化学认知中的“假说—证明”思维

张燕静 吴俊明

摘要： 假说—证明方法的核心是“假说—证明”思维。分别讨论了化学科学中假说思维的一般形式和证明思维的逻辑特点，以及化学教学中“假说—证明”思维的教学与训练。假说—证明的教学与训练需要抓好典型示范、实例体会、背景助悟、假说推敲、整合强化等环节。

关键词： 假说思维; 证明思维; 化学的假说—证明思维; 教学训练

文章编号： 1005-6629（2021）09-0008-04

中图分类号： G633.8

文献标识码： B

假说—证明方法的核心是假说—证明思维，假说—证明思维是逻辑思维（抽象思维）的一种特殊形式。

1  化学的假说思维

假说的思维形式可以是逻辑的概念、范畴、判断、论判、推理、推断和证明，也可以是非逻辑的直觉、灵感、想象、移植、猜测和机遇等创造性的思维活动。因此，假说在某种意义上说，是人类逻辑和非逻辑的思维形式及思维方法的最高表现。

化学假说是思维形式和思维方法结合的复杂的思维过程的产物，其一般过程是： 提出假说→形成模型（包括一组假说或一组推测）→作出判断→验证推断→修正或推翻旧假说→再提出新假说（包括更多的预言或论断）→再推出新论断→再验证新论断→……，如此循环往复，每一个循环都是向事物的本质接近一步，直至满足一定的需要。类比或归纳推理是假说形成的主要逻辑形式;演绎推理是假说发展的主要逻辑形式。

现代化学正处在从宏观向微观、从定性向定量、从分子静态向分子动态、从简单体系向复杂体系、从原因性推理向规律性推理过渡、发展的过程中，这决定了当前阶段化学假说推理的一般逻辑形式主要有：

“A有属性a、 b、 c、 d;B有属性a、 b、 c;推断B可能也有属性d”（类比）;

“A1是B，A2是B，A3是B，……（A1、 A2、 A3……是A的部分对象）;推断A是B（所有的A都可能是B）”（归纳）;

“如果A是B（即假说成立），那么C是D（即结果存在）;由C是D推断A可能是B”

根据充分条件假言推理规则，肯定后件存在，不能肯定前件存在，“A是B”只是一种可能。（逆推）;

“A是B1;或是B2;或是B3（穷尽一切可能的原因）;A不是B2，也不是B3（排除其他可能的原因）;所以，A是B1（所寻找的原因）”（选言推理）。

例如，苯分子的環状结构假说就是应用逻辑形式和方法跟非逻辑形式和方法相结合来推断出的：

实验证明苯分子中有6个碳原子和6个氢原子，其中一个氢原子被其他原子或基团取代后只能生成一种取代物。由此可以推断苯分子中的6个氢原子所处的位置是一样的，它们分别跟一个碳原子连接，6个碳原子的连接状态也都是一样的，苯分子具有六边形环状结构。

实验还证明，二氯苯只有邻位、间位、对位3种异构体，邻位二氯苯只有一种结构，由此可推断苯环中6个碳碳键是一样的、苯分子结构是正六边形的。

为解决苯分子中6个碳原子的18个价电子如何在6个碳碳键中分配的困难问题，凯库勒提出了活动键假说，鲍林提出了共振论假说……苯环结构假说的形成和发展是一连串假说—推理—证明的过程，生动地显示了假说—证明思维对于化学科学形成和发展的重要性和必要性[1

]。

2  化学的证明思维（逻辑）

证明是一种形式逻辑的思维方式。在几何学、数理学等形式科学中，证明使用人工语言，从普遍的、必然的公理出发，通过数学或几何学的形式逻辑方法，得出具有自证性、不可推翻性和强迫接受性的结论。与此相反，人文科学研究从大多数人能够接受的共识等或然性前提出发，前提并非是无可辩驳的公理，主要使用非形式逻辑的论证等多元方法，说服别人接受论说者的可论辩、可推翻的结论。学科的根本特点决定着学科的证明方式。

化学不是形式科学，也不是人文科学，而是物质科学，其证明的思维方式自然会跟形式科学和人文科学都有所不同： 关于物质的事实及其规律是化学逻辑的起点、核心和根本，在化学证明思维中有着决定性的作用。因此，验证是化学证明最重要方式。“实验是化学的最高法庭”这句在化学人中广为流传的经典金句，正是实验验证重要地位的生动写照。不过，化学并不排斥应用已有理论对物质现象的化学假说进行论证，因为化学理论是以实验结果为基础，并且经过实验检验的，符合化学理论的论证在本质上就意味着能够经受实验的检验。在化学科学领域，人们经常以证明思维揭示化学事实和化学理论的内在联系。当化学科学的成就和进步融入实际生活为大家所接受时，也就进入了论证说服的领域。

