面向新工科，物理化学教学逻辑思维能力培养探索

2020-12-15李广利刘军贺全国

高教学刊 2020年34期

李广利刘军贺全国

摘要：逻辑思维能力培养是新工科背景下教学改革的重要方向。文章探讨了物理化学教学中培养学生逻辑思维能力的基本方法有：巧妙运用形式逻辑和高数思维，灵活运用逻辑结构图，适时穿插逻辑思维方式。教学实践表明，该尝试不仅促进了学生对物理化学知识的理解和掌握，而且强化了学生的逻辑思维能力训练和培养。

关键词：新工科;逻辑思维能力;物理化学;教学改革

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2020）34-0020-05

Abstract： Improving logical thinking ability is an important issue of teaching reform towards emerging engineering education. Based on research of teaching practice， the approaches for training ability of logical thinking include skillful application of the formal logic and advanced mathematical thinking， flexible application of logical structure diagram， and appropriate introduction of logical thinking mode. The teaching experience have showed that the attempt not only makes it easier for students to understand and master the relevant knowledge， but also improves their logical thinking ability significantly.

Keywords： emerging engineering education; logical thinking; Physical Chemistry; teaching reform

为推动我国工程教育改革创新，教育部2017年正式启动高校新工科建设项目，“复旦共识”和“天大行动”等新工科建设重要文件相继发布。高校新工科建设旨在培养复合型、善于跨界整合、且富有创新创业精神的新工科人才，打造新经济发展的强大智力引擎以助推我国经济高质量发展。逻辑思维是大脑思维的一种高级形式，它帮助人们清楚地认识客观事物的本质特征和规律性联系。逻辑思维能力也是新型工程技术人才的思维武器，在创新创业和跨界整合等实践活动中发挥着“指南针”作用。因此，培养理工科学生的逻辑思维是新工科建设的一项重要内容。

然而，近年来高等教育功利化现象比较普遍，很多高校人才培养只重视专业技能训练而忽略逻辑思维能力的培养。很多大学生“唯分是求”“唯利是图”，以拿到学分和就业为目的，只重视与就业直接相关的专业技术训练，放弃了逻辑思维能力等高层次能力的追求。这种人才培养方式已带来诸多弊端，如毕业生就业面窄，自主学习能力差，缺乏创新能力和跨界能力。高校应以新工科为导向，加强逻辑思维能力培养，实现专业技能训练和逻辑思维能力培养“双管齐下”。因此，如何加强逻辑思维能力培养是值得深入探讨的教育问题。

逻辑思维是指借助于概念、判断、推理等思维形式能动地反映客观现实的理性认识，是人们认识客观事物的一种基本思维方式。逻辑思维主要以抽象的概念、推理和判断为思维的基本形式，借助演绎、归纳、综合、分析、比较、抽象和具体化等思维方法，揭示事物的本质属性和客观规律。作为一门重要的化工专业基础课程，物理化学概念抽象复杂且涉及纷繁复杂的公式推导，因此很多学生课堂上一头雾水，难以消化和理解。同时它又蕴含着丰富的逻辑思维方式，归纳与演绎、类比、假说与模型化等逻辑思维方式展现得淋漓尽致。本文面向新工科，紧密结合物理化学的课程特点，主要探索物理化学教学中培养学生逻辑思维能力的基本方法。

一、巧妙运用形式逻辑，培养逻辑思维能力

物理化学的概念和命题具有很强的逻辑性，如对内部逻辑把握不到位，就容易出现概念混淆和认识误区。例如作者在教学实践中发现，大多数学生对化学平衡认识存在误区。学生会想当然地用正逆反应速率相等来判断化学反应平衡的达成。实际上化学平衡属于热力学范畴，是不需考虑时间变量。显然，采用具有时间变量的动力学体系研究处理无时间变量的热力学体系是错误的。很多学生受一些无机化学教材的影响，误将平衡常数大小用于判断反应是否可逆。实际上他们预先假设所有的反应都是可逆反应，进而以平衡常数作为标准来批判反应是否可逆。从形式逻辑上来看，不可逆和可逆化学反应互为矛盾关系，二者的外延之和即构成化学反应的外延。假设所有的化学反应都是不可逆反应，那么可逆化學反应就不存在了，即不可逆化学反应就和化学反应为全同关系、外延重合，这显然有悖于形式逻辑。实际上，平衡常数大小只能用于判断反应的完全程度，而与化学反应的方向无关。化学反应的可逆与否涉及到反应的方向性问题，故不能用平衡常数大小加以判断。通过巧妙运用形式逻辑，能帮助学生走出认识误区，提高逻辑判断能力。

