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物理化学课的逻辑结构教学法
物理化学是研究化学变化及与化学变化相关联的物理变化的各种基本原理和共同规律的科学。就物理化学这门课而言,除了让学生学到有关物理化学方面的基本理论和基本技能以外,更重要的是通过这门课的教学,培养学生从实际问题抽象为理论,并运用理论分析和解决实际问题的能力,使学生掌握严密的逻辑推理和思维方法。因此,发展学生的逻辑思维能力,增进学生的认知结构和重组水平,是提高物理化学课程质量的关键所在。
一、建立逻辑框架
美国著名教育心理学家J.S.布鲁纳认为,学习是认知结构的组织与重新组织,他强调已有知识经验的作用,更强调学习材料本身的内在逻辑结构。他认为,有内在逻辑结构的教材与学生原有的认知结构关联起来,使新旧知识发生相互作用,这就是学习变化的本质。物理化学是一门理论性非常强的课程,在物理化学理论中,它的基本概念、基本原理、定律及基本研究方法等知识点的逻辑组织形式,即物理化学的知识结构是以严密的逻辑关系相互关联所构成的网络系统。物理化学知识的整体功能包括两部分:一部分为各知识点的功能;另一部分为由各知识点的交叉、组合等形成的新功能。然而,在教学过程中,一个理论总是被分成若干章节,用若干个不连续的学时来完成。这样学生便比较容易有意无意地把一个理论分割成几部分。因此,在教学中,教师应牢牢地把握住知识点及其相互关系的整体系统结构,充分发挥整体知识结构的功能,逐步培养学生的知识系统化能力。如果把物理化学看作一个大系统,则化学热力学、化学动力学、电化学、胶体化学等就是它的子系统。而每个系统又由若干定律、公式、概念所构成,物理化学课程的最终目的,就是让学生从大系统的整体水平上,把握物理化学的知识、理论和方法,提高学生的逻辑思维水平。因此,教师必须特别注意引导学生从内在逻辑结构的联系上理解和掌握所学理论的各个知识点,从而在整体上系统地掌握物理化学的理论体系。一般教师应在一章或一个理论教学结束时,指导学生对所学内容进行整体的逻辑结构分析,找出一章中各个小节的相互联系和逻辑关系或一个理论形成的逻辑程序。对各部分的内容,应特别注意发展它们的横向逻辑关系,力求把学过的知识有机地结合起来,从而形成对知识点的整体认识,并用简明、扼要的逻辑框架图表示出来。如说明表面现象部分,就可以统一在“表面张力”为中心的逻辑线索中。
教学实践的结果表明,系统的具有内在逻辑结构的教学内容,可以给学生展示出一条清晰的思路,有利于调动学生的逻辑思维活动,激发学生独立钻研的兴趣和热情,也使学生易于对物理化学的理论形成完整的全面的总体印象,从而提高物理化学的教学效果。
二、发展逻辑思维
物理化学是利用辩证的、唯物的和联系的方法,研究化学变化中伴随的物理现象,并通过研究这二者的内在联系探索化学变化规律的科学。物理化学的教学目的,不仅是把理论作为一种现成的知识传授给学生,更重要的是通过研究一个理论的建立、发展的全过程,培养学生掌握从事科学研究和进行理论思维的基本方法。因此,在物理化学的教学过程中,教师应特别注重方法论的教学,发展学生的逻辑思维水平。在物理化学中所涉及的教学方法是多方面的,如比较法、理论模型化方法、辩证逻辑方法、形式逻辑方法,以及严密的逻辑推理与教学处理相结合的方法等,它们几乎贯穿在整个物理化学的研究中。而这些方法正是帮助学生提高逻辑思维能力的有效途径。在物理化学的教学中,运用理想模型化方法可以抽象出理想气体、理想溶液、可逆过程、可逆电池等基本概念。我们知道,对于复杂多变的客观实体,这些理想情况几乎难以找到。但是,如果我们用辩证联系的方法去处理理想模型,在研究实际问题时,采用比较类比的方法由理想模型化法得出的概念及主要规律进行一系列的修正,就可以得到比较满意的结果。