xué)科學(xué)中的推理，常常也包括化學(xué)教學(xué)中的推理。

3.1 化學(xué)推理的主要類型

演繹推理、歸納推理和類比推理的思維方向各不相同，但它們有著共同之處——揭示事物之間一般與特殊的關(guān)系。事物之間總是存在著某些相互聯(lián)系，事物之間普遍存在一般與特殊的關(guān)系。從化學(xué)科學(xué)的角度看，物質(zhì)世界中，各種各樣的實(shí)物材料之間普遍存在著一般與特殊的關(guān)系。因此，演繹推理、歸納推理和類比推理適用于實(shí)物材料的認(rèn)知，適用于化學(xué)研究與學(xué)習(xí)活動中的思維活動。

另一方面，物質(zhì)世界中的實(shí)物材料是多種多樣的、十分繁雜。宏觀的實(shí)物材料實(shí)際上是由數(shù)量巨大的分子、原子等微粒構(gòu)成的巨系統(tǒng)，作為反應(yīng)物的實(shí)物材料可能呈現(xiàn)不同的物相、處于不同的狀態(tài)，實(shí)物材料發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)絕大多數(shù)都是由一系列基元反應(yīng)組成的復(fù)雜反應(yīng)，各基元反應(yīng)間可能存在著平行、對峙或者連續(xù)關(guān)系，不同反應(yīng)發(fā)生和進(jìn)行的條件則是各式各樣，這些因素共同作用就使絕大多數(shù)化學(xué)反應(yīng)系統(tǒng)具有復(fù)雜性。如果化學(xué)反應(yīng)系統(tǒng)還跟外界發(fā)生物質(zhì)、能量或者信息等方面的交換，就會成為復(fù)雜性層級最高的“開放的復(fù)雜巨系統(tǒng)”，致使從化學(xué)角度認(rèn)知實(shí)物材料時，演繹推理、歸納推理和類比推理不敷應(yīng)用，必須采用一些特殊的簡化方法、近似方法，包括統(tǒng)計方法以及化學(xué)熱力學(xué)方法和化學(xué)動力學(xué)方法等等。總之，演繹推理、歸納推理和類比推理根本適應(yīng)不了認(rèn)知復(fù)雜的實(shí)物材料化學(xué)系統(tǒng)，對實(shí)物材料化學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行推理時必須采用特別的、具有化學(xué)學(xué)科特點(diǎn)的推理方式，其中包括具有近似性的推理方式。

翻開化學(xué)史可以發(fā)現(xiàn)，各種假說假設(shè)-推理、假說假設(shè)-證明充棟其中，哪怕是認(rèn)知初期的嘗試、試探，它們也帶有假設(shè)或假說的影子。其數(shù)量遠(yuǎn)多于簡單的演繹推理、歸納推理和類比推理。為了進(jìn)行推理，常常要對真實(shí)情況進(jìn)行簡化;為了適應(yīng)認(rèn)知對象的復(fù)雜性，間接推理要比簡單的直接推理多。

此外，由于化學(xué)的研究對象是實(shí)物材料，在認(rèn)知過程中關(guān)于實(shí)物材料的形象推理也是比較多的。尤其是物質(zhì)的分子原子層次微觀形象在化學(xué)的認(rèn)知中常常起到重要的、關(guān)鍵的作用。在實(shí)物材料認(rèn)知過程中，對實(shí)際情況的合理解釋更加被看重，使有關(guān)的假設(shè)或假說往往具有非單調(diào)色彩。

間接推理多于直接推理;假說或假設(shè)-推理，以及缺省推理等，多于演繹推理、歸納推理和類比推理;形象推理多于抽象推理，是化學(xué)科學(xué)中各種推理分布的總體特點(diǎn)。但是，這個總體特點(diǎn)不排除在某些局部出現(xiàn)與此不一致的情況。

3.2 “證據(jù)”與推理的關(guān)系

前面我們已經(jīng)簡介了人工智能范疇的證據(jù)推理。我們相信，經(jīng)過認(rèn)真和深入的思考，讀者不難做出判斷： 人工智能范疇的證據(jù)推理是為決策服務(wù)的，不適用于化學(xué)。

化學(xué)范疇能不能有自己的“證據(jù)推理”？要就此問題得出正確的結(jié)論需要弄清楚： 什么是“證據(jù)”？推理的操作對象或者“原材料”是什么——是“事實(shí)或材料”還是判斷、命題？

