唯物辯證法基本原理在結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

張冬菊

山東大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，濟(jì)南 250100

1 前言

黨的十八大以來，課程思政已成為與思政課程同向同行、協(xié)同育人的重要教學(xué)理念，在高校思想政治工作中的地位和作用日益增強(qiáng)[1]?！傲⒌聵淙恕弊鳛榻逃罡镜娜蝿?wù)和目標(biāo)已形成廣泛共識(shí)，深挖思政教育元素、將思政教育功能融入課堂教學(xué)各環(huán)節(jié)，全力推動(dòng)以課程思政為目標(biāo)的課堂教學(xué)改革，已成為眾多高校教師努力追求的教學(xué)目標(biāo)[2,3]。結(jié)構(gòu)化學(xué)是大學(xué)化學(xué)類各本科專業(yè)的主干基礎(chǔ)課程之一，是連接基礎(chǔ)化學(xué)與高等化學(xué)的階梯，在化學(xué)專業(yè)課程體系中占有重要地位[4-7]。該課程以量子力學(xué)基本原理為基礎(chǔ)，描述原子、分子和晶體結(jié)構(gòu)的基本概念、基礎(chǔ)理論和基本方法，揭示物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)與其宏觀性能之間的內(nèi)在聯(lián)系。量子力學(xué)的誕生和發(fā)展、量子力學(xué)基本原理在化學(xué)中的應(yīng)用、物質(zhì)結(jié)構(gòu)及其性能之間的內(nèi)在聯(lián)系等無不蘊(yùn)含著豐富的辯證唯物主義思想，許多重大發(fā)明和發(fā)現(xiàn)均是唯物主義和唯心主義、辯證法和形而上學(xué)激烈斗爭的結(jié)果。因此，在結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)中，深挖課程思政元素，對學(xué)生進(jìn)行辯證唯物主義教育，是充分發(fā)揮該課程育德功能的重要途徑[8]。

本文結(jié)合結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)內(nèi)容，凝練幾個(gè)案例，探討唯物辯證法基本原理[9]在教學(xué)中的應(yīng)用，旨在引導(dǎo)學(xué)生樹立科學(xué)的世界觀和方法論，引導(dǎo)學(xué)生以物質(zhì)的客觀實(shí)在性為原則，擅于運(yùn)用辯證唯物主義思想探索科學(xué)問題，勇于猜想、敢于質(zhì)疑，不斷提高分析問題和解決問題的能力。

2 結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)內(nèi)容與唯物辯證法有機(jī)結(jié)合的教學(xué)案例

2.1 光與實(shí)物粒子的波粒二象性——“對立統(tǒng)一”和“否定之否定”規(guī)律

“對立統(tǒng)一”和“否定之否定”規(guī)律是辯證唯物主義的核心內(nèi)容，對立統(tǒng)一規(guī)律強(qiáng)調(diào)任何事物的內(nèi)部和事物之間都包含矛盾的兩個(gè)方面，矛盾的雙方既對立又統(tǒng)一；否定之否定規(guī)律則認(rèn)為事物自我發(fā)展的過程是事物內(nèi)部肯定和否定兩方面矛盾斗爭的結(jié)果，事物在“揚(yáng)棄”中螺旋式向前發(fā)展。量子力學(xué)是研究微觀粒子運(yùn)動(dòng)規(guī)律的學(xué)科，其誕生和發(fā)展是充滿矛盾和斗爭的過程。量子力學(xué)的誕生始于人們對光和微觀粒子內(nèi)稟屬性的認(rèn)識(shí)，其中辯證唯物主義哲學(xué)思想發(fā)揮了重要的指導(dǎo)作用，是推動(dòng)量子力學(xué)發(fā)展的源動(dòng)力。

