匡尚奇

(長春理工大學 理學院，吉林 長春 130022)

熱學是物理學的重要組成部分，是研究熱現(xiàn)象的理論，相應知識也是構建理科本科生物理基礎知識體系的重要組成部分。熱學的主要研究內容包括熱力學和統(tǒng)計物理學理論，其中熱力學是指由觀察和實驗總結出來的熱現(xiàn)象規(guī)律，是熱現(xiàn)象的宏觀規(guī)律；統(tǒng)計物理學是從物質微觀結構出發(fā)，應用分子、原子的運動及它們相互作用的微觀理論和統(tǒng)計方法研究物質熱現(xiàn)象規(guī)律的方法。高等學校理科本科生的熱學教學的主要內容包括熱學基本概念、氣體分子動理論、熱力學第一定律和熱力學第二定律，相關知識是十九世紀資本主義工業(yè)革命時期物理學所取得的巨大成就，并且以熱機的改進為代表的成果極大地推進了資本主義的發(fā)展。熱學知識的系統(tǒng)掌握是理科本科生進一步學習熱力學與統(tǒng)計物理學、固體物理、半導體物理等專業(yè)知識的基礎，也是學生今后從事相關科學研究所不可或缺的基礎。

1873年至1886年間，在歸納總結當時各學科領域研究成果的基礎上，恩格斯應用唯物辯證法的規(guī)律與方法對當時的科技成果進行了分析與總結，撰寫了《自然辯證法》一書，雖然該書沒有全部完成，但是恩格斯因此開創(chuàng)了自然辯證法這一研究領域。自然辯證法是馬克思主義關于自然和科學技術發(fā)展的一般規(guī)律，人類認識和改造自然的一般方法以及科學技術與人類社會相互作用的理論體系，體現(xiàn)出辯證唯物主義的強大力量。自然辯證法不僅是當時科學技術的高度總結和概括，而且其給出的自然科學發(fā)展規(guī)律對后來科學技術的發(fā)展起到重要的指導作用[1-3]，這其中最具代表性的是日本學術界對自然辯證法的研究與應用，日本科學家湯川秀樹、武谷三男和坂田昌一等人將自然辯證法研究與理論物理研究結合起來，并運用自然辯證法思想進行科學研究[3]，湯川秀樹由于在核力的理論基礎上預言了介子的存在而榮獲1949年諾貝爾物理學獎。

在以往熱學教學過程中，由于學生在高中階段很少學習熱學知識，基礎知識較為缺乏，加之熱學基礎理論性較強且比較抽象，很難激發(fā)學生學習的興趣和形成深刻的理解。針對這一問題，考慮到熱學基礎的理論成果取得時期與恩格斯撰寫《自然辯證法》處于同一歷史時期，恩格斯應用唯物辯證法對當時的熱學研究成果進行了分析、總結與論述，而熱學研究成果等一系列自然科學的發(fā)展也印證了唯物辯證法的原理與規(guī)律同樣適用于自然界的發(fā)展?？紤]這一情況，本文探討在熱學教學中結合熱學發(fā)展史和唯物辯證法對熱學重點知識和科學研究的規(guī)律進行綜合講授，以此提高教學的趣味性和深刻性，進而提高教學質量。

一、熱學教學中唯物辯證法的融入與應用

十九世紀是科學大發(fā)展的時代，恩格斯以其敏銳的洞察力和深刻認識能力，應用唯物辯證法的基本規(guī)律——對立統(tǒng)一規(guī)律、質量互變規(guī)律和否定之否定規(guī)律對當時科學研究成果進行了歸納總結，特別對熱學領域的研究進展和成果進行了深入的分析和論述。恩格斯在《自然辯證法》中對熱學相關的論述體現(xiàn)出唯物辯證法的巨大力量，并且他給出的相關規(guī)律對其后的熱學乃至其它領域的科學研究起到了深刻的影響。恩格斯基于辯證唯物主義對當時熱學研究成果的論述幾乎涵蓋了本科熱學教學的全部核心內容，教師可以在相應知識點的講授中加入唯物辯證法的分析以及恩格斯的論述，具體表現(xiàn)在以下三個方面：

(一) 分子動理論發(fā)展及理論中唯物辯證法的體現(xiàn)

