探究物理化学里的科学方法在教学中的应用
太原科技大学化学与生物工程学院 武银桃
摘要：本文结合物理化学教学的实践与研究提出，在基础理论的教学中，教师在传授给学生科学知识的同时，更为重要的是传授给学生科学方法。应该从对科学方法意识淡漠转变为自觉应用科学方法于科研和教学中，进而启发学生举一反三的意识，提高学生的创新能力。
关键词：物理化学 科学方法
古人云，授人以鱼，不如授之以渔。谈到大学教学，尤其是基础理论的教学，教师在传授给学生科学知识的同时，更为重要的是传授给学生科学方法。当今科学发展非常快，知识的使用周期越来越短，大学生在大学阶段学习的知识，可能若干年后就没用了[1]。所以，大学阶段教给大学生什么？怎样教？是非常关键的。任何基础理论课程的教学内容均由普遍性原理和科学方法组成[2]。教学中，教师往往只重视知识(普遍性原理) 的传授，不重视方法的教育，使学生在学习中举一反三的能力不强，工作中的创新能力不足。本文结合物理化学理论和实验教学的实践与研究，提出了一点想法，供商榷。在教学过程中，传授（掌握）知识和传授（掌握）方法同样重要，而传授（掌握）正确的科学方法尤为重要。
1. 科学方法在物理化学教学中的重要性
所谓科学方法是指人们在认识和改造世界中遵循或运用的、符合科学一般原则的各种途径和手法，包括在理论研究、应用研究、开发推广等科学活动过程中采用的思路、程序、规则、技巧和模式。
1.1科学方法的重要性
科学方法的价值往往被低估，许多科学家对自己的科研成果的价值津津乐道，甚是清楚，而对自己的科学方法的价值往往搞不清楚。科学发展史上的实例也屡见不鲜。
以众所周知的元素周期表为例。由于发现了化学元素周期律的俄国化学家门捷列夫和德国化学家迈尔于1882年同时获得了英国皇家学会颁发的戴维勋章。但为什么叫做门捷列夫元素周期表呢？
1868年迈尔根据原子体积的变化是各元素原子量的函数的原理，绘制了一张曲线图，直观地表示出个元素原子体积的变化的周期性，1869年又制作了一个化学元素周期表，明确指出元素的性质是它的原子量的函数，迈尔的化学元素周期表偏重于原子量和物理性质之间的关系。
1869年年仅35岁的俄国彼得堡大学化学教授门捷列夫明确提出，元素的性质随着元素的原子量的增加呈周期性的变化，并把这个规律称为“元素周期律”。接着他又把当时已知的63种元素按原子量从小到大分成几个周期，同一周期的排在同一行上，并把原子量大的那一周期重叠在原子量小的周期下面。这样性质相似的元素落在同一列里（同一族），制成了一张化学“元素周期表”。门捷列夫在排周期表的同时，运用周期律，大胆地在周期表里留下许多空格，每个空格代表了一种未发现的元素，并预言了这种元素的性质。他的预言和之后实践的结果取得了惊人的一致。元素周期律作为描述元素的性质的基本理论有力的促进了现代化学和物理学的发展。
门捷列夫和迈尔同时发现了“元素周期律”，但由于在科学方法上存在差异，对元素周期律的理解和应用就不同。迈尔在科学方法上比较片面，只注重元素的物理性质（原子体积），比较狭隘和保守，没能多做推测。而门捷列夫在科学方法上，非常注意化学元素的化学性质的周期性，在实验和观察的基础上，善于应用归纳和推理找到化学元素周期性的规律，通过分析和综合做出科学推测和预言，因此，现代化学认为，化学元素周期表是俄国化学家门捷列夫首创的。
以上事例说明，拥有正确的科学方法能对科学事业做出有价值的更大的贡献，所以我们在基础理论的教学中不可忽视科学方法的教育，应该引起足够的重视。
1.2. 科学方法在物化教学中的重要性
