物理化學(xué)中的科學(xué)思維方法及其在教學(xué)中的應(yīng)用

◆楊亞提 許 娟 馬海龍 馬亞團(tuán)

(西北農(nóng)林科技大學(xué)理學(xué)院)

物理化學(xué)中的科學(xué)思維方法及其在教學(xué)中的應(yīng)用

◆楊亞提 許 娟 馬海龍 馬亞團(tuán)

(西北農(nóng)林科技大學(xué)理學(xué)院)

物理化學(xué)是一門理論化學(xué)，其涉及的內(nèi)容多、公式多、條件多、概念抽象等特點(diǎn)，使學(xué)生學(xué)習(xí)起來(lái)枯燥無(wú)味。為此，在教學(xué)中，為激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理化學(xué)的興趣，必須讓學(xué)生了解這門學(xué)科中所包含的科學(xué)的思維方法，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造性思維能力，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題能力，以提高學(xué)生素質(zhì)，培養(yǎng)出合格人才。

物理化學(xué) 科學(xué)思維方法 創(chuàng)造性思維

物理化學(xué)是綜合院校化學(xué)、生物、食品、制藥以及環(huán)境工程等專業(yè)的一門重要的基礎(chǔ)理論課，又叫理論化學(xué)，被稱為“化學(xué)的靈魂”。其目的是在已學(xué)過(guò)的先行課程基礎(chǔ)上，運(yùn)用物理和數(shù)學(xué)的有關(guān)理論與方法，進(jìn)一步研究物質(zhì)化學(xué)運(yùn)動(dòng)的普遍規(guī)律，對(duì)化學(xué)運(yùn)動(dòng)的一般規(guī)律，從理論上給予更深刻、更本質(zhì)的說(shuō)明。因此說(shuō)，物理化學(xué)是一門難教、難學(xué)的課程。為此，在教學(xué)中，為激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理化學(xué)的興趣，必須讓學(xué)生了解這門學(xué)科中所包含的科學(xué)的思維方法，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造性思維能力及發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題能力。

一、以直覺(jué)、想象為主的思維方法

直覺(jué)思維是指不受某種固定的邏輯規(guī)則約束而直接領(lǐng)悟事物本質(zhì)的一種思維方式，是主動(dòng)的體會(huì)觀察，思索理解。直覺(jué)是在科學(xué)發(fā)現(xiàn)和技術(shù)發(fā)明過(guò)程中產(chǎn)生新思想、新概念和形成新假說(shuō)、提出新模型的基本途徑之一。熱力學(xué)一、二定律就是人類在探索自然規(guī)律的過(guò)程中，對(duì)其直接領(lǐng)悟后憑直覺(jué)發(fā)現(xiàn)的原理。原理就是自然界變化的基本規(guī)律，它是人類根據(jù)豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)憑直覺(jué)，通過(guò)歸納的方法，即從特殊到一般的思考過(guò)程中得出的，它不能從其它更普遍的定律推導(dǎo)出來(lái)，即原理是不能用推導(dǎo)、演繹的方法得出。物理化學(xué)對(duì)這兩個(gè)原理的證明也是依靠自身，用反證法證實(shí)它們的客觀性，即物理化學(xué)中蘊(yùn)涵著一種重要的思維方式就是逆向思維。如熱力學(xué)第二定律有兩種說(shuō)法，一種是克勞修斯說(shuō)法:“不可能把熱從低溫物體傳給高溫物體，而不產(chǎn)生其他影響?！绷硪环N是開爾文說(shuō)法:“不可能從單一熱源吸取熱量使之完全轉(zhuǎn)變?yōu)楣?，而不引起其它變化?！边@兩種說(shuō)法不同，但本質(zhì)是一樣的。很難找到一種方法證明一個(gè)過(guò)程既服從克勞斯說(shuō)法又服從開爾文說(shuō)法。但通過(guò)逆向思維從反方向擊思考，證明一個(gè)過(guò)程若不服從克勞修斯說(shuō)法，也必然不服從開爾文說(shuō)法。為此，在物理化學(xué)的教學(xué)中，應(yīng)當(dāng)向?qū)W生指明:得出原理沒(méi)有邏輯過(guò)程，不必尋求它的推導(dǎo)，它也沒(méi)有推導(dǎo)、演繹過(guò)程。愛因斯坦說(shuō)過(guò)“只有通過(guò)那種以對(duì)經(jīng)驗(yàn)的共鳴的理解為依據(jù)的直覺(jué)，才能得到這些定律”。