证明思维是用已知为真的判断确定另一个判断真实性的一种逻辑思维活动。证明是由论题、论据和论证方式构成的： 论题是真实性需要被证明的判断，论据是用来证明论题真实性的根据，论证方式是论题与论据之间的逻辑联系方式。

证明活动只有合乎逻辑才能达到预期目的，为此必须符合下列逻辑规则： （1）论题明确、稳定，在论证过程中不扩大，不缩小，不偷换;（2）论据真实、充分，杜绝虚假，杜绝循环论证;（3）论证合乎逻辑。

由论据直接推出论题真实性的证明活动属于直接证明;除此之外的证明活动都是间接证明，例如反证法（证明跟论题矛盾的判断虚假）和排除法（一一排除各种不可能的选项，只留下真实的选项）。

证明能通过论据和论题的逻辑联系揭示客观事物间的内在联系，有助于发现真理、推进认识、建立理论体系。证明是把概念和判断联结起来的纽带，能以概念、判断为根据推出科学结论，从逻辑角度为有关的结论提供立论的依据，因而是比推理更复杂的思维形式。

跟证明相反，用已知为真的判断揭示另一个判断虚假的逻辑方法是反驳。证明论题跟事实不符、由论题推导或引申出荒谬的结论（归谬）、证明矛盾命题为真、由命题的真推出它的假以及由命题的假推出它的真（悖论、佯谬）等都是常见的反驳方法[2]。

3  化学教学中“假说—证明”思维的教学与训练

探究式教学主张： 在概念和原理教学中，让学生通过自己的探究活动进行阅读、观察、实验、思考、讨论……主动地探究和解决问题，从中不但发现并掌握相应的原理和结论，还掌握认识和解决问题的方法和步骤，而教师只是给他们必要的指点、引导和辅助。这种模式以学生为主体，能有效地培养学生的自主精神、解决疑难问题的毅力，以及学习能力、探究能力和合作习惯。探究式教学广受推崇，在推进我国的基础教育课程改革中发挥了积极的作用。

现在，中国特色社会主义建设进入了新阶段，有了伟大的新目标，对下一代中国特色社会主义建设者有着更高的要求。为此，需要在基础教育中，特别是科学课程教学中，进一步推进和搞好探究式教学。“假说—证明”是探究式教学的重要形式。为了搞好探究式教学，需要在化学教学中搞好“假说—证明”思维的教学与训练，让学生学会假说—证明思维，掌握“假说—证明”方法。

怎样才能搞好“假说—证明”思维的教学与训练，让学生学会“假说—证明”思维，掌握“假说—证明”方法呢？笔者认为需要抓好些下列几个环节：

（1） 典型示范。从化学科学的历史和现实中选择适宜的“假说—证明”活动作为教材进行示范，以加深学生的理解。如“氯水的性质”一课中，结合氯气发现史组织教学内容、设计教学过程： 1774年，瑞典化学家舍勒加热黑色的二氧化锰与盐酸的混合物时，产生了一种烟雾，将这种黄绿色刺激性的烟雾溶解在水中后，他驚奇地发现其水溶液对纸张、蔬菜和花朵都具有漂白作用。引导学生根据科学史对氯水性质的描述，做出“氯水中起漂白作用微粒是氯气分子”这一假说之后，再引导他们根据假说设计实验验证： 收集一集气瓶干燥的氯气，用镊子夹取一片一端湿润的有色纸条，伸入盛有干燥氯气的集气瓶中，由有色纸条湿润的一端褪色、另一端无明显变化，得出干燥的有色纸条不褪色，证明氯气本身无漂白作用。再根据水和盐酸都没有漂白作用，进一步推测： 湿润的有色纸条褪色，是因为氯气溶于水发生反应Cl2+H2O