物理化学是现代化学的核心内容和理论基础。它在数学、物理学和化学的基础上，进一步阐述了化学最基本规律的理论，为后续的专业课程学习、知识应用和科学研究提供了更全面、更直接的基础，起着连接基础学科、应用学科和科学研究的枢纽作用[3]。由70多位专家参与撰写的《自然科学学科发展战略调研报告》中指出，凡具有较好物理化学素养的大学毕业生，适应能力强，后劲足，容易触类旁通，开辟新的研究阵地，从而有可能站在国防科技发展的前沿。如俄国化学家门捷列夫1859年在德国海德堡本生实验室进行深造，两年中他集中精力研究了物理化学。他运用物理学的方法观察化学过程，又根据物质某些物理性质来研究它的化学结构，这就使他在探索化学元素间的内在联系时打下了更为宽阔和坚实的基础，于1869年制成了化学元素周期表。
物理化学中蕴含着十分丰富的科学方法，包括理论方法和实验方法。它源于基本原理又有别于基本原理，它既具有自然科学方法的一般特征，又反映了化学学科研究方法的特殊规律。除归纳法、类比法、演绎法、数学法外，还有理想化法、外推法、试验现象的辩证思考，相对零点数据法等等。
在物理化学教学过程中，我们把所学课程作为载体，通过这个载体，训练学生掌握科学方法。既要传授学生物理化学的基本知识、基本理论，还要有意识地传授科学思维、科学方法。使学生能灵活地应用物理化学的基本概念、知识点，借助科学方法，进行深度质疑，创造性释疑，提高师生发现问题、分析问题、解决问题的能力。
2. 科学方法在物理化学教学中的应用
据统计，自1901年至1997年获诺贝尔化学奖的129位科学家中，就有84位是物理化学家或从事的是物理化学领域的研究工作，约占64%，统计数据说明，物理化学在现代科学中已越来越起着先锋和桥梁作用，在具体的教学实践中要达到较好的教学效果，必须重视科学方法的教学。授课教师应当注意把握，对学生加以循循引导，以丰富课程教学内涵。
下面举例谈谈个人体会。
2.1摩尔气体常数(R)的教学启发
在学习物理化学之前，我们已经介
绍过摩尔气体常数
（R ）, R =8. 314J ⋅mol ⋅K -1。在物理化学课程中，为什么还要介绍摩尔气体常数呢？摩尔气体常数的准确数值是如何测出来的呢？所有这些正是物理化学课程要解决的问题。 在波义尔定律、盖-吕萨克定律、阿伏伽德罗定律这三大定律的基础上，人们归纳出了一个对各种纯低压气体都适用的方程。pV =nRT (pV m =RT ), 称其为理想气体状态方程。 2.1.1摩尔气体常数(R)的测定： 首先测定某些真实气体在一定温度
（T ）不同压力（p ）时的摩尔体积（V m ）
值，然后将pV m 对p 作图，外推至p →0处，求出所对应的pV m 值，进而计算出
R 值。
图1给出了一些气体在300K 下的pV m -p 曲线，图中所示，真实气体在不同的压力（p ）下有着不同
. 2J ⋅mol 。由此可计算的R 值。的pV m 值。在p →0时，pV m 却趋于一共同的极限值2494-1
R =lim (pV m )T p →0
=lim 2494. 2J ⋅m ol -1K p →0
=8. 3145J ⋅m ol -1⋅K -1
在其它温度下进行类似的测定，所得R 值完全相同。[4]
2.1.2结果分析
⑴得出一个定量关系，下了一个定义，提出一个概念
在压力趋于零的极限情况下，各种气体的p V T行为均服从pV m =RT 的定量关系。因此，人们把在任何温度和压力下均服从pV m =RT 的气体叫做理想气体。R 是一个各种气体都适用的常数，把它称之为摩尔气体常数。
⑵极限外推法
作pV m -p 图，外推至p →0处，求出所对应的pV m 值，进而计算出R 值的实验测定方法，称之为极限外推法。它是物理化学中常用的科学方法之一。
用外推法处理问题, 探索规律, 寻求实验条件之外的有关数据和结论, 是一种重要的设计性实验方