通常，“證據(jù)”被解釋為“能夠證明某事物的真實(shí)性的有關(guān)事實(shí)或材料”[9]，與此相應(yīng)，化學(xué)范疇的“證據(jù)”是指實(shí)驗或?qū)嶋H中的“事實(shí)或材料”;然而，人工智能范疇證據(jù)推理中的“證據(jù)”是“從不同性質(zhì)的數(shù)據(jù)源中提取的”，它們是用于描述命題的精確信任程度、信任程度和估計信任程度的，這兩處的“證據(jù)”根本不是一回事。更何況，實(shí)驗或?qū)嶋H中的事實(shí)或材料本身并不是判斷、不是命題，怎么可以用來推理呢？既然它們不能用來推理，化學(xué)范疇的“證據(jù)推理”就不可能存在，是一個虛假的、似是而非的偽概念。

3.3 化學(xué)概念與化學(xué)推理的關(guān)系

概念是人腦對客觀事物本質(zhì)的反映，是思維活動的結(jié)果和產(chǎn)物。同時，概念又是思維活動借以進(jìn)行的單元[10，11]。

在既有概念的基礎(chǔ)上，可以進(jìn)行判斷活動。判斷是思維的基本形式之一，其功用是對思維對象是否存在、是否具有某種屬性以及事物之間是否具有某種關(guān)系等等進(jìn)行肯定或否定。判斷表示概念之間的關(guān)系，概念是判斷的組成部分。

由判斷可以形成命題。命題是指判斷實(shí)際表達(dá)的意思，不是指判斷句本身。這意味著同一個命題存在著用不同的判斷句表述的可能。729B0DE7-DCDD-4219-8A32-ABED2DCB2662

推理揭示判斷之間的關(guān)系，判斷是推理的組成部分。通過判斷和推理可以得到新的認(rèn)識、形成新的概念。

由于概念是判斷或命題的組成單位、推理是依賴判斷進(jìn)行的，沒有概念就無法組成命題，更無法進(jìn)行判斷和推理。因此，化學(xué)概念是形成化學(xué)推理的基礎(chǔ)，沒有恰切、準(zhǔn)確的化學(xué)概念就沒有正確的化學(xué)推理。

通常認(rèn)為，概念是抽象思維的一類產(chǎn)物，形成概念時無須進(jìn)行推理。筆者在查閱文獻(xiàn)時未見論及概念形成跟推理有關(guān)，可能跟上述認(rèn)識有關(guān)。然而，筆者在研讀化學(xué)史時發(fā)現(xiàn)，實(shí)際情況并非絕對無關(guān)。

例如： 波義耳曾經(jīng)指出： 黃金是不怕火的，它既不能被火分解，更不會在火的作用下產(chǎn)生鹽、硫或汞;但它可以和其他金屬一起生成合金，還可以溶解在王水里，這些產(chǎn)物經(jīng)過適當(dāng)處理，黃金又可以恢復(fù)原性。由此推斷金的“顆?！苯?jīng)過各種結(jié)合之后，仍然不變（假設(shè)推理）。

波義耳指出，葡萄汁在發(fā)酵之后可以變?yōu)榫凭?，類似的一系列例子說明同一物質(zhì)經(jīng)過不同的處理會轉(zhuǎn)變?yōu)榍Р钊f別的東西，說明物質(zhì)的構(gòu)造和性質(zhì)是復(fù)雜的，不是“水、火、土、氣”四元素或者“汞、硫、鹽”所能組成的，更不是幾種原性所能概括的（歸納推理）。他注意到： 在冶金和金屬加工工業(yè)中，金屬經(jīng)過煅燒以后所得到的灰渣往往比金屬本身還要重，這說明灰渣絕不是金屬分解之后留下的什么“土”元素，而是比金屬本身還要復(fù)雜的物質(zhì)（假設(shè)推理）。

從這些事實(shí)出發(fā)，他指出：“我說的元素應(yīng)當(dāng)是某些不由任何其他物質(zhì)所構(gòu)成的原始的和簡單的物質(zhì)或完全純凈的物質(zhì)”，“是具有一定確定的、實(shí)在的、可覺察到的實(shí)物，它們應(yīng)該是用一般化學(xué)方法不能再分解為更簡單的某些實(shí)物”（歸納推理）。這樣，波義耳就給化學(xué)元素下了一個樸素的、比先前的其他定義科學(xué)的定義[12]。

