本科热学教学中唯物辩证法的展现

匡尚奇

(长春理工大学 理学院，吉林 长春 130022)

热学是物理学的重要组成部分，是研究热现象的理论，相应知识也是构建理科本科生物理基础知识体系的重要组成部分。热学的主要研究内容包括热力学和统计物理学理论，其中热力学是指由观察和实验总结出来的热现象规律，是热现象的宏观规律；统计物理学是从物质微观结构出发，应用分子、原子的运动及它们相互作用的微观理论和统计方法研究物质热现象规律的方法。高等学校理科本科生的热学教学的主要内容包括热学基本概念、气体分子动理论、热力学第一定律和热力学第二定律，相关知识是十九世纪资本主义工业革命时期物理学所取得的巨大成就，并且以热机的改进为代表的成果极大地推进了资本主义的发展。热学知识的系统掌握是理科本科生进一步学习热力学与统计物理学、固体物理、半导体物理等专业知识的基础，也是学生今后从事相关科学研究所不可或缺的基础。

1873年至1886年间，在归纳总结当时各学科领域研究成果的基础上，恩格斯应用唯物辩证法的规律与方法对当时的科技成果进行了分析与总结，撰写了《自然辩证法》一书，虽然该书没有全部完成，但是恩格斯因此开创了自然辩证法这一研究领域。自然辩证法是马克思主义关于自然和科学技术发展的一般规律，人类认识和改造自然的一般方法以及科学技术与人类社会相互作用的理论体系，体现出辩证唯物主义的强大力量。自然辩证法不仅是当时科学技术的高度总结和概括，而且其给出的自然科学发展规律对后来科学技术的发展起到重要的指导作用[1-3]，这其中最具代表性的是日本学术界对自然辩证法的研究与应用，日本科学家汤川秀树、武谷三男和坂田昌一等人将自然辩证法研究与理论物理研究结合起来，并运用自然辩证法思想进行科学研究[3]，汤川秀树由于在核力的理论基础上预言了介子的存在而荣获1949年诺贝尔物理学奖。

在以往热学教学过程中，由于学生在高中阶段很少学习热学知识，基础知识较为缺乏，加之热学基础理论性较强且比较抽象，很难激发学生学习的兴趣和形成深刻的理解。针对这一问题，考虑到热学基础的理论成果取得时期与恩格斯撰写《自然辩证法》处于同一历史时期，恩格斯应用唯物辩证法对当时的热学研究成果进行了分析、总结与论述，而热学研究成果等一系列自然科学的发展也印证了唯物辩证法的原理与规律同样适用于自然界的发展。考虑这一情况，本文探讨在热学教学中结合热学发展史和唯物辩证法对热学重点知识和科学研究的规律进行综合讲授，以此提高教学的趣味性和深刻性，进而提高教学质量。

一、热学教学中唯物辩证法的融入与应用

十九世纪是科学大发展的时代，恩格斯以其敏锐的洞察力和深刻认识能力，应用唯物辩证法的基本规律——对立统一规律、质量互变规律和否定之否定规律对当时科学研究成果进行了归纳总结，特别对热学领域的研究进展和成果进行了深入的分析和论述。恩格斯在《自然辩证法》中对热学相关的论述体现出唯物辩证法的巨大力量，并且他给出的相关规律对其后的热学乃至其它领域的科学研究起到了深刻的影响。恩格斯基于辩证唯物主义对当时热学研究成果的论述几乎涵盖了本科热学教学的全部核心内容，教师可以在相应知识点的讲授中加入唯物辩证法的分析以及恩格斯的论述，具体表现在以下三个方面：

