物理化学和学生思维培育综述

作者：李曦 郭丽玲 李全华 单位：武汉理工大学材料学院

从物理化学理论看直觉思维存在的广泛性

逻辑思维中的直觉方法论中早已明确提到“直觉归纳”一词,指出直觉归纳既具有归纳推理的特点,又具有直觉思维的特点,这表明了二者在思维活动中的不可分割性.亚里士多德最早提出这种直觉顿悟方法,他认为三段论演绎中作为一般原理的大前提只能由演绎以外的归纳方法得到,它没有确定形式,而是凭借“人心的洞察力”,即他所谓的“理智的直觉”——由感性材料直接领悟到对象的本质.例如个别生命在颜色、大小、生长地点等方面有着明显的差异,但却能够直觉地认识到这些差异都是非本质的、偶然的,而营养和繁殖机能是一切生命都具有的本性.所以,图1中的直觉跳跃正是直觉归纳.由此可见,直觉在归纳中是一种如何从众多事实中寻求最本质联系的方向感,或“方向的判断”,无须逻辑推理,但它受着逻辑的制约,这是由问题的答案所具有的内在逻辑必然性决定了的——直觉大多预示着可能的逻辑后果.例如,化学反应总是伴随着热效应,而热总是可以通过适当的装置转变为功,这些现象使人们直觉地认识到内能的存在,认识到内能、功、热都是能量的不同形式且能相互转换,但热力学第一定律被公认之前约一个半世纪的“机械能守恒原理”和焦耳的热功当量研究已初步揭示了能量转换的内在逻辑关联,因此“能量不灭”这一直觉归纳中的逻辑制约是显而易见的.演绎使理论发展的例子如此之多,论证如此之严谨,以至于我们看不到直觉的存在.“直觉演绎”一词可能会引起争议,但在运用演绎方法时,“如何演绎”的问题总是存在的,从公理导出命题、从理论导出关于事实的陈述,也是一个相当复杂的创造过程.吉布斯用演绎方法从基本概念(温度、压力、体积、内能、熵)及热力学第一、第二定律中导出了吉布斯函数,之后又定义了化学位,彻底解决了化学反应的方向、限度问题.这肯定不是一个“纯演绎”过程,因为由基本概念、基本原理可以导出的概念、命题有很多,含义也很可能是模糊不清的——吉布斯函数从定义式上讲(G=H-TS,即焓与温度、熵之积的差)也没有确切的物理意义,但他却敏锐地启用了这一函数,特别是用这一函数定义的化学位,是热力学体系的一个核心函数,它使化学有了很大发展,包括相平衡等很多平衡问题都可用吉布斯所形成的一整套方法来处理.对吉布斯的演绎,我们必须提出这样的问题:这些运算是如何产生的?为什么恰恰就是这些运算?为什么吉布斯就是沿着这个方向前进的?吉布斯肯定不会是试着猜想一些运算得到命题,然后把它们放在一起,最后恰巧选中了吉布斯函数,如果真是这样,命题的质量或创造性就成了备择答案的线性递增函数,而事实并非如此.形象思维中的直觉方法论认为把形象思维区别于逻辑思维在于:(1)运用意象而不运用概念;(2)基本环节是联想和想象而不是推理和判断.它的特点是突出了事物的形象特征,卢瑟福的原子模型被认为是形象思维的范例.问题在于:卢瑟福是如何把太阳系与原子联系起来的?事实上,卢瑟福在联想到这一构造之前,已从当时有关原子研究的信息中直觉地意识到原子核的存在并断然从事这方面的研究.他的老师汤姆逊已提出了“胶冻状”原子模型,卢瑟福却未向那个方向迈进,正如波尔指出的那样[3]:“卢瑟福很早就以他深邃的直觉而认识到由复杂原子核的存在及其稳定性所带来的那些奇异、新颖的问题.”因而他被誉为具有非凡“战略直觉能力”的科学家.此外,联想可以是形象的,也可以是非形象的.这与问题的答案是以形象的构造还是以逻辑关系表达有关.所以,联想本身具有类比性质.类比一直被认为是逻辑方法(运用概念进行推理、判断),这一方法的依据是两类对象在一系列属性或关系上的相似性,其基本环节是联想与比较.一个典型的例子是卡诺的热机研究.卡诺在研究热机时联想到水轮机,并将热机效率与水轮机效率作类比,得到了与水轮机效率形式相同的可逆热机效率公式和卡诺定理.同样,问题也在于:卡诺是如何把水轮机与热机、把水位差与温差联系在一起的?事物之间的相似性只是隐约、模糊地被体会到的,对未知领域,能在模糊中使其本质的联系清晰呈现出来,这不能不说是直觉的指引,正如方法论中提到的那样:“运用类比推理不仅需要逻辑思维,它还特别需要直觉与其它思维形式在创造性思维活动中的相互渗透和依赖性.综上所述,直觉思维是创造性思维活动中广泛存在的一种方向感,它使创造主体能够判定自己目前所处的位置与成功之间的差距及将要采取的下一步骤.韦特海默在回忆他和爱因斯坦交谈时说[4]:“一次我告诉他,我有这样的印象,方向在思维过程中是一个重要因素,他答道:‘对,方向这个东西顽强地存在着.那几年,有一种方向感,即向着某种具体的东西一往无前的感觉’”.“在后来的岁月中,爱因斯坦常常与我谈到他当时关心和要解决的问题,其中从未有过任何盲目的步骤.他放弃某个方向是由于他发现那个方向会引起无法理解、任意的因素.”