上述例子中含有歸納（“類似的一系列例子……”）等推理活動，但歸納的目的不在于元素概念，而是“說明同一物質(zhì)經(jīng)過不同的處理會轉(zhuǎn)變?yōu)榍Р钊f別的東西，說明物質(zhì)的構(gòu)造和性質(zhì)是復(fù)雜的……”，不能由此否定波義耳的元素概念是抽象的產(chǎn)物而認(rèn)為概念是推理的結(jié)果。

化學(xué)史中這方面的例子很多，為避免本文篇幅過大，筆者不再贅述。如有需要，請需要者自行查閱化學(xué)史料。

4 化學(xué)推理能力的形成與培養(yǎng)

根據(jù)上面的討論，化學(xué)概念是形成化學(xué)推理的基礎(chǔ)，要形成化學(xué)推理能力，首先必須掌握有關(guān)的化學(xué)概念，打好有關(guān)的化學(xué)概念基礎(chǔ)。其次，必須能夠運(yùn)用概念正確地進(jìn)行判斷、形成相應(yīng)的命題。然后，能用有關(guān)命題合理地構(gòu)成必要和恰當(dāng)?shù)耐评怼Ｔ谶@個過程中，靈活地選擇適當(dāng)?shù)耐评眍愋褪呛苤匾?，在推理對象比較復(fù)雜的情況下尤其需要注意這一點(diǎn)。

能力是在活動中形成的。要使學(xué)生形成化學(xué)推理能力，必須重視組織他們參加適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)推理活動。為此，應(yīng)該重視開展問題解決教學(xué)，讓學(xué)生在解決問題的實(shí)踐中逐步學(xué)會化學(xué)推理。

要注意化學(xué)推理的學(xué)科特點(diǎn)——間接推理多于直接推理;假說假設(shè)-推理多于演繹推理、歸納推理和類比推理;形象推理多于抽象推理。為此，應(yīng)重視研究、了解化學(xué)學(xué)科形成和發(fā)展的歷史，在化學(xué)學(xué)科形成和發(fā)展的歷史中選擇、運(yùn)用典型案例進(jìn)行示范，引導(dǎo)學(xué)生感悟、體會。

現(xiàn)在，有人專門編制了思維訓(xùn)練題來供學(xué)生練習(xí)。可惜，這類思維訓(xùn)練題大多是圍繞簡單的演繹推理、歸納推理和類比推理編寫的，跟真實(shí)的化學(xué)推理活動距離比較大，效果不見得好，且有增加學(xué)生負(fù)擔(dān)之嫌。

化學(xué)推理能力的形成與培養(yǎng)有助于培養(yǎng)學(xué)生的化學(xué)創(chuàng)新能力，有助于提升學(xué)生的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。我們期待更多的教師關(guān)心化學(xué)推理能力的形成與培養(yǎng)，創(chuàng)造越來越多、越來越好的新經(jīng)驗。

參考文獻(xiàn)：

[1]中國社會科學(xué)院語言研究所詞典編輯室.

現(xiàn)代漢語詞典（第6版）[M]. 北京： 商務(wù)印書館， 2012： 1323.

[2]陳波著. 邏輯學(xué)導(dǎo)論（第2版）[M]. 北京： 中國人民大學(xué)出版社， 2003： 1.

[3]https：//baike.baidu.com/item/單調(diào)推理/53348508？fr=aladdin.

[4]https：//baike.baidu.com/item/非單調(diào)推理/21125946？fr=aladdin.

[5]陳志華. 非單調(diào)推理. https：//wenku.baidu.com/view/ba7ae8d233d4b14e852468f7.html. 2010-06-14.

[6]https：//baike.baidu.com/item/證據(jù)推理/4861327？fr=aladdin.

[7]https：//baike.baidu.com/item/ds證據(jù)理論/9496556？fr=aladdin.

[8][12]《化學(xué)發(fā)展簡史》編寫組編著. 化學(xué)發(fā)展簡史[M]. 北京： 科學(xué)出版社， 1980： 72.

[9]https：//www.baidu.com/s？word=證據(jù)&tn=site888_pg&ch=3&lm=-1&ssl_s=1&ssl_c=ssl1_17bcf32bb51&prec=1.

[10]https：//baike.baidu.com/item/概念/829047？fr=aladdin.

[11]https：//baike.baidu.com/item/命題/119969？fr=aladdin.729B0DE7-DCDD-4219-8A32-ABED2DCB2662