《类比推理法在高中化学教学中的功能与其应用》
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[摘 要]类比推理法能够为科学家提供发明和发现的灵感,在中学化学教学中,此法同样能够让学生进发思維想象.在高中化学实际教学中分析类比推理法所体现的发现、迁移、模拟、鉴别、试误五个功能,培养学生的“证据推理与模型认知”核心素养,展示类比推理法在化学教学中的价值.
[关键词]类比推理法,高中化学教学,功能,核心素养
[中图分类号]G633.8[文献标识码]A [文章编号]1674-6058（2020）11-0054-03
一、问题的提出
类比推理是指两个或两个以上的对象虽然有差异,但是在某种程度上,它们之间有着相同的性质和联系,以此作为依据,由已知對象的性质或关系来获取未知对象的性质或关系.在化学史发展的历程中,“类比推理法”占有举足轻重的地位,化学家利用“类比推理法”发现和证明了许多令人惊艳的定律和原理.
2017年版高中化学课程标准的修订,更加注重开展“素养为本”教学,对学生“证据推理与模型认知”核心素养提出了更高的要求,这与“类比推理法”能够实现的教学功能不谋而合.我们通过“类比推理法”可达到新课标所要求的对学生“证据推理与模型认知”核心素养的培养.
二、“类比推理法”在高中化学教学中的功能体现
用“类比推理法”指导高中化学教学,主要表现在对以下五个功能的应用上.
1.类比推理的发现功能
在科学研究中,常常通过借助类比推理,提出新的观点,建立新的理论.在中学化学教学中,类比推理的发现功能主要是指通过类比去引导学生创建和联想新旧知识间的联系,进而更好地理解和掌握所学知识（如图1）.
例如,在讲授高中化学必修1“离子反应”这一内容时,可与初中已经学过的复分解反应的概念进行类比分析.在初中阶段,学生已经了解和掌握了酸、碱、盐之间会发生复分解反应,复分解反应的实质就是参与反应的化合物能够在水溶液中电离生成离子,离子间再重新组合成新的化合物.那么,在教学高中化学的离子反应概念时,从学生熟悉的复分解反应概念引入,回顾复分解反应的定义和实质,创建复分解反应和离子反应概念之间的联系,则可减少学生学习该部分相关概念的障碍.
2.类比推理的迁移功能
类比推理的迁移功能主要表现在通过类比活化人们头脑中贮存的知识信息,从一些表面上不相关的对象之间找出共性的横向联系.“模型认知”核心素养要求学生能够通过分析、推理等方法,来掌握研究对象的构成要素、本质特征及其相互关系,构建认知模型,并能够运用模型解释化学现象,揭示现象中的本质和规律.类比推理迁移功能的体现过程,同时验证了学生是否已建立稳固的认知模型.因此,类比推理的迁移功能充分满足了“模型认知”核心素养的培养要求,是该核心素养培养的有力手段.
具体的迁移步骤如图2所示：
如“陌生方程式的书写”,这类题型是根据题干提供的信息书写化学（或离子）方程式,是近几年新课标高考中出现的一种新题型.这类题型通常的应试对策为：首先审清题目信息,避免思维定式;再定性、定量分析,深刻掌握变化;最后根据信息类比迁移写出陌生方程式.
例如,2019年高考化学全国Ⅱ卷的第26题（节选）：
立德粉ZnS·BaSO4（也称锌钡白）,是一种常用白色颜料.回答下列问题：
（2）以重晶石（BaSO4）为原料,可按图3所示工艺生产立德粉：
通过对2019年高考题的类比分析解答,“陌生方程式书写”题型的解析过程条理更加清晰,同时促进学生“模型认知”核心素养的培养,实现从已知知识到陌生知识的迁移,提高学生解决含有陌生信息的习题的能力.
3.类比推理的模拟功能
物理模拟,不仅具有形象直观、能把一些难以表现的现象显现出来的特点,还能通过将抽象的对象类比为生活日常来巩固学生记忆和激发学生的学习兴趣.在教学过程中,把熟悉的直观现象与陌生的化学知识形成类比,能为学生的思维提供支撑基础,降低学习难度,使学生更加容易接受新知识.
如在学习有机化学知识时,把像D-丙氨酸和L-丙氨酸（如图6）具有这样结构的分子,即不能与自身镜像重叠者,称为手性分子.把这种手性分子类比为人的左右手,其中一只手只有在镜像中才能与另一只手完全重叠.学生已经学过成像原理,了解镜子中的成像和实物之间的联系与特点,将手性分子的结构特点与镜像原理进行类比,既建立了知识的联系,又为有机化学知识的后续学习提供了新的途径和方法.
