唯物辯證法基本原理在結(jié)構(gòu)化學教學中的應(yīng)用

張冬菊

山東大學化學與化工學院，濟南 250100

1 前言

黨的十八大以來，課程思政已成為與思政課程同向同行、協(xié)同育人的重要教學理念，在高校思想政治工作中的地位和作用日益增強[1]。“立德樹人”作為教育最根本的任務(wù)和目標已形成廣泛共識，深挖思政教育元素、將思政教育功能融入課堂教學各環(huán)節(jié)，全力推動以課程思政為目標的課堂教學改革，已成為眾多高校教師努力追求的教學目標[2,3]。結(jié)構(gòu)化學是大學化學類各本科專業(yè)的主干基礎(chǔ)課程之一，是連接基礎(chǔ)化學與高等化學的階梯，在化學專業(yè)課程體系中占有重要地位[4-7]。該課程以量子力學基本原理為基礎(chǔ)，描述原子、分子和晶體結(jié)構(gòu)的基本概念、基礎(chǔ)理論和基本方法，揭示物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)與其宏觀性能之間的內(nèi)在聯(lián)系。量子力學的誕生和發(fā)展、量子力學基本原理在化學中的應(yīng)用、物質(zhì)結(jié)構(gòu)及其性能之間的內(nèi)在聯(lián)系等無不蘊含著豐富的辯證唯物主義思想，許多重大發(fā)明和發(fā)現(xiàn)均是唯物主義和唯心主義、辯證法和形而上學激烈斗爭的結(jié)果。因此，在結(jié)構(gòu)化學教學中，深挖課程思政元素，對學生進行辯證唯物主義教育，是充分發(fā)揮該課程育德功能的重要途徑[8]。

本文結(jié)合結(jié)構(gòu)化學教學內(nèi)容，凝練幾個案例，探討唯物辯證法基本原理[9]在教學中的應(yīng)用，旨在引導(dǎo)學生樹立科學的世界觀和方法論，引導(dǎo)學生以物質(zhì)的客觀實在性為原則，擅于運用辯證唯物主義思想探索科學問題，勇于猜想、敢于質(zhì)疑，不斷提高分析問題和解決問題的能力。

2 結(jié)構(gòu)化學教學內(nèi)容與唯物辯證法有機結(jié)合的教學案例

2.1 光與實物粒子的波粒二象性——“對立統(tǒng)一”和“否定之否定”規(guī)律

“對立統(tǒng)一”和“否定之否定”規(guī)律是辯證唯物主義的核心內(nèi)容，對立統(tǒng)一規(guī)律強調(diào)任何事物的內(nèi)部和事物之間都包含矛盾的兩個方面，矛盾的雙方既對立又統(tǒng)一；否定之否定規(guī)律則認為事物自我發(fā)展的過程是事物內(nèi)部肯定和否定兩方面矛盾斗爭的結(jié)果，事物在“揚棄”中螺旋式向前發(fā)展。量子力學是研究微觀粒子運動規(guī)律的學科，其誕生和發(fā)展是充滿矛盾和斗爭的過程。量子力學的誕生始于人們對光和微觀粒子內(nèi)稟屬性的認識，其中辯證唯物主義哲學思想發(fā)揮了重要的指導(dǎo)作用，是推動量子力學發(fā)展的源動力。