關(guān)于光的本性，牛頓的“微粒說”和惠更斯的“波動(dòng)說”，構(gòu)成了光的兩個(gè)基本理論[10]。1655年，意大利數(shù)學(xué)家格里馬第(Francesco Maria Grimaldi)最早基于光的衍射現(xiàn)象提出了光的波動(dòng)說。1666年，牛頓(Isaac Newton)基于其分光實(shí)驗(yàn)建立了光的微粒說，認(rèn)為光是由微粒組成的。由于牛頓的學(xué)術(shù)權(quán)威和盛名，光的微粒說暫時(shí)占據(jù)了主導(dǎo)地位，波動(dòng)說暫時(shí)被否定。后來，與牛頓同時(shí)代的科學(xué)家，惠更斯(Christian Huygens)進(jìn)一步發(fā)展了光的波動(dòng)說，合理解釋了光的反射、折射現(xiàn)象，此時(shí)牛頓的粒子說受到挑戰(zhàn)和質(zhì)疑，波動(dòng)說又占了上風(fēng)。1873年，麥克斯韋(James Clerk Maxwell)完成劃時(shí)代巨著《電磁學(xué)理論》，將光和電磁現(xiàn)象統(tǒng)一，認(rèn)為光是一種電磁波，進(jìn)一步確立了光的波動(dòng)說地位。1905年，愛因斯坦(Albert Einstein)的著名光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)，使波動(dòng)說又遇到了困難，愛因斯坦在普朗克(Max Planck)能量量子化的基礎(chǔ)上，提出了“光子說”，強(qiáng)調(diào)光的粒子性。經(jīng)歷了“否定之否定”之后的愛因斯坦光子學(xué)說中的“光子”完全不同于牛頓“微粒說”中的經(jīng)典粒子，光子是具有波動(dòng)性的粒子。至此，人們對光的認(rèn)識(shí)提高到一個(gè)新的高度，充分認(rèn)識(shí)到，光具有波粒二象性，既不是純粹的粒子也非純粹的電磁波，波粒二象性是一個(gè)事物的兩個(gè)方面，二者既對立又統(tǒng)一，在不同情況下光表現(xiàn)出不同的性質(zhì)。如(1)式所示，描述光子“粒子性”的物理量(動(dòng)量p)與描述其“波動(dòng)性”的物理量(波長λ)通過普朗克常數(shù)(h)相聯(lián)系。

從17世紀(jì)初至20世紀(jì)初，關(guān)于光的本質(zhì)的爭議長達(dá)三百多年之久，光的“微粒說”和“波動(dòng)說”，各從一個(gè)側(cè)面解釋光的性質(zhì)，其基本論點(diǎn)是對立的，存在不相容的尖銳矛盾。人們對光的認(rèn)識(shí)所經(jīng)歷的多次“否定之否定”過程，是事物內(nèi)部矛盾雙方反復(fù)斗爭的結(jié)果，反映了事物發(fā)展的曲折性和前進(jìn)性的統(tǒng)一，體現(xiàn)了辯證唯物主義思想對于認(rèn)識(shí)事物本質(zhì)的重要性。光是把粒子性和波動(dòng)性有機(jī)結(jié)合在一起的矛盾統(tǒng)一體，光子學(xué)說用辯證法的思想考慮問題，強(qiáng)調(diào)一個(gè)事物的兩個(gè)方面，既注重光的波動(dòng)性又強(qiáng)調(diào)光的粒子性，二者既對立又統(tǒng)一，“粒子性”和“波動(dòng)性”雖具有不同屬性，但和諧共存于一個(gè)整體內(nèi)部，二者統(tǒng)一為光的波粒二象性。

類似地，人們對于微觀基本粒子內(nèi)稟屬性的認(rèn)識(shí)，也是人們用辯證唯物主義思想認(rèn)識(shí)世界、改造世界的又一例證。德布羅意(de Broglie)受光的波粒二象性啟發(fā)，猜想人們對實(shí)物粒子的認(rèn)識(shí)，犯了與對光的認(rèn)識(shí)相反的錯(cuò)誤，即過于強(qiáng)調(diào)微觀實(shí)物粒子的“粒子性”、忽略了其“波動(dòng)性”。由此，德布羅意在1923年提出了微觀實(shí)物粒子的“波粒二象性”，波動(dòng)性與粒子性通過(1)式相聯(lián)系。1927年，戴維孫(Davisson)-革末(Germer)的電子衍射實(shí)驗(yàn)證明了德布羅意提出的“物質(zhì)波”。

