物理化學(xué)公式的審美價(jià)值

王 文 英，杜 秀 果

(衡水學(xué)院 化工學(xué)院，河北 衡水 053000)

物理化學(xué)公式的審美價(jià)值

王 文 英，杜 秀 果

(衡水學(xué)院 化工學(xué)院，河北 衡水 053000)

挖掘出物理化學(xué)公式蘊(yùn)涵的七個(gè)方面的審美價(jià)值：簡(jiǎn)明美在概括實(shí)質(zhì)并普適；邏輯美在公式之間演繹鏈；對(duì)稱美在揭示規(guī)律且形象；多樣統(tǒng)一美在邏輯能類比；韻律美在相關(guān)量間構(gòu)網(wǎng)絡(luò)；新奇美在公式應(yīng)用辟新徑；應(yīng)用美在啟智并以美儲(chǔ)善．并將其在教學(xué)過(guò)程中予以滲透，實(shí)踐表明其為實(shí)施素質(zhì)教育的有效途徑．

物理化學(xué)；公式；審美價(jià)值

物理化學(xué)是高等院校與化學(xué)相關(guān)專業(yè)的重要基礎(chǔ)課．具有闡明化學(xué)原理的課程性質(zhì)，被譽(yù)為四大基礎(chǔ)化學(xué)之靈魂．公式及其附加條件多是其突出特點(diǎn)．能否將初學(xué)者畏懼的這一特點(diǎn)轉(zhuǎn)化為實(shí)施素質(zhì)教育的切入點(diǎn)，是物理化學(xué)教育工作者的一個(gè)重要課題．科學(xué)家曾把審美價(jià)值歸因于科學(xué)理論的某些特性．筆者挖掘出物理化學(xué)公式以及公式之間的相互關(guān)系所承載的簡(jiǎn)明美、多樣統(tǒng)一美、韻律美、邏輯美、對(duì)稱美、新奇美以及應(yīng)用美所蘊(yùn)涵的七個(gè)方面的審美價(jià)值．并在教學(xué)過(guò)程中予以滲透，實(shí)踐表明其為實(shí)施素質(zhì)教育的有效途徑．

1 簡(jiǎn)明美在概括實(shí)質(zhì)并普適

“一個(gè)理論的前提的簡(jiǎn)單性越大，它所涉及的事物神秘性越多，它的應(yīng)用范圍越廣”[1]．反映相平衡內(nèi)在規(guī)律的相律，只用了三個(gè)符號(hào)和一個(gè)數(shù)字，就可以說(shuō)明不同溫度T和不同壓力P下(式中的2)的單組分、雙組分和三組分體系的獨(dú)立組分?jǐn)?shù)K與相數(shù)Φ以及在不引起舊相消失和新相生成的一定范圍內(nèi)可以獨(dú)立變動(dòng)的強(qiáng)度性質(zhì)-自由度F之間的平衡關(guān)系．呈現(xiàn)出將物理量T、P、F、K、Φ之間邏輯關(guān)系的高度概括且嚴(yán)謹(jǐn)?shù)淖詈?jiǎn)數(shù)學(xué)形式．熱力學(xué)能U和熱Q、功W之間的關(guān)系式，熵S與熱溫商之間的關(guān)系式，無(wú)一不是變文字的繁冗敘述為簡(jiǎn)單明了的規(guī)律．科學(xué)史證明其具有高度的可靠性和普適性．在進(jìn)行不可逆相變過(guò)程的△H和以及△G的計(jì)算方法中，也都離不開(kāi)所承載的能量守恒原理的應(yīng)用，這正是其普適性的充分例證．將能量守恒的原理推廣到電解質(zhì)溶液的電荷即為電荷平衡、推廣到原電池和電解池的電子得失即為氧化還原平衡．

