淺談三段論演繹推理法在化學教學中的應用

程潔鑾 李佳 李曉燕 汪朝陽

摘要：分析化學中證據推理與邏輯推理的關系，從邏輯學角度簡述三段論演繹推理法中的格與式以及利用格與式命名直言三段論演繹推理的有效形式。結合實例詳介三段論演繹推理法在化學教學中的應用及作用，旨在幫助學生更好地進行邏輯思維的建構。

關鍵詞：三段論;演繹推理法;證據推理;化學教學研討

1 引言

化學學科核心素養是學生通過化學學科學習而逐步形成的正確價值觀念、必備品格和關鍵能力[1]。在證據推理素養方面，新課標明確提出學生要具有證據意識，能基于證據對物質組成、結構及其變化提出可能的假設，通過分析推理加以證實或證偽，建立觀點、結論和證據之間的邏輯關系[2]。基于此，教師開始注重在教學上培養學生的化學證據推理能力，但缺乏較為行之有效的教學策略。因此，如何采取有效策略使之在教學上真正落地，是教師關注的熱點問題。

高中化學課程標準對證據推理素養的要求可概括為兩點，一要有證據意識，二要建立觀點、結論和證據之間的邏輯關系。在教學中應用邏輯學相關理論可以更好地指導教師處理相關教學內容的邏輯關系。鑒于此，本研究主要探討在教學中如何應用三段論演繹推理法以培養學生的化學學科證據推理素養。

2 理論基礎

2.1 邏輯推理與命題的關系

“邏輯”一詞最早起源于希臘詞，即“邏各斯”。邏各斯的基本語義是言辭、理性、秩序、規律。在現代漢語中，邏輯主要是指思維的規律、規則。邏輯研究的核心是思維中的推理，命題是推理的建筑基塊[3]。一個命題是指可供判斷的陳述句，斷定事情是如此這般。推理是從一個或者一些已知的命題得出新命題的思維過程或思維形式[4]。因此，邏輯推理是指基于一定的思維標準，從一個或多個命題有效地推導出新命題的思維過程或思維方式。

2.2 命題與證據的關系

威廉姆森[5]認為，只有命題才能發揮證據這個日常概念的核心理論功能。證據的作用通過命題來實現，而命題則使證據中所蘊含的關于物質及其變化的事實或各類物質及其反映的不同特征得以發現和確立。由此可見，命題與證據之間存在著必然聯系。在某種意義上，所有的證據都是命題，只有認知主體把握的命題才能是它的證據。因此，建立觀點、結論和證據之間邏輯關系的過程就是邏輯推理過程。

2.3 三段論演繹推理

邏輯推理可分為類比推理、歸納推理和演繹推理。演繹推理是指從一般性的前提出發，通過推導得出具體陳述或個別結論的過程[6]。它是必然性推理，其前提的真能夠確保結論的真。演繹推理的基本形式是三段論。三段論是由一個共同詞項把兩個直言命題連接起來，得出一個新的直言命題作為結論的推理。直言命題是一個主謂式命題，它斷定某個數量的對象具有或者不具有某種性質，因此也叫做性質命題，其基本結構是（量項）+主項+（聯項）+謂項。故也可說三段論是一種以兩個包含著一個共同詞項的性質判斷為前提，推出一個新的性質判斷為結論的推理形式[7]。

三段論中結論的主項是小項（用S表示），含有小項的前提是小前提;結論的謂項是大項（用P表示），含有大項的前提是大前提;兩個前提共有的詞項叫做中項（用M表示）。根據中項在前提中的不同位置，三段論可分為四種不同的格，可分別表示如圖1所示。

每個三段論都有一個式。三段論的式是由其所含直言命題的類型而定（以字母A、 E、 I、 O為標志）。A命題類型：所有S是P;E命題類型：沒有S是P;I命題類型：有S是P;O命題類型：有S不是P。每個三段論的式都由三個特定順序排列的字母組成，分別對應大前提的類型、小前提的類型、結論的類型。譬如，大前提：鹵代烴是一種可水解成醇的物質;小前提：一氯甲烷是鹵代烴;結論：一氯甲烷是一種可水解成甲醇的物質。該三段論屬于第一格，其中三個直言命題都是屬于A類型，故可表示為第一格AAA[8]。在三段論中，一個格有64個可能的式，而三段論共有四個格，于是三段論總共有256個可能的形式。但并非所有形式都是有效的，可依據三段論規則（如表1所示），進行無效性排除。