微觀實(shí)物粒子波粒二象性的概念奠定了量子力學(xué)誕生的基礎(chǔ)，在哲學(xué)領(lǐng)域也有重要影響，其所蘊(yùn)含的豐富的辯證法思想有助于啟迪學(xué)生樹立科學(xué)的世界觀和方法論。

2.2 微觀基本粒子與宏觀物體運(yùn)動(dòng)規(guī)律的比較——事物之間的普遍聯(lián)系

唯物辯證法認(rèn)為，事物之間和事物內(nèi)部諸要素之間相互影響、相互關(guān)聯(lián)、相互制約，構(gòu)成普遍聯(lián)系的有機(jī)整體，一切事物都處在普遍聯(lián)系之中。聯(lián)系具有普遍性、客觀性、多樣性，唯物辯證法主張用聯(lián)系的觀點(diǎn)看問題，反對形而上學(xué)的孤立觀點(diǎn)。宏觀物體與微觀基本粒子是一個(gè)事物的兩個(gè)方面，宏觀物體以微觀粒子為基礎(chǔ)，微觀基本粒子是構(gòu)成宏觀物體的基本元素。微觀基本粒子的運(yùn)動(dòng)服從量子力學(xué)，充滿不確定性，但由微觀粒子組成的宏觀物體，其運(yùn)動(dòng)規(guī)律滿足牛頓力學(xué)，具有確定性。微觀層次的不確定性和宏觀層次的確定性，反映了微觀粒子和宏觀物體具有本質(zhì)不同的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，但二者統(tǒng)一為物質(zhì)，物質(zhì)之間必有一定的內(nèi)在聯(lián)系。

結(jié)構(gòu)化學(xué)的教學(xué)內(nèi)容，可以挖掘多處體現(xiàn)微觀基本粒子與宏觀物體之間內(nèi)在聯(lián)系的實(shí)例，略舉實(shí)例如下：

(1) 微觀基本粒子與宏觀物體運(yùn)動(dòng)規(guī)律的比較。

顯然，電子運(yùn)動(dòng)呈現(xiàn)顯著波動(dòng)性特征，即波粒二象性是微觀基本粒子的內(nèi)稟屬性，測不準(zhǔn)關(guān)系是其內(nèi)稟屬性的體現(xiàn)。

當(dāng)描述微觀基本粒子的物理量演變到一定程度，過渡到宏觀物體時(shí)，則運(yùn)動(dòng)規(guī)律會(huì)有本質(zhì)的改變。以子彈的運(yùn)動(dòng)為例，設(shè)子彈質(zhì)量為0.01 kg，運(yùn)動(dòng)速度為1000 m·s-1，同樣假定子彈運(yùn)動(dòng)速度的不確定度為其速度的10%，則有：

這表明子彈的波動(dòng)性和其位置的不確定度與子彈本身的大小相比可忽略不計(jì)，不受波粒二象性和測不準(zhǔn)原理的限制，即波粒二象性導(dǎo)致的測不準(zhǔn)關(guān)系對于宏觀物體沒有實(shí)際意義。這表明宏觀物體和微觀粒子并不是截然孤立的事物，而是微觀粒子的不確定性對于宏觀物體而言，完全可以忽略不計(jì)。

(2) 箱中粒子的能級差。

勢箱中的粒子是結(jié)構(gòu)化學(xué)教材中描述微觀基本粒子運(yùn)動(dòng)第一個(gè)實(shí)例[4-7]，通過薛定諤方程的求解，得到一維勢箱中粒子的能級表達(dá)式為：

其中，m為粒子質(zhì)量，a為箱子長度，n為量子數(shù)。由量子數(shù)的取值自然得到粒子的能級是分立的，呈量子化分布。

由(2)式，可計(jì)算相鄰兩個(gè)能級之間的能級差：

由(3)式可以看出，箱中粒子的能級差隨粒子質(zhì)量和箱子長度的增大而減小，當(dāng)粒子質(zhì)量和箱子長度“量變”到一定程度，演化到宏觀物體，則能級差將變得非常小，粒子能級將呈現(xiàn)連續(xù)變化，微觀粒子的量子化特征消失，量子力學(xué)還原到經(jīng)典力學(xué)。因此，從微觀基本粒子到宏觀物體，其運(yùn)動(dòng)規(guī)律的本質(zhì)變化，體現(xiàn)了微觀基本粒子與宏觀物體之間存在有機(jī)聯(lián)系，二者統(tǒng)一為物質(zhì)，必須用辯證唯物主義聯(lián)系的觀點(diǎn)、發(fā)展變化的觀點(diǎn)理解其運(yùn)動(dòng)規(guī)律的演變。