巧妙运用形式逻辑知识，还可帮助学生梳理物理化学重要命题的证明思路，提升学生对物化重要命题的逻辑判断能力。例如，热力学第二定律两种表达方式的等效性证明就可参考形式逻辑思维方式。可以采用反证法和直接证明逆否命题法两种方法。顾名思义，反证法就是通过证明反论题假，间接证明正论题的方法。证明方法关键要建立反证法的形式逻辑结构，具体包括以下步骤：1. 明确所要证明的命题（即论题）;2. 证明该命题的证据（即证明论据）;3. 由于已知的论据无法直接证明论题，故可从反面入手，设立相应的反论题，运用论据证明反论题假，从而依据排中律证明正论题真。直接证明逆否命题法则是根据正命题（若A则B）及其逆否命题（若非B则非A）之间的等价关系，通过直接证明逆否命题真，从而推断其正命题真。通过适当穿插形式逻辑知识，帮助学生打开思路，然后以热力学第二定律等效证明为例引导学生自行证明，通过练习加以强化，提高学生的逻辑判断能力和逻辑思维能力。

二、巧妙借用高数思维，提高逻辑推理能力

物理化学主要借助大量的数学推导和逻辑推理以研究化学的基本原理和普遍规律。物理化学教材编排和课堂教学一般采用以下思路：首先从物理化学的基本概念、基本原理和基本假设出发，通过层层严密的逻辑推理，最终得到反映物化基本规律的数学表达式。由于逻辑推理过程具有严密性，因此得到的结论（公式、数学表达式等）往往具有一定的适用条件，这无疑增大了物理化学学习的难度。因此，在物化教学中，要积极引导学生动手推导，强化学生数学推导技能和逻辑推理能力。如在热力学教学时，只要求学生记住最基本的dU=TdS-pdV，提示学生结合热力学函数H、G、A的定义，自行推导其他3个热力学基本关系式：dH=-SdT-pdV;dG=-SdT+Vdp;dA=-SdT-pdV。继续推导就可以得到热力学系数关系式和Maxwell关系式。这样不仅有效避免了死记硬背，还培养了学生的逻辑思维能力。

此外，物理化学很多公式推导过程涉及大量的高数知识（主要是微积分、全微分、偏导数）。教学过程应巧妙借用这些高数思维，帮助学生更好地理解物化概念。例如，讲述状态函数概念时，可借用高等数学语言帮助学生理解。状态函数的变化值只与始末状态变化有关，而与变化途径无关，即状态函数的变化在数学上是严格的定积分。状态函数在高数上具有全微分性质，也就是说状态函数微小变化是热力学函数的全微分。又如，讲述偏摩尔量时，强调从数学中全微分和偏微分的概念进行理解。另外，化学势教学时也可以引导学生运用高数思维进行思考，化学势与温度和压强的关系实际上就是求化学势对温度或压强的一阶偏微分。

三、灵活运用逻辑结构图，建立知识逻辑体系

美国著名教育心理学家J.S.布鲁纳高度重视学习材料本身的内在逻辑结构，他认为学习变化的本质是将内在逻辑结构的教材与学生原有的认知结构联系起来，使新旧知识发生相互作用。物理化学是由基本概念、基本原理和基本研究方法等相互交织而成的逻辑网络。教学时，可以灵活运用逻辑结构图，打破教材的逻辑结构的局限，帮助学生构建知识点之间相互逻辑联系，引导学生从内在逻辑结构层面理解和掌握物化知识，从整体层面把握物理化学。

在讲授物理化学知识前，首先向学生展示“逻辑地图”（如图1），并以此为向导，层层展开后续知识点。物理化学很多内容都可以按照“现象→原因→影响因素→相关现象”模式引入知识点，然后通过“定量概念→理论推导→结论→应用计算”模式，结合数学方法和公式定量表达知识点。在界面化学、极化现象、溶液吸附等都可采用“逻辑地图”的方式，顺着逻辑关系进行讲解，这样学生不仅能思路清晰地接受和理解新知识，还自发地构建知识点的内在逻辑联系。