關(guān)于光的本性，牛頓的“微粒說”和惠更斯的“波動說”，構(gòu)成了光的兩個基本理論[10]。1655年，意大利數(shù)學家格里馬第(Francesco Maria Grimaldi)最早基于光的衍射現(xiàn)象提出了光的波動說。1666年，牛頓(Isaac Newton)基于其分光實驗建立了光的微粒說，認為光是由微粒組成的。由于牛頓的學術(shù)權(quán)威和盛名，光的微粒說暫時占據(jù)了主導(dǎo)地位，波動說暫時被否定。后來，與牛頓同時代的科學家，惠更斯(Christian Huygens)進一步發(fā)展了光的波動說，合理解釋了光的反射、折射現(xiàn)象，此時牛頓的粒子說受到挑戰(zhàn)和質(zhì)疑，波動說又占了上風。1873年，麥克斯韋(James Clerk Maxwell)完成劃時代巨著《電磁學理論》，將光和電磁現(xiàn)象統(tǒng)一，認為光是一種電磁波，進一步確立了光的波動說地位。1905年，愛因斯坦(Albert Einstein)的著名光電效應(yīng)實驗，使波動說又遇到了困難，愛因斯坦在普朗克(Max Planck)能量量子化的基礎(chǔ)上，提出了“光子說”，強調(diào)光的粒子性。經(jīng)歷了“否定之否定”之后的愛因斯坦光子學說中的“光子”完全不同于牛頓“微粒說”中的經(jīng)典粒子，光子是具有波動性的粒子。至此，人們對光的認識提高到一個新的高度，充分認識到，光具有波粒二象性，既不是純粹的粒子也非純粹的電磁波，波粒二象性是一個事物的兩個方面，二者既對立又統(tǒng)一，在不同情況下光表現(xiàn)出不同的性質(zhì)。如(1)式所示，描述光子“粒子性”的物理量(動量p)與描述其“波動性”的物理量(波長λ)通過普朗克常數(shù)(h)相聯(lián)系。

從17世紀初至20世紀初，關(guān)于光的本質(zhì)的爭議長達三百多年之久，光的“微粒說”和“波動說”，各從一個側(cè)面解釋光的性質(zhì)，其基本論點是對立的，存在不相容的尖銳矛盾。人們對光的認識所經(jīng)歷的多次“否定之否定”過程，是事物內(nèi)部矛盾雙方反復(fù)斗爭的結(jié)果，反映了事物發(fā)展的曲折性和前進性的統(tǒng)一，體現(xiàn)了辯證唯物主義思想對于認識事物本質(zhì)的重要性。光是把粒子性和波動性有機結(jié)合在一起的矛盾統(tǒng)一體，光子學說用辯證法的思想考慮問題，強調(diào)一個事物的兩個方面，既注重光的波動性又強調(diào)光的粒子性，二者既對立又統(tǒng)一，“粒子性”和“波動性”雖具有不同屬性，但和諧共存于一個整體內(nèi)部，二者統(tǒng)一為光的波粒二象性。

類似地，人們對于微觀基本粒子內(nèi)稟屬性的認識，也是人們用辯證唯物主義思想認識世界、改造世界的又一例證。德布羅意(de Broglie)受光的波粒二象性啟發(fā)，猜想人們對實物粒子的認識，犯了與對光的認識相反的錯誤，即過于強調(diào)微觀實物粒子的“粒子性”、忽略了其“波動性”。由此，德布羅意在1923年提出了微觀實物粒子的“波粒二象性”，波動性與粒子性通過(1)式相聯(lián)系。1927年，戴維孫(Davisson)-革末(Germer)的電子衍射實驗證明了德布羅意提出的“物質(zhì)波”。

微觀實物粒子波粒二象性的概念奠定了量子力學誕生的基礎(chǔ)，在哲學領(lǐng)域也有重要影響，其所蘊含的豐富的辯證法思想有助于啟迪學生樹立科學的世界觀和方法論。

2.2 微觀基本粒子與宏觀物體運動規(guī)律的比較——事物之間的普遍聯(lián)系

唯物辯證法認為，事物之間和事物內(nèi)部諸要素之間相互影響、相互關(guān)聯(lián)、相互制約，構(gòu)成普遍聯(lián)系的有機整體，一切事物都處在普遍聯(lián)系之中。聯(lián)系具有普遍性、客觀性、多樣性，唯物辯證法主張用聯(lián)系的觀點看問題，反對形而上學的孤立觀點。宏觀物體與微觀基本粒子是一個事物的兩個方面，宏觀物體以微觀粒子為基礎(chǔ)，微觀基本粒子是構(gòu)成宏觀物體的基本元素。微觀基本粒子的運動服從量子力學，充滿不確定性，但由微觀粒子組成的宏觀物體，其運動規(guī)律滿足牛頓力學，具有確定性。微觀層次的不確定性和宏觀層次的確定性，反映了微觀粒子和宏觀物體具有本質(zhì)不同的運動規(guī)律，但二者統(tǒng)一為物質(zhì)，物質(zhì)之間必有一定的內(nèi)在聯(lián)系。