法，外推法并不是新的课题, 是由被誉为近代实验科学创始人的伽利略的外推思想逐步发展形成的外推法, 在科学实验研究领域中有十分重要的地位。所谓外推, 就是从连续原理出发, 根据已有的实验结果去获得超越实验范围的一些无法直接或间接测量的结果。在通常情况下, 如果在有限的实验条件下, 只能在一定的范围内取得一系列实验数据, 而有时需要研究的实验内容在该范围之外, 而要获得该范围之外的有关结论, 可用外推法来探索规律或处理问题, 将逻辑推理、理论分析和实验验证紧密地结合在一起, 这也充分体现了物理化学理论和实验密不可分的特点。表1列举了极限外推法在物理化学中的应用的几个实例。
表1 极限外推法应用举例
在物理化学实验中，也直接或间接地使用了这种科学方法。因此, 设计、研究外推法在探索性实验中的应用, 在今天强调素质教育的新形势下, 就显得更有必要了。因为这些实验不仅能激发学生的学习兴趣, 有助于培养学生理论联系实际的综合能力, 而且能开拓学生的视野, 激发他们的创新意识和创造能力。
⑶理想化模型法
p →0的气体，从微观上讲，分子间距离非常大，说明分子间相互作用非常小，分子本身的线度与分子间的距离相比可忽略不计，可将分子本身看成是没有体积的质点。由此抽象出了气体理想化模型，我把它叫做理想气体的微观模型。
理想气体微观模型具有两个特征：
① 分子间无相互作用力
② 分子本身不要占有体积
理想化模型法在物理化学中的应用也很广，许多重要的定理、公式都是通过理想化模型法得出来的。表2列举了理想化法在物理化学中的应用的几个例子。
表2 理想化模型法应用举例
理想化模型法主要特点是把研究对象所具有的特点也理想化，就是突出强调了研究对象某方面的特
征或主要
特征，而有意识的忽
略研究
对
象其他方面的特征或次要特征，集中全力掌握研究对象在某些方面表现出的本质特征或运动规律。这种方法的也是一种常用的科学方法之一。
2.2焦耳实验的辩证思考
法国化学家盖-吕萨克于1807年，焦耳于1843年做了这样一个实验。在一水槽中放有两个容量相等的金属大容器，其左侧充以低压气体，右侧抽成真空，中间用旋塞连通。让各部分彼此达到热平衡后，打开旋塞，气体就由左
膨胀到右，最终系统达到热平衡。实验观测整个过程温度计读数没有变化。
这一实验现象，对于一般人来说，记录的结果可能是，没现象，温度没变化或实验失败等。而焦耳抓住温度不变，气体向真空膨胀这两个细节，根据热力学第一定律得出了如下结论，即气
体在自由膨胀中内能不变。进一步推出了理想气体的内能和焓都 图2焦耳实验 仅为温度的函数，与压力、体积无关。这个结论有时也称为焦耳定律。
这一事例告诉我们，在进行科学实验时，必须认真操作、真实记录，应注意没有变化也是实验结果之
一。其中蕴含着事物内在的本质规律，同样也应加以分析绝不可随意忽略。这种从不同角度辩证地分析问题的做法也是需要我们借鉴的科学方法之一。
3. 结语
在教学中要讲科学方法，授人以渔不仅是授人以鱼。物理化学中的这些科学方法在教材中不会明显体现，学生如果不仔细研读，认真思考，往往不能很好掌握。授课教师在讲解基本原理的同时，应提炼出主要的科学方法加以讲解，启发学生举一反三的能力，培养学生的创新能力，从对科学方法意识淡漠转变为自觉应用科学方法于科研和教学中。但强调科学方法的重要性，不是说要单独设章，而是要将科学方法融于普遍化原理中，科学方法既是解决问题的桥梁，又是教学内容的组成部分。戴安邦教授说得好，“全面的化学教育不仅传授化学知识、技术，更要训练科学思维和科学方法，培养科学精神和科学品德。”
参考资料
[1]叶志明. 科学思维和科学方法在力学和工程教育教学中的应用[J].中国大学教学,2011(6).6-8.
[2]高盘良. 科学方法教育和创新能力培养[J].中国大学教学,2010(3).7-8,24.
[3]武银桃, 赵玉英, 逯宝递等. 新建大学本科物理化学实验课程建设的实践与研究[J].化工时刊,2011(6),62-64.
[4]天津大学物理化学教研室。物理化学. 第五版[M].北京:高等教育出版社.2009.5