依據表1的三段論規則，256個形式中，在排除那些違反了一條或幾條規則的形式之后，僅剩下15個有效的直言三段論形式，具體如表2所示。

許多世紀以來，邏輯訓練的一種常用方式，就是通過給出三段論有效形式的名稱，來為三段論推理的可靠性進行辯護，從而提高識別有效推理與無效推理的能力[9]。在化學教學中，要讓學生能夠基于證據去構建結論與證據間的邏輯關系，教師需要通過不斷加強學生關于有效推理三段論式的培養，讓學生自主利用三段論的有效形式診斷自身的演繹推理過程，從而提高學生的有效推理能力。

2.4 問題解決中的證據與推理

邏輯推理是一個產生新知的過程，它不僅依賴于邏輯，還需要以相關知識為先決條件。故在證據推理能力的培養中，證據的有效獲取起著決定性作用。

問題解決過程一般可分為以下七個階段，分別是理解和表征問題、尋求解答、制定預期結果、探索可能的方法解決問題、組織數據和計算、評價，具體如圖2所示[10，11]。

在理解和表征問題中，我們識別有用信息，對問題情境中的信息進行表征，當表征的問題能夠激活大腦中已有的相應圖式，該圖式可作為一個證據，使我們自然聯想出一個頓悟式的解決方案。如果沒有現成的圖式可循，這說明我們已有認知圖式中可提供的證據不夠充分，證據間的關系尚未有效構建。針對該問題需要進入尋求解答階段，尋求更多證據，并據此進行相應的邏輯推理來建立更多聯系，制定預期結果，探索可能的方法去解決問題。

3 化學學科證據推理能力的培養

3.1 應用化學證據和三段論的格與式培養推理能力

從化學學科看，證據可分為理論證據和實驗證據。理論證據包括化學基本原理、物質的化學性質、具體的化學反應等;實驗證據是通過實驗可獲得的有用的相關現象（如顏色、聲音、狀態變化等）及所收集到的實驗數據。化學教學中，教師應以化學證據為載體，有意識地培養學生邏輯推理的基本形式（如三段論演繹推理），并讓學生基于此去構建結論與化學證據間的邏輯關系。

三段論演繹推理中，第一格的AAA式是一種有效推理的三段論形式（見表3），下面以該類型三段論為例進行化學推理分析。

在化學學習中，若學生無法通過已知條件推理得出正確答案，主要在于推理的無效性。為了提高學生的化學證據推理能力，需要在化學教學中教授有效的邏輯推理形式，讓學生對照表2的有效形式，診斷自身的推理過程。如大前提：化學反應都存在能量變化;小前提：熔化過程存在能量變化;結論：熔化過程是化學反應。該推論屬于第二格的AAA三段論形式，不在表2有效形式的范圍內，是無效的，它不符合“中項至少在一個前提中周延”的三段論規則。根據“化學反應”和“熔化過程”分別與“能量變化”的聯系，“化學反應”和“能量變化”在兩個前提中都不周延，都沒有提及到全部“能量變化”。

3.2 應用信息加工理論，提取證據進行邏輯推理

學生學會了邏輯推理的基本形式并不意味著學生就獲得了證據推理能力。學生如何才能準確提取解決化學問題所需的相關證據呢？我們可利用信息加工理論對有機化學中的邏輯推理進行簡單分析。

在邏輯推理前，需要對問題進行理解和表征。譬如，對問題的表征是制備丙酸甲酯，這時，大腦中已有的認知圖式“酸和醇反應可制備酯”被激發，那么“酸和醇反應可制備酯”的圖式就可作為一個證據幫助我們解決合成問題。

當所表征的問題無法激發大腦產生相應圖式時，就需進入尋求問題解答階段，尋找更多證據。如在有機合成題中，學生要能夠進行合成路線設計，需要具備碳骨架構筑和官能團轉化的相關知識。其中，關于碳骨架構筑的有機反應在高中教材主要涉及加聚反應，但在高考試題中還會涉及羥醛縮合、格氏試劑反應等[12]。面對這些新的刺激，學生需要學會對陌生信息進行順應，把刺激整合到已有的認知結構中，才可進行證據間的關聯，從而進行演繹推理。

證據獲得后接著需要以合成目標分子為導向探索可能的方法解決問題。在有機合成路線中，我們會面臨問題表征與認知圖式中證據模塊的匹配問題。當問題表征無法引起相應的刺激時，說明問題表征的難度太大或是表征不當，需要運用一定的策略來解決問題。鑒于高考試題合成的目標有機物分子比較復雜，往往采用逆向合成法，根據官能團和碳骨架特點將目標有機物分子合理拆分成幾個片段，縮小證據尋求的難度，有利于問題解決所需證據的匹配。方法策略獲得后則可進入組織數據和計算階段，該階段對有機合成題來說，就是組織證據，建立證據之間邏輯關系的階段。