在教学中,将新知识和被类比的知识建立联系,利用二者之间的相似特征,把抽象教学内容具象化,有助于学生对知识的掌握以及“证据推理”核心素养的提升.
4.类比推理的鉴别功能
在化学学习中,常常需要对一些表面相似或相近而在本质上却迥然不同的概念、公式、定律等加以比较,从而分清其差异,认识其特征,这体现了类比的鉴别功能.在这个过程中,提出观点并提供证据来支撑,进而建立逻辑关系.“证据推理”核心素养强调要培养学生的证据意识,能够利用证据对物质结构、组成及其变化提出一些可能的假设,而后通过分析推理来证实其正确性或验证其错误性,同时建立证据、观点和结论之间的逻辑关系.
具体的鉴别步骤如图7所示：
例如,共价键的极性和分子的极性,同样都是关于“极性”的概念,却不是同一种“极性”,两个概念既有区别又有联系,学生很容易将二者混淆,认为有极性键的分子就是极性分子.
教学过程中,先给出分子极性和共价键极性的概念,从“极性”出发来进行类比.在双原子分子中如果原子之间存在极性共价键,那么形成的分子就是极性分子.而确定共价键的极性要对共用电子对是否发生偏移进行判断.指出混淆点：含有极性共价键的双原子分子一定是极性分子,但是含有极性共价键的多原子分子的极性不单单只由共价键的极性来决定,还需要由整个分子的空间排布方式来共同决定.
最后让学生分析实例,强化已形成的正确认知.如CCl4中的C-Cl键是极性共价键,其分子构型见图8.由于其对称的分子构型,使键的极性相互抵消,偶极矩为零,因此它是非极性共价化合物.而H2O的分子构型是不对称的（如图9）,所以偶极矩非零,因此为极性共价化合物.
5.类比推理的试误功能
在类比推理的过程中,通过类比了解未知对象与类比对象的共性,有时容易忽视未知对象的特性,错误地理解未知对象的性质.在教学中,恰到好处地利用类比的这一特点,不事先规避强调,而是在学生出现错误的时候,纠正错误,可使学生加深对知识的印象.类比推理的鉴别功能是让学生证实观点,而试误功能则是证伪,设置陷阱和误区,引导学生提出错误的假设,再去亲身验证,去反思错误及出现错误的原因,深刻认识类比对象之间的联系,强化知识的掌握和能力的提升,深化“证据推理”核心素养的培养.
具体的试误步骤如图10所示：
例如,学生在学完Fe能够把Cu从其水溶液中置换出来,即Fe+CuSO4等于Cu+FeSO4后,得知Fe和CuSO4之间能够反应是因为Fe的活动性比Cu强,并得出一般规律：金属活动性顺序表里排前的金属能把排后的金属置换出来.教师进行类比试误,引导学生类比：Na的金属活动性也强于Cu,Na是否也能将Cu从其盐溶液中置换出来呢?如果Na能把Cu从CuSO4溶液中置换出来,那么溶液中应该有红色固体析出,但是真实的实验现象却是先有气泡产生,后有蓝色沉淀析出.那么究竟是什么导致了类比的失误呢?
教师带着学生一起分析金属活动性顺序表,判断金属和盐溶液置换反应发生的限制条件.虽然金属活动性顺序排前的金属能把排后的金属置换出来,但是K、Ca、Na除外,且参与置换反应的反应物一定要是可溶性盐,能够形成溶液.那么为什么要把金属K、Ca、Na排除在外呢?这是因为金属离子与这三种活泼金属反应的速率远远小于H2O与它们反应的速率.因此,把Na放入CuSO4溶液中,Na先和H2O发生置换反应,而产生的NaOH又和CuSO4发生复分解反应,反应化学方程式为：2Na+2H2O+CuSO4等于Cu（OH）2↓+Na2SO4+H2↑.
通过以上五大功能的分析举例,证明“类比推理法”不管是在以前的化学史认识过程和方法论的研究过程中,还是在当下的化学教学实践中,它都发挥着重要作用.利用“类比推理法”在新旧事物之间建立某種联系,能够化抽象为形象,化枯燥为生动,化陌生为熟悉,促进学生正确建构科学概念,进一步提高教学的效率.
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