類比思維能力的培養(yǎng)及在提升物理化學(xué)教學(xué)效果中的應(yīng)用

韓璐 羅世永 李路海

摘要：針對(duì)物理化學(xué)教學(xué)學(xué)內(nèi)容中凸顯的概念抽象、枯燥且容易混淆等問題，本文主張?jiān)诮虒W(xué)實(shí)踐中著重培養(yǎng)學(xué)生的類比思維能力，利用熟知的已有知識(shí)，幫助學(xué)生對(duì)物理化學(xué)新知識(shí)的理解和認(rèn)知。教學(xué)實(shí)踐證明，類比法對(duì)重點(diǎn)、難點(diǎn)知識(shí)的講解能夠達(dá)到由淺入深、化難為易的教學(xué)效果，可極大程度調(diào)動(dòng)學(xué)生的興趣和學(xué)習(xí)主動(dòng)性，對(duì)提升物理化學(xué)教學(xué)效果具有重要的意義。

關(guān)鍵詞：類比思維；物理化學(xué)；教學(xué)效果

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2016）22-0238-02

在材料、化學(xué)、化工、生物、制藥、冶金等相關(guān)專業(yè)中，學(xué)生對(duì)物理化學(xué)知識(shí)的掌握程度影響到對(duì)其他課程知識(shí)點(diǎn)的把握。同時(shí)物理化學(xué)也是諸多大學(xué)研究生入學(xué)的專業(yè)考試課程。但是，在物理化學(xué)課程具有課程起點(diǎn)高、知識(shí)點(diǎn)密集、知識(shí)點(diǎn)抽象、難度大的特點(diǎn)。這也使得物理化學(xué)“教”與“學(xué)”的難度都較高。如何提升教學(xué)效果，一直是物理化學(xué)教學(xué)中研究的一個(gè)重要課題。

在具體教學(xué)中，通過聯(lián)想、分析、比較、歸納，把已經(jīng)熟悉的知識(shí)模型、知識(shí)規(guī)律與所研究的各種現(xiàn)象和過程相聯(lián)系，找出它們?cè)谀承┓矫娴南嗨浦?，并用類似的方法處理稱為類比思維方法。類比思維曾經(jīng)幫助人類獲得大量的知識(shí)，很多物理學(xué)家如開普勒、牛頓、麥斯偉爾都運(yùn)用類比思維解決了很多物理學(xué)難題，可見，類比思維能力是進(jìn)行學(xué)習(xí)和研究的基本素質(zhì)之一。

根據(jù)認(rèn)知心理學(xué)原理，在學(xué)生學(xué)習(xí)新的知識(shí)，尤其是比較抽象的知識(shí)時(shí)，最好能找到新舊知識(shí)之間的聯(lián)系。對(duì)于物理化學(xué)教學(xué)而言，通過相似關(guān)系舉出學(xué)生熟悉的領(lǐng)域中的實(shí)例，可以幫助學(xué)生對(duì)新知識(shí)的理解和認(rèn)知。由于物理化學(xué)教學(xué)內(nèi)容相對(duì)抽象，類比思維可對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)該課程提供直接的指導(dǎo)和啟發(fā)。另外，類比思維也是一種科學(xué)的思維方法，運(yùn)用類比有助于迅速地把握處理問題的關(guān)鍵，變通物理化學(xué)規(guī)律，提高分析問題和解決問題的能力。

一、與熟悉的形象化的事物進(jìn)行類比

物理化學(xué)教學(xué)內(nèi)容中有很多抽象的概念，比如焓、熵函數(shù)、活度、相律等。這些概念不易理解，但是用學(xué)生熟悉的形象化的事物去類比，可幫助學(xué)生較快地理解與掌握這些概念的含義。這種類比思維方法的基本過程是，確定要類比的目標(biāo)問題對(duì)象，然后確定類比源對(duì)象；之后對(duì)目標(biāo)問題對(duì)象與類比源對(duì)象進(jìn)行比較，進(jìn)而找出他們之間的類似關(guān)系；根據(jù)目標(biāo)問題對(duì)象的已知信息，對(duì)其相似關(guān)系進(jìn)行重整化處理。

例如，學(xué)生在學(xué)習(xí)熱力學(xué)第二定律章節(jié)內(nèi)容中利用熵判據(jù)ΔS≥0來判斷隔離系統(tǒng)的方向與限度時(shí)，普遍感到不好掌握，我們就類比生活中的現(xiàn)象來進(jìn)行解釋。即讓同學(xué)試想自己生活的房間，如果平時(shí)不注意清潔和整理，用過的東西隨意丟棄擺放，用不了多長(zhǎng)時(shí)間房間就會(huì)變得很混亂。這樣，同學(xué)們?cè)诶斫忪卦黾拥谋举|(zhì)即系統(tǒng)內(nèi)部自然發(fā)生的隨機(jī)過程打破了原有的狀態(tài)限制，使得系統(tǒng)內(nèi)部元素的狀態(tài)更多，就會(huì)感到抽象的內(nèi)容更加形象化，更易于理解與接受。