2.3 價(jià)鍵理論和分子軌道理論對氫分子的簡單處理——二分法與系統(tǒng)法相結(jié)合

二分法以矛盾為對象，運(yùn)用一分為二的觀點(diǎn)進(jìn)行辯證思維；系統(tǒng)法是以系統(tǒng)觀為依據(jù)，著重從整體性、關(guān)聯(lián)性、最優(yōu)性等方面進(jìn)行的思維方法。二分法與系統(tǒng)法相結(jié)合是馬克思主義辯證思維的重要方法。價(jià)鍵理論(valence bond theory)和分子軌道理論(molecular orbital theory)是理解物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性能的兩種基本理論方法[10,11]。價(jià)鍵理論的核心思想是原子間相互接近、成單價(jià)電子的軌道通過最大重疊使電子配對形成共價(jià)鍵，體系能量降低，形成穩(wěn)定分子。分子軌道理論著重于分子的整體性，提出分子軌道的概念，把分子中的每個(gè)電子看做在所有核與所有電子所形成的勢場中運(yùn)動(dòng)。

價(jià)鍵理論和分子軌道理論是現(xiàn)代化學(xué)鍵理論的基石，是理解分子結(jié)構(gòu)的基本工具。價(jià)鍵理論立足于成鍵原子間成單電子的相互配對，模型直觀、易于理解，結(jié)合雜化軌道理論可以圓滿解釋分子的幾何構(gòu)型，但由于其只考慮了原子價(jià)層軌道對成鍵的影響，并且認(rèn)為成鍵電子對僅在成鍵原子間運(yùn)動(dòng)，忽略了電子運(yùn)動(dòng)的離域特征，因此存在明顯的局限性，如不能解釋一些分子的磁性以及單電子鍵和三電子鍵等化學(xué)鍵的存在。分子軌道理論基于原子軌道的線性組合構(gòu)造分子軌道，強(qiáng)調(diào)電子的離域性，彌補(bǔ)了價(jià)鍵理論的一些不足，可以成功解釋價(jià)鍵理論不能解釋的一些問題(如O2的順磁性)，但由于過分強(qiáng)調(diào)了電子的離域特征，致使對相鄰原子間成鍵的概念不夠直觀，對于解釋分子的構(gòu)型不如價(jià)鍵理論清晰。因此，在具體應(yīng)用時(shí)，應(yīng)注意使用辯證唯物主義二分法和系統(tǒng)法的思維方式考慮問題，正確理解價(jià)鍵理論與分子軌道理論方法的精髓和局限性，弄清它們的本質(zhì)區(qū)別和相互聯(lián)系。

下面以H2為例，分析價(jià)鍵理論和分子軌道理論的具體應(yīng)用，強(qiáng)調(diào)二分法與系統(tǒng)法相結(jié)合的辯證思維方式。

用a、b分別表示H2分子的兩個(gè)核，aφ和bφ分別表示中心在a核和b核的原子軌道，最簡單的情況aφ和bφ均為H原子的1s軌道。

(6)式中前兩項(xiàng)描述兩個(gè)電子在同一中心(a核或b核)運(yùn)動(dòng)，相當(dāng)于描述的狀態(tài)，稱其為離子項(xiàng)；后兩項(xiàng)描述兩個(gè)電子既在a核運(yùn)動(dòng)、又在b核運(yùn)動(dòng)，相當(dāng)于每個(gè)電子等同地出現(xiàn)在兩個(gè)核附近，稱為共價(jià)項(xiàng)。由(6)式看出，離子項(xiàng)和共價(jià)項(xiàng)的貢獻(xiàn)各占50%，即分子軌道理論認(rèn)為H2解離為2個(gè)氫原子的幾率等同于解離為質(zhì)子和氫負(fù)離子的幾率，而實(shí)際上前者的機(jī)率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過后者，表明分子軌道理論過估了離子項(xiàng)的貢獻(xiàn)。