想象是在聯(lián)想的基礎(chǔ)上加工原有意象而創(chuàng)造出新意象的思維方式。發(fā)現(xiàn)原理只能靠大膽地想象、猜想，甚至是異想天開的幻想。物理化學(xué)中經(jīng)常用到科學(xué)的想象，這為培養(yǎng)學(xué)生豐富的想象能力提供了機(jī)會(huì)。創(chuàng)造科學(xué)理論的過(guò)程，想象力比知識(shí)更重要，因?yàn)橹R(shí)是有限的，而想象力概括著自然界的一切，推動(dòng)著進(jìn)步，并且是知識(shí)進(jìn)化的源泉。

二、以邏輯思維為主的創(chuàng)造性思維

物理化學(xué)中的許多結(jié)論，是在自由假定下，運(yùn)用基本概念和原理、經(jīng)邏輯演繹得出結(jié)論。在教材中占據(jù)大量篇幅，在教學(xué)中要讓學(xué)生了解以下幾點(diǎn)。

首先，從運(yùn)用原理到得出結(jié)論，是從一般到特殊的過(guò)程，通過(guò)演繹得出結(jié)論。這種演繹過(guò)程對(duì)學(xué)生如何進(jìn)行邏輯推理，辨證思維是極好的典范。在演繹過(guò)程，人們必須具有豐富的知識(shí)，有綜合運(yùn)用各種知識(shí)的能力。它不同于純粹的數(shù)學(xué)邏輯，它在推導(dǎo)的每一步，都以經(jīng)驗(yàn)事實(shí)為依據(jù)，具有明確的物理意義。如熱力學(xué)兩大定律是在歸納和總結(jié)人類經(jīng)驗(yàn)和科學(xué)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上得出來(lái)的;而焓是以第一定律為基礎(chǔ)通過(guò)演繹而得，同樣，亥姆霍茲函數(shù)和吉布斯函數(shù)是通過(guò)聯(lián)合應(yīng)用第一和第二定律演繹出來(lái)的。在教學(xué)中，盡管結(jié)論產(chǎn)生的演繹過(guò)程不要求學(xué)生掌握，但要求學(xué)生很好地理解演繹過(guò)程，熟悉結(jié)論產(chǎn)生的思維方法，會(huì)對(duì)學(xué)生產(chǎn)生較深遠(yuǎn)的影響。

其次，演繹得出的結(jié)論是否正確，要由觀察的經(jīng)驗(yàn)事實(shí)裁決，即實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的標(biāo)準(zhǔn)。在已有知識(shí)的基礎(chǔ)上進(jìn)行有計(jì)劃的實(shí)驗(yàn)可以檢驗(yàn)結(jié)論，根據(jù)實(shí)驗(yàn)可以歸納出若干經(jīng)驗(yàn)定律，再通過(guò)思維、判斷和推理，提出假說(shuō)或建立模型以說(shuō)明現(xiàn)象發(fā)生的原因。根據(jù)假說(shuō)可以進(jìn)一步預(yù)測(cè)新的性質(zhì)和規(guī)律，并有針對(duì)性地設(shè)計(jì)新的科學(xué)實(shí)驗(yàn)。如果這些推論以及新的實(shí)驗(yàn)結(jié)果被觀察事實(shí)所證實(shí)，那么假說(shuō)就成為公眾所能接受的理論。如在熱力學(xué)理論中，以理想氣體為模型，推出的氣體、液體、溶液及固體的化學(xué)勢(shì)公式就是熱力學(xué)的結(jié)論，它被化學(xué)變化，生理變化中許多事實(shí)所證實(shí)，因而證實(shí)了熱力學(xué)的出發(fā)點(diǎn)是正確的。因此，讓學(xué)生明白:發(fā)現(xiàn)原理靠直覺(jué)，得出結(jié)論靠演繹，而檢驗(yàn)理論用實(shí)驗(yàn)方法，也是直覺(jué)方法。

