中學化學類比推理的難點成因分析及教學策略

陳雪晴 王后雄

摘要：類比推理作為一種重要的思維方式，是教學中常用的有效手段之一。由于化學知識存在深、雜、混、特等特點，常存在缺少完整的類比系統，難以確定對應的類比源，對類比對象相似性認識模糊，過于追求類比結果的形式化，并易受思維定勢的干擾等缺陷。通過對類比的難點成因進行深度分析，探尋類比推理教學的幾點有效策略，以期高效培養學生的思維能力和創造發明精神。

關鍵詞：化學教學；類比推理；教學策略

文章編號：1008-0546（2015）12-0000-00 中圖分類號：G632.41 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2015.12.000

縱觀化學發現史，可以發現類比推理是化學家建立科學假說、進行科學探究的重要思維方式，是通往科學發現的階梯。[1]《普通高中化學課程標準（實驗）》中明確提出“在化學學習中，能夠運用比較、分類、歸納、概括等方法對信息進行加工”課程目標。[2]其中，就涉及到類比推理意識的建構和能力的培養。類比推理已然成為理科教學中常用的有效教學手段之一。然而，值得強調的是，由于類比推理本身的局限性及化學學科特點，使其運用于教學時存在較多障礙。本文結合自身有限的教學探索和參考文獻，分析導致類比推理的幾點難因，并針對這幾點難因提出相應的優化策略。

一、 類比推理概念的界定

在邏輯學上，類比推理是指：從兩個或兩類事物某些屬性相似或相異出發，根據其中某個或某類事物有或沒有某些屬性，進而推出另一個或另一類事物也有或沒有某些屬性的思維過程。[3]與演繹推理和歸納推理不同，類比推理是由個別到個別或由特殊到特殊的推理。其前提和結論之間不具有蘊涵關系。作為一種或然性推理，類比推理有其局限性。其最常見的類比模式為：

A對象有屬性a，b，c；

B對象有屬性a′，b′；

所以B對象也可能有屬性c′。

二、 類比推理的難因分析

固然，在教學中，運用類比教學法可促進學生多方面的發展，在解題中運用類比推理也往往能達到舉一反三、觸類旁通的效果。然而，類比推理畢竟是一種或然性推理，其邏輯形式的推理是否有效與其前提內容的真假無關，因此其結論未必正確。類比模式多樣化、對類比“生長點”的判斷能力不足以及對類比原理的理解不深也必然導致學生的隨意猜想和錯誤類比。

1. 類比模型的建構缺乏系統性

印大雙指出，類比推理的二重性導致了它的復雜性。一方面是主觀選擇因素，另一方面是客觀因素，即推理者的已有知識和能力及兩類比物之間的客觀相似基礎。[4]源域之廣及主觀差異之大使其難以建立一個完整的、嚴格的類比模型。

類比推理方式極其多樣化，有時在一個課時知識中就存在多種類比。例如有老師在進行“物質的量”教學時就存在“量的類比”、“單位的類比”、“集合思想的類比”、“ 摩爾質量的類比”。[5]因此在整個中學化學知識系統結構中，類比推理的模式并不唯一。

如下，例1是水與液態SO2的性質類比推理；例2是HCl與CO2的性質類比；由解題思路可知，二者的類比模式截然不同，且都不是單一的性質類比。

[例1] 已知水的電導率和液態SO2電導率相近。氫離子可以用來滴定氫氧根離子，試用推理思考SOCl2是否可以用來滴定Cs2SO3。

解答此題時，首先要明白類比的兩個對象是水和液態SO2，其次要知道類比的相似點是酸堿滴定原理。根據水與液態SO2電導率的相似，結合酸堿滴定原理，可逐步類比推理。

∵水有屬性①：H++OH-=H2O

衍生屬性②：HCl+NaOH=H2O+NaCl

又∵水與液態二氧化硫電導率相近

∴液態SO2有屬性①：SO2++SO32-=2SO2

屬性②：[例2] 我國古代將爐甘石（ZnCO3）、赤銅（Cu2O）和木炭混合后加熱到800℃左右，得到一種外觀似金子的合金。寫出有關反應的化學方程式。

該題并未明確指出類比對象和兩者之間的相似性，這是造成類比困難的原因所在。事實上，該題中涉及CaCO3與ZnCO3高溫分解性質的類比，CuO 與ZnO、Cu2O碳還原性質的類比。