另一方面，基態(tài)H2分子價(jià)鍵波函數(shù)，(4)式，對應(yīng)(6)式中的后兩項(xiàng)，即價(jià)鍵理論僅考慮了共價(jià)項(xiàng)的貢獻(xiàn)，完全忽略了離子項(xiàng)的貢獻(xiàn)。因此，H2的價(jià)鍵波函數(shù)(海特勒-倫敦波函數(shù))走向了與分子軌道法相反的另一個(gè)極端。兩種理論方法對H2的簡單處理均蘊(yùn)含合理的科學(xué)思想，但也各有局限性，因此，應(yīng)堅(jiān)持用辯證唯物主義二分法客觀評判兩種理論方法，并用系統(tǒng)法關(guān)聯(lián)兩種方法，探討進(jìn)一步改進(jìn)上述簡單處理的措施。

(4)式和(6)式對H2分子的處理均過于簡單，對前者的改進(jìn)需要增加離子項(xiàng)的貢獻(xiàn)，而對后者的改進(jìn)需要減小離子項(xiàng)的貢獻(xiàn)。這樣，系統(tǒng)考慮價(jià)鍵理論和分子軌道理論對H2簡單處理的不足之處，可將(4)式和(6)式統(tǒng)一改進(jìn)為：

式中δ表示離子項(xiàng)相對于共價(jià)項(xiàng)所占的權(quán)重，從上述討論可知，0＜δ＜1。顯然，(7)式是系統(tǒng)考慮價(jià)鍵理論和分子軌道理論的科學(xué)思想，對H2的改進(jìn)處理，充分體現(xiàn)了矛盾分析法(二分法)的辯證思維方式。

2.4 氯化鈉與金剛石的晶體結(jié)構(gòu)與點(diǎn)陣型式比較——透過現(xiàn)象看本質(zhì)

現(xiàn)象與本質(zhì)是唯物辯證法的一對基本范疇，現(xiàn)象指事物的表面特征和外部聯(lián)系，本質(zhì)指事物的根本性質(zhì)和內(nèi)部聯(lián)系?，F(xiàn)象與本質(zhì)存在對立統(tǒng)一關(guān)系，現(xiàn)象是本質(zhì)的表現(xiàn)，本質(zhì)是現(xiàn)象的根據(jù)。辯證唯物主義強(qiáng)調(diào)，對任何事物的認(rèn)識(shí)都不能停留在事物的表面現(xiàn)象上，要通過科學(xué)分析揭示事物的本質(zhì)；任何現(xiàn)象都從一定方面反映事物的本質(zhì)，不能脫離現(xiàn)象臆想事物的本質(zhì)；通過對現(xiàn)象的不斷深入研究才能加深對事物本質(zhì)的認(rèn)識(shí)，做到透過現(xiàn)象看本質(zhì)。

晶體結(jié)構(gòu)是結(jié)構(gòu)化學(xué)課程的重要教學(xué)內(nèi)容[4,7]，其中晶體結(jié)構(gòu)的點(diǎn)陣型式是教學(xué)的重點(diǎn)之一。晶體結(jié)構(gòu)千差萬別，但描述晶體結(jié)構(gòu)的點(diǎn)陣型式(空間格子)只有14種。外形多樣、組成各異是晶體結(jié)構(gòu)的外在表現(xiàn)型式，是事物的“現(xiàn)象”；點(diǎn)陣型式是晶體結(jié)構(gòu)中結(jié)構(gòu)基元周期性分布規(guī)律的科學(xué)抽象，是實(shí)物的“本質(zhì)”。如何透過“現(xiàn)象”看“本質(zhì)”，正確理解晶體結(jié)構(gòu)“現(xiàn)象”與“本質(zhì)”的內(nèi)在聯(lián)系通常是學(xué)生學(xué)習(xí)的難點(diǎn)。

