【摘要】以高中物理教學(xué)中所使用的靜電力理論和常用受力分析方法為基礎(chǔ)，以參與化學(xué)反應(yīng)的微觀粒子的動力學(xué)模型為主線，討論了物理與化學(xué)科目分科教材的不同表述，及其給學(xué)生造成的常見誤解；從科學(xué)哲學(xué)的高度審視模型思維的嵌入與深化，梳理了物理與化學(xué)兩種視角的關(guān)系；利用電磁力主導(dǎo)的復(fù)雜靜電力模型，對接高中物理與化學(xué)兩科對分子作用力的各自表述；類比電子軌道與行星軌道的動力學(xué)和能量特性，以整體法、隔離法探討化學(xué)鍵的微觀動力學(xué)本質(zhì)；本文還討論了物化結(jié)合教學(xué)，在教學(xué)進(jìn)度、模型簡化、邏輯線索梳理等方面所面臨的實際困難。期望探索和打開高中物化學(xué)科交叉內(nèi)容的教學(xué)思路。

【關(guān)鍵詞】高中教學(xué)；跨學(xué)科；物化結(jié)合；靜電力；化學(xué)鍵

物理與化學(xué)兩個學(xué)科，同為現(xiàn)代文明的基石。觀點的結(jié)合與模型的統(tǒng)一，對學(xué)生同時理解掌握兩種學(xué)科的內(nèi)容和思維方式，具有極其重要的作用。就知識體系而言，物理與化學(xué)兩種學(xué)科的模型，既原則上相通，又有具體理想化條件的區(qū)別。而限于各種軟硬件條件，分科教學(xué)不可避免地會造成內(nèi)容割裂乃至表述上的矛盾。以高中生現(xiàn)有的理解能力和認(rèn)知水平，完全依靠自由思考將兩個學(xué)科的思維和各種模型邏輯進(jìn)行貫通是非常困難的，有必要由教師主動引導(dǎo)，并進(jìn)行特定內(nèi)容的直接傳授。

一、高中生在對照物化兩科知識點時產(chǎn)生的常見疑問舉例

1.物理教材中的分子力與化學(xué)教材中的分子間作用力是不是一回事

新課標(biāo)人教版化學(xué)教材中，僅僅表述了“分子之間存在著相互作用力”“范德華是最早研究分子間普遍存在作用力的科學(xué)家，因而把這類分子間作用力稱為范德華力”。只陳述了諸如壁虎抓墻這種范德華力體現(xiàn)為引力的例子，沒有明確表達(dá)是否存在斥力。物理教材中則詳細(xì)表述了分子力既可能表現(xiàn)為斥力也可能表現(xiàn)為引力。這就難免使學(xué)生感到無所適從。

2.范德華力與氫鍵到底區(qū)別在哪

物理教材中只介紹了分子力，沒有提到范德華力、氫鍵?；瘜W(xué)教材中又說分子間存在作用力，叫做范德華力，緊接著下一頁就提出還有一種作用力叫做氫鍵。那么依前后文理解，氫鍵是不是分子間作用力？到底什么樣的分子間作用力才算是范德華力？讓人不明所以。

要想解決上述困難乃至矛盾，必須有意引導(dǎo)學(xué)生，超越兩個學(xué)科在高中階段的話語局限，從科學(xué)哲學(xué)的高度尋找戰(zhàn)略方向，再著眼具體的科學(xué)理論，尋求表述的統(tǒng)一。

二、理想模型思維的嵌入與深化

1.模型理想化的哲學(xué)思維訓(xùn)練

對大多數(shù)物化選科生而言，政治往往不是選考科目，對于唯物辯證法的學(xué)習(xí)不夠充分，培養(yǎng)學(xué)生相應(yīng)哲學(xué)思維習(xí)慣的任務(wù)往往被忽略，需要物理教師補(bǔ)上這一環(huán)節(jié)，專門從科學(xué)哲學(xué)的角度傳授主要矛盾與次要矛盾的辯證關(guān)系。

