中学化学类比推理的难点成因分析及教学策略

陈雪晴 王后雄

摘要：类比推理作为一种重要的思维方式，是教学中常用的有效手段之一。由于化学知识存在深、杂、混、特等特点，常存在缺少完整的类比系统，难以确定对应的类比源，对类比对象相似性认识模糊，过于追求类比结果的形式化，并易受思维定势的干扰等缺陷。通过对类比的难点成因进行深度分析，探寻类比推理教学的几点有效策略，以期高效培养学生的思维能力和创造发明精神。

关键词：化学教学；类比推理；教学策略

文章编号：1008-0546（2015）12-0000-00 中图分类号：G632.41 文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2015.12.000

纵观化学发现史，可以发现类比推理是化学家建立科学假说、进行科学探究的重要思维方式，是通往科学发现的阶梯。[1]《普通高中化学课程标准（实验）》中明确提出“在化学学习中，能够运用比较、分类、归纳、概括等方法对信息进行加工”课程目标。[2]其中，就涉及到类比推理意识的建构和能力的培养。类比推理已然成为理科教学中常用的有效教学手段之一。然而，值得强调的是，由于类比推理本身的局限性及化学学科特点，使其运用于教学时存在较多障碍。本文结合自身有限的教学探索和参考文献，分析导致类比推理的几点难因，并针对这几点难因提出相应的优化策略。

一、 类比推理概念的界定

在逻辑学上，类比推理是指：从两个或两类事物某些属性相似或相异出发，根据其中某个或某类事物有或没有某些属性，进而推出另一个或另一类事物也有或没有某些属性的思维过程。[3]与演绎推理和归纳推理不同，类比推理是由个别到个别或由特殊到特殊的推理。其前提和结论之间不具有蕴涵关系。作为一种或然性推理，类比推理有其局限性。其最常见的类比模式为：

A对象有属性a，b，c；

B对象有属性a′，b′；

所以B对象也可能有属性c′。

二、 类比推理的难因分析

固然，在教学中，运用类比教学法可促进学生多方面的发展，在解题中运用类比推理也往往能达到举一反三、触类旁通的效果。然而，类比推理毕竟是一种或然性推理，其逻辑形式的推理是否有效与其前提内容的真假无关，因此其结论未必正确。类比模式多样化、对类比“生长点”的判断能力不足以及对类比原理的理解不深也必然导致学生的随意猜想和错误类比。

1. 类比模型的建构缺乏系统性

印大双指出，类比推理的二重性导致了它的复杂性。一方面是主观选择因素，另一方面是客观因素，即推理者的已有知识和能力及两类比物之间的客观相似基础。[4]源域之广及主观差异之大使其难以建立一个完整的、严格的类比模型。

类比推理方式极其多样化，有时在一个课时知识中就存在多种类比。例如有老师在进行“物质的量”教学时就存在“量的类比”、“单位的类比”、“集合思想的类比”、“ 摩尔质量的类比”。[5]因此在整个中学化学知识系统结构中，类比推理的模式并不唯一。

如下，例1是水与液态SO2的性质类比推理；例2是HCl与CO2的性质类比；由解题思路可知，二者的类比模式截然不同，且都不是单一的性质类比。

[例1] 已知水的电导率和液态SO2电导率相近。氢离子可以用来滴定氢氧根离子，试用推理思考SOCl2是否可以用来滴定Cs2SO3。

解答此题时，首先要明白类比的两个对象是水和液态SO2，其次要知道类比的相似点是酸碱滴定原理。根据水与液态SO2电导率的相似，结合酸碱滴定原理，可逐步类比推理。

∵水有属性①：H++OH-=H2O

衍生属性②：HCl+NaOH=H2O+NaCl

又∵水与液态二氧化硫电导率相近

∴液态SO2有属性①：SO2++SO32-=2SO2

属性②：[例2] 我国古代将炉甘石（ZnCO3）、赤铜（Cu2O）和木炭混合后加热到800℃左右，得到一种外观似金子的合金。写出有关反应的化学方程式。

该题并未明确指出类比对象和两者之间的相似性，这是造成类比困难的原因所在。事实上，该题中涉及CaCO3与ZnCO3高温分解性质的类比，CuO 与ZnO、Cu2O碳还原性质的类比。