分子動理論是熱學的一種微觀理論，其以分子的運動來解釋宏觀氣體的熱性質，其表述為：“物質是由大量分子和原子構成的，熱現(xiàn)象是分子無規(guī)則運動的表現(xiàn)形式”[4]。

早在17世紀，法國學者笛卡爾從自然哲學出發(fā)猜想熱是物質粒子的一種機械運動的表現(xiàn)，并產(chǎn)生了分子動理論的基本概念，當時該理論能夠定性地解釋一些熱學現(xiàn)象。但是在18世紀，由于熱質說的發(fā)展，分子運動論受到抑制，其發(fā)展進程非常緩慢。熱質說認為熱是一種看不見的、沒有重量的物質，熱的物體含有較多的熱質，冷的物體含有較少的熱質；熱質既不能產(chǎn)生也不能消滅，只能從較熱的物體傳到較冷的物體，在熱傳遞過程中熱質的量守恒。1789年，倫福德觀察用鉆頭加工炮筒時摩擦生熱現(xiàn)象揭示了熱質不守恒；從1840年到1879年，焦耳進行了大量的實驗，精確求得功和熱量相互轉化的數(shù)值關系，全面否認了熱質說。熱質說衰落后，分子運動論得以復活。1856年，德國化學家克里尼希在《物理學年鑒》上發(fā)表論文《氣體理論的特征》，這一工作激發(fā)了克勞修斯和麥克斯韋進一步發(fā)展這個理論。1858年，克勞修斯發(fā)表《氣體分子的平均自由程》一文，其中提出了分子運動速率無規(guī)則分布的概念；1859年，麥克斯韋發(fā)表《氣體動力理論的說明》，初步給出了氣體分子運動的速度分布率——麥克斯韋速度分布率；1868年玻爾茲曼在麥克斯韋工作的基礎上，發(fā)表題為《運動質點平衡的研究》，其中明確指出，研究分子運動論必須引進統(tǒng)計學，進而奠定了分子動理論的理論基礎。針對熱的本質的研究從熱質說回歸到分子動理論在熱學發(fā)展史上是一個巨大的飛躍，恩格斯對此評價道：“發(fā)現(xiàn)熱是一種分子運動，這時劃時代的，但是，如果我除了說熱是分子的某種位置移動之外再也不知道說些別的什么，那么我還不如閉口不談為妙”[5]。恩格斯當時對分子動理論進行了精辟評價，同時預見該理論還有更加豐富的內容，這也體現(xiàn)了唯物辯證法強調的要用一種運動、變化、發(fā)展的眼光看待問題，而不是孤立、片面、靜止的眼光看待問題。1900年底，普朗克用一個能量不連續(xù)的諧振子假設，按照玻爾茲曼的統(tǒng)計方法，推導了黑體輻射公式，進而敲開了量子時代的大門，這一成果正驗證了恩格斯的預見。

分子動理論的上述發(fā)展歷史充分證明科研成果的取得不可能是直線性的，從熱質說到分子運動論，再到分子動理論的統(tǒng)計規(guī)律的建立，其發(fā)展是前進性與曲折性的對立統(tǒng)一，是唯物辯證法中否定之否定規(guī)律的體現(xiàn)。同時，對熱現(xiàn)象的微觀本質的認識是熱學發(fā)展史中的一次質的飛躍，而這一質的轉變必須以大量的研究的量變?yōu)榛A，其中典型事例就是焦耳為了精確地測定所作機械功和所產(chǎn)生的熱量所進行的大量實驗，如槳葉攪拌水摩擦生熱、壓縮空氣做功和水銀中鐵環(huán)摩擦生熱等等，正是這些富有創(chuàng)造性的獨特設計和精確實驗結果通過量的積累實現(xiàn)了質變，全面否認了熱質說，為分子動理論開辟了道路。焦耳的事跡給我們以啟示，科學研究的發(fā)展必須以量變開始，在學習和實踐中必須首先作艱苦的量的積累工作，要有腳踏實地、埋頭苦干的精神。同時，由于質變是量變的必然結果，因此在進行量的積累時要有信心和信念，不能因量變的漫長和艱辛而放棄。與之同時，分子動理論本身就是唯物辯證法規(guī)律的體現(xiàn)，其體現(xiàn)出矛盾的普遍性和特殊性這一對立統(tǒng)一規(guī)律。首先，分子動理論研究表明，構成物質的微觀粒子均處在大量的無規(guī)則的熱運動之中，完全靜止即達到絕對零度的微觀粒子是不存在的，運動本身就是矛盾，這就說明在分子層面矛盾規(guī)律也是普遍存在的。其次，分子動理論指出，構成物質的大量分子的無規(guī)則運動是隨機的、偶然的，大量分子運動的統(tǒng)計平均結果變現(xiàn)為宏觀物質的確定的物理量(如溫度或壓強)，而大量無規(guī)則熱運動的分子的速度滿足一定的統(tǒng)計分布。這一理論就體現(xiàn)了唯物辯證法中關于必然性與偶然性關系的論斷：“必然性存在于偶然性之中，沒有脫離偶然性的純粹的必然性，必然性通過大量偶然性表現(xiàn)出來；偶然性體現(xiàn)必然性，并受制于必然性，沒有脫離必然性的純粹的偶然性?！?/p>