筆者在每屆高中新生第一堂物理課就會開始這項工作。通常高一物理第一課會介紹質(zhì)點和位移，并且適度展開對理想化模型的表述。筆者會通過舉例闡明工具的使用價值由用途決定，科學(xué)實驗的高精度伴隨高成本，精度的利弊由需求決定。模型的好壞也看其是否即便利又準(zhǔn)確，因而自然科學(xué)中會出現(xiàn)許多近似模型。在后續(xù)的位移概念中，便是忽略了大量次要信息，突出主要信息。因而在使用位移概念處理問題時，就H4cOFnYgZP8Am3Cj0I3Lo2niYEV2lz8QTv5mfOR2Vxo=一定要注意使用條件。特別是當(dāng)精度要求比較高時，就要將整段運(yùn)動分解為多段位移，選取節(jié)點要盡量的多。涉及辯證法的素材還有許多，比如體現(xiàn)“天之道，損有余而補(bǔ)不足”的楞次定律，體現(xiàn)“道生一，一生二”的電荷、動量守恒等。通過這些思辨訓(xùn)練，幫助學(xué)生形成綜合思考的習(xí)慣。

2.科學(xué)模型的邏輯結(jié)構(gòu)

在高中物理受力分析中，往往將研究對象視作質(zhì)點。這在微觀視野下，正好適用于絕大部分微觀粒子的相互作用，當(dāng)研究對象不能視作質(zhì)點時，則需要使用近似方法。在熱學(xué)中還存在壓強(qiáng)不能過高、溫度不能過高的限制條件，這些條件也同時存在于一般化學(xué)反應(yīng)過程中，在物化結(jié)合時就要加以辨析。比如超高溫高壓會破壞電子殼層結(jié)構(gòu)，直接將物態(tài)轉(zhuǎn)化為基本粒子的組合方式。由此闡明，當(dāng)近似模型不能適用時，就必須回到更基礎(chǔ)的模型，重新設(shè)定近似條件。

三、從庫倫定律到復(fù)雜靜電力模型

1.庫倫定律的理想化條件與應(yīng)用范圍

宇宙中已知的四種基本作用力中，電磁力直接主導(dǎo)了化學(xué)反應(yīng)。庫倫力在分析少數(shù)粒子行為時便利，而在分析分子、原子整體相互作用力時就會過于復(fù)雜，因而化學(xué)中才會引入各種各樣的次級模型幫助分析。沿著這個思路，筆者得以初步梳理物化結(jié)合的表述邏輯。

2.復(fù)雜靜電力模型的簡化

原子、分子間作用力，是一大堆電正性原子核和電負(fù)性電子的靜電力相互作用。在物理學(xué)中將這一系列相互作用的靜電力合成為分子力在距離上呈現(xiàn)出分子力曲線?；瘜W(xué)中的范德華力是在直接觀察中發(fā)現(xiàn)的，可以近似對應(yīng)于分子力的近程引力部分。從兩者概念的建立過程便可使學(xué)生理解其歷史原因，范德華發(fā)現(xiàn)的只是冰山一角，隱藏在水面下的龐大冰體，則是更深層次的基本作用力關(guān)系。

而氫鍵則可通過隔離法將呈現(xiàn)微弱電正性的氫原子當(dāng)做單獨的研究對象，同時將另外一個呈現(xiàn)微弱電負(fù)性的原子視作研究對象，這樣兩者間就存在庫倫引力，同時由于其電性微弱，便可解釋氫鍵作用力微弱的原因。

最后可以展開辨析，氫鍵與范德華力、分子力，本質(zhì)相通，但針對問題不同，具體的受力分析對象也有差異，從而造成了表述差異。

四、化學(xué)存在形態(tài)的物理學(xué)本質(zhì)

1.電子繞核運(yùn)動的經(jīng)典動力學(xué)和量子特性

以盧瑟福原子行星模型為基礎(chǔ)，建立庫倫力等于向心力的方程式，類比天體運(yùn)動萬有引力等于向心力的方程，可看出電子軌道越高則速度越慢、且機(jī)械能越高（如圖1）。

