化學(xué)認(rèn)知中的“假說(shuō)—證明”思維

張燕靜 吳俊明

摘要：?假說(shuō)—證明方法的核心是“假說(shuō)—證明”思維。分別討論了化學(xué)科學(xué)中假說(shuō)思維的一般形式和證明思維的邏輯特點(diǎn)，以及化學(xué)教學(xué)中“假說(shuō)—證明”思維的教學(xué)與訓(xùn)練。假說(shuō)—證明的教學(xué)與訓(xùn)練需要抓好典型示范、實(shí)例體會(huì)、背景助悟、假說(shuō)推敲、整合強(qiáng)化等環(huán)節(jié)。

關(guān)鍵詞：?假說(shuō)思維;?證明思維;?化學(xué)的假說(shuō)—證明思維;?教學(xué)訓(xùn)練

文章編號(hào)：?1005-6629（2021）09-0008-04

中圖分類(lèi)號(hào)：?G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：?B

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

1??化學(xué)的假說(shuō)思維

假說(shuō)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(jué)、靈感、想象、移植、猜測(cè)和機(jī)遇等創(chuàng)造性的思維活動(dòng)。因此，假說(shuō)在某種意義上說(shuō)，是人類(lèi)邏輯和非邏輯的思維形式及思維方法的最高表現(xiàn)。

化學(xué)假說(shuō)是思維形式和思維方法結(jié)合的復(fù)雜的思維過(guò)程的產(chǎn)物，其一般過(guò)程是：?提出假說(shuō)→形成模型（包括一組假說(shuō)或一組推測(cè)）→作出判斷→驗(yàn)證推斷→修正或推翻舊假說(shuō)→再提出新假說(shuō)（包括更多的預(yù)言或論斷）→再推出新論斷→再驗(yàn)證新論斷→……，如此循環(huán)往復(fù)，每一個(gè)循環(huán)都是向事物的本質(zhì)接近一步，直至滿足一定的需要。類(lèi)比或歸納推理是假說(shuō)形成的主要邏輯形式;演繹推理是假說(shuō)發(fā)展的主要邏輯形式。

現(xiàn)代化學(xué)正處在從宏觀向微觀、從定性向定量、從分子靜態(tài)向分子動(dòng)態(tài)、從簡(jiǎn)單體系向復(fù)雜體系、從原因性推理向規(guī)律性推理過(guò)渡、發(fā)展的過(guò)程中，這決定了當(dāng)前階段化學(xué)假說(shuō)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(lèi)比）;

“A1是B，A2是B，A3是B，……（A1、?A2、?A3……是A的部分對(duì)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(shuō)成立），那么C是D（即結(jié)果存在）;由C是D推斷A可能是B”

根據(jù)充分條件假言推理規(guī)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(huán)狀結(jié)構(gòu)假說(shuō)就是應(yīng)用邏輯形式和方法跟非邏輯形式和方法相結(jié)合來(lái)推斷出的：

實(shí)驗(yàn)證明苯分子中有6個(gè)碳原子和6個(gè)氫原子，其中一個(gè)氫原子被其他原子或基團(tuán)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(gè)氫原子所處的位置是一樣的，它們分別跟一個(gè)碳原子連接，6個(gè)碳原子的連接狀態(tài)也都是一樣的，苯分子具有六邊形環(huán)狀結(jié)構(gòu)。

實(shí)驗(yàn)還證明，二氯苯只有鄰位、間位、對(duì)位3種異構(gòu)體，鄰位二氯苯只有一種結(jié)構(gòu)，由此可推斷苯環(huán)中6個(gè)碳碳鍵是一樣的、苯分子結(jié)構(gòu)是正六邊形的。

為解決苯分子中6個(gè)碳原子的18個(gè)價(jià)電子如何在6個(gè)碳碳鍵中分配的困難問(wèn)題，凱庫(kù)勒提出了活動(dòng)鍵假說(shuō)，鮑林提出了共振論假說(shuō)……苯環(huán)結(jié)構(gòu)假說(shuō)的形成和發(fā)展是一連串假說(shuō)—推理—證明的過(guò)程，生動(dòng)地顯示了假說(shuō)—證明思維對(duì)于化學(xué)科學(xué)形成和發(fā)展的重要性和必要性[1

]。

2??化學(xué)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(xué)、數(shù)理學(xué)等形式科學(xué)中，證明使用人工語(yǔ)言，從普遍的、必然的公理出發(fā)，通過(guò)數(shù)學(xué)或幾何學(xué)的形式邏輯方法，得出具有自證性、不可推翻性和強(qiáng)迫接受性的結(jié)論。與此相反，人文科學(xué)研究從大多數(shù)人能夠接受的共識(shí)等或然性前提出發(fā)，前提并非是無(wú)可辯駁的公理，主要使用非形式邏輯的論證等多元方法，說(shuō)服別人接受論說(shuō)者的可論辯、可推翻的結(jié)論。學(xué)科的根本特點(diǎn)決定著學(xué)科的證明方式。