(一) 分子动理论发展及理论中唯物辩证法的体现

分子动理论是热学的一种微观理论，其以分子的运动来解释宏观气体的热性质，其表述为：“物质是由大量分子和原子构成的，热现象是分子无规则运动的表现形式”[4]。

早在17世纪，法国学者笛卡尔从自然哲学出发猜想热是物质粒子的一种机械运动的表现，并产生了分子动理论的基本概念，当时该理论能够定性地解释一些热学现象。但是在18世纪，由于热质说的发展，分子运动论受到抑制，其发展进程非常缓慢。热质说认为热是一种看不见的、没有重量的物质，热的物体含有较多的热质，冷的物体含有较少的热质；热质既不能产生也不能消灭，只能从较热的物体传到较冷的物体，在热传递过程中热质的量守恒。1789年，伦福德观察用钻头加工炮筒时摩擦生热现象揭示了热质不守恒；从1840年到1879年，焦耳进行了大量的实验，精确求得功和热量相互转化的数值关系，全面否认了热质说。热质说衰落后，分子运动论得以复活。1856年，德国化学家克里尼希在《物理学年鉴》上发表论文《气体理论的特征》，这一工作激发了克劳修斯和麦克斯韦进一步发展这个理论。1858年，克劳修斯发表《气体分子的平均自由程》一文，其中提出了分子运动速率无规则分布的概念；1859年，麦克斯韦发表《气体动力理论的说明》，初步给出了气体分子运动的速度分布率——麦克斯韦速度分布率；1868年玻尔兹曼在麦克斯韦工作的基础上，发表题为《运动质点平衡的研究》，其中明确指出，研究分子运动论必须引进统计学，进而奠定了分子动理论的理论基础。针对热的本质的研究从热质说回归到分子动理论在热学发展史上是一个巨大的飞跃，恩格斯对此评价道：“发现热是一种分子运动，这时划时代的，但是，如果我除了说热是分子的某种位置移动之外再也不知道说些别的什么，那么我还不如闭口不谈为妙”[5]。恩格斯当时对分子动理论进行了精辟评价，同时预见该理论还有更加丰富的内容，这也体现了唯物辩证法强调的要用一种运动、变化、发展的眼光看待问题，而不是孤立、片面、静止的眼光看待问题。1900年底，普朗克用一个能量不连续的谐振子假设，按照玻尔兹曼的统计方法，推导了黑体辐射公式，进而敲开了量子时代的大门，这一成果正验证了恩格斯的预见。

分子动理论的上述发展历史充分证明科研成果的取得不可能是直线性的，从热质说到分子运动论，再到分子动理论的统计规律的建立，其发展是前进性与曲折性的对立统一，是唯物辩证法中否定之否定规律的体现。同时，对热现象的微观本质的认识是热学发展史中的一次质的飞跃，而这一质的转变必须以大量的研究的量变为基础，其中典型事例就是焦耳为了精确地测定所作机械功和所产生的热量所进行的大量实验，如桨叶搅拌水摩擦生热、压缩空气做功和水银中铁环摩擦生热等等，正是这些富有创造性的独特设计和精确实验结果通过量的积累实现了质变，全面否认了热质说，为分子动理论开辟了道路。焦耳的事迹给我们以启示，科学研究的发展必须以量变开始，在学习和实践中必须首先作艰苦的量的积累工作，要有脚踏实地、埋头苦干的精神。同时，由于质变是量变的必然结果，因此在进行量的积累时要有信心和信念，不能因量变的漫长和艰辛而放弃。与之同时，分子动理论本身就是唯物辩证法规律的体现，其体现出矛盾的普遍性和特殊性这一对立统一规律。首先，分子动理论研究表明，构成物质的微观粒子均处在大量的无规则的热运动之中，完全静止即达到绝对零度的微观粒子是不存在的，运动本身就是矛盾，这就说明在分子层面矛盾规律也是普遍存在的。其次，分子动理论指出，构成物质的大量分子的无规则运动是随机的、偶然的，大量分子运动的统计平均结果变现为宏观物质的确定的物理量(如温度或压强)，而大量无规则热运动的分子的速度满足一定的统计分布。这一理论就体现了唯物辩证法中关于必然性与偶然性关系的论断：“必然性存在于偶然性之中，没有脱离偶然性的纯粹的必然性，必然性通过大量偶然性表现出来；偶然性体现必然性，并受制于必然性，没有脱离必然性的纯粹的偶然性。”

分子动理论是统计物理学的基础，是本科生在学习生涯中最先接触的从物质的微观结构出发，阐明宏观热现象规律的分析方法，相关内容较为抽象，教学难度较高。针对这一问题，在教学过程中结合相关史实和唯物辩证法进行讲授，可以起到提升知识认识层次的作用。

(二) 热力学第一定律发展中唯物辩证法的体现

热力学第一定律就是能量转化和守恒定律。能量转化和守恒定律为：“自然界一切物质都具有能量，能量有各种不同的形式，能够从一种形式转化为另一种形式，从一个物体传递给另一个物体，在转化和传递中能量的数量不变”[6]。