3.3 教學案例詳解

下面將以一道有機合成題為例，具體論述如何發展學生的證據推理能力。

寫出用環戊烷和2-丁炔為原料制備化合物的合成路線。

已知：

對于目標物的合成，可根據其碳骨架特點，用逆向合成法進行拆解。如何切斷目標分子，涉及對陌生信息的同化。學生要將“碳碳雙鍵與碳碳三鍵反應可成環”作為一個新證據整合到已有的認知圖式中，并利用該證據把目標有機物分子拆成環戊烯和2-丁炔兩個小片段，與原料進行比對，尋求證據匹配。

如對照原料環戊烷與小片段環戊烯，存在碳碳雙鍵的引入關系，該問題表征可刺激大腦中已有的關于碳碳雙鍵引入的認知圖式，選擇合適的證據（如鹵代烴的消去、鹵素原子的引入），進行中間體的合成。

通過分析，可看出要合成目標產物，需要具備鹵素原子的引入、碳碳雙鍵的引入和成環反應等證據信息。當大腦中的這些相關圖式被激活后，接著就進入探索可能的方法解決問題階段，嘗試構建證據間的關聯，具體過程如圖3所示。

[推理1]

大前提：碳碳雙鍵可與鹵素單質發生加成反應;

小前提：含有碳碳雙鍵;

結 論：可與溴單質發生加成反應，生成目標產物。

[推理2]

大前提：碳碳雙鍵與碳碳三鍵在一定條件下反應成環，含碳碳雙鍵;

小前提：環戊烯含碳碳雙鍵，2-丁炔含碳碳三鍵;

結 論：環戊烯與2-丁炔在一定條件下反應可生成。

[推理3]

大前提：鹵代烴在氫氧化鈉醇溶液的作用下加熱發生消去反應，形成碳碳雙鍵;

小前提：溴代環戊烷是鹵代烴;

結 論：溴代環戊烷可發生消去反應，生成環戊烯。

[推理4]

大前提：烷烴與鹵素在光照條件下可發生取代反應，生成鹵代烴;

小前提：環戊烷是烷烴;

結 論：環戊烷可與鹵素單質Br2發生取代反應，生成溴代環戊烷。

通過以上四個基于三段論的推理過程，我們可以設計出合成目標產物的合成路線，培養學生基于證據的邏輯推理能力，符合新課標關于核心素養的要求，是證據推理素養在課堂上落地的具體體現。

4 結語

《普通高中化學課程標準（2017年版）》明確提出要培養學生證據推理能力[13]。證據推理能力的培養關鍵在于證據間邏輯關系的建立。三段論演繹推理的邏輯學知識的學習有助于學生邏輯思維能力和邏輯推理能力的培養。通過各種有效推理形式的學習，可不斷促進學生思維的深度加工，使學習由量變到質變，產生高階思維的學習結果。

證據推理水平4明確提出學生“能依據各類物質及其反應的不同特征尋找充分的證據，能解釋證據與結論之間的關系”。證據的充分性離不開學生的高階思維能力，學生的高階思維能力離不開邏輯推理素養的培養，由此可見，邏輯推理能力的形成在培養學生化學證據推理能力中具有舉足輕重的作用。

因此，在化學教學中，教師要注重學生邏輯思維能力的培養，在教學內容及教學方法的組織與選擇上應關注學生作為主體的學習過程中的思維邏輯方式和建構過程，充分考慮在適當的時候幫助學生更好地進行邏輯思維的建構。與此同時，要切實注重化學實驗并有效進行實驗教學，充分運用證據進行知識的學習，將證據推理和邏輯推理能力的培養滲透到每一節化學課堂教學中。

參考文獻：

[1][2][13]中華人民共和國教育部制定. 普通高中化學課程標準[S]. 北京：人民教育出版社，2018：3～4.

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[5][英]威廉姆森. 劉占風，陳麗譯. 知識及其限度[M]. 北京：人民出版社，2013：245～261.

[10]莫雷. 教育心理學[M]. 廣州：廣東高等教育出版社，2005：189～193.

[11]Mohamed A. Shahat，Annika Ohle，Hans E. Fischer. Evaluation of a Teaching Unit Based on a Problem-Solving Model for Seventh-Grade Students [J]. Zeitschrift für Didaktik der Naturwissenschaften，2017，23（1）：205～224.

[12]左金鑫，何彩霞. 探尋潛藏在有機化合物分子結構中的反應模式——以高二“有機合成”復習教學為例[J]. 化學教學，2019，（2）：40～45.