結(jié)構(gòu)化學的教學內(nèi)容，可以挖掘多處體現(xiàn)微觀基本粒子與宏觀物體之間內(nèi)在聯(lián)系的實例，略舉實例如下：

(1) 微觀基本粒子與宏觀物體運動規(guī)律的比較。

顯然，電子運動呈現(xiàn)顯著波動性特征，即波粒二象性是微觀基本粒子的內(nèi)稟屬性，測不準關(guān)系是其內(nèi)稟屬性的體現(xiàn)。

當描述微觀基本粒子的物理量演變到一定程度，過渡到宏觀物體時，則運動規(guī)律會有本質(zhì)的改變。以子彈的運動為例，設(shè)子彈質(zhì)量為0.01 kg，運動速度為1000 m·s-1，同樣假定子彈運動速度的不確定度為其速度的10%，則有：

這表明子彈的波動性和其位置的不確定度與子彈本身的大小相比可忽略不計，不受波粒二象性和測不準原理的限制，即波粒二象性導(dǎo)致的測不準關(guān)系對于宏觀物體沒有實際意義。這表明宏觀物體和微觀粒子并不是截然孤立的事物，而是微觀粒子的不確定性對于宏觀物體而言，完全可以忽略不計。

(2) 箱中粒子的能級差。

勢箱中的粒子是結(jié)構(gòu)化學教材中描述微觀基本粒子運動第一個實例[4-7]，通過薛定諤方程的求解，得到一維勢箱中粒子的能級表達式為：

其中，m為粒子質(zhì)量，a為箱子長度，n為量子數(shù)。由量子數(shù)的取值自然得到粒子的能級是分立的，呈量子化分布。

由(2)式，可計算相鄰兩個能級之間的能級差：

由(3)式可以看出，箱中粒子的能級差隨粒子質(zhì)量和箱子長度的增大而減小，當粒子質(zhì)量和箱子長度“量變”到一定程度，演化到宏觀物體，則能級差將變得非常小，粒子能級將呈現(xiàn)連續(xù)變化，微觀粒子的量子化特征消失，量子力學還原到經(jīng)典力學。因此，從微觀基本粒子到宏觀物體，其運動規(guī)律的本質(zhì)變化，體現(xiàn)了微觀基本粒子與宏觀物體之間存在有機聯(lián)系，二者統(tǒng)一為物質(zhì)，必須用辯證唯物主義聯(lián)系的觀點、發(fā)展變化的觀點理解其運動規(guī)律的演變。

2.3 價鍵理論和分子軌道理論對氫分子的簡單處理——二分法與系統(tǒng)法相結(jié)合

二分法以矛盾為對象，運用一分為二的觀點進行辯證思維；系統(tǒng)法是以系統(tǒng)觀為依據(jù)，著重從整體性、關(guān)聯(lián)性、最優(yōu)性等方面進行的思維方法。二分法與系統(tǒng)法相結(jié)合是馬克思主義辯證思維的重要方法。價鍵理論(valence bond theory)和分子軌道理論(molecular orbital theory)是理解物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性能的兩種基本理論方法[10,11]。價鍵理論的核心思想是原子間相互接近、成單價電子的軌道通過最大重疊使電子配對形成共價鍵，體系能量降低，形成穩(wěn)定分子。分子軌道理論著重于分子的整體性，提出分子軌道的概念，把分子中的每個電子看做在所有核與所有電子所形成的勢場中運動。

價鍵理論和分子軌道理論是現(xiàn)代化學鍵理論的基石，是理解分子結(jié)構(gòu)的基本工具。價鍵理論立足于成鍵原子間成單電子的相互配對，模型直觀、易于理解，結(jié)合雜化軌道理論可以圓滿解釋分子的幾何構(gòu)型，但由于其只考慮了原子價層軌道對成鍵的影響，并且認為成鍵電子對僅在成鍵原子間運動，忽略了電子運動的離域特征，因此存在明顯的局限性，如不能解釋一些分子的磁性以及單電子鍵和三電子鍵等化學鍵的存在。分子軌道理論基于原子軌道的線性組合構(gòu)造分子軌道，強調(diào)電子的離域性，彌補了價鍵理論的一些不足，可以成功解釋價鍵理論不能解釋的一些問題(如O2的順磁性)，但由于過分強調(diào)了電子的離域特征，致使對相鄰原子間成鍵的概念不夠直觀，對于解釋分子的構(gòu)型不如價鍵理論清晰。因此，在具體應(yīng)用時，應(yīng)注意使用辯證唯物主義二分法和系統(tǒng)法的思維方式考慮問題，正確理解價鍵理論與分子軌道理論方法的精髓和局限性，弄清它們的本質(zhì)區(qū)別和相互聯(lián)系。

