高校化学教育中的哲学理论

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作者：张载超 单位：淮阴师范学院化学化工学院

笔者于2003年9月至2004年1月被南京大学选派至新疆伊犁师范学院支教,主讲化学系2003级新生的主干课———无机化学。“师者,传道授业解惑也”,在新疆半年不到的时间里,作为一位兄长,一名老师,尤其是把新生领进大学校园的引路人,我一直把这句名言铭记在心。传道授业解惑,首先是传道,在授课过程中,我便主动把化学跟生活,跟哲学联系到了一起。当时我本科刚毕业,研究生也才读了一年,虽说读的是无机化学专业,可要论专业知识有多深的造诣,教学有多丰富的经验,肯定是不现实的。尤其是刚开始的时候,同学们对我上的无机化学提了很多改进意见,有同学课后跟我开玩笑说,老师要是上哲学课,可能比化学好。这样的话,听起来可能不大悦耳,但从心底来讲,我却是很高兴的。我想,我教了他们化学知识,那也许永远只是化学,而如果我通过上课能让大家尝试一些好的学习方法,明白一些道理,帮助他们建立正确的世界观,那却是受益终身的。本文便是笔者摘取自己一些教学体会,结合课本,写下的一点感受。

一、物质是无限可分的

宇宙是一个包罗万象的统一整体。宇宙间存在着的万物和现象是形形、多种多样的。但是它们之间不管有多大的区别,却有一点是完全相同的,这就是他们归根结底都是物质的,都是客观存在的。比方,天空中的太阳、月亮、星星,大地上的山岳、湖泊、河流、海洋,我们呼吸的空气、住的房屋、吃的食物、穿的衣服、使用的机器,以及我们的身体,微观世界的“基本”粒子,如电子、种子、光子等都是物质。甚至各种形式的场,如电磁场、引力场等也是物质。所有这些都在我们意识之外,不依赖于我们的意识而存在的,都是客观的实实在在的东西。也就是说,世界是由物质所组成的,而且整个物质世界从微观世界到宏观世界,从无机界到有机界,从生物界到人类社会都是处于永恒的运动之中,人类的思维实际上也是生物运动的结果。这些东西不仅深刻的阐明了物质的客观实在性,而且告诉我们客观存在的物质不能创造,也不能消灭,只能在一定的条件下相互转化。我们只能认识物质,却不能去创造和消灭物质。一切自然科学都是以客观存在的物质世界作为考察和研究的对象。唯物辩证法认为,物质是无限可分的。物质可以分割为分子,分子可以分割为原子,原子可以分割为原子核和核外电子,原子核里面又包含质子和中子,质子还可以继续分为夸克……而化学只是研究由分子分割为原子这个层次的过程中所表现出来的矛盾运动的规律,当然,这个过程与我们人类生产生活的关系是最为密切的,可以说,化学主要是在分子、原子或离子等层次上研究物质的组成、结构、性能、相互变化以及变化过程中能量关系的科学[1]。笔者大二时开的大学物理课有幸由著名的理论物理学家潘根教授主讲,在谈到唯物辩证法物质是无限可分时,他认为,我们现在的观测尺度把世界分为宏观世界和微观世界,在此之上,肯定还会有“超宏观”“超超宏观”……而在此之下,还会有“超微观”“超超微观”……也许,我们的地球、我们的太阳系乃至银河系只是某个超级巨人身上的一个原子、一个分子,而我们每个人身上还会有数不清的小世界。还记得潘老师谈到这些时,引起我强烈的共鸣。儿时读过一本科普读物,上面讲到地球相比于太阳,就好比乒乓球相比于地球,当时我就想,那乒乓球上会不会也住着人呢?如果住着人,那样的人会有多么小啊!等到后来接触到了物理和化学,我又经常拿原子核和核外电子与太阳和地球以及其他行星相比。太阳就好比是原子核,而地球和其他行星围绕着太阳旋转,就好比核外电子围绕着原子核运动(后来才知道,核外电子轨道至少在目前是“测不准”的)。总之,它们的确存在着很多相似之处。我们知道的电磁波也是如此,随着波长的减小,电磁波的穿透能力一般随之增强。对于人来说,可见光的范围是波长400~730nm,如果人的可见光是紫外线,那我们看到的世界将是另外一种颜色,可试想一下,如果人的可见光是γ射线,那我们看到的又会是什么?再进一步,如果我们生活在“超微观世界”,我们的可见光波长又是γ射线的几百万分之一,也许那时候看“微观世界”的原子与分子比看“宏观世界”的人要容易得多,那真的是只见树木,不见森林了,可谁又能说我们现在不是呢?关于时空的描述,被誉为当代最伟大科学家的斯蒂芬•霍金(StephenHawking)教授是这样认为的,宇宙大爆发是时间的起点,我们生活的宇宙是“有限而无界”的,而除此之外可能还有很多其他的宇宙,黑洞便是连接它们的通道。显然,他的描述超越了常人的时空观念,尽管后来他又对自己的观点提出了疑问,但他的观点却印证了中国一句古话———天外有天,这对唯物辩证法同时也是一种肯定。