電子會不斷自發(fā)輻射躍遷至低能級，從而填滿低能級，可以類比經(jīng)典力學(xué)中低能狀態(tài)更穩(wěn)定的常識。再結(jié)合經(jīng)典模型給出的能量關(guān)系，便可以更為可靠地解釋能量最低原理。另外，利用長橢圓軌道與理想圓軌道的對比，還可以類比電子的能級交錯現(xiàn)象，雖然并不嚴(yán)謹(jǐn)，卻可以引導(dǎo)學(xué)生從另一個角度去理解電子云。

圖1 行星軌道與電子軌道經(jīng)典模型

2.以高中物理視角闡釋離子健和共價鍵

兩種基本化學(xué)鍵看似簡單，在化學(xué)必修教材中缺乏理論乃至唯象的充分辨析。類比一顆行星同時圍繞一對雙恒星系統(tǒng)公轉(zhuǎn)，他們會共同組成一個獨立星系。如果一顆行星被另一個恒星奪走，他們依然是兩個獨立的星系。這就很好解釋離子鍵化合物的水解等許多特性（如圖2）。

圖2 整體法視角下的離子鍵與共價鍵

化學(xué)反應(yīng)過程被歸結(jié)為舊化學(xué)鍵斷裂和新化學(xué)鍵形成的過程，使用更為底層的邏輯就可以表述為：化學(xué)反應(yīng)過程是電子運(yùn)動狀態(tài)的重新安排，從而將化學(xué)鍵視為電子運(yùn)動方式的簡化表述，是為模型“壓縮包”。因為不同的化學(xué)鍵表示的就是不同的電子運(yùn)動方式，不同的運(yùn)行軌道有著不同的機(jī)械能，所以當(dāng)化學(xué)鍵發(fā)生變化時，必然伴隨能量的釋放和吸收。以此為基礎(chǔ)再引入電子云，也會更易于表述西格瑪鍵與派鍵的區(qū)別等內(nèi)容。

3.金屬鍵與晶體熔點的物理學(xué)本質(zhì)

將一個正離子從金屬中摘去，那么它的空間周圍作為一個整體就必然呈現(xiàn)電負(fù)性，會對這個正離子存在各個方向的引力。再對比電子氣模型進(jìn)行探討，可知電子氣也使用了整體法和隔離法思路。對于晶體而言，化學(xué)鍵整齊劃一，沖破化學(xué)鍵需要的分子動能也一致，所以當(dāng)溫度達(dá)到熔點時，會有大量分子處于沖破化學(xué)鍵所需要的臨界動能，宏觀上便會熔化成為液體。由于熔化過程使電子的運(yùn)動軌跡發(fā)生改變，也就是化學(xué)鍵發(fā)生了變化，也就伴隨了能量的顯著變化，因而在溫度不變的條件下不斷吸熱。

4.從底層邏輯到大千世界

依微觀粒子的動力學(xué)規(guī)律搭建出化學(xué)原理，進(jìn)而決定了結(jié)構(gòu)和物性，以此又可以進(jìn)一步解釋彈力、摩擦力這種宏觀近似模型，并依此將彈力歸結(jié)為電磁作用力。我們想要向?qū)W生展現(xiàn)的是這樣一種情境：現(xiàn)實世界建立在化學(xué)物質(zhì)之中，化學(xué)過程之基礎(chǔ)在于微觀粒子的動力學(xué)，由此一直通向科學(xué)工作者心目中的終極統(tǒng)一理論。反之，底層邏輯決定上層規(guī)則，不斷架構(gòu)，直抵我們眼前的大千世界。

五、物化結(jié)合教學(xué)的實踐舉例

對于上述內(nèi)容，筆者以補(bǔ)充和拓展形式為主，進(jìn)行了一系列教學(xué)實踐，現(xiàn)將一些內(nèi)容設(shè)計思路簡介如下：