下面以H2為例，分析價鍵理論和分子軌道理論的具體應(yīng)用，強調(diào)二分法與系統(tǒng)法相結(jié)合的辯證思維方式。

用a、b分別表示H2分子的兩個核，aφ和bφ分別表示中心在a核和b核的原子軌道，最簡單的情況aφ和bφ均為H原子的1s軌道。

(6)式中前兩項描述兩個電子在同一中心(a核或b核)運動，相當于描述的狀態(tài)，稱其為離子項；后兩項描述兩個電子既在a核運動、又在b核運動，相當于每個電子等同地出現(xiàn)在兩個核附近，稱為共價項。由(6)式看出，離子項和共價項的貢獻各占50%，即分子軌道理論認為H2解離為2個氫原子的幾率等同于解離為質(zhì)子和氫負離子的幾率，而實際上前者的機率遠遠超過后者，表明分子軌道理論過估了離子項的貢獻。

另一方面，基態(tài)H2分子價鍵波函數(shù)，(4)式，對應(yīng)(6)式中的后兩項，即價鍵理論僅考慮了共價項的貢獻，完全忽略了離子項的貢獻。因此，H2的價鍵波函數(shù)(海特勒-倫敦波函數(shù))走向了與分子軌道法相反的另一個極端。兩種理論方法對H2的簡單處理均蘊含合理的科學思想，但也各有局限性，因此，應(yīng)堅持用辯證唯物主義二分法客觀評判兩種理論方法，并用系統(tǒng)法關(guān)聯(lián)兩種方法，探討進一步改進上述簡單處理的措施。

(4)式和(6)式對H2分子的處理均過于簡單，對前者的改進需要增加離子項的貢獻，而對后者的改進需要減小離子項的貢獻。這樣，系統(tǒng)考慮價鍵理論和分子軌道理論對H2簡單處理的不足之處，可將(4)式和(6)式統(tǒng)一改進為：

式中δ表示離子項相對于共價項所占的權(quán)重，從上述討論可知，0＜δ＜1。顯然，(7)式是系統(tǒng)考慮價鍵理論和分子軌道理論的科學思想，對H2的改進處理，充分體現(xiàn)了矛盾分析法(二分法)的辯證思維方式。

2.4 氯化鈉與金剛石的晶體結(jié)構(gòu)與點陣型式比較——透過現(xiàn)象看本質(zhì)

現(xiàn)象與本質(zhì)是唯物辯證法的一對基本范疇，現(xiàn)象指事物的表面特征和外部聯(lián)系，本質(zhì)指事物的根本性質(zhì)和內(nèi)部聯(lián)系。現(xiàn)象與本質(zhì)存在對立統(tǒng)一關(guān)系，現(xiàn)象是本質(zhì)的表現(xiàn)，本質(zhì)是現(xiàn)象的根據(jù)。辯證唯物主義強調(diào)，對任何事物的認識都不能停留在事物的表面現(xiàn)象上，要通過科學分析揭示事物的本質(zhì)；任何現(xiàn)象都從一定方面反映事物的本質(zhì)，不能脫離現(xiàn)象臆想事物的本質(zhì)；通過對現(xiàn)象的不斷深入研究才能加深對事物本質(zhì)的認識，做到透過現(xiàn)象看本質(zhì)。

晶體結(jié)構(gòu)是結(jié)構(gòu)化學課程的重要教學內(nèi)容[4,7]，其中晶體結(jié)構(gòu)的點陣型式是教學的重點之一。晶體結(jié)構(gòu)千差萬別，但描述晶體結(jié)構(gòu)的點陣型式(空間格子)只有14種。外形多樣、組成各異是晶體結(jié)構(gòu)的外在表現(xiàn)型式，是事物的“現(xiàn)象”；點陣型式是晶體結(jié)構(gòu)中結(jié)構(gòu)基元周期性分布規(guī)律的科學抽象，是實物的“本質(zhì)”。如何透過“現(xiàn)象”看“本質(zhì)”，正確理解晶體結(jié)構(gòu)“現(xiàn)象”與“本質(zhì)”的內(nèi)在聯(lián)系通常是學生學習的難點。

