物理化學中的科學思維方法及其在教學中的應用

物理化學是一門理論化學，其涉及的內容多、公式多、條件多、概念抽象等特點，使學生學習起來枯燥無味。為此，在教學中，為激發學生學習物理化學的興趣，必須讓學生了解這門學科中所包含的科學的思維方法，培養學生創造性思維能力，發現問題、分析問題、解決問題能力，以提高學生素質，培養出合格人才。

物理化學 科學思維方法 創造性思維

物理化學是綜合院校化學、生物、食品、制藥以及環境工程等專業的一門重要的基礎理論課，又叫理論化學，被稱為“化學的靈魂”。其目的是在已學過的先行課程基礎上，運用物理和數學的有關理論與方法，進一步研究物質化學運動的普遍規律，對化學運動的一般規律，從理論上給予更深刻、更本質的說明。因此說，物理化學是一門難教、難學的課程。為此，在教學中，為激發學生學習物理化學的興趣，必須讓學生了解這門學科中所包含的科學的思維方法，培養學生創造性思維能力及發現問題、分析問題、解決問題能力。

一、以直覺、想象為主的思維方法

直覺思維是指不受某種固定的邏輯規則約束而直接領悟事物本質的一種思維方式，是主動的體會觀察，思索理解。直覺是在科學發現和技術發明過程中產生新思想、新概念和形成新假說、提出新模型的基本途徑之一。熱力學一、二定律就是人類在探索自然規律的過程中，對其直接領悟后憑直覺發現的原理。原理就是自然界變化的基本規律，它是人類根據豐富的實踐經驗憑直覺，通過歸納的方法，即從特殊到一般的思考過程中得出的，它不能從其它更普遍的定律推導出來，即原理是不能用推導、演繹的方法得出。物理化學對這兩個原理的證明也是依靠自身，用反證法證實它們的客觀性，即物理化學中蘊涵著一種重要的思維方式就是逆向思維。如熱力學第二定律有兩種說法，一種是克勞修斯說法：“不可能把熱從低溫物體傳給高溫物體，而不產生其他影響?！绷硪环N是開爾文說法：“不可能從單一熱源吸取熱量使之完全轉變為功，而不引起其它變化?！边@兩種說法不同，但本質是一樣的。很難找到一種方法證明一個過程既服從克勞斯說法又服從開爾文說法。但通過逆向思維從反方向擊思考，證明一個過程若不服從克勞修斯說法，也必然不服從開爾文說法。為此，在物理化學的教學中，應當向學生指明：得出原理沒有邏輯過程，不必尋求它的推導，它也沒有推導、演繹過程。愛因斯坦說過“只有通過那種以對經驗的共鳴的理解為依據的直覺，才能得到這些定律”。

想象是在聯想的基礎上加工原有意象而創造出新意象的思維方式。發現原理只能靠大膽地想象、猜想，甚至是異想天開的幻想。物理化學中經常用到科學的想象，這為培養學生豐富的想象能力提供了機會。創造科學理論的過程，想象力比知識更重要，因為知識是有限的，而想象力概括著自然界的一切，推動著進步，并且是知識進化的源泉。

二、以邏輯思維為主的創造性思維

物理化學中的許多結論，是在自由假定下，運用基本概念和原理、經邏輯演繹得出結論。在教材中占據大量篇幅，在教學中要讓學生了解以下幾點。

首先，從運用原理到得出結論，是從一般到特殊的過程，通過演繹得出結論。這種演繹過程對學生如何進行邏輯推理，辨證思維是極好的典范。在演繹過程，人們必須具有豐富的知識，有綜合運用各種知識的能力。它不同于純粹的數學邏輯，它在推導的每一步，都以經驗事實為依據，具有明確的物理意義。如熱力學兩大定律是在歸納和總結人類經驗和科學實驗的基礎上得出來的；而焓是以第一定律為基礎通過演繹而得，同樣，亥姆霍茲函數和吉布斯函數是通過聯合應用第一和第二定律演繹出來的。在教學中，盡管結論產生的演繹過程不要求學生掌握，但要求學生很好地理解演繹過程，熟悉結論產生的思維方法，會對學生產生較深遠的影響。

其次，演繹得出的結論是否正確，要由觀察的經驗事實裁決，即實踐是檢驗真理的標準。在已有知識的基礎上進行有計劃的實驗可以檢驗結論，根據實驗可以歸納出若干經驗定律，再通過思維、判斷和推理，提出假說或建立模型以說明現象發生的原因。根據假說可以進一步預測新的性質和規律，并有針對性地設計新的科學實驗。如果這些推論以及新的實驗結果被觀察事實所證實，那么假說就成為公眾所能接受的理論。如在熱力學理論中，以理想氣體為模型，推出的氣體、液體、溶液及固體的化學勢公式就是熱力學的結論，它被化學變化，生理變化中許多事實所證實，因而證實了熱力學的出發點是正確的。因此，讓學生明白：發現原理靠直覺，得出結論靠演繹，而檢驗理論用實驗方法，也是直覺方法。

最后，客觀事物之間具有普遍關聯性。類比就是在這一基礎上，對具有類似或同一性的兩類對象的聯想和比較，又稱作類比推理。物理化學教學中體現出的類比方法主要有兩個方面，一是本學科知識點之間的類比，二是與其他學科的類比。比如熱力學、動力學、相平衡、界面現象、電化學等章節陸續出現五個形式非常接近的公式，如化學反應等壓方程、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象的普遍聯系的基礎之上的。通過比較，找出共同點和關聯性，既加深對物理化學本學科知識點的理解，也使學生對自然規律的普遍適用性有了更深入的認識。

三、問題是新理論的先導

任何理論都不可能具有終極的意義，永遠不會是最后的定論。比如，表面現象中的幾個吸附理論，就說明理論需要發展和完善。這種發展和完善，靠善于提出問題，提出新問題，從新的角度去看舊問題。提出問題是科學向前發展的第一步。在教學中，就一個理論與另一個理論的銜接關系，向學生指明：新問題和新想法是后續課理論的先導。如熱力學第一定律解決了自然界一切事物變化過程的能量轉化問題，那么我們應該馬上想到事物的發展有沒有方向和限度，這就是問題，由此就有了熱力學第二定律，但有人將其錯誤地擴展到宇宙，去預言自然界的演化方向，結果得出令人可悲的結論：宇宙“熱寂論”。自然界的演化方向到底是越來越有序還是越來越無序？這一問題的提出，導致一個劃時代意義的理論即耗散結構理論的出現，由它統一了熱力學第二定律和達爾文理論，解釋了自然界的演化方向問題。

綜上所述，以物理化學理論的發展為典范，注意培養學生創造性思維能力和提出問題的習慣十分重要。在邏輯思維的基礎上發揮多元化的思維技巧，只有這樣，才能使學生既有合理的知識結構，又有合理的能力結構，才能真正實現物理化學的教學目標標，才能真正滿足現代社會對人才培養的需要。提出一個問題比解決一個問題更重要。解決一個問題靠技術，而提出一個問題要發揮人的想象力，它才是科學發展的源動力。

參考文獻：

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基金項目：西北農林科技大學教學改革項目（JY0902082）。