1.化學(xué)鍵的區(qū)分

教學(xué)形式：課后討論。

教學(xué)時機(jī)：在高一第一學(xué)期物理課受力分析“整體法/隔離法”相關(guān)內(nèi)容完成后，這時化學(xué)課中兩種化學(xué)鍵的初步介紹早已完成，可以進(jìn)行知識點綜合。

設(shè)計思路：以“整體法/隔離法”為理論方法，以化學(xué)鍵為應(yīng)用范例，重新區(qū)分兩種化學(xué)鍵，進(jìn)而回歸物理模型的簡化。

2.分子力的解釋

教學(xué)形式：課內(nèi)討論。

教學(xué)時機(jī)：在高二第二學(xué)期物理課進(jìn)行到分子運(yùn)動的分子力內(nèi)容時，正好回顧化學(xué)中提到過的范德華力、氫鍵等分子間相互作用力。

設(shè)計思路：首先闡明分子力來源于庫侖力，然后將庫侖力合成為分子力，有時可表現(xiàn)為斥力，有時可表現(xiàn)為引力。帶領(lǐng)學(xué)生回顧化學(xué)課表述的分子間相互作用力，對比物化兩科在此內(nèi)容上表述的異同，使學(xué)生理解其本質(zhì)相通，只是針對問題的不同以及歷史原因造成了表述的差異。

3.固體

教學(xué)形式：課內(nèi)提問、討論。

教學(xué)時機(jī)：在高二第二學(xué)期物理課進(jìn)行到固體內(nèi)容時，化學(xué)課晶體結(jié)構(gòu)的學(xué)習(xí)早已完成，筆者將其引入物理課堂用以解釋物理現(xiàn)象。

設(shè)計思路：在該節(jié)新課的引入環(huán)節(jié)便可以預(yù)設(shè)問題，讓學(xué)生思考各向異性、熔點等現(xiàn)象的微觀本質(zhì)。當(dāng)固體的基本分類介紹完成后，展開討論，以化學(xué)中介紹的晶體結(jié)構(gòu)為理論依據(jù)，解釋物理課介紹的晶體宏觀特性。

以上內(nèi)容雖不涉及具體的計算訓(xùn)練，但卻在模型思維層面上使兩個學(xué)科構(gòu)成了有效的溝通，雙向激活，促使學(xué)生進(jìn)一步形成更加完整的知識網(wǎng)絡(luò)，同時深化了對兩個學(xué)科內(nèi)容的理解，增強(qiáng)了思維能力。

六、物化結(jié)合教學(xué)的困難與挑戰(zhàn)

1.進(jìn)度難以配合

兩個學(xué)科的內(nèi)容前后錯位，學(xué)科融合專題難以與課內(nèi)教材同步且內(nèi)容跳躍過大，會使得思維能力較弱的學(xué)生難以接受，所以在教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)時機(jī)的搭配上還需謹(jǐn)慎處理。

2.模型的簡化處理難以取舍

比如原子結(jié)構(gòu)與分子構(gòu)型，原理上繞不過量子論，但又無法在高中基礎(chǔ)上完善地解釋電子云。這就需要我們進(jìn)一步提高學(xué)科水平，思考和實踐打磨相關(guān)內(nèi)容的銜接設(shè)計。

3.邏輯線索難以梳理

學(xué)科本身有歷史發(fā)展邏輯、理論自洽邏輯、認(rèn)知過程邏輯，這三條邏輯線時而匯聚，時而殊途。我們要設(shè)計跨學(xué)科教案，就不得不重新梳理學(xué)科邏輯線，這對教師的專業(yè)素養(yǎng)和綜合素質(zhì)提出了相當(dāng)高的要求。

學(xué)科融合應(yīng)該以本學(xué)段為基，優(yōu)先解決本學(xué)段迫切需要解決的問題，同時敞開更廣闊的思維空間，在科學(xué)性、成效性、前瞻性之間取得平衡。自然科學(xué)的實證精神和理論自洽，要求務(wù)必邏輯一致，這樣才能使學(xué)生真正理解透徹，以達(dá)成課標(biāo)要求。

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