下面以氯化鈉與金剛石為例，揭示如何透過晶體結(jié)構(gòu)的“現(xiàn)象”掌握其“本質(zhì)”。

圖1給出了氯化鈉(圖1a)與金剛石(圖1b)的晶胞，即晶體的基本重復(fù)單元。氯化鈉晶體是離子晶體，一個晶胞包含4個Na+離子和4個Cl-離子，Na+離子占據(jù)立方體的體心和棱心，Cl-離子分布于立方體的頂點和面心。金剛石晶體是原子晶體，一個晶胞包含8個C原子，其中4個位于的立方體的頂點和面心，另外4個位于立方體內(nèi)部，位于立方體的4條體對角線上。

圖1 氯化鈉、金剛石晶體的晶胞與點陣

氯化鈉晶體與金剛石晶體的化學組成、原子或離子的排布規(guī)律顯著不同，即表現(xiàn)為不同的“現(xiàn)象”；但如果考查兩個晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)基元的幾何圖像，即用點陣的概念描述晶體結(jié)構(gòu)，就會發(fā)現(xiàn)兩個晶體具有相同的點陣型式，即兩個晶體的“本質(zhì)”是相同的，這里的“本質(zhì)”指晶體的點陣型式，兩個晶體均屬立方晶系，其點陣型式均為立方面心格子。

理解晶體結(jié)構(gòu)的點陣型式，關(guān)鍵是正確識別晶體結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)基元，將結(jié)構(gòu)基元抽象成點陣點，觀察點陣點的周期性排布規(guī)律，即可得到對應(yīng)的點陣型式。晶體與點陣是具體和抽象的關(guān)系，晶體是具體的，其中的結(jié)構(gòu)基元是具有一定幾何結(jié)構(gòu)的化學基團；點陣是抽象的，是將晶體結(jié)構(gòu)中結(jié)構(gòu)基元抽象為數(shù)學上幾何點的結(jié)果。氯化鈉晶體的結(jié)構(gòu)基元為一個鈉離子和一個氯離子組成的陰陽離子對，表示為NaCl；金剛石晶體中有兩類環(huán)境不同的碳原子，其結(jié)構(gòu)基元表示為C2。氯化鈉晶體與金剛石晶體雖有不同的空間結(jié)構(gòu)和化學組成，但將各自的結(jié)構(gòu)基元抽象為點陣點后，形成相同的點陣型式，即立方面心格子。看似完全不同的晶體，卻可用相同的點陣型式描述其晶體結(jié)構(gòu)的周期性。

從氯化鈉和金剛石具體晶體結(jié)構(gòu)的比較到其抽象點陣型式的分析，充分體現(xiàn)了辯證唯物主義透過現(xiàn)象看本質(zhì)這一哲學思想的重要性，由此啟發(fā)我們要擅于透過事物的表面現(xiàn)象，揭示隱藏于事物內(nèi)部的本質(zhì)和規(guī)律。

3 結(jié)語

結(jié)合結(jié)構(gòu)化學課程的教學內(nèi)容，凝練了幾例體現(xiàn)辯證唯物主義哲學思想的課程思政教學案例；案例內(nèi)容涉及微觀基粒子的波粒二象性、測不準關(guān)系、化學鍵理論、晶體結(jié)構(gòu)等基礎(chǔ)知識和基本理論，相關(guān)討論應(yīng)用了“對立統(tǒng)一”“否定之否定”“事物之間的普遍聯(lián)系”等唯物辯證法的基本觀點，以及二分法、系統(tǒng)法、透過現(xiàn)象看本質(zhì)等辯證思維方式；教學案例的實施不僅有助于結(jié)構(gòu)化學的課程思政建設(shè)，實現(xiàn)思政育德的目的，而且有助于培養(yǎng)學生的辯證思維方式，提高其分析問題和解決問題的能力。