下面以氯化鈉與金剛石為例，揭示如何透過晶體結(jié)構(gòu)的“現(xiàn)象”掌握其“本質(zhì)”。

圖1給出了氯化鈉(圖1a)與金剛石(圖1b)的晶胞，即晶體的基本重復(fù)單元。氯化鈉晶體是離子晶體，一個(gè)晶胞包含4個(gè)Na+離子和4個(gè)Cl-離子，Na+離子占據(jù)立方體的體心和棱心，Cl-離子分布于立方體的頂點(diǎn)和面心。金剛石晶體是原子晶體，一個(gè)晶胞包含8個(gè)C原子，其中4個(gè)位于的立方體的頂點(diǎn)和面心，另外4個(gè)位于立方體內(nèi)部，位于立方體的4條體對角線上。

圖1 氯化鈉、金剛石晶體的晶胞與點(diǎn)陣

氯化鈉晶體與金剛石晶體的化學(xué)組成、原子或離子的排布規(guī)律顯著不同，即表現(xiàn)為不同的“現(xiàn)象”；但如果考查兩個(gè)晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)基元的幾何圖像，即用點(diǎn)陣的概念描述晶體結(jié)構(gòu)，就會(huì)發(fā)現(xiàn)兩個(gè)晶體具有相同的點(diǎn)陣型式，即兩個(gè)晶體的“本質(zhì)”是相同的，這里的“本質(zhì)”指晶體的點(diǎn)陣型式，兩個(gè)晶體均屬立方晶系，其點(diǎn)陣型式均為立方面心格子。

理解晶體結(jié)構(gòu)的點(diǎn)陣型式，關(guān)鍵是正確識(shí)別晶體結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)基元，將結(jié)構(gòu)基元抽象成點(diǎn)陣點(diǎn)，觀察點(diǎn)陣點(diǎn)的周期性排布規(guī)律，即可得到對應(yīng)的點(diǎn)陣型式。晶體與點(diǎn)陣是具體和抽象的關(guān)系，晶體是具體的，其中的結(jié)構(gòu)基元是具有一定幾何結(jié)構(gòu)的化學(xué)基團(tuán)；點(diǎn)陣是抽象的，是將晶體結(jié)構(gòu)中結(jié)構(gòu)基元抽象為數(shù)學(xué)上幾何點(diǎn)的結(jié)果。氯化鈉晶體的結(jié)構(gòu)基元為一個(gè)鈉離子和一個(gè)氯離子組成的陰陽離子對，表示為NaCl；金剛石晶體中有兩類環(huán)境不同的碳原子，其結(jié)構(gòu)基元表示為C2。氯化鈉晶體與金剛石晶體雖有不同的空間結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成，但將各自的結(jié)構(gòu)基元抽象為點(diǎn)陣點(diǎn)后，形成相同的點(diǎn)陣型式，即立方面心格子?？此仆耆煌木w，卻可用相同的點(diǎn)陣型式描述其晶體結(jié)構(gòu)的周期性。

從氯化鈉和金剛石具體晶體結(jié)構(gòu)的比較到其抽象點(diǎn)陣型式的分析，充分體現(xiàn)了辯證唯物主義透過現(xiàn)象看本質(zhì)這一哲學(xué)思想的重要性，由此啟發(fā)我們要擅于透過事物的表面現(xiàn)象，揭示隱藏于事物內(nèi)部的本質(zhì)和規(guī)律。

3 結(jié)語

結(jié)合結(jié)構(gòu)化學(xué)課程的教學(xué)內(nèi)容，凝練了幾例體現(xiàn)辯證唯物主義哲學(xué)思想的課程思政教學(xué)案例；案例內(nèi)容涉及微觀基粒子的波粒二象性、測不準(zhǔn)關(guān)系、化學(xué)鍵理論、晶體結(jié)構(gòu)等基礎(chǔ)知識(shí)和基本理論，相關(guān)討論應(yīng)用了“對立統(tǒng)一”“否定之否定”“事物之間的普遍聯(lián)系”等唯物辯證法的基本觀點(diǎn)，以及二分法、系統(tǒng)法、透過現(xiàn)象看本質(zhì)等辯證思維方式；教學(xué)案例的實(shí)施不僅有助于結(jié)構(gòu)化學(xué)的課程思政建設(shè)，實(shí)現(xiàn)思政育德的目的，而且有助于培養(yǎng)學(xué)生的辯證思維方式，提高其分析問題和解決問題的能力。