所以，利用類比法，使抽象、陌生的概念變?yōu)榫唧w、熟悉的知識(shí)，降低接受抽象概念的難度，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)物理化學(xué)的興趣。這種思維方式通過選取合適的類比源對(duì)象和目標(biāo)問題對(duì)象以直觀的、形象的圖景映入學(xué)生腦海中，使其具有形象思維的特征。

二、與其他課程內(nèi)容進(jìn)行類比

學(xué)習(xí)類比思維主要是讓學(xué)生知道很多知識(shí)點(diǎn)之間不是孤立的，而是相互聯(lián)系、相互促進(jìn)的。類比思維的培養(yǎng)，既依賴于形象思維，因?yàn)橹挥型ㄟ^想象作必要的類比示意圖，才能將原來不同的兩種物理模型、物理規(guī)律之間相互聯(lián)系起來。同時(shí)又借助于抽象思維，因?yàn)橹挥谐橄笏季S才揭示出兩個(gè)事物的共同特征，抓住事物的本質(zhì)。

在具體的課程實(shí)踐中，除了與形象化的事物進(jìn)行對(duì)比，物理化學(xué)的知識(shí)點(diǎn)還可以與很多其他課程內(nèi)容進(jìn)行類比，以此來幫助學(xué)生靈活地運(yùn)用已掌握的知識(shí)來解決遇到的新的物理化學(xué)問題。特別是物理化學(xué)與其他課程，比如大學(xué)物理、大學(xué)化學(xué)乃至高中物理和化學(xué)之間都有部分相似的教學(xué)內(nèi)容，那么就可以采用類比教學(xué)法，利用學(xué)生較為熟悉、已經(jīng)掌握的舊知識(shí)，去啟迪學(xué)生理解和掌握物理化學(xué)中新的知識(shí)。

例如，熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律是大學(xué)物理課程中的內(nèi)容，同時(shí)也是物理化學(xué)中的內(nèi)容；那么，在講授物理化學(xué)中的熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律這兩節(jié)內(nèi)容時(shí)，就可以采用類比法，指出與大學(xué)物理所學(xué)內(nèi)容的相同之處，同時(shí)強(qiáng)調(diào)二者存在的差異，如此循序漸進(jìn)同學(xué)們更容易接受新知識(shí)。

在具體的教學(xué)實(shí)踐中，我們指出，不管是大學(xué)物理還是物理化學(xué)，熱力學(xué)第一定律解決的都是系統(tǒng)在變化過程中的能量問題，包括功、熱和熱力學(xué)內(nèi)能或稱內(nèi)能等。但不同的是，大學(xué)物理課程內(nèi)容中，僅針對(duì)理想氣體這一簡(jiǎn)單的系統(tǒng)，計(jì)算過程也相對(duì)簡(jiǎn)單；而物理化學(xué)的相關(guān)內(nèi)容里，系統(tǒng)不僅包括理想氣體還包括液態(tài)、固態(tài)物質(zhì)，而且系統(tǒng)經(jīng)歷狀態(tài)復(fù)雜，不僅有恒溫、恒壓還有相變化以及化學(xué)反應(yīng)等復(fù)雜的過程，同時(shí)相應(yīng)的引入了新的概念，如摩爾相變焓Δ■■■H■、摩爾反應(yīng)焓Δ■H■■等，所以計(jì)算過程相對(duì)復(fù)雜。這樣，通過類比就讓學(xué)生在新、舊知識(shí)之間架起了一座“橋梁”，讓新舊知識(shí)之間互相溝通。

三、對(duì)課程內(nèi)部知識(shí)之間進(jìn)行類比

物理化學(xué)課程中有很多非常相似的知識(shí)點(diǎn)，這些知識(shí)點(diǎn)集中以大量類似的化學(xué)方程式來呈現(xiàn)。面對(duì)大量的物理化學(xué)化學(xué)方程式，學(xué)生往往感覺記憶困難。巧妙運(yùn)用類比法，會(huì)讓方程式記憶變得輕松并且深刻。

例如，范德霍夫滲透壓公式被認(rèn)為是物理化學(xué)界的經(jīng)典理論之一，被寫在世界各國(guó)的物理化學(xué)教科書中，范德霍夫的滲透壓方程式表述為ΠV=n■RT，但是其概念不容易掌握。我們可對(duì)比學(xué)生們所熟知的理想氣體狀態(tài)方程pV=nRT，發(fā)現(xiàn)二者具有相似的組成，比例常數(shù)與氣體狀態(tài)方程式中的常數(shù)R也基本一致，所以可對(duì)比這兩個(gè)公式的特點(diǎn)來幫助同學(xué)們進(jìn)行理解、掌握與記憶。