直觉产生的条件和诱发途径

直觉虽是创造性思维活动中广泛存在的一种思维形式,但它的产生也是有条件的.思维活动的基础是知识,人们进行思维活动时总是以自己已有的知识结构为出发点,因此创造主体必须有足够的知识储备.纵观物理化学理论的缔造者不难发现,他们都具有极好的数理化功底,同时又有着深邃的哲学思想,即博学多才.如:道尔顿曾讲授数学和自然哲学;阿仑尼马斯17岁就开始攻读数学、物理学和化学;范特霍夫曾在莱顿大学主攻数学,后在巴黎获化学博士学位;吉布斯就读于耶鲁大学时因拉丁语和数学成绩优异获奖,后又获耶鲁学院哲学博士学位……哲学观是世界观,是大直觉.有正确的世界观才有正确的方向感.德布罗依正是从哲学角度提出实物微粒的波粒二象性,他相信自然界的对称与和谐.他的论点很快被电子衍射实验证实并因此成为第一个因博士论文获诺贝尔奖的人.爱因斯坦也正是坚信坐标系的相对性即惯性系等价才得到了狭义相对论,这一哲学思想的延伸又使他发展了广义的相对论.同时,科学家们都极为关注科学研究的最前沿,多方面的兴趣、开放的思维、不断摄取信息,是直觉产生的途径之一.例如赫姆霍兹在生理学、心理学方面都有成就,但却因他的“能量不灭”闻名于物理学界;吉布斯的博士论文是《关于直齿轮的齿形》,但在1873～1877年间以化学势发展了化学热力学体系,1884年他的《矢量分析》也很著名,1902年他的《统计力学的基础原理》归纳了麦克思韦、玻尔兹曼等人的成果,使统计力学得以系统化;爱因斯坦不仅以相对论著称于世,他在统计、量子领域也有惊人成就,曾因他的“光量子说”获诺贝尔奖.此外,对所思考的问题抱有浓厚兴趣,对所解决问题有强烈愿望,并能进行坚忍不拔的长期探索和努力是直觉产生的必要条件.例如,爱因斯坦从16岁就开始了时空的思索,直到26岁才完成他的狭义相对论(他写论文却只花了5周时间),而广义相对论则耗去了他后来的15年的光阴.

学生直觉思维培养

心理学、思维学指出:思维能力的培养及发展主要是借助于知识而进行的,因此,要培养学生直觉思维能力,知识的传授是必不可少的.问题在于选择什么知识、用什么教学方法来传授知识?因为不同知识对不同思维能力的发展有不同作用,而教学方法对思维训练的效果有极大影响.如前所述,物理化学理论中隐含的直觉思维是广泛的,因此在课程中利用知识的传授来培养学生的直觉思维是合适的.但在日常的教学活动中,师生所进行的大量的教学实践往往比较关注问题或思维的结果,而对其思维过程则甚少关心,教师也很少要求学生去了解、体验其思维过程,同时理工科的学生所接受的思维训练也存在着过于偏向的问题,如过于偏重抽象逻辑思维而忽视形象、直觉思维等.因此,教师若能在物理化学课程中恰当地选择和创造性地运用多种教学方法,就可望改变学生思维训练的现状.为此,结合笔者多年的物化教学实践经验,就在物理化学课程中如何培养学生直觉思维能力的问题提出以下几点建议:(1)传统的讲授法仍是课程中主要被采用的方法,这可以保证学生能系统化地掌握本课程内容,也能给学生最必要的知识储备和构建他们合理的知识结构.但在讲授上可适时改变讲授知识的角度以使学生从物理化学理论概念的形成、发展中了解并体验其中的直觉思维过程.例如在讲述热力学第一定律时可精选有关实验现象如:汽油燃烧使汽车获得动能、滑轮上的重物落地后机械能的去向、磨擦生热等等,由此再引导学生归纳宏观静止的体系(机械能为零)发生变化时伴随的能量变化形式:功、热、内能的存在,继而从热功当量研究和机械能守恒出发引出“能量不变”的定量关系式，又如讲解化学反应热计算时,可按下列主线阐明演绎中的直觉及演绎对理论的应用与发展问题来寻找普遍化的化学反应热计算方法:（公式略）航天、航空中高能燃料热计算;⑤生命化学中的热计算;⑥设想自己应用热计算的例子.(4)建立让学生参与科研的学制,形式应多样化,如成立学生科研小组,集体或单个参与教研室专题科研工作,参与科普工作等等,这是被证明了的极有效地培养学生创造性思维的方法[5].首先,科研中的问题是开放型的,即不具备得到答案所需的一切必要条件,这与通常封闭型问题即给出一切必要条件的习题有很大不同,这使学生必须跳出由常规解题形成的习惯性思维,让思维开放并不断地从外界摄入信息以求得问题的解决.而在资料的收集、整理、分析过程中,方向感会得到很好的训练,学生也可借此拓宽自己的知识面,丰富自己的知识储备;其次,科研问题的答案不是短时间就可获得的,学生必须花较长时间为之付出努力,这可以激发他们的兴趣并使其思维常常达到活跃状态,即满足直觉产生的必要条件.当学生自己得到答案时,那种对直觉的体验是教师的任何讲解无法替代的.当然,问题的深度、广度应适合于当时学生的知识与思维发展水平,教师可给出已有答案的小课题由学生自己完成解答,教师可监控思维的全过程并适时给予指导.