在体验“科学简单性”原则中感受化学的学科魅力 - 教师优秀作品 - 省常中图书馆

摘要：“科学简单性”是爱因斯坦提出的科学方法的重要特征。在化学学科中同样蕴含着“简单性”原则。本文从知识体系的简明化、思维方法的简洁化、实验手段的经济化三个角度阐明了“简单性”原则在化学学科中的含义。

关键词：科学简单性化学课程

爱因斯坦是现代科学史上的一位伟人，他的伟大之处，不仅在于他创立了相对论、光量子论等科学理论，更在于他创立了科学的认识论和方法论。科学的简单性原则是爱因斯坦科学方法的重要特征。他认为：“科学本身可以看成是一个尽可能利用最少的思维，最全面描述事实的极小值。”也就是说，科学既要最全面地摹写事实，把事实中最重要地那些方面描述出来，又要用最简单的方法和最经济的思维，来达到复杂事物“简单化”的目的。具体地说：第一、要求思维形式即科学理论的陈述具有简洁性；第二、要求科学理论的思维内容清晰明了，具有经济功能；第三、要求科学理论在逻辑上和数学结构上尽可能简明。

化学是一门自然科学，在化学的学科体系中也蕴含着“简单性”的科学原则。从中学化学的角度如何体现科学的“简单性”原则呢？笔者认为有以下三个方面。

一、化学知识体系的简明化

1.知识的概念化

辞海中对概念的定义是“概念反映对象的特有属性的思维形式，是人们从对象的许多属性中，抽出特有属性概括而成”，因此概念是用最精炼的语言揭示事物的特有属性。概念从形式上讲是抽象的、主观的，但在内容上则是具体的、客观的。例如，“熵”是从热运动中抽取、概括出来的一个概念，虽然形式上非常抽象，但却深刻地反映了某些物质的系统状态。爱因斯坦认为：概念是理性思维的贡献。化学中存在着许多概念，如元素、原子、分子、化学键、分解、化合等，概念是思维内容的基本单位，又是化学学科的基本要素，这些概念构成了化学的理论框架，是化学大厦的“基石”。有了这些概念，把知识概念化符合科学的“简单性”原则。

2. 知识的网络化

化学知识的学习常常以理论为基础进行横向比较和纵向联系，将元素化合物知识联线结网，因此要有意识地用化学理论作为灵魂，将具体的化学事实统帅起来。
高中化学中以元素周期表的理论知识指导各分族具体的元素性质学习，这是高中化学无机化学学习的第一条线索，是编织知识网的“经线”。第二条线索是“结构决定性质，性质反映结构”的观点，是编织知识网的“纬线”。在元素化合物和有机物的学习中要抓住性质重点，把存在、制法和用途都与性质挂钩。第三条线索是物质之间相互衍变关系，是编织知识网的“结点”，例如元素化合物的学习若不抓住“非金属（金属）氧化物—酸（碱）—盐”之间的联系，各主族元素的学习若不构建好各主族元素单质与其主要化合物之间的转化关系网，有机化学的学习若不抓住“醇—醛—酸—酯”之间的衍变关系，化学知识仍是一盘散沙。

可见化学的学习如果能使知识网络化，就是寻找知识之间的内在逻辑关系，将简化知识结构体系，使化学知识的学习更迅速、更高效，使学习做到“纲举目张”。

3.知识的模型化

影响化学问题解决的因素很多，常常令人一筹莫展，化学问题许多涉及微观领域，微观粒子的运动用肉眼无法直接观察，许多实验事实和现象无法用实验来实现，需要借助模型化思想，使疑难问题迎刃而解。知识的模型化有以下作用：

（1）微观问题宏观化，如研究分子结构、原子结构、晶体结构时采用球棍模型、图示模型等；（2）实际问题理论化，如从中学化学的角度讲，已经建立的模型有8电子稳定结构模型、有机化合物中碳四价的模型；（3）无序思维有序化，如在解决化学问题时常常需要建立数学模型。数学模型就是用精练的形式化语言对某个特定的问题或特定的系统中各要素的关系、系统的本质特征或基本过程进行数量和结构的描述，更有效地解决实际问题地一种方法，数学模型的建立可以使问题“化繁为简”、“化难为易”，如在化学计算题的解答中建立方程和函数的数学模型。知识的模型化实际上是给出了一个思考问题的方法和思路，减少解决问题时的“混沌”感。