化學(xué)不是形式科學(xué)，也不是人文科學(xué)，而是物質(zhì)科學(xué)，其證明的思維方式自然會(huì)跟形式科學(xué)和人文科學(xué)都有所不同：?關(guān)于物質(zhì)的事實(shí)及其規(guī)律是化學(xué)邏輯的起點(diǎn)、核心和根本，在化學(xué)證明思維中有著決定性的作用。因此，驗(yàn)證是化學(xué)證明最重要方式?！皩?shí)驗(yàn)是化學(xué)的最高法庭”這句在化學(xué)人中廣為流傳的經(jīng)典金句，正是實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證重要地位的生動(dòng)寫(xiě)照。不過(guò)，化學(xué)并不排斥應(yīng)用已有理論對(duì)物質(zhì)現(xiàn)象的化學(xué)假說(shuō)進(jìn)行論證，因?yàn)榛瘜W(xué)理論是以實(shí)驗(yàn)結(jié)果為基礎(chǔ)，并且經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)的，符合化學(xué)理論的論證在本質(zhì)上就意味著能夠經(jīng)受實(shí)驗(yàn)的檢驗(yàn)。在化學(xué)科學(xué)領(lǐng)域，人們經(jīng)常以證明思維揭示化學(xué)事實(shí)和化學(xué)理論的內(nèi)在聯(lián)系。當(dāng)化學(xué)科學(xué)的成就和進(jìn)步融入實(shí)際生活為大家所接受時(shí)，也就進(jìn)入了論證說(shuō)服的領(lǐng)域。

證明思維是用已知為真的判斷確定另一個(gè)判斷真實(shí)性的一種邏輯思維活動(dòng)。證明是由論題、論據(jù)和論證方式構(gòu)成的：?論題是真實(shí)性需要被證明的判斷，論據(jù)是用來(lái)證明論題真實(shí)性的根據(jù)，論證方式是論題與論據(jù)之間的邏輯聯(lián)系方式。

證明活動(dòng)只有合乎邏輯才能達(dá)到預(yù)期目的，為此必須符合下列邏輯規(guī)則：?（1）論題明確、穩(wěn)定，在論證過(guò)程中不擴(kuò)大，不縮小，不偷換;（2）論據(jù)真實(shí)、充分，杜絕虛假，杜絕循環(huán)論證;（3）論證合乎邏輯。

由論據(jù)直接推出論題真實(shí)性的證明活動(dòng)屬于直接證明;除此之外的證明活動(dòng)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(xiàng)，只留下真實(shí)的選項(xiàng)）。

證明能通過(guò)論據(jù)和論題的邏輯聯(lián)系揭示客觀事物間的內(nèi)在聯(lián)系，有助于發(fā)現(xiàn)真理、推進(jìn)認(rèn)識(shí)、建立理論體系。證明是把概念和判斷聯(lián)結(jié)起來(lái)的紐帶，能以概念、判斷為根據(jù)推出科學(xué)結(jié)論，從邏輯角度為有關(guān)的結(jié)論提供立論的依據(jù)，因而是比推理更復(fù)雜的思維形式。

跟證明相反，用已知為真的判斷揭示另一個(gè)判斷虛假的邏輯方法是反駁。證明論題跟事實(shí)不符、由論題推導(dǎo)或引申出荒謬的結(jié)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(jiàn)的反駁方法[2]。

3??化學(xué)教學(xué)中“假說(shuō)—證明”思維的教學(xué)與訓(xùn)練

探究式教學(xué)主張：?在概念和原理教學(xué)中，讓學(xué)生通過(guò)自己的探究活動(dòng)進(jìn)行閱讀、觀察、實(shí)驗(yàn)、思考、討論……主動(dòng)地探究和解決問(wèn)題，從中不但發(fā)現(xiàn)并掌握相應(yīng)的原理和結(jié)論，還掌握認(rèn)識(shí)和解決問(wèn)題的方法和步驟，而教師只是給他們必要的指點(diǎn)、引導(dǎo)和輔助。這種模式以學(xué)生為主體，能有效地培養(yǎng)學(xué)生的自主精神、解決疑難問(wèn)題的毅力，以及學(xué)習(xí)能力、探究能力和合作習(xí)慣。探究式教學(xué)廣受推崇，在推進(jìn)我國(guó)的基礎(chǔ)教育課程改革中發(fā)揮了積極的作用。