17世纪法国哲学家笛卡尔明确提出了运动不灭的思想，而机械能守恒是能量守恒定律在机械运动中的一个特殊情况。同期，人们曾幻想制造一种机器，其不需要任何动力和燃料，但可以不断对外做有用功，这类机器被称为“第一类永动机”。在经过不断的失败之后，人们总结出规律：“不消耗能量而作功的机器是不可能制作成功的”。永动机不可能实现的经验从反面提供了能量守恒的例证，成为导致建立能量守恒原理的重要线索。对能量守恒定律做出明确叙述的，最为重要的科学家为德国的迈尔、赫姆霍兹和英国的焦耳。能量守恒定律的提出在十九世纪是物理学界所取得的惊人成就，但是恩格斯从唯物辩证法的观点出发，深刻地指出，能量守恒定律只表明了运动在量上的不灭性，没有体现运动在质上的不灭性，即一种形式的运动可以向其它形式的运动转化，而运动形式的转化才是物质运动最核心的内容。因此，恩格斯首先提出将“能量守恒定律”表述为“能量转化和守恒定律”，这使得人们对热力学第一定律的深刻理解大大推进了一步。在此基础上，恩格斯进一步归纳总结了当时的自然科学成果，指出能量转化与守恒定律是自然界基本规律之一，其和达尔文进化论、细胞学说并称为十九世纪三大自然发现。同时，恩格斯纵观能量转化和守恒定律提出的历史，进一步指出：“如果物理学家先生们记得笛卡尔早就提出了这一原理，那么它还能作为某种绝对新的东西出现吗？”，恩格斯指出笛卡尔应用辩证法早已提出了运动不灭原理，阐明了运动形式只能相互转化而不能无中生有，因此早已预见第一类永动机不可能制作成功，而物理学家受形而上学思想的束缚，忽视了辩证法的力量，在近百年的反复研究和失败后才提出相近的结论。事实说明，自然辩证法对自然科学具有指导作用，自然科学只有在辩证唯物主义哲学的指导下，才能沿着正确的方向发展，否则就要多走弯路，甚至会误入歧途[3]。

针对热力学第一定律的知识点，如果教师仅对知识进行讲授极易造成枯燥乏味、老生常谈的印象，无法起到吸引学生的效果，而且学生的理解也往往浮于表面并缺乏深刻认识。如果结合热力学第一定律的提出的科学发展史和唯物辩证法对能量守恒和转化定律进行讲解，一方面科学发展的历史具有一定的趣味性，可以吸引学生；另一方面，分析相关的科学发展史可以使学生了解到科研的思维方法，体会到唯物辩证法的巨大力量，也可以让学生意识到哲学与科学并不是完全分离的，哲学严谨的逻辑、理性的分析都为科学的发展与研究提供了开阔的思路，进而为培养具有正确世界观的高素质创新型人才奠定基础。

(三) 热力学第二定律发展及理论中唯物辩证法的体现

德国物理学家克劳修斯和英国物理学家开尔文在1850～1851年间略有先后分别给出了热力学第二定律的两种表述[6]：

(1)开尔文表述——不可能从单一热源吸收热量，使之完全变为有用的功而不产生其他影响；

(2)克劳修斯表述——不可能把热量从低温物体传到高温物体而不引起其他变化。

热力学第二定律说明了热过程的不可逆性，1854年，克劳修斯在提出热力学第二定律的基础上，进一步引进 “熵”的概念，并将“熵增加原理”扩展到整个宇宙的范围，即著名的宇宙“热寂说”：“宇宙越接近其熵为一最大值的极限状态，它继续发生变化的机会也越减少，如果最后完全达到了这个状态，也就不会出现进一步的变化，宇宙将处于死寂的永远状态”[7]。在热力学第二定律提出后不久，“热寂说”就如同梦魇般伴随着科技的发展，甚至给“上帝创造世界”的说教以口实，美国著名科幻作家阿西莫夫1956年创作的科幻小说《最后的问题》就是以宇宙“热寂说”的为核心基础的文学演绎最典型例子[8]。固然，科幻文学允许幻想与杜撰，但这也充分表明对“热寂说”的错误理解，热力学第二定律就极易被异端邪说所歪曲和利用。“热寂说”不恰当地把局部物质世界的部分变化过程的规律推广到整个宇宙的发展全过程，同时不考虑定律的适用范围和条件，把孤立体系的规律，推广到全宇宙，是因为没有深刻地认识到唯物辩证法中还有个性与共性这一对范畴，也没有意识到矛盾具有普遍性和特殊性的对立统一，违反了“具体问题具体分析”的矛盾论分析方法，得到了荒谬的结论。对此恩格斯基于唯物辩证法，在《自然辩证法》中指出：“运动的不灭不能仅仅从数量上去把握，而且还必须从质量上去理解”，根据这一原则，他进一步指出：“放射到太空中去的热一定有可能通过某种途径(指明这一途径，将是以后自然科学的课题)转变为另一种运动形式，在这种运动形式中，它能够重新集结和活动起来”。近期宇宙学研究成果表明，宇宙在膨胀，而天体的形成是引力系统中的自发过程，它的熵是增加的，因此宇宙没有平衡态。由于不存在平衡态，熵没有极大值，宇宙熵的增加应是没有止境的。宇宙早期处于热平衡的高温高密度的混沌状态，并从这一状态开始，在膨胀的过程中一步步发展出愈来愈复杂的多样化结构，即宇宙不但不会死，反而从早期的“热寂”状态下生机勃勃地复生。诚然，当今的宇宙学还不能准确地预期宇宙的结局，还有待进一步的研究，但已证明“热寂说”是错误的。应用当今宇宙学的研究成果反思恩格斯的相关论断表明，恩格斯基于当时的科学技术水平和认识水平对“热寂说”进行了一定的批驳，虽然具有一定的局限性，但是其基于辩证唯物主义思想，认识到“热寂说”是错误的，并指出还需进一步研究。恩格斯的论述有助于人们进一步的探索与研究，是对“热寂说”认识过程中的必要环节，辩证唯物主义认识论中对于认识与实践的关系的论述告诉我们，任何结论的得出，都需要进行反复的实践活动，并被实践所检验，结论并不是一蹴而就的，或者一成不变的，所以说“摆脱了神秘主义的辩证法，变成了自然科学绝对必需的东西”[5]。