类比1：CaCO3 CaO+CO2↑

ZnCO3 ZnO+CO2↑

类比2：C+CuO Cu+CO2↑

C+ZnO Zn+CO2↑

C+Cu2O Cu+CO2↑

2. 难以确定对应的类比源

根据Gentner的结构映射理论可知，类比推理大致要经历以下三个步骤：一是建构源问题和靶问题的表征或图式；二是建构类比关系，映射源问题和靶问题之间的对应关系；三是借用源问题的解决方法来解决靶问题。[6]因此在解决类比推理问题时，首先要搜索并确定记忆中可供参考的事例或解决方法——恰当的类比源，这一环节可称之为问题的类化。如下例所示，解答该题的关键在于学生要在类比模型中搜索到所熟知的金刚石和 SiO2晶体。

[例3] 水分子间因存在“氢键”的作用而彼此结合形成 （H2O）n。在冰中每个水分子被 4 个水分子包围形成变形的正四面体，通过“氢键”相互连接成庞大的分子晶体，其结构如右图所示。问1mol 冰中有 mol 的“氢键”。

3. 类比对象的相似性认识模糊

在确定类比源之后，就要建构类比关系，即将靶问题与源问题的各部分进行匹配，产生解决靶问题的方法，也就是相似点的寻找。因此明确源问题与靶问题之间相似性也至关重要。如下例所示，解答此题时，首先要明白HCl与CO2相似性不在于常见的性质、结构等，而是二者都存在的溶解平衡这一相似性。

[例4] 已知除去HCl中的Cl2常用饱和NaCl溶液，是因为HCl溶于水时存在HCl■H++Cl，因此当溶液中存在大量的H+或Cl-，平衡向左移动，HCl的溶解度大大降低。试问除去CO2中的SO2用什么试剂？

4. 对类比结论过于追求形式化

在逻辑学中，类比推理只关乎逻辑形式的真假性。但在具体的问题解决中，类比推理结论的可靠程度是我们最为关注的。因此，类比推理除了关注结论和形式的类比，更要强调思维和过程的类比，避免陷入“机械类比”——只需结论“形式上相似”即可，过于追求形式化的表象特征。如下例所示，解答本题时，不能机械地进行化学方程式形式上的类比，否则容易得出错误的答案CaC2+H2O■CH4+Ca（OH）2↑，而应该在过程上推敲，根据其化合价可知电石与水反应生成了乙炔而不是乙烷。

[例5] 已知Mg与Ca都属于碱土金属，性质类似，其中氮化镁与水发生如下反应Mg2N2+H2O■NH3↑+Mg（OH）2↓，试写出电石（CaC2）与水的反应方程式

。

5. 类比思维定势的干扰

由于化学知识的一般规律性中往往存在特殊性，而这个特殊性也是高考中常考察的内容。因此当依循一般规律进行类比时，规律性的结论常常有例外或不适用的情况，这就是形成类比定势后容易出现的错误类比思维。

[例6] 最近科学家发现一种由钛原子和碳原子构成的气态团簇分子，如图所示。顶角和面心的原子是钛原子，棱的中心和体心的原子是碳原子，则它的化学式是（ ）。

A.TiC B.Ti6C7

C.Ti14C13 D.Ti13C14

解答此题时，学生错答A约占67%。[7]看到此图学生习惯性联想到晶胞原型（《物质结构与性质》教科书人教版第66页、山东科技版第85页、江苏教育版第32页都提供了晶胞切割计算方法），并与之类比、匹配，忽视了题中“团簇分子”的暗示。

类似案例不胜枚举，又如MgO和Al2O3在一定条件下熔融下都在阴极生成对应金属，在阳极生成氧气。又知MgCl2熔融电解在阴阳两极分别得到Mg和Cl2，受上述电解反应的定势影响，部分学生会类比推出AlCl3熔融电解在阴阳两极分别得到Al和Cl2。事实上MgCl2为离子晶体，AlCl3属于分子晶体，它不经熔化即在180℃升华，在气相时为二聚体Al2Cl6。

三、 类比推理应用的教学策略

1. 建构系统的类比模型，提升类比准确性

印大双指出，将事物的特征进行系统比较，而不是单个属性的比较，可增加类比结论的可靠性。系统越大，系统的特征匹配程度越高，则类比推理结论越可靠。[8]因此对知识进行加工，使其系统化，有助于学生在头脑中形成了清晰的模型系统，在解题中，进行类比时便能针对不同类型的问题迅速在记忆中搜索可类比的模型，与之匹配，而不会束手无策、无从下手。