再如,物理化学中运用严密的逻辑推理与数学处理相结合的方法,说明了相变蒸汽压与温度的关系(Clausius-clapeyron方程),表明蒸汽压与分散度的关系(Devlvn方程),以及电化学中的Debye-Huckel公式,表面现象中的Gibbs吸附公式等,类似的应用,实际还可举出很多。此外,为了形成抽象概念和抽象理想体系,物理化学中还常常用形式逻辑方法,如归纳和演绎。归纳法是根据大量已知的事实概括出一般的结论(如定律、公式、原理)的一种逻辑推理方法,其特点是从特殊到一般。物理化学课程中介绍的气体定律,热力学第一、二定律,质量作用定律,拉乌尔定律等都是应用归纳法总结出来的。而演绎法则是从一般到特殊的逻辑推理方法,这种方法在预知未知的事实,提出假说方面具有特殊的功效。归纳法与演绎法既有区别又有联系,归纳是演绎的基础,而演绎又常作为归纳的前导。因此,在物理化学实际的推理时,归纳法和演绎法常常综合应用。
总之,在物理化学教学中,教师必须认真地将方法论贯穿在每一步骤的教学过程之中,帮助学生认识并逐步掌握这些逻辑方法,使学生自觉地学会方法论,从而使他们的逻辑思维能力发展到一个新的水平。
三、强化逻辑结构
现代教学论,在教学内容上的新进展,首先是从心理学的基础上深入,并与心理学的研究有机地结合起来。美国著名教育心理学家J.S.布鲁纳,在他的“结构主义”教学理论中,强调学习学科的基本结构。所谓“基本结构”是指各学科中内在的相互联系的概念与原理。他指出,这种结构连续不断构成的过程就是智力活动,教学就是教学生不断去创造,求得智力的发展,实现学习的迁移,从基础的知识到学习更高的新知识。因此,在教学中,必须优化教学内容,强化逻辑结构。物理化学课通常在大学二年级开设,大学二年级学生的思维发展已有相当水平,但从学习物理化学的要求来看,目前,学生的逻辑思维能力还不能适应理论性较强的物理化学课的学习,特别表现在热力学第二定律的学习中。热力学第二定律是物理化学教学过程中的一个重点和难点,由于比较抽象,学生在学习过程中往往感到难以理解,不易掌握。热力学第二定律的核心是熵函数,但是熵函数缺乏一个鲜明的物理模型,对它的含义较难把握,在学习过程中,学生对熵的概念总感到抽象难懂。针对这一情况,教师在教学中,就必须对教学内容进行最优化处理,尽可能把抽象的内容具体化,把难点分散,并且用鲜明的逻辑线路把各部分内容联系起来。在讲授过程中始终注意联系热力学第二定律的表述——热功转换的方向性,使学生理解熵函数的建立和热力学第二定律的数学表达式的导出都是热力学第二定律的必然结果。由此,本文提出了热力学第二定律的教学逻辑结构。在教学过程中,教师根据上述教学逻辑结构来展开第二定律的教学,使学生能够站在学科的高度上理解并掌握热力学第二定律。最后,通过总结,让热力学第二定律的教学逻辑结构学生明白热力学第二定律,可统一在如何判断自发过程的方向这个大的内容之中,从而使学生不仅掌握热力学的基本研究方法,而且可以对热力学第二定律的各个方面,从自发过程的特征到热力学第二定律的各种表述,从Cannot循环到熵函数,从第一定律、第二定律的联合式到自由能和自由焓,从热力学基本方程到麦克斯韦方程,都有清楚的了解。
教学实践表明,优化教学内容,学习逻辑结构,可以使得学科内容更易理解,有益于记忆,有益于学生扩展思路,举一反三,有益于知识的迁移,有益于培养学生的逻辑思维能力。综上所述,学生的逻辑思维能力是在掌握知识的过程中逐步形成和发展起来的,在教学中教师必须始终重视发展学生的潜力才能和基本能力,从学科的高度上系统地把握教学内容,强化知识的逻辑结构,只有这样才能使学生既有合理的知识,又有合理的能力结构,才能提高学生的逻辑思维能力,才能适应当代科学技术的发展。
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