二、实践是认识世界的基础

让我们把目光从遥远的宇宙转回到化学中来。对于我们从事化学研究工作的人来说,不论是搞应用化学,还是搞理论化学,化学实验都是很重要的,没有化学实验我们就无法正确认识化学世界。上个世纪后期,由于镓、钪和锗各元素的相继发现,元素周期律被普遍承认,然而不久,氩的发现对周期律又发起了挑战。因为按照它的原子量(39•9),这个新的元素在周期系中应该排在钾(39•1)和钙(40•1)之间,但那里没有为它留下空位。在发现氩以后的四年中,又在地球上找到了氦以及其他惰性气体,才开始明白所有这些元素都是列在周期系第七主族之后“零”族的元素。惰性气体的发现,使元素周期系变得更加完善[2]。显然,我们强调实验的重要性,并不否认理论的指导作用,因为有了正确理论的指导,我们就可以迅速并且正确地完成所研究的课题。古人云:“工欲善其事,必先利其器。”化学实验工作往往离不开测量,因此实验手段的进步特别是实验仪器的开发对化学研究有重要的作用。亚细亚刚毛草是蹂躏粮食作物的一种寄生草,长期以来一直未能找到一种有效的办法去抑制它,后来借助于核磁共振的技术,发现了促进其生长的化学信息物质,于是抑制亚细亚刚毛草这个大难题就迎刃而解了[3]。亚细亚刚毛草曾使亚洲和非洲的粮食大量减产,以致约有4亿人口受到饥饿的威胁。故人们称它为“魔草”,只要粮食作物一播种,几天后总会有亚细亚刚毛草的须根黏附在粮食作物的主根上,大肆吸取营养,粮食作物渐渐的枯萎而死。你不播种,它也不见踪影。人们始终弄不懂这些魔草为什么会那么精确的探知粮食作物生长时间。经过化学家、农学家和生物学家的合作研究,终于揭开了这个秘密。雷达依靠电磁波的反射,去识别金属物体是人所共知的,而在生物圈内却存在一种更为奇妙的“化学雷达”。亚细亚刚毛草的种子便有一种特殊的化学雷达,它能探知粮食作物在生长时所渗出的一些化学物质。一旦得知粮食作物已经生长,它也破土而出。关键在于它有4天的独立生长期,也就是说,在头4天里它可以不需要外来的营养,但4天之后,它必须要抓住宿主植物以继续维持它的生长。它所持有的化学雷达以及宿主植物渗出的化学信使物质使它能够如愿以偿。科学家的目标是必须找出这种信使物质,以便阻断这种信息传递。然而,由于这种渗出的物质是极其微量的,人们竭尽全力只能收集到千分之几毫克,所以一直未能分析出这种物质的化学结构。直到精密核磁共振仪诞生,科学家终于把这种信使物质的化学结构全部探明。所幸,它并不是一种结构十分复杂的物质,化学家完全可以在实验室里将其合成出来。化学家合成出一大批各种化学信使物质。然后在粮食作物播种之前把它洒在大地里,亚细亚刚毛草的化学雷达收到信号,误以为粮食作物已经生长,也就会迫不及待的破土而出,4天以后它无论如何也不可能找到宿主植物,于是就慢慢的枯萎而死。此时,人们只要打扫一下战场,再把粮食播种下去,就再也不用担心“魔草”的威胁了,这是一种典型的以其人之道还至其人之身的科学方法。科学家们已经用同样的方法,识别了许多宿主植物所分泌的化学信使物质,反而制服了更多的寄生杂草。总之,实践是认识世界的基础,是检验真理的唯一标准。毫无疑问,人们要想认识物质的世界,必须实践。物质世界中的千变万化的化学现象都可以通过化学实验观察到的,而化学中的一些学说,定律是在实验基础上经综合、归纳而得到的,也是在实验的鉴别中修正、发展而成熟的。因此,人们把化学看成是一门实验性科学,实验是化学科学的基础,也是化学科学的根本。

三、抓主要矛盾是解决一切复杂问题的关键

矛盾的对立统一规律是自然界客观存在的发展规律,在化学中自然也是处处存在的。化学反应平衡因种种原因被打破,平衡向一方移动,体现了矛盾双方相互转化;分步沉淀又恰好证明了矛盾论中主要矛盾和次要矛盾的关系;催化剂只能改变反应速度,却不可改变反应的方向,体现了内因是运动变化的本质,而外因只是运动改变的条件。化学问题中的矛盾关系往往很复杂,抓主要矛盾或矛盾的主要方面是解决这些复杂问题的关键。各种化学模型的建立以及各种化学反应最优条件的研究,无不从抓主要矛盾入手。抓住了主要矛盾,我们就抓到了事物的本质,问题就能迎刃而解。计算弱酸溶液中的氢离子浓度就是通过确定主要矛盾,最终得到了很好的解决。对于某温度下(该温度下水的电离常数为（式略）求解这个一元三次方程,就可以得到弱酸HA溶液中氢离子浓度的“精确”值,但显然,这样的方程求解上还是有一定难度的。在实际解决这个问题中,我们注意到,Ka一般是实验测得的,理论上大约有5%的误差,误差分析告诉我们,由于[H]与Ka有关,即使通过很精确的求解过程得到结果,这样的系统误差也是永远不会被消除的,精确的求解过程往往就显得没有意义,所以在不影响结果精确度的情况下,应尽可能简约繁琐的求解过程。方面,难题往往就迎刃而解。具体到这个问题,关键就在于我们要认识到主要来源于HA的电离,同时电离的HA与弱酸的总浓度相比又可以忽略,原来繁杂的公式就可以得到极大的简化,化学中这样的例子还很多。化学学科同其他学科一样在经历了漫长的迷茫、探索之后,终于走上了科学之路,并在20世纪开始腾飞,除了各种精密仪器和计算机计算为化学发展做出贡献外,人们运用辩证唯物主义的哲学思想去认识化学是化学学科得以发展的另一重要原因。因而,我们在化学的学习和探索中要善于运用哲学思想理解问题,综合运用各科知识去分析问题解决问题也正是我们当代青年应具备的素质。