类比的种类繁多，可以是概念性类比、过程性类比、方法性类比，也可以是知识的横向与纵向类比等。[9]根据其范畴的不同，可将类比分为系统内类比与系统间类比。系统内类比是指单个知识系统内两个或以上的不同对象部分属性的对比，如元素周期表中氯与溴、碳与硅、钠与钾、硫与氧的性质比较；含氧衍生物中的醛与酮、醇与酚等。系统间类比是指两个不同知识系统之间概念、原理、性质、组成、用途等方面比较完整的类比，如原电池与电解池、水解与电离、水解平衡与电离平衡；碱金属与碱土金属性质的类比等。另外，除了化学知识内部的类比还有化学与生活、化学与其他学科的类比，如高考分数线下降、大学录取率增大类似于催化剂降低活化能从而加快反应速率，比如盖斯定律与爬山的相似性。

2. 拓深已有知识量和质，明确类比对象相似性

类比源既可以是已有化学知识或相关学科知识，也可以来源于日常生活经验。在教学中如若能引导学生明确类比对象以及类比的“生长点”，可以有效避免滥用相似属性或者不适度地运用相似属性导致思维相似块在化学学习中紊乱应用。

例如，在例2、3中都未曾明确指出类比对象及其相似性，若学生知识域越广，对物质性质的了解越系统、清晰，越有利于他在解决问题时准确合理地进行类比。

3. 强调思维过程的类比，防止形似神不似

类比的或然性导致类比的结论存在错误的可能性，尤其是忽略逻辑思维过程的推理直接进行机械的形式上的类比。类比推理更注重思维过程的类比，因此在教学中一方面要鼓励学生根据类比对象的相似性及类比规律大胆猜想，另一方面又要要严格要求学生严谨分析类比的思维过程，保证逻辑的正确性，并对之进行检验。比如例5中的问题，如果忽视了类比思维的过程和本质则容易过于追求结论的形式化，得出错误结论。因此类比思维过程的正确性是保证结论正确的一个重要前提。

4. “求同”与“寻异”并进，打破类比思维定势

类比定势常由类比不当引起，其特征是模仿类推、思路固化。当两类对象存在明显的形同相似点时，往往容易掩盖其相异处，而类比的属性恰好为该相异属性，则类比结论往往错误。这也符合类比的“或然性”特征。

因此在教学中尽量指出类比一般规律中的特例。比如在讲解过氧化钠的性质时要区分对待其和二氧化碳、二氧化硫的反应，特别指出SO2与CO2的不同之处——还原性。

Na2O2+CO2■Na2CO3+O2

Na2O2+SO2■Na2SO4

再比如Fe3+、Al3+ 溶液和溶液发生双水解，因此将Fe3+、Al3+ 与 溶液发生双水解反应进行类比得出Fe3++S2-+H2O■Fe（OH）3↓+H2S↑，忽略了Fe3+的氧化性。

上述貌似形同、相似，实质相异的“反例”在中学化学中不胜枚举，教学时应引导学生“求同”与“寻异”并进，在充分运用类比推理揭示物质内在联系和共性的同时，强调对个性的认识，避免思维定势，以掌握恰当类比的事实依据。

参考文献

[1] 李德才，郑长龙. 化学科学探究以类比推理为主要思维方式[J]. 山西财经大学学报，2012，34（2）：94

[2] 中华人民共和国教育部.普通高中化学课程标准（实验）[M]. 北京：人民教育出版社，2003

[3] 中国人民大学哲学系逻辑教研室编. 形式逻辑[M]. 北京：中国人民大学出版社，1984

[4][8] 印大双. 类比理论研究：现状与展望 [J].探索，2010，（1）：186-190

[5] 刘晨明. 物质的量阐释过程的类比方法[J]. 中学化学教学参考，2006，（06）：10-12

[6] 陈英和，赵笑梅. 类比问题解决的理论及研究[J]. 北京师范大学学报（社会科学版），2008，（1）：50-55

[7] 王后雄. 化学教学诊断学[M]. 武汉：华中师范大学出版社，2002

[9] 曹瑞.类比教学法的研究与应用[J]. 教学与管理，2011，（27）：128-129