二、化学思维方法的简洁化

1. 思想方法的规律化

化学问题林林总总，千变万化，但是万变不离其宗，化学变化总是遵循着一定的规律。因而解决化学问题时，遵循这些规律才能使问题的解决迅速、有效。中学化学中常用的化学思想方法包括：（1）守恒思想。从质量守恒定律衍变、发展而来，其内涵是化学变化前后元素种类守恒、元素的物质的量守恒、元素的质量守恒。守恒思想在解决氧化—还原、电解质溶液、反应中的能量变化等问题时得到相当普遍的应用。（2）结构决定性质思想。人们通过实验证实：宏观物质的许多性质都是由物质的微观结构决定的，结构决定性质的思想在元素化合物部分和有机部分可以找到大量的例证，如：相似相溶原理、有机物中官能团相同的物质化学性质相似，同主族元素及其化合物的化学性质相似，元素周期表则充分地反映了“位—构—性”三位一体的思想。（3）平衡转化思想。严格地说，物质世界总是处于一种动态地平衡中，大到生态平衡，小到微观粒子的平衡，因此利用平衡原理和平衡转化思想分析和解决化学问题，这种方法可以更全面、辨证地认识事物的变化。以上三种思想方法使化学学科的思想自成体系，又使知识规律化，使问题的解决有章可循。

2. 理论模型的理想化

所谓理想化方法，就是人们在观察和实验的基础上，运用理性思维的能力，把研究对象放在比较理想和纯粹的状态，简化复杂因素，纯化主要因素，忽略偶然因素，撇开次要因素，用理想化客体代替实在的客体进行科学研究的方法。理想化方法抓住了主要矛盾，可以使问题的解决大为简化。在化学研究中常常使用理想化的方法，有理想气体、理想溶液等。如平衡移动中浓度、温度、压强对平衡的影响可采用逐一研究，忽略其他因素的方法，如不考虑温度、压强的变化对平衡的影响，重点研究浓度变化对平衡移动的影响。又如许多化学反应进行往往伴随着副反应的发生，进行计算时常忽略副反应，得到的是理论值。再如解答化学习题时，常忽视其他因素的影响，把需要研究的某个反应置于某一独立状态得出结论。

3. 思维方式的整体化

思维的整体化要求我们对事物从整体上进行综合把握。在对教材进行分析时，要从整体上把握它的结构、编排体系；在理解化学基本原理时，要从整体上理解该理论在化学理论体系中的地位及与相关理论的关系；在解答化学试题时，要从整体上把握题给信息，着眼于全局，简化解题步骤、避免细枝末节。在这里，化学的守恒思想是进行整体思维的一大法宝。守恒思想认为：尽管物质的组成千姿百态，物质的变化多种多样，但其中有一些因素总是不变的或者遵循移动的等量规律，抓住这不变因素建立等量关系来解决化学问题的思想方法就是守恒法。守恒的现象广泛存在于化学问题中：氧化还原中有电子得失守恒；电解质溶液中有离子总电荷守恒；化学变化中有能量守恒，溶液配制时有溶质的量守恒。

三、化学实验手段的经济化

1. 实验过程的简单化

实验过程的简单化主要是为了体现“经济性”原则。无论在实验室还是实际的工业生产，总是尽量做到“实验操作越简单越好、实验步骤越少越好，实验装置越简单越好”，在不影响实验结果的前提下，试图用最少的步骤和装置、最简单的操作来达到实验目的。简单化原则也是设计实验时的一个主要原则，常常会在实验试题中出现“设计最佳实验方案”这样的字眼，所谓的最佳，其首要的判断标准是“简单”。在实验中要实现简单并不那么容易，需要对实验原理、实验装置、实验手段等做出综合的分析和选择。

2. 工业合成过程的经济化

工业合成过程不仅要考虑过程的简单化，还要综合考虑原料成本、经济效益、环境因素等问题。最理想的工业合成是“绿色合成”，是用简单的、安全的、环境友好的、资源有效的操作，快速、定量地把价廉、易得的起始原料转化为目标分子。科学家提出了“原子经济性”的概念，认为高效的合成应最大限度地利用原料分子中的每个原子，使原子利用率最大，以实现最低排放甚至零排放。通过“简单的”、“快速”、“易得的”这样一些字眼就可以体会到“简单性”原则的贯彻和实施，而所谓的“绿色合成”其最终目的使合成后对排放的环境污染物的处理越简单越好。

人们常说，读书的第一境界是把厚的书念薄，笔者认为这就是“简单性”原则的通俗表达。简单性原则不仅是科学认识真理的一个标志，也是科学创造的美学标准，对于科学，意味着“简单就是美”。通过化学的学习，不仅应该让学生掌握化学基础知识和基本技能，理解化学基本方法，还应该让学生在学习化学中感受科学之美、进而创造科学之美。

参考文献

[1] 郅庭瑾著.教会学生思维[M].教育科学出版社，2003.202-211

[2]徐燕等编著.高中化学解题思想方法[M].北京：新时代出版社，2002.18-25

(此文发表于2010年第4期《中学化学教学参考》)