分子動理論是統(tǒng)計物理學的基礎，是本科生在學習生涯中最先接觸的從物質的微觀結構出發(fā)，闡明宏觀熱現(xiàn)象規(guī)律的分析方法，相關內容較為抽象，教學難度較高。針對這一問題，在教學過程中結合相關史實和唯物辯證法進行講授，可以起到提升知識認識層次的作用。

(二) 熱力學第一定律發(fā)展中唯物辯證法的體現(xiàn)

熱力學第一定律就是能量轉化和守恒定律。能量轉化和守恒定律為：“自然界一切物質都具有能量，能量有各種不同的形式，能夠從一種形式轉化為另一種形式，從一個物體傳遞給另一個物體，在轉化和傳遞中能量的數(shù)量不變”[6]。

17世紀法國哲學家笛卡爾明確提出了運動不滅的思想，而機械能守恒是能量守恒定律在機械運動中的一個特殊情況。同期，人們曾幻想制造一種機器，其不需要任何動力和燃料，但可以不斷對外做有用功，這類機器被稱為“第一類永動機”。在經(jīng)過不斷的失敗之后，人們總結出規(guī)律：“不消耗能量而作功的機器是不可能制作成功的”。永動機不可能實現(xiàn)的經(jīng)驗從反面提供了能量守恒的例證，成為導致建立能量守恒原理的重要線索。對能量守恒定律做出明確敘述的，最為重要的科學家為德國的邁爾、赫姆霍茲和英國的焦耳。能量守恒定律的提出在十九世紀是物理學界所取得的驚人成就，但是恩格斯從唯物辯證法的觀點出發(fā)，深刻地指出，能量守恒定律只表明了運動在量上的不滅性，沒有體現(xiàn)運動在質上的不滅性，即一種形式的運動可以向其它形式的運動轉化，而運動形式的轉化才是物質運動最核心的內容。因此，恩格斯首先提出將“能量守恒定律”表述為“能量轉化和守恒定律”，這使得人們對熱力學第一定律的深刻理解大大推進了一步。在此基礎上，恩格斯進一步歸納總結了當時的自然科學成果，指出能量轉化與守恒定律是自然界基本規(guī)律之一，其和達爾文進化論、細胞學說并稱為十九世紀三大自然發(fā)現(xiàn)。同時，恩格斯縱觀能量轉化和守恒定律提出的歷史，進一步指出：“如果物理學家先生們記得笛卡爾早就提出了這一原理，那么它還能作為某種絕對新的東西出現(xiàn)嗎？”，恩格斯指出笛卡爾應用辯證法早已提出了運動不滅原理，闡明了運動形式只能相互轉化而不能無中生有，因此早已預見第一類永動機不可能制作成功，而物理學家受形而上學思想的束縛，忽視了辯證法的力量，在近百年的反復研究和失敗后才提出相近的結論。事實說明，自然辯證法對自然科學具有指導作用，自然科學只有在辯證唯物主義哲學的指導下，才能沿著正確的方向發(fā)展，否則就要多走彎路，甚至會誤入歧途[3]。