現(xiàn)在，中國(guó)特色社會(huì)主義建設(shè)進(jìn)入了新階段，有了偉大的新目標(biāo)，對(duì)下一代中國(guó)特色社會(huì)主義建設(shè)者有著更高的要求。為此，需要在基礎(chǔ)教育中，特別是科學(xué)課程教學(xué)中，進(jìn)一步推進(jìn)和搞好探究式教學(xué)?！凹僬f(shuō)—證明”是探究式教學(xué)的重要形式。為了搞好探究式教學(xué)，需要在化學(xué)教學(xué)中搞好“假說(shuō)—證明”思維的教學(xué)與訓(xùn)練，讓學(xué)生學(xué)會(huì)假說(shuō)—證明思維，掌握“假說(shuō)—證明”方法。

怎樣才能搞好“假說(shuō)—證明”思維的教學(xué)與訓(xùn)練，讓學(xué)生學(xué)會(huì)“假說(shuō)—證明”思維，掌握“假說(shuō)—證明”方法呢？筆者認(rèn)為需要抓好些下列幾個(gè)環(huán)節(jié)：

（1）?典型示范。從化學(xué)科學(xué)的歷史和現(xiàn)實(shí)中選擇適宜的“假說(shuō)—證明”活動(dòng)作為教材進(jìn)行示范，以加深學(xué)生的理解。如“氯水的性質(zhì)”一課中，結(jié)合氯氣發(fā)現(xiàn)史組織教學(xué)內(nèi)容、設(shè)計(jì)教學(xué)過(guò)程：?1774年，瑞典化學(xué)家舍勒加熱黑色的二氧化錳與鹽酸的混合物時(shí)，產(chǎn)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(fā)現(xiàn)其水溶液對(duì)紙張、蔬菜和花朵都具有漂白作用。引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)科學(xué)史對(duì)氯水性質(zhì)的描述，做出“氯水中起漂白作用微粒是氯氣分子”這一假說(shuō)之后，再引導(dǎo)他們根據(jù)假說(shuō)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：?收集一集氣瓶干燥的氯氣，用鑷子夾取一片一端濕潤(rùn)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(rùn)的一端褪色、另一端無(wú)明顯變化，得出干燥的有色紙條不褪色，證明氯氣本身無(wú)漂白作用。再根據(jù)水和鹽酸都沒(méi)有漂白作用，進(jìn)一步推測(cè)：?濕潤(rùn)的有色紙條褪色，是因?yàn)槁葰馊苡谒l(fā)生反應(yīng)Cl2+H2O

HCl+HClO，溶液中的另一種物質(zhì)次氯酸具有漂白性……。

（2）?實(shí)例體會(huì)。從貼近學(xué)生化學(xué)學(xué)習(xí)的現(xiàn)實(shí)中選擇難度適中、可引起學(xué)生興趣的問(wèn)題引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用“假說(shuō)—證明”方法開(kāi)展學(xué)習(xí)活動(dòng)，體會(huì)假說(shuō)—證明過(guò)程。例如“鋁的性質(zhì)”一課中，教師可結(jié)合“垃圾分類(lèi)”這一社會(huì)背景，以學(xué)生最熟悉的利樂(lè)包作為鋁的性質(zhì)研究情境線，根據(jù)利樂(lè)包的結(jié)構(gòu)——鋁箔被塑料薄膜包裹，假說(shuō)金屬鋁能跟堿性溶液反應(yīng)。然后設(shè)計(jì)鋁與氫氧化鈉溶液反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀察認(rèn)識(shí)鋁和氧化鋁的性質(zhì)，并進(jìn)一步探究反應(yīng)本質(zhì)。

（3）?背景助悟。注意介紹問(wèn)題形成、發(fā)展和存在的自然及社會(huì)的歷史場(chǎng)景，即知識(shí)背景，反映知識(shí)在空間和時(shí)間維度上廣泛的內(nèi)、外聯(lián)系，推助學(xué)生解決問(wèn)題的思維活動(dòng)，使他們積極地開(kāi)展假說(shuō)思維和證明思維活動(dòng)，較為順利地形成思路[3]。

例如，在教學(xué)有機(jī)化合物結(jié)構(gòu)時(shí)，可以先扼要介紹有機(jī)化學(xué)中的同系列、類(lèi)型（假）說(shuō)等有關(guān)史實(shí)[4]：

1843年前后，法國(guó)化學(xué)家羅朗按照阿伏伽德羅分子假說(shuō)初步分辨了原子量、當(dāng)量和分子量，確認(rèn)氫、氧、氮、氯等元素的分子是由兩個(gè)原子組成的;又跟日拉爾合作確定了一些有機(jī)化合物的分子式，正確地初步建立了有機(jī)化合物的分子概念，初步為有機(jī)化合物結(jié)構(gòu)理論建立了基礎(chǔ)。