在物理化学一章或一个理论结束时，同样可以利用逻辑结构图进行总结。通过逻辑结构图进行回顾，对该部分的内容进行整体性的逻辑结构分析，帮助学生梳理知识点之间的相互联系和逻辑关系。在教学中，应注重挖掘各部分的内容间的横向逻辑关系，力求串联先前学过的知识点，构建基于内在逻辑关系的立体网络知识体系，并外化于简明的逻辑图。这种方法可以有效促进学生“零存整取”，加深对物化知识的整合加工。例如，表面物理化学部分，可以统一在“表面张力”为中心的逻辑图中（如图2）。

此外各章知识点的关联（如热力学第二定律与化学平衡、热力学与电化学的关联等）也可采用逻辑结构图辅助教学。教学实践表明，灵活运用逻辑结构图，教学思路清晰明了。不仅帮助学生从内在逻辑结构层面整体把握物化知识，而且还充分调动学生的逻辑思维活动，于无形中培养了学生的逻辑思维能力。

四、适时穿插逻辑思维方式，培养学生科学思维能力

物理化学蕴含着丰富的逻辑思维方式，归纳与演绎、类比、假说与模型化、逆向思维等基本逻辑思维方式展现得淋漓尽致。教学时除了传授物化知识，应注重适时穿插逻辑思维方式，揭示物化知识背后的逻辑思维轨迹，让学生感受逻辑思维的魅力，逐步形成逻辑思维习惯。以下为作者在物化教学中穿插基本逻辑思维方式的经验：

（一）归纳与演绎

归纳与演绎是逻辑思维的基本方式。归纳是在大量已知的事实的基础上，概括出一般性结论的思维方式，其特点是从特殊到一般。热力学第一、第二定律就是在总结人类大量的实践经验和科学实验基础上得出的。热力学第一定律是从大量的能量转换的事实归纳而来。热力学第二定律同样如此：开尔文从热功转换角度总结出“不可能从单一热源吸取热量使之完全转化为功而不产生其他影响”;克劳修斯则从传热角度将其归纳为“热不可能从低温物体传到高温物体而不产生其他影响”。热力学两大基本定律奠定了热力学发展的基础，可见科学归纳一些实验事实和现象，有望为科学的进步和发展做出重大贡献。

演绎则是从普遍性的理论和知识出发去认识特殊和个别现象的思维方式，其特点是从一般到特殊。物理化学很多定义和公式的推导都运用到演绎的思维方式。在教学过程中，除了公式推导外，还应深入剖析公式推導过程所运用的思维方式，训练学生的逻辑思维。焓是在热力学第一定律的基础上演绎而来，其演绎过程如下：假设系统变化为等压过程且不做非体积功，则有U2-U1=Qp-p（V2-V1），移项整理可得Qp=（U2+V2）-p（U1+pV1），从而定义了状态焓（H=U+pV）。演绎的思维方式同样适用于吉布斯自由能和亥姆霍兹自由能的推导。熵判据只适合隔离系统，因此实际应用比较困难。针对该问题，亥姆霍兹创新地应用“组合思维”，联合热力学第二定律（dS-δQ/Tsur≥0）与第一定律（δQ=dU-δW）推导并定义了亥姆霍兹自由能（A=U-TS）和亥姆霍兹判据（-δW≤-dA）。吉布斯采用类似的方法进行演绎，并应用“拆分思维”将功拆分为膨胀功和非膨胀功，从而推导出等温等压条件下的吉布斯自由能和吉布斯判据。

（二）类比法

类比通常建立于客观事物之间的普遍关联性基础之上，对具有同一性或类似的两类对象的联想和比较。物理化学很多公式的推导就运用了类比思维，实际气体的范德华方程就是典型的例子。实际气体范德华方程（公式2）就是在比较与理想气体的偏差，在理想气体状态方程（公式1）的基础上进行体积修正项b和压力修正项a/V。维利方程（公式3）同样源自类比理想气体状态方程而来。

物理化学很多公式形式上高度相似，逻辑上可类比。教学中可适时将这些公式类比关联起来。这样不仅可以加强学生的理解和记忆，还能帮助学生将分散的知识点整合形成知识体系。例如，范特霍夫渗透压公式（ΠV=nBRT）时，可以类比学生比较熟悉的理想气体状态方程（pV=nRT）。又如在相平衡、化学平衡、化学动力学出现了3组类似的方程式，即克-克方程（公式4）、范氏方程（公式5）、阿氏方程（公式6）。这三个方程式都反映温度对体系的影响。具体而言，克-克方程则反映温度对相平衡的影响，范氏方程反映温度对化学平衡的影响，阿氏方程表示速率常数与温度之间的关系。稀溶液两大经验定律的拉乌尔定律（pA=p*xA）和亨利定律（pB=kx，BxB）同样可以类比。两个定律说明溶剂（或挥发性溶质）的分压与其组成呈线性关系，从而可将线性方程组合形成蒸气组成图与压力组成图。课堂上鼓励学生运用类比思维，发现知识点的相似点和共性，有利于记忆理解并提升逻辑思维品质。

