物理化学公式的审美价值

王 文 英，杜 秀 果

(衡水学院 化工学院，河北 衡水 053000)

物理化学公式的审美价值

王 文 英，杜 秀 果

(衡水学院 化工学院，河北 衡水 053000)

挖掘出物理化学公式蕴涵的七个方面的审美价值：简明美在概括实质并普适；逻辑美在公式之间演绎链；对称美在揭示规律且形象；多样统一美在逻辑能类比；韵律美在相关量间构网络；新奇美在公式应用辟新径；应用美在启智并以美储善．并将其在教学过程中予以渗透，实践表明其为实施素质教育的有效途径．

物理化学；公式；审美价值

物理化学是高等院校与化学相关专业的重要基础课．具有阐明化学原理的课程性质，被誉为四大基础化学之灵魂．公式及其附加条件多是其突出特点．能否将初学者畏惧的这一特点转化为实施素质教育的切入点，是物理化学教育工作者的一个重要课题．科学家曾把审美价值归因于科学理论的某些特性．笔者挖掘出物理化学公式以及公式之间的相互关系所承载的简明美、多样统一美、韵律美、逻辑美、对称美、新奇美以及应用美所蕴涵的七个方面的审美价值．并在教学过程中予以渗透，实践表明其为实施素质教育的有效途径．

1 简明美在概括实质并普适

“一个理论的前提的简单性越大，它所涉及的事物神秘性越多，它的应用范围越广”[1]．反映相平衡内在规律的相律，只用了三个符号和一个数字，就可以说明不同温度T和不同压力P下(式中的2)的单组分、双组分和三组分体系的独立组分数K与相数Φ以及在不引起旧相消失和新相生成的一定范围内可以独立变动的强度性质-自由度F之间的平衡关系．呈现出将物理量T、P、F、K、Φ之间逻辑关系的高度概括且严谨的最简数学形式．热力学能U和热Q、功W之间的关系式，熵S与热温商之间的关系式，无一不是变文字的繁冗叙述为简单明了的规律．科学史证明其具有高度的可靠性和普适性．在进行不可逆相变过程的△H和以及△G的计算方法中，也都离不开所承载的能量守恒原理的应用，这正是其普适性的充分例证．将能量守恒的原理推广到电解质溶液的电荷即为电荷平衡、推广到原电池和电解池的电子得失即为氧化还原平衡．

“人不仅在感受物质世界时会产生美感，而且在感受物化了的人的精神活动产物时也会产生对美好的、雅致的、完美的感受”[2]．引导学生从审美的角度去审视每一个看似枯燥无味的公式，其实均为简明美的化身．将对每一个公式的推导和对其物理意义以及适用条件的分析都转化为了一次次的审美体验，从而产生愉悦的情感．情感常常充当感知和联想以及想象的动力，促进思维的活跃，推动学生自主学习的主观能动性．所以简明美也有表现审美情感、推动学习的动力功能．经过审美体验的内化，升华为创造活动的激情，体现出科学认知和美育的双重价值．

2 多样统一美在逻辑能类比

气体的体积膨胀系数αV与压缩系数κT表示式之间具有相似的外在形式:，引导学生注意两式之间存在括号内外p与T换位正负号改变的内在联系．再引导学生从多样统一的角度认识两式之间的关系，不仅使孤立的知识点之间建立起网络，而且促使方法意识的树立．重要的是将此方法运用到其它知识点，帮助学生理解与记忆后续内容的多个公式．例如△U和△H表示式之间不仅外在形式相似，而且其大括号内外和小括号内外均为p与V换位项正负号改变的关系：，．将此方法迁移至热力学基本关系式，之间，不仅四个公式的外在形式相似，而且dU和dH、dA和dG表示式之间均存在p与V换位项正负号改变的关系．进一步引导学生举一反三：dU和dA、dH和dG表示式之间均存在S与T换位项正负号改变的关系．而dU和dG表示式之间则呈现了S与T换位和p与V换位两项都正负号改变的相互关系．注意到这些，在公式记忆方面可起到事半功倍的作用．

3 韵律美在相关量间构网络

将dU、dH、dA和dG表示式之间的关系简述成为一幅对联：上联：pV换位负号变，下联：ST换位正号变，横批：两项都换变．教师出上联，学生回答出了下联和横批．师生和谐互动的过程中，将四个公式网络在．学生这个学习主体由于认识和愿望系统得到了满足及发展，自然会产生对美的感动，发生愉快感、满意感等肯定性的情感体验：“原来公式之间竟然存在着韵律的和谐之美”．体现了使受教育者在学习新知识的同时受到美的陶冶的教学思想．

4 逻辑美在相关式间演绎链

不同物质化学势的表示式是物理化学的教学难点．若将理想气体化学势的表示式中的压强p用分压定律表示，则可以演绎出混合理想气体中任意物质A的化学势的表示式．考虑气液平衡时，气相和液相的化学势相等，并将理想气体化学势的表示式中的压强p分别用拉乌尔定律和亨利定律的数学表达式和表示，则可以分别演绎出理想液态混合物中的任意组分和稀溶液中的溶剂、稀溶液中的溶质的化学势的表示式．把思路交给学生，按照脉络分别分析相互之间的微差，学生思路清晰，难点轻松突破，起到纲举目张的作用．