類比1：CaCO3 CaO+CO2↑

ZnCO3 ZnO+CO2↑

類比2：C+CuO Cu+CO2↑

C+ZnO Zn+CO2↑

C+Cu2O Cu+CO2↑

2. 難以確定對應的類比源

根據Gentner的結構映射理論可知，類比推理大致要經歷以下三個步驟：一是建構源問題和靶問題的表征或圖式；二是建構類比關系，映射源問題和靶問題之間的對應關系；三是借用源問題的解決方法來解決靶問題。[6]因此在解決類比推理問題時，首先要搜索并確定記憶中可供參考的事例或解決方法——恰當的類比源，這一環節可稱之為問題的類化。如下例所示，解答該題的關鍵在于學生要在類比模型中搜索到所熟知的金剛石和 SiO2晶體。

[例3] 水分子間因存在“氫鍵”的作用而彼此結合形成 （H2O）n。在冰中每個水分子被 4 個水分子包圍形成變形的正四面體，通過“氫鍵”相互連接成龐大的分子晶體，其結構如右圖所示。問1mol 冰中有 mol 的“氫鍵”。

3. 類比對象的相似性認識模糊

在確定類比源之后，就要建構類比關系，即將靶問題與源問題的各部分進行匹配，產生解決靶問題的方法，也就是相似點的尋找。因此明確源問題與靶問題之間相似性也至關重要。如下例所示，解答此題時，首先要明白HCl與CO2相似性不在于常見的性質、結構等，而是二者都存在的溶解平衡這一相似性。

[例4] 已知除去HCl中的Cl2常用飽和NaCl溶液，是因為HCl溶于水時存在HCl■H++Cl，因此當溶液中存在大量的H+或Cl-，平衡向左移動，HCl的溶解度大大降低。試問除去CO2中的SO2用什么試劑？

4. 對類比結論過于追求形式化

在邏輯學中，類比推理只關乎邏輯形式的真假性。但在具體的問題解決中，類比推理結論的可靠程度是我們最為關注的。因此，類比推理除了關注結論和形式的類比，更要強調思維和過程的類比，避免陷入“機械類比”——只需結論“形式上相似”即可，過于追求形式化的表象特征。如下例所示，解答本題時，不能機械地進行化學方程式形式上的類比，否則容易得出錯誤的答案CaC2+H2O■CH4+Ca（OH）2↑，而應該在過程上推敲，根據其化合價可知電石與水反應生成了乙炔而不是乙烷。

[例5] 已知Mg與Ca都屬于堿土金屬，性質類似，其中氮化鎂與水發生如下反應Mg2N2+H2O■NH3↑+Mg（OH）2↓，試寫出電石（CaC2）與水的反應方程式

。

5. 類比思維定勢的干擾

由于化學知識的一般規律性中往往存在特殊性，而這個特殊性也是高考中常考察的內容。因此當依循一般規律進行類比時，規律性的結論常常有例外或不適用的情況，這就是形成類比定勢后容易出現的錯誤類比思維。

[例6] 最近科學家發現一種由鈦原子和碳原子構成的氣態團簇分子，如圖所示。頂角和面心的原子是鈦原子，棱的中心和體心的原子是碳原子，則它的化學式是（ ）。

A.TiC B.Ti6C7

C.Ti14C13 D.Ti13C14

解答此題時，學生錯答A約占67%。[7]看到此圖學生習慣性聯想到晶胞原型（《物質結構與性質》教科書人教版第66頁、山東科技版第85頁、江蘇教育版第32頁都提供了晶胞切割計算方法），并與之類比、匹配，忽視了題中“團簇分子”的暗示。

類似案例不勝枚舉，又如MgO和Al2O3在一定條件下熔融下都在陰極生成對應金屬，在陽極生成氧氣。又知MgCl2熔融電解在陰陽兩極分別得到Mg和Cl2，受上述電解反應的定勢影響，部分學生會類比推出AlCl3熔融電解在陰陽兩極分別得到Al和Cl2。事實上MgCl2為離子晶體，AlCl3屬于分子晶體，它不經熔化即在180℃升華，在氣相時為二聚體Al2Cl6。

三、 類比推理應用的教學策略

1. 建構系統的類比模型，提升類比準確性

印大雙指出，將事物的特征進行系統比較，而不是單個屬性的比較，可增加類比結論的可靠性。系統越大，系統的特征匹配程度越高，則類比推理結論越可靠。[8]因此對知識進行加工，使其系統化，有助于學生在頭腦中形成了清晰的模型系統，在解題中，進行類比時便能針對不同類型的問題迅速在記憶中搜索可類比的模型，與之匹配，而不會束手無策、無從下手。