HCl+HClO，溶液中的另一种物质次氯酸具有漂白性……。

（2） 实例体会。从贴近学生化学学习的现实中选择难度适中、可引起学生兴趣的问题引导学生运用“假说—证明”方法开展学习活动，体会假说—证明过程。例如“铝的性质”一课中，教师可结合“垃圾分类”这一社会背景，以学生最熟悉的利乐包作为铝的性质研究情境线，根据利乐包的结构——铝箔被塑料薄膜包裹，假说金属铝能跟碱性溶液反应。然后设计铝与氢氧化钠溶液反应的实验，通过实验观察认识铝和氧化铝的性质，并进一步探究反应本质。

（3） 背景助悟。注意介绍问题形成、发展和存在的自然及社会的历史场景，即知识背景，反映知识在空间和时间维度上广泛的内、外联系，推助学生解决问题的思维活动，使他们积极地开展假说思维和证明思维活动，较为顺利地形成思路[3]。

例如，在教学有机化合物结构时，可以先扼要介绍有机化学中的同系列、类型（假）说等有关史实[4]：

1843年前后，法国化学家罗朗按照阿伏伽德罗分子假说初步分辨了原子量、当量和分子量，确认氢、氧、氮、氯等元素的分子是由两个原子组成的;又跟日拉尔合作确定了一些有机化合物的分子式，正确地初步建立了有机化合物的分子概念，初步为有机化合物结构理论建立了基础。

1843年，日拉尔提出了“同系列”概念，总结有机化合物存在多个系列，例如烷烃系列、醇系列、脂肪酸系列等，每一个系列都有自己组成的代数式，在同一系列中两个化合物分子式之差为CH2或CH2的倍数，它们的化学性质相似，物理性质则有规律地变化。

19世纪50年代，日拉尔从有机取代反应出发，把有机化合物看成是简单无机化合中一个或数个氢原子被取代后得到的衍生物，并把当时已知的有机化合物分为4个基本类型： 水型、氢型、氯化氢型和氨型。1857年，凯库勒在日拉尔4类型基础上又提出了沼气类型。

类型假说对原子价概念的提出起了启示作用。1857年，凯库勒又提出了相当于原子价的“原子数”概念;1858年，凯库勒再次强调碳是4价，提出碳原子间可以相连成链状的碳4价假说，为有机化学结构理论的建立奠定了基础……在上述背景知识以及旋光异构现象的发现等背景材料基础上引导学生初步总结、概括有机化合物结构假说并尝试证明，可以使他们更好地理解、领悟假说—证明方法及其在化学学习中的应用。

（4） 假说推敲。假说决定了后续认知活动的内容、方式和成效，因此，假说比证明更为重要，是假说—证明活动的前提和核心所在，必须作为重点努力抓好。虽然假说一般都有某些事实作为依据，然而这些依据一般都是不充分的。因此，假说有或大或小错误或者存在漏洞的可能。为了提高后续活动的成效，需要运用已有知识、经验先对假说进行初步论证。有作者提出，在教学中把“假说/猜想—验证”模式改为“假说/猜想—辩论—验证”模式（见图1）[5]。

这是一个很好的建议，不但有助于提高假说的正确性，也有助于提高学生的“假说—证明”思维水平，应该广为采纳。

（5） 整合强化。在解决既定问题之后，回顾、整理优化解决问题的过程，特别是思维过程，总结经验，强化收获。

如张燕静在“物质的检验”教学中设计了一道例题： 有一瓶失去标签的试剂，初步观察试剂是浅绿色的晶体，怎样确定这是什么试剂？学生分组讨论检验方案并完成检验操作后，都确定这瓶试剂是硫酸亚铁，较好地完成了任务。但教师并不满足，又进一步提出要求： 总结、概括未知无机物检验的一般程序，以强化教学效果。经过交流、讨论，形成了从外表观察、初步试验到溶液中的离子检验，从初步作出判断到再进一步确定的基本程序，在问题解决中建立了物质检验的思维模型（见图2）。

参考文献：

[1]中国自然辩证法研究会化学化工专业组《化学哲学基础》编委会编著. 化学哲学基础[M]. 北京： 科学出版社， 1986： 346， 347.

[2]《自然辩证法讲义》编写组. 自然辩证法讲义（初稿）[M]. 北京： 人民教育出版社， 1979： 322～331.

[3]吴俊明. 背景知识与学科教学立德树人[J]. 化学教学， 2019， （2）： 3.

[4]《化学发展简史》编写组编写. 化学发展简史[M]. 北京： 科学出版社， 1980： 170～175.

[5]郑小夏. 化学教学中“假说/猜想-辩论-验证”模式例谈[J]. 山东教育， 2005， （17）： 43～44.