再比如，物理化學(xué)中有些方程式的導(dǎo)出過程也可采用類比的方法進(jìn)行推導(dǎo)。比如真實(shí)氣體的范德華方程式（P+■）（V■-b）=RT，就是通過與理想氣體狀態(tài)方程（PV■=RT）進(jìn)行對(duì)比，添加了壓力修正項(xiàng)（■）和體積修正項(xiàng)（b）而得出的。類似地，在多相多組分熱力學(xué)章節(jié)中，提出了“偏摩爾量”這一重要概念，解決了體系中多相、多組分的組成變化對(duì)體系狀態(tài)影響的問題。采用類比思維，只要將純物質(zhì)的任一廣度量替換成偏摩爾量，則可根據(jù)純物質(zhì)的熱力學(xué)函數(shù)關(guān)系，寫出多組分系統(tǒng)中任一組分的熱力學(xué)函數(shù)關(guān)系。

物理化學(xué)課程方程式繁多、復(fù)雜，看似難以理解和記憶，然而從整體上去把握，就會(huì)發(fā)現(xiàn)不同章節(jié)的方程式只不過是同一個(gè)方程式在不同條件下的演變形式而已。因此，在講授基本原理和基本方程式的過程中，靈活運(yùn)用類比或比較的方法，也有助于培養(yǎng)學(xué)生的發(fā)散思維。另外通過類比來找出各個(gè)方程式之間的共同點(diǎn)和關(guān)聯(lián)性，既加深對(duì)物理化學(xué)本學(xué)科知識(shí)點(diǎn)的理解，也使學(xué)生對(duì)自然規(guī)律的普遍適用性有了更深入的認(rèn)識(shí)。

四、如何引導(dǎo)學(xué)生正確運(yùn)用類比思維

類比思維是一種富有創(chuàng)造性的思維形式，類比推理的過程是形象思維、抽象思維、直覺思維的辯證統(tǒng)一的過程。從某種程度上講，類比思維是類比推理過程中的各種思維形式的總稱。要引導(dǎo)學(xué)生正確運(yùn)用類比思維，需要從以下幾點(diǎn)進(jìn)行規(guī)范。

首先，通過向?qū)W生介紹類比思維在科學(xué)發(fā)展史上做出重大貢獻(xiàn)的歷史事件，讓學(xué)生深刻體會(huì)到類比思維的重要性。比如愛因斯坦從引力場(chǎng)幾何化的成功作類比推理，致力于電磁場(chǎng)的幾何化，進(jìn)而建立“統(tǒng)一場(chǎng)論”的思想，這樣的類比案例可以幫助學(xué)生樹立正確的科學(xué)觀，以及實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度與科學(xué)精神，從而激勵(lì)并增強(qiáng)學(xué)生運(yùn)用類比思維解決新問題的勇氣。

其次，教師在具體的教學(xué)過程中，要根據(jù)學(xué)生的情況選用學(xué)生熟悉的“類比源”。雖然類比思維既可以近親類比，還可以邊緣類比。但是教師與學(xué)生在生活經(jīng)驗(yàn)、知識(shí)積累等方面還存在著一定的差異。特別在當(dāng)前的互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，教師與學(xué)生的生活環(huán)境、成長(zhǎng)經(jīng)歷、心理特征都呈現(xiàn)出較大的不同。部分教師在追求專業(yè)知識(shí)精深的同時(shí)卻對(duì)當(dāng)前大學(xué)生的生活方式和時(shí)代背景少有了解，這可能造成教師在進(jìn)行類比教學(xué)時(shí)難以找到合適的類比原型。另外，部分學(xué)生生活經(jīng)驗(yàn)的匱乏可能導(dǎo)致他們?cè)诶斫忸惐仍磿r(shí)產(chǎn)生一定的困難。這都需要教師要主動(dòng)地積累深厚而廣博的知識(shí)，盡可能廣泛地涉獵目前時(shí)代發(fā)展的特征和其他領(lǐng)域的知識(shí)。這樣類比源的選擇范圍越廣泛，類比的形式越靈活，也越能發(fā)揮類比的作用。

最后，類比法中雖然包含了許多辨證的關(guān)系，如相似與相同、同一和差異、偶然聯(lián)系和必然聯(lián)系，現(xiàn)象相似與本質(zhì)相似等等，但是教師應(yīng)該適時(shí)地提醒學(xué)生，類比思維作為一種形式邏輯思維方法，它不同于從一般到特殊的推理，也不同于從特殊到一般的歸納，它的結(jié)論具有偶然性。因此，采用類比思維學(xué)習(xí)新知識(shí)的時(shí)候，必須事先提醒學(xué)生注意到各種差異對(duì)類比結(jié)果的影響。教師在物理化學(xué)教學(xué)中要注意類比法的局限性，引導(dǎo)學(xué)生準(zhǔn)確地應(yīng)用類比思維接受新知識(shí)，指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)類比。

實(shí)踐證明，采用類比思維教學(xué)法，不僅有利于學(xué)生對(duì)新知識(shí)的學(xué)習(xí)、理解，還有利于對(duì)復(fù)雜物理化學(xué)概念、過程的具體化、形象化，能幫助學(xué)生通過類比聯(lián)想尋求思維的線索，獲取理解、掌握知識(shí)的方法以及解決問題的途徑，對(duì)于提升物理化學(xué)教學(xué)效果具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

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