1843年，日拉爾提出了“同系列”概念，總結(jié)有機(jī)化合物存在多個(gè)系列，例如烷烴系列、醇系列、脂肪酸系列等，每一個(gè)系列都有自己組成的代數(shù)式，在同一系列中兩個(gè)化合物分子式之差為CH2或CH2的倍數(shù)，它們的化學(xué)性質(zhì)相似，物理性質(zhì)則有規(guī)律地變化。

19世紀(jì)50年代，日拉爾從有機(jī)取代反應(yīng)出發(fā)，把有機(jī)化合物看成是簡(jiǎn)單無(wú)機(jī)化合中一個(gè)或數(shù)個(gè)氫原子被取代后得到的衍生物，并把當(dāng)時(shí)已知的有機(jī)化合物分為4個(gè)基本類(lèi)型：?水型、氫型、氯化氫型和氨型。1857年，凱庫(kù)勒在日拉爾4類(lèi)型基礎(chǔ)上又提出了沼氣類(lèi)型。

類(lèi)型假說(shuō)對(duì)原子價(jià)概念的提出起了啟示作用。1857年，凱庫(kù)勒又提出了相當(dāng)于原子價(jià)的“原子數(shù)”概念;1858年，凱庫(kù)勒再次強(qiáng)調(diào)碳是4價(jià)，提出碳原子間可以相連成鏈狀的碳4價(jià)假說(shuō)，為有機(jī)化學(xué)結(jié)構(gòu)理論的建立奠定了基礎(chǔ)……在上述背景知識(shí)以及旋光異構(gòu)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)等背景材料基礎(chǔ)上引導(dǎo)學(xué)生初步總結(jié)、概括有機(jī)化合物結(jié)構(gòu)假說(shuō)并嘗試證明，可以使他們更好地理解、領(lǐng)悟假說(shuō)—證明方法及其在化學(xué)學(xué)習(xí)中的應(yīng)用。

（4）?假說(shuō)推敲。假說(shuō)決定了后續(xù)認(rèn)知活動(dòng)的內(nèi)容、方式和成效，因此，假說(shuō)比證明更為重要，是假說(shuō)—證明活動(dòng)的前提和核心所在，必須作為重點(diǎn)努力抓好。雖然假說(shuō)一般都有某些事實(shí)作為依據(jù)，然而這些依據(jù)一般都是不充分的。因此，假說(shuō)有或大或小錯(cuò)誤或者存在漏洞的可能。為了提高后續(xù)活動(dòng)的成效，需要運(yùn)用已有知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)先對(duì)假說(shuō)進(jìn)行初步論證。有作者提出，在教學(xué)中把“假說(shuō)/猜想—驗(yàn)證”模式改為“假說(shuō)/猜想—辯論—驗(yàn)證”模式（見(jiàn)圖1）[5]。

這是一個(gè)很好的建議，不但有助于提高假說(shuō)的正確性，也有助于提高學(xué)生的“假說(shuō)—證明”思維水平，應(yīng)該廣為采納。

（5）?整合強(qiáng)化。在解決既定問(wèn)題之后，回顧、整理優(yōu)化解決問(wèn)題的過(guò)程，特別是思維過(guò)程，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，強(qiáng)化收獲。

如張燕靜在“物質(zhì)的檢驗(yàn)”教學(xué)中設(shè)計(jì)了一道例題：?有一瓶失去標(biāo)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(xué)生分組討論檢驗(yàn)方案并完成檢驗(yàn)操作后，都確定這瓶試劑是硫酸亞鐵，較好地完成了任務(wù)。但教師并不滿足，又進(jìn)一步提出要求：?總結(jié)、概括未知無(wú)機(jī)物檢驗(yàn)的一般程序，以強(qiáng)化教學(xué)效果。經(jīng)過(guò)交流、討論，形成了從外表觀察、初步試驗(yàn)到溶液中的離子檢驗(yàn)，從初步作出判斷到再進(jìn)一步確定的基本程序，在問(wèn)題解決中建立了物質(zhì)檢驗(yàn)的思維模型（見(jiàn)圖2）。

參考文獻(xiàn)：

[1]中國(guó)自然辯證法研究會(huì)化學(xué)化工專業(yè)組《化學(xué)哲學(xué)基礎(chǔ)》編委會(huì)編著.?化學(xué)哲學(xué)基礎(chǔ)[M].?北京：?科學(xué)出版社，?1986：?346，?347.

[2]《自然辯證法講義》編寫(xiě)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(shí)與學(xué)科教學(xué)立德樹(shù)人[J].?化學(xué)教學(xué)，?2019，?（2）：?3.

[4]《化學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史》編寫(xiě)組編寫(xiě).?化學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史[M].?北京：?科學(xué)出版社，?1980：?170～175.

[5]鄭小夏.?化學(xué)教學(xué)中“假說(shuō)/猜想-辯論-驗(yàn)證”模式例談[J].?山東教育，?2005，?（17）：?43～44.