“人不僅在感受物質(zhì)世界時(shí)會(huì)產(chǎn)生美感，而且在感受物化了的人的精神活動(dòng)產(chǎn)物時(shí)也會(huì)產(chǎn)生對(duì)美好的、雅致的、完美的感受”[2]．引導(dǎo)學(xué)生從審美的角度去審視每一個(gè)看似枯燥無(wú)味的公式，其實(shí)均為簡(jiǎn)明美的化身．將對(duì)每一個(gè)公式的推導(dǎo)和對(duì)其物理意義以及適用條件的分析都轉(zhuǎn)化為了一次次的審美體驗(yàn)，從而產(chǎn)生愉悅的情感．情感常常充當(dāng)感知和聯(lián)想以及想象的動(dòng)力，促進(jìn)思維的活躍，推動(dòng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的主觀能動(dòng)性．所以簡(jiǎn)明美也有表現(xiàn)審美情感、推動(dòng)學(xué)習(xí)的動(dòng)力功能．經(jīng)過(guò)審美體驗(yàn)的內(nèi)化，升華為創(chuàng)造活動(dòng)的激情，體現(xiàn)出科學(xué)認(rèn)知和美育的雙重價(jià)值．

2 多樣統(tǒng)一美在邏輯能類比

氣體的體積膨脹系數(shù)αV與壓縮系數(shù)κT表示式之間具有相似的外在形式:，引導(dǎo)學(xué)生注意兩式之間存在括號(hào)內(nèi)外p與T換位正負(fù)號(hào)改變的內(nèi)在聯(lián)系．再引導(dǎo)學(xué)生從多樣統(tǒng)一的角度認(rèn)識(shí)兩式之間的關(guān)系，不僅使孤立的知識(shí)點(diǎn)之間建立起網(wǎng)絡(luò)，而且促使方法意識(shí)的樹(shù)立．重要的是將此方法運(yùn)用到其它知識(shí)點(diǎn)，幫助學(xué)生理解與記憶后續(xù)內(nèi)容的多個(gè)公式．例如△U和△H表示式之間不僅外在形式相似，而且其大括號(hào)內(nèi)外和小括號(hào)內(nèi)外均為p與V換位項(xiàng)正負(fù)號(hào)改變的關(guān)系：，．將此方法遷移至熱力學(xué)基本關(guān)系式，之間，不僅四個(gè)公式的外在形式相似，而且dU和dH、dA和dG表示式之間均存在p與V換位項(xiàng)正負(fù)號(hào)改變的關(guān)系．進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生舉一反三：dU和dA、dH和dG表示式之間均存在S與T換位項(xiàng)正負(fù)號(hào)改變的關(guān)系．而dU和dG表示式之間則呈現(xiàn)了S與T換位和p與V換位兩項(xiàng)都正負(fù)號(hào)改變的相互關(guān)系．注意到這些，在公式記憶方面可起到事半功倍的作用．

3 韻律美在相關(guān)量間構(gòu)網(wǎng)絡(luò)

將dU、dH、dA和dG表示式之間的關(guān)系簡(jiǎn)述成為一幅對(duì)聯(lián)：上聯(lián)：pV換位負(fù)號(hào)變，下聯(lián)：ST換位正號(hào)變，橫批：兩項(xiàng)都換變．教師出上聯(lián)，學(xué)生回答出了下聯(lián)和橫批．師生和諧互動(dòng)的過(guò)程中，將四個(gè)公式網(wǎng)絡(luò)在．學(xué)生這個(gè)學(xué)習(xí)主體由于認(rèn)識(shí)和愿望系統(tǒng)得到了滿足及發(fā)展，自然會(huì)產(chǎn)生對(duì)美的感動(dòng)，發(fā)生愉快感、滿意感等肯定性的情感體驗(yàn)：“原來(lái)公式之間竟然存在著韻律的和諧之美”．體現(xiàn)了使受教育者在學(xué)習(xí)新知識(shí)的同時(shí)受到美的陶冶的教學(xué)思想．