類比的種類繁多，可以是概念性類比、過程性類比、方法性類比，也可以是知識的橫向與縱向類比等。[9]根據其范疇的不同，可將類比分為系統內類比與系統間類比。系統內類比是指單個知識系統內兩個或以上的不同對象部分屬性的對比，如元素周期表中氯與溴、碳與硅、鈉與鉀、硫與氧的性質比較；含氧衍生物中的醛與酮、醇與酚等。系統間類比是指兩個不同知識系統之間概念、原理、性質、組成、用途等方面比較完整的類比，如原電池與電解池、水解與電離、水解平衡與電離平衡；堿金屬與堿土金屬性質的類比等。另外，除了化學知識內部的類比還有化學與生活、化學與其他學科的類比，如高考分數線下降、大學錄取率增大類似于催化劑降低活化能從而加快反應速率，比如蓋斯定律與爬山的相似性。

2. 拓深已有知識量和質，明確類比對象相似性

類比源既可以是已有化學知識或相關學科知識，也可以來源于日常生活經驗。在教學中如若能引導學生明確類比對象以及類比的“生長點”，可以有效避免濫用相似屬性或者不適度地運用相似屬性導致思維相似塊在化學學習中紊亂應用。

例如，在例2、3中都未曾明確指出類比對象及其相似性，若學生知識域越廣，對物質性質的了解越系統、清晰，越有利于他在解決問題時準確合理地進行類比。

3. 強調思維過程的類比，防止形似神不似

類比的或然性導致類比的結論存在錯誤的可能性，尤其是忽略邏輯思維過程的推理直接進行機械的形式上的類比。類比推理更注重思維過程的類比，因此在教學中一方面要鼓勵學生根據類比對象的相似性及類比規律大膽猜想，另一方面又要要嚴格要求學生嚴謹分析類比的思維過程，保證邏輯的正確性，并對之進行檢驗。比如例5中的問題，如果忽視了類比思維的過程和本質則容易過于追求結論的形式化，得出錯誤結論。因此類比思維過程的正確性是保證結論正確的一個重要前提。

4. “求同”與“尋異”并進，打破類比思維定勢

類比定勢常由類比不當引起，其特征是模仿類推、思路固化。當兩類對象存在明顯的形同相似點時，往往容易掩蓋其相異處，而類比的屬性恰好為該相異屬性，則類比結論往往錯誤。這也符合類比的“或然性”特征。

因此在教學中盡量指出類比一般規律中的特例。比如在講解過氧化鈉的性質時要區分對待其和二氧化碳、二氧化硫的反應，特別指出SO2與CO2的不同之處——還原性。

Na2O2+CO2■Na2CO3+O2

Na2O2+SO2■Na2SO4

再比如Fe3+、Al3+ 溶液和溶液發生雙水解，因此將Fe3+、Al3+ 與 溶液發生雙水解反應進行類比得出Fe3++S2-+H2O■Fe（OH）3↓+H2S↑，忽略了Fe3+的氧化性。

上述貌似形同、相似，實質相異的“反例”在中學化學中不勝枚舉，教學時應引導學生“求同”與“尋異”并進，在充分運用類比推理揭示物質內在聯系和共性的同時，強調對個性的認識，避免思維定勢，以掌握恰當類比的事實依據。

參考文獻

[1] 李德才，鄭長龍. 化學科學探究以類比推理為主要思維方式[J]. 山西財經大學學報，2012，34（2）：94

[2] 中華人民共和國教育部.普通高中化學課程標準（實驗）[M]. 北京：人民教育出版社，2003

[3] 中國人民大學哲學系邏輯教研室編. 形式邏輯[M]. 北京：中國人民大學出版社，1984

[4][8] 印大雙. 類比理論研究：現狀與展望 [J].探索，2010，（1）：186-190

[5] 劉晨明. 物質的量闡釋過程的類比方法[J]. 中學化學教學參考，2006，（06）：10-12

[6] 陳英和，趙笑梅. 類比問題解決的理論及研究[J]. 北京師范大學學報（社會科學版），2008，（1）：50-55

[7] 王后雄. 化學教學診斷學[M]. 武漢：華中師范大學出版社，2002

[9] 曹瑞.類比教學法的研究與應用[J]. 教學與管理，2011，（27）：128-129