此外，还可运用类比方法，将物理化学与其他学科进行联系起来。相平衡的杠杆规则可与中学物理的力矩平衡类比起来，这样学生就容易掌握。活化能是化学动力学一个难点内容，教学中可类比俗语“鲤鱼跃龙门”（出自《埤雅·释鱼》，原文为“鱼跃龙门，过而为龙，唯鲤或然”）。活化能是指化学反应中反应物到达活化分子状态所需的最低能量。可以将反应物、活化能、产物分别类别于鲤鱼、龙门山、龙。反应提供的能量必须高于活化能才能生成产物，就好比鲤鱼只有越过龙门山才能化身为龙。催化剂可以通过降低活化能加快反应速度，但不能改变平衡。同样以此类比，催化剂好比穿山隧道，鲤鱼不用跃龙门，直接游过隧道便可修成正果。

（三）假说与模型化思维

科学假说指依据科学原理和事实对所研究的自然现象及其规律性提出的一种假定性的推测，而模型化思维是根据科学实验和理论所建立的真实模型或理想模型。模型化思维是通过建立理想模型，略去非本质的次要因素，使问题简单化，从而也易于找出各基本因素之间的相互关系;然后，再逐步予以修正，使之可用于实际体系。这类理想模型主要有理想气体模型、理想液态混合物模型、理想吸附模型等。

适当介绍理想模型的思维方式，可以让学生深刻认识实际体系与理想模型的差别，更重要的是让学生领会理想模型科学思维方式。譬如，理想气体模型：将气体分子视为无体积的质点、分子间无相互作用力，得到理想气体状态方程（公式1）。而实际气体则需要考虑气体分子自身的体积和分子间相互作用力。因此需要在理想气体的基础上对压力和体积进行修正，得到实际气体的状态方程（公式2）。又如，理想液态混合物模型假设任一组分在全部浓度范围内都遵从拉乌尔定律。光学异构体的混合物、同位素化合物的混合物、立体异构体的混合物以及紧邻同系物的混合物可近似看作理想液态混合物。相较于理想液态混合物的化学势（μB（l）=μ（l）+RTInxB），实际溶液的化学势（μB（l）=μ（l）+RTInxB）只是在浓度项进行了校正。化学动力学也不乏模型化思维，复杂化学反应化学的平衡态与稳态相当于一个模型边界条件。

教学中适时剖析理想模型建立过程中内在逻辑与思路，能让学生茅塞顿开、豁然开朗。例如，卡诺循环的建立是为了解决热机效率的极限问题，即哪种热机效率最高。显然，疑问，用热量最少且做功最大的热机效率最高。此时，可借机向学生抛出问题“如何设计这样一个热机呢？”，引导学生利用“可逆过程环境对系统做最小功，系统对外做最大功”的知识点，设计出效率最高的热机即卡诺可逆热机。与实际热机相比，卡诺可逆热机不考虑活塞与缸体间的摩擦力等次要因素，充分彰显了抓主要矛盾的科学思维方法。该理想模型不仅解决了热机效率极限问题，还演绎出了卡诺定理，并在此基础上发展了热力学第二定律。

五、结束语

物理化学是一门重要化学化工专业基础课程，具有概念繁多、理论抽象、公式繁杂且应用条件严苛等特点。同时它又蕴含了许多精妙独特的逻辑思维方法。基于物化课程的特点，我们尝试剖析物化原理、概念与公式背后的逻辑思维方法，并将其贯穿于整个课程教学过程。已初步形成培养学生逻辑思维能力的方法：灵活运用逻辑结构图，巧妙借用高等数学思维，适时穿插逻辑思维方式。教学实践表明，这不仅有利于学生掌握和理解物化知识，同时强化了逻辑思维训练，提高了学生的逻辑思维能力，为将来从事创新创业等工程实践活动打下了坚实的基础。总之，逻辑思维能力是新工科背景物理化学教学改革的重要方向，值得努力探索和实践。

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