針對熱力學第一定律的知識點，如果教師僅對知識進行講授極易造成枯燥乏味、老生常談的印象，無法起到吸引學生的效果，而且學生的理解也往往浮于表面并缺乏深刻認識。如果結合熱力學第一定律的提出的科學發(fā)展史和唯物辯證法對能量守恒和轉化定律進行講解，一方面科學發(fā)展的歷史具有一定的趣味性，可以吸引學生；另一方面，分析相關的科學發(fā)展史可以使學生了解到科研的思維方法，體會到唯物辯證法的巨大力量，也可以讓學生意識到哲學與科學并不是完全分離的，哲學嚴謹?shù)倪壿嫛⒗硇缘姆治龆紴榭茖W的發(fā)展與研究提供了開闊的思路，進而為培養(yǎng)具有正確世界觀的高素質創(chuàng)新型人才奠定基礎。

(三) 熱力學第二定律發(fā)展及理論中唯物辯證法的體現(xiàn)

德國物理學家克勞修斯和英國物理學家開爾文在1850～1851年間略有先后分別給出了熱力學第二定律的兩種表述[6]：

(1)開爾文表述——不可能從單一熱源吸收熱量，使之完全變?yōu)橛杏玫墓Χ划a(chǎn)生其他影響；

(2)克勞修斯表述——不可能把熱量從低溫物體傳到高溫物體而不引起其他變化。

熱力學第二定律說明了熱過程的不可逆性，1854年，克勞修斯在提出熱力學第二定律的基礎上，進一步引進 “熵”的概念，并將“熵增加原理”擴展到整個宇宙的范圍，即著名的宇宙“熱寂說”：“宇宙越接近其熵為一最大值的極限狀態(tài)，它繼續(xù)發(fā)生變化的機會也越減少，如果最后完全達到了這個狀態(tài)，也就不會出現(xiàn)進一步的變化，宇宙將處于死寂的永遠狀態(tài)”[7]。在熱力學第二定律提出后不久，“熱寂說”就如同夢魘般伴隨著科技的發(fā)展，甚至給“上帝創(chuàng)造世界”的說教以口實，美國著名科幻作家阿西莫夫1956年創(chuàng)作的科幻小說《最后的問題》就是以宇宙“熱寂說”的為核心基礎的文學演繹最典型例子[8]。固然，科幻文學允許幻想與杜撰，但這也充分表明對“熱寂說”的錯誤理解，熱力學第二定律就極易被異端邪說所歪曲和利用?！盁峒耪f”不恰當?shù)匕丫植课镔|世界的部分變化過程的規(guī)律推廣到整個宇宙的發(fā)展全過程，同時不考慮定律的適用范圍和條件，把孤立體系的規(guī)律，推廣到全宇宙，是因為沒有深刻地認識到唯物辯證法中還有個性與共性這一對范疇，也沒有意識到矛盾具有普遍性和特殊性的對立統(tǒng)一，違反了“具體問題具體分析”的矛盾論分析方法，得到了荒謬的結論。對此恩格斯基于唯物辯證法，在《自然辯證法》中指出：“運動的不滅不能僅僅從數(shù)量上去把握，而且還必須從質量上去理解”，根據(jù)這一原則，他進一步指出：“放射到太空中去的熱一定有可能通過某種途徑(指明這一途徑，將是以后自然科學的課題)轉變?yōu)榱硪环N運動形式，在這種運動形式中，它能夠重新集結和活動起來”。近期宇宙學研究成果表明，宇宙在膨脹，而天體的形成是引力系統(tǒng)中的自發(fā)過程，它的熵是增加的，因此宇宙沒有平衡態(tài)。由于不存在平衡態(tài)，熵沒有極大值，宇宙熵的增加應是沒有止境的。宇宙早期處于熱平衡的高溫高密度的混沌狀態(tài)，并從這一狀態(tài)開始，在膨脹的過程中一步步發(fā)展出愈來愈復雜的多樣化結構，即宇宙不但不會死，反而從早期的“熱寂”狀態(tài)下生機勃勃地復生。誠然，當今的宇宙學還不能準確地預期宇宙的結局，還有待進一步的研究，但已證明“熱寂說”是錯誤的。應用當今宇宙學的研究成果反思恩格斯的相關論斷表明，恩格斯基于當時的科學技術水平和認識水平對“熱寂說”進行了一定的批駁，雖然具有一定的局限性，但是其基于辯證唯物主義思想，認識到“熱寂說”是錯誤的，并指出還需進一步研究。恩格斯的論述有助于人們進一步的探索與研究，是對“熱寂說”認識過程中的必要環(huán)節(jié)，辯證唯物主義認識論中對于認識與實踐的關系的論述告訴我們，任何結論的得出，都需要進行反復的實踐活動，并被實踐所檢驗，結論并不是一蹴而就的，或者一成不變的，所以說“擺脫了神秘主義的辯證法，變成了自然科學絕對必需的東西”[5]。