热力学第二定律实用上的重要意义在于寻求可能获得的热机效率的最大值，1824年，法国科学家卡诺提出了热机理论中具有重要地位的卡诺定理，并以此引导了热力学第二定律的相关研究。卡诺在其研究中指出：“为了以最普遍的形式来考虑热产生运动的原理，就必须撇开任何的机构或任何特殊的工作物质来进行考虑，就必须不仅建立蒸汽机原理，而且要建立所有假想的热机原理，不论在这种热机里用的是什么工作物质，也不论以什么方法来运转它们”[4]。卡诺选取最普遍的形式进行研究，抓住了热力学研究的精髓，撇开了纷繁复杂的次要因素，直接选取了一个理想循环，深刻揭示了热量及其转移过程中所作功之间的理论联系。卡诺在复杂的科学问题面前，去繁就简，集中精力研究问题的主要矛盾的方法完美体现了唯物辩证法在科学研究中的指导意义，即应明晰问题的主次矛盾、矛盾的主次方面以及主次矛盾之间的辩证关系，抓住主要矛盾和矛盾的主要方面，因为事物的性质主要是由主要矛盾的主要方面规定的。与之同时，纵观热力学第一、第二定律的研究历史，从第一类永动机的不可能实现到第二类永动机不可能实现，充分反映了自然规律的发现与认知必然是一条“否定之否定”的道路，是唯物辩证法中发展的前进性与曲折性的统一。

上述是将唯物辩证法和热学发展史融合在热学教学过程中的一些建议。相关内容一方面有助于热学课程内容的教学，提升学生对相关知识的理解与掌握，提高教学质量；另一方面，应用唯物辩证法指导科学研究的方法以及对科学基本规律的深刻理解和概括的方法也可以潜移默化地传授给学生。

二、通过在教学中融合唯物辩证法培养本科生科研创新能力

恩格斯在十九世纪的自然科学发展水平和认识能力的基础上，应用唯物辩证法，依据当时的自然科学对具体问题的分析得出的具体结论，其中很多关于热学研究成果的论述经过证实是正确的、深刻的和具有预见性的，这部分内容需要我们在教学过程中充分讲授给学生，并努力将唯物辩证法指导研究和工作的方法传授给学生，以此启迪学生思维，开拓学生的思维方式和视野。历史的经验告诉我们，恩格斯在当时自然科学水平基础上对科学技术发展和自然界发展概括的基本规律、基本原则和科学方法经过科技发展的验证是正确的和行之有效的，在当今人工智能和生物技术为代表的科技革命的推动下，科学技术的发展更是日新月异、突飞猛进，因此我们的研究和教学更需要唯物辩证法的指导。因此，使学生较早地涉略和学习唯物辩证法，树立正确的世界观和科学观，在唯物辩证法的指导下开展学习和研究既是深化教学内容、提高教学质量的必要要求，也是培养高素质的创新型人才的必然要求。

三、结 语

分析表明，热学发展史和热学理论中蕴含了丰富的唯物辩证法的规律。教师可以在热学教学过程中以热学发展史为主线，结合唯物辩证法对学生进行热学基础知识和马克思主义教育，该方法也是提高教学质量和提升学生人文素质和创新能力的有效途径。同时，相关方法不仅适用于本科生基础热学的教学还适用于高等教育本科阶段如大学物理学、力学和光学等其它科目的教学工作。