4 邏輯美在相關(guān)式間演繹鏈

不同物質(zhì)化學(xué)勢(shì)的表示式是物理化學(xué)的教學(xué)難點(diǎn)．若將理想氣體化學(xué)勢(shì)的表示式中的壓強(qiáng)p用分壓定律表示，則可以演繹出混合理想氣體中任意物質(zhì)A的化學(xué)勢(shì)的表示式．考慮氣液平衡時(shí)，氣相和液相的化學(xué)勢(shì)相等，并將理想氣體化學(xué)勢(shì)的表示式中的壓強(qiáng)p分別用拉烏爾定律和亨利定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式和表示，則可以分別演繹出理想液態(tài)混合物中的任意組分和稀溶液中的溶劑、稀溶液中的溶質(zhì)的化學(xué)勢(shì)的表示式．把思路交給學(xué)生，按照脈絡(luò)分別分析相互之間的微差，學(xué)生思路清晰，難點(diǎn)輕松突破，起到綱舉目張的作用．

由克拉貝隆-克勞修斯方程的微分形式到不定積分形式和積分形式之間的邏輯演繹關(guān)系，和化學(xué)平衡常數(shù)與溫度之間、氣體吸附壓力與吸附溫度之間、化學(xué)反應(yīng)速率常數(shù)與溫度之間的邏輯演繹關(guān)系形式完全相同，可視為同一運(yùn)行程序在不同章節(jié)和不同物理量方面的應(yīng)用．首次出現(xiàn)時(shí)精講，后者只分析其相互之間的微差，使學(xué)生逐步樹(shù)立和強(qiáng)化方法意識(shí)，即教人以漁．

5 對(duì)稱美在揭示規(guī)律且形象

在物質(zhì)A中加入物質(zhì)B而沸點(diǎn)降低的完全互溶理想雙液系統(tǒng)相圖中，氣液兩相區(qū)域的物系點(diǎn)和氣相點(diǎn)、液相點(diǎn)的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)分別為x0、xg、xl，物質(zhì)的量分別為n0、ng、nl，它們之間的相互關(guān)系表達(dá)式為），公式中等號(hào)兩邊這種形式上的對(duì)稱，揭示了重力平衡的規(guī)律．形象地稱為杠桿規(guī)則．是內(nèi)容與形式的統(tǒng)一體．并且適用于任何兩相平衡區(qū)的兩相物質(zhì)的量的計(jì)算．

6 新奇美在公式應(yīng)用辟新徑

“沒(méi)有一個(gè)極美的東西，不是在調(diào)和中有著某種奇異”[3]．晴朗的天氣在沙漠中能否利用簾布從空氣中集結(jié)到水？在學(xué)習(xí)表面化學(xué)中的開(kāi)爾文公式之前筆者給出肯定的回答在學(xué)生的意料之外，有新奇之感，當(dāng)剖析了開(kāi)爾文公式中各符號(hào)的物理意義以及相互關(guān)系之后，得到肯定的答案又在情理之中．在學(xué)習(xí)吉布斯吸附等溫式時(shí)，給學(xué)生提出“腌咸菜過(guò)程中為何要進(jìn)行倒缸”的問(wèn)題，學(xué)生難以把生活中腌咸菜的事和感到抽象的公式建立聯(lián)系，也感到奇異，當(dāng)學(xué)習(xí)了單位溶液表面與溶液本體所含溶質(zhì)物質(zhì)的量的差值Γ與溶液溫度T、濃度c、表面張力γ之間的關(guān)系式：，從食鹽溶液的表面張力隨濃度升高而增大，使Γ為負(fù)值，即溶液表面所含食鹽的濃度比溶液本體的低，得到合理的解釋又順理成章：只有反復(fù)倒缸才能使缸內(nèi)不同部位的鹽濃度保持一致，原來(lái)看似抽象的公式也能實(shí)實(shí)在在地運(yùn)用于生活，體現(xiàn)了吉布斯吸附等溫式的功用美．