熱力學第二定律實用上的重要意義在于尋求可能獲得的熱機效率的最大值，1824年，法國科學家卡諾提出了熱機理論中具有重要地位的卡諾定理，并以此引導了熱力學第二定律的相關研究。卡諾在其研究中指出：“為了以最普遍的形式來考慮熱產(chǎn)生運動的原理，就必須撇開任何的機構或任何特殊的工作物質來進行考慮，就必須不僅建立蒸汽機原理，而且要建立所有假想的熱機原理，不論在這種熱機里用的是什么工作物質，也不論以什么方法來運轉它們”[4]?？ㄖZ選取最普遍的形式進行研究，抓住了熱力學研究的精髓，撇開了紛繁復雜的次要因素，直接選取了一個理想循環(huán)，深刻揭示了熱量及其轉移過程中所作功之間的理論聯(lián)系?？ㄖZ在復雜的科學問題面前，去繁就簡，集中精力研究問題的主要矛盾的方法完美體現(xiàn)了唯物辯證法在科學研究中的指導意義，即應明晰問題的主次矛盾、矛盾的主次方面以及主次矛盾之間的辯證關系，抓住主要矛盾和矛盾的主要方面，因為事物的性質主要是由主要矛盾的主要方面規(guī)定的。與之同時，縱觀熱力學第一、第二定律的研究歷史，從第一類永動機的不可能實現(xiàn)到第二類永動機不可能實現(xiàn)，充分反映了自然規(guī)律的發(fā)現(xiàn)與認知必然是一條“否定之否定”的道路，是唯物辯證法中發(fā)展的前進性與曲折性的統(tǒng)一。

上述是將唯物辯證法和熱學發(fā)展史融合在熱學教學過程中的一些建議。相關內容一方面有助于熱學課程內容的教學，提升學生對相關知識的理解與掌握，提高教學質量；另一方面，應用唯物辯證法指導科學研究的方法以及對科學基本規(guī)律的深刻理解和概括的方法也可以潛移默化地傳授給學生。

二、通過在教學中融合唯物辯證法培養(yǎng)本科生科研創(chuàng)新能力

恩格斯在十九世紀的自然科學發(fā)展水平和認識能力的基礎上，應用唯物辯證法，依據(jù)當時的自然科學對具體問題的分析得出的具體結論，其中很多關于熱學研究成果的論述經(jīng)過證實是正確的、深刻的和具有預見性的，這部分內容需要我們在教學過程中充分講授給學生，并努力將唯物辯證法指導研究和工作的方法傳授給學生，以此啟迪學生思維，開拓學生的思維方式和視野。歷史的經(jīng)驗告訴我們，恩格斯在當時自然科學水平基礎上對科學技術發(fā)展和自然界發(fā)展概括的基本規(guī)律、基本原則和科學方法經(jīng)過科技發(fā)展的驗證是正確的和行之有效的，在當今人工智能和生物技術為代表的科技革命的推動下，科學技術的發(fā)展更是日新月異、突飛猛進，因此我們的研究和教學更需要唯物辯證法的指導。因此，使學生較早地涉略和學習唯物辯證法，樹立正確的世界觀和科學觀，在唯物辯證法的指導下開展學習和研究既是深化教學內容、提高教學質量的必要要求，也是培養(yǎng)高素質的創(chuàng)新型人才的必然要求。

三、結 語

分析表明，熱學發(fā)展史和熱學理論中蘊含了豐富的唯物辯證法的規(guī)律。教師可以在熱學教學過程中以熱學發(fā)展史為主線，結合唯物辯證法對學生進行熱學基礎知識和馬克思主義教育，該方法也是提高教學質量和提升學生人文素質和創(chuàng)新能力的有效途徑。同時，相關方法不僅適用于本科生基礎熱學的教學還適用于高等教育本科階段如大學物理學、力學和光學等其它科目的教學工作。