最后，客觀事物之間具有普遍關(guān)聯(lián)性。類比就是在這一基礎(chǔ)上，對(duì)具有類似或同一性的兩類對(duì)象的聯(lián)想和比較，又稱作類比推理。物理化學(xué)教學(xué)中體現(xiàn)出的類比方法主要有兩個(gè)方面，一是本學(xué)科知識(shí)點(diǎn)之間的類比，二是與其他學(xué)科的類比。比如熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)、相平衡、界面現(xiàn)象、電化學(xué)等章節(jié)陸續(xù)出現(xiàn)五個(gè)形式非常接近的公式，如化學(xué)反應(yīng)等壓方程、克－克方程，阿累尼烏斯方程、能斯特方程和開爾文方程。這些公式的相似性必然是建立在客觀世界各種現(xiàn)象的普遍聯(lián)系的基礎(chǔ)之上的。通過(guò)比較，找出共同點(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)。

三、問(wèn)題是新理論的先導(dǎo)

任何理論都不可能具有終極的意義，永遠(yuǎn)不會(huì)是最后的定論。比如，表面現(xiàn)象中的幾個(gè)吸附理論，就說(shuō)明理論需要發(fā)展和完善。這種發(fā)展和完善，靠善于提出問(wèn)題，提出新問(wèn)題，從新的角度去看舊問(wèn)題。提出問(wèn)題是科學(xué)向前發(fā)展的第一步。在教學(xué)中，就一個(gè)理論與另一個(gè)理論的銜接關(guān)系，向?qū)W生指明:新問(wèn)題和新想法是后續(xù)課理論的先導(dǎo)。如熱力學(xué)第一定律解決了自然界一切事物變化過(guò)程的能量轉(zhuǎn)化問(wèn)題，那么我們應(yīng)該馬上想到事物的發(fā)展有沒(méi)有方向和限度，這就是問(wèn)題，由此就有了熱力學(xué)第二定律，但有人將其錯(cuò)誤地?cái)U(kuò)展到宇宙，去預(yù)言自然界的演化方向，結(jié)果得出令人可悲的結(jié)論:宇宙“熱寂論”。自然界的演化方向到底是越來(lái)越有序還是越來(lái)越無(wú)序?這一問(wèn)題的提出，導(dǎo)致一個(gè)劃時(shí)代意義的理論即耗散結(jié)構(gòu)理論的出現(xiàn)，由它統(tǒng)一了熱力學(xué)第二定律和達(dá)爾文理論，解釋了自然界的演化方向問(wèn)題。

綜上所述，以物理化學(xué)理論的發(fā)展為典范，注意培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造性思維能力和提出問(wèn)題的習(xí)慣十分重要。在邏輯思維的基礎(chǔ)上發(fā)揮多元化的思維技巧，只有這樣，才能使學(xué)生既有合理的知識(shí)結(jié)構(gòu)，又有合理的能力結(jié)構(gòu)，才能真正實(shí)現(xiàn)物理化學(xué)的教學(xué)目標(biāo)標(biāo)，才能真正滿足現(xiàn)代社會(huì)對(duì)人才培養(yǎng)的需要。提出一個(gè)問(wèn)題比解決一個(gè)問(wèn)題更重要。解決一個(gè)問(wèn)題靠技術(shù)，而提出一個(gè)問(wèn)題要發(fā)揮人的想象力，它才是科學(xué)發(fā)展的源動(dòng)力。

［1］傅獻(xiàn)彩，沈文霞，姚天揚(yáng)．物理化學(xué)(第五版)［M］．北京:高等教育出版社，2006．

［2］國(guó)家教委社科司組編．自然辯證法概論(修訂版)［M］．北京:高等教育出版社，2001．

西北農(nóng)林科技大學(xué)教學(xué)改革項(xiàng)目(JY0902082)。