7 應(yīng)用美在啟智并以美儲(chǔ)善

“任何一件東西如果它能很好地實(shí)現(xiàn)它的功用方面的目的，它就同時(shí)是善的又是美的”[3]．將審美通過(guò)物理化學(xué)公式的學(xué)習(xí)滲透到物理化學(xué)教學(xué)過(guò)程中，不僅可以實(shí)現(xiàn)上述的以美啟智、理論指導(dǎo)生活實(shí)踐的功用，也體現(xiàn)了以美儲(chǔ)善．例如講授體積功得到的等溫可逆膨脹與等溫可逆壓縮功的公式之間只相差了一個(gè)負(fù)號(hào)，得出系統(tǒng)對(duì)環(huán)境做最大功而環(huán)境對(duì)系統(tǒng)做最小功的結(jié)論．它指明了人們通過(guò)努力可以達(dá)到的一種最為理想的極限．并將可逆的概念遷移到電功，是可逆原電池輸出的電能最多，可逆電解池耗電能最少．若將系統(tǒng)或原電池和電解池物化為人，這不是多奉獻(xiàn)、少索取的人生最高境界嗎？所以美是善，是崇高，它讓人的心靈在美中被熏陶，被感染，進(jìn)而得到慰藉和凈化，培養(yǎng)起高尚的審美趣味，從而向善向崇高．

上述關(guān)于物理化學(xué)公式七個(gè)方面的審美價(jià)值之間并不是相互獨(dú)立的，而是相互聯(lián)系和融合的，例如理想氣體狀態(tài)方程m=pVRT和稀溶液的滲透壓與溫度以及摩爾體積之間的關(guān)系式都有對(duì)稱的形式，并且二者的形式相同．都是融簡(jiǎn)明美、對(duì)稱美、多樣統(tǒng)一美和應(yīng)用美于一體的化身．稀溶液的滲透壓與溫度以及摩爾體積之間的關(guān)系式竟然和理想氣體的壓力與摩爾體積以及溫度之間的關(guān)系式形式相同！也有幾分奇異．若每個(gè)物理化學(xué)教育工作者均引領(lǐng)學(xué)生以發(fā)現(xiàn)美的雙眸去觀物理化學(xué)公式和符號(hào)之海，會(huì)發(fā)現(xiàn)更多的新奇，進(jìn)而去創(chuàng)造新奇．

[1] 愛(ài)因斯坦.愛(ài)因斯坦文集:第一卷[M].北京:商務(wù)印書(shū)館,1976:75.

[2] 周義澄.科學(xué)創(chuàng)造與直覺(jué)[M].北京:人民出版社,1985:34.

[3] 仇春霖,蔣培坤,歐陽(yáng)周.簡(jiǎn)明美學(xué)原理[M].北京:高等教育出版社,1987:74,81.

Aesthetic Value of the Physical Chemistry Formula

WANG Wenying, DU Xiuguo
(College of Applied Chemistry, Hengshui University, Hengshui, Hebei 053000, China)

Seven aspects of aesthetic value of the physical chemistry formula have been dug out: concise beauty generalizes the essence and is pervasive; logical beauty deduces the chain of formula; symmetrical beauty reveals law and is vivid; integrity beauty analogizes logics; rhythm beauty frame network in the correlation; novel beauty can be used to open up a new way of formula application; applied beauty is in enlightening wisdom and storing kindness. It will be permeated in the teaching process, and it shows that it is the effective way of implementing quality education.

physical chemistry; formula; aesthetic value

Q40-O41

A

1673-2065(2015)04-0018-03

10.3969/j.issn.1673-2065.2015.04.006

(責(zé)任編校：李建明英文校對(duì)：李玉玲)

2015-01-09

衡水學(xué)院2014年度教改資金資助課題(jg2014073/jg2014071)

王文英(1957-)，女，河北景縣人，衡水學(xué)院化工學(xué)院教授；杜秀果(1965-)，女，河北衡水人，衡水學(xué)院化工學(xué)院副教授.