由克拉贝隆-克劳修斯方程的微分形式到不定积分形式和积分形式之间的逻辑演绎关系，和化学平衡常数与温度之间、气体吸附压力与吸附温度之间、化学反应速率常数与温度之间的逻辑演绎关系形式完全相同，可视为同一运行程序在不同章节和不同物理量方面的应用．首次出现时精讲，后者只分析其相互之间的微差，使学生逐步树立和强化方法意识，即教人以渔．

5 对称美在揭示规律且形象

在物质A中加入物质B而沸点降低的完全互溶理想双液系统相图中，气液两相区域的物系点和气相点、液相点的物质的量分数分别为x0、xg、xl，物质的量分别为n0、ng、nl，它们之间的相互关系表达式为），公式中等号两边这种形式上的对称，揭示了重力平衡的规律．形象地称为杠杆规则．是内容与形式的统一体．并且适用于任何两相平衡区的两相物质的量的计算．

6 新奇美在公式应用辟新径

“没有一个极美的东西，不是在调和中有着某种奇异”[3]．晴朗的天气在沙漠中能否利用帘布从空气中集结到水？在学习表面化学中的开尔文公式之前笔者给出肯定的回答在学生的意料之外，有新奇之感，当剖析了开尔文公式中各符号的物理意义以及相互关系之后，得到肯定的答案又在情理之中．在学习吉布斯吸附等温式时，给学生提出“腌咸菜过程中为何要进行倒缸”的问题，学生难以把生活中腌咸菜的事和感到抽象的公式建立联系，也感到奇异，当学习了单位溶液表面与溶液本体所含溶质物质的量的差值Γ与溶液温度T、浓度c、表面张力γ之间的关系式：，从食盐溶液的表面张力随浓度升高而增大，使Γ为负值，即溶液表面所含食盐的浓度比溶液本体的低，得到合理的解释又顺理成章：只有反复倒缸才能使缸内不同部位的盐浓度保持一致，原来看似抽象的公式也能实实在在地运用于生活，体现了吉布斯吸附等温式的功用美．

7 应用美在启智并以美储善

“任何一件东西如果它能很好地实现它的功用方面的目的，它就同时是善的又是美的”[3]．将审美通过物理化学公式的学习渗透到物理化学教学过程中，不仅可以实现上述的以美启智、理论指导生活实践的功用，也体现了以美储善．例如讲授体积功得到的等温可逆膨胀与等温可逆压缩功的公式之间只相差了一个负号，得出系统对环境做最大功而环境对系统做最小功的结论．它指明了人们通过努力可以达到的一种最为理想的极限．并将可逆的概念迁移到电功，是可逆原电池输出的电能最多，可逆电解池耗电能最少．若将系统或原电池和电解池物化为人，这不是多奉献、少索取的人生最高境界吗？所以美是善，是崇高，它让人的心灵在美中被熏陶，被感染，进而得到慰藉和净化，培养起高尚的审美趣味，从而向善向崇高．

上述关于物理化学公式七个方面的审美价值之间并不是相互独立的，而是相互联系和融合的，例如理想气体状态方程m=pVRT和稀溶液的渗透压与温度以及摩尔体积之间的关系式都有对称的形式，并且二者的形式相同．都是融简明美、对称美、多样统一美和应用美于一体的化身．稀溶液的渗透压与温度以及摩尔体积之间的关系式竟然和理想气体的压力与摩尔体积以及温度之间的关系式形式相同！也有几分奇异．若每个物理化学教育工作者均引领学生以发现美的双眸去观物理化学公式和符号之海，会发现更多的新奇，进而去创造新奇．

[1] 爱因斯坦.爱因斯坦文集:第一卷[M].北京:商务印书馆,1976:75.

[2] 周义澄.科学创造与直觉[M].北京:人民出版社,1985:34.

[3] 仇春霖,蒋培坤,欧阳周.简明美学原理[M].北京:高等教育出版社,1987:74,81.

Aesthetic Value of the Physical Chemistry Formula

WANG Wenying, DU Xiuguo
(College of Applied Chemistry, Hengshui University, Hengshui, Hebei 053000, China)

Seven aspects of aesthetic value of the physical chemistry formula have been dug out: concise beauty generalizes the essence and is pervasive; logical beauty deduces the chain of formula; symmetrical beauty reveals law and is vivid; integrity beauty analogizes logics; rhythm beauty frame network in the correlation; novel beauty can be used to open up a new way of formula application; applied beauty is in enlightening wisdom and storing kindness. It will be permeated in the teaching process, and it shows that it is the effective way of implementing quality education.

physical chemistry; formula; aesthetic value

Q40-O41

A

1673-2065(2015)04-0018-03

10.3969/j.issn.1673-2065.2015.04.006

(责任编校：李建明英文校对：李玉玲)

2015-01-09

衡水学院2014年度教改资金资助课题(jg2014073/jg2014071)

王文英(1957-)，女，河北景县人，衡水学院化工学院教授；杜秀果(1965-)，女，河北衡水人，衡水学院化工学院副教授.