化學(xué)課程中經(jīng)典內(nèi)容教學(xué)的現(xiàn)代化問題

趙明

(北京大學(xué)藥學(xué)院化學(xué)生物學(xué)系 北京 100191)

無論化學(xué)科學(xué)怎樣發(fā)展,總會(huì)有一些以往的教學(xué)內(nèi)容被保留下來,像一些以前發(fā)現(xiàn)的元素的性質(zhì)及其化學(xué)反應(yīng)、經(jīng)典的容量和重量分析方法、元素及化合物的分離和提純方法等，這些內(nèi)容在化學(xué)教育課程中被稱為經(jīng)典內(nèi)容。現(xiàn)代化學(xué)教學(xué)中應(yīng)該怎樣處理這些經(jīng)典的內(nèi)容呢？是完全不保留，還是建立一個(gè)全新的化學(xué)教學(xué)體系,將這些內(nèi)容有選擇地保留在新的體系中呢？本文將就此問題進(jìn)行探討。

1 什么是化學(xué)課程中的經(jīng)典內(nèi)容

化學(xué)科學(xué)史對(duì)于經(jīng)典化學(xué)時(shí)期與現(xiàn)代化學(xué)時(shí)期的分期問題存在著兩種不同的觀點(diǎn)。一種觀點(diǎn)認(rèn)為，以原子序?yàn)榛A(chǔ)的元素周期系建立以后的化學(xué)是現(xiàn)代化學(xué)，之前的化學(xué)是經(jīng)典化學(xué)，這種觀點(diǎn)是以20世紀(jì)初盧瑟福的原子核結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)作為基礎(chǔ)；另一種觀點(diǎn)認(rèn)為，現(xiàn)代化學(xué)與經(jīng)典化學(xué)的分期以鮑林出版《化學(xué)鍵的本質(zhì)》一書作為分界線。但是鮑林等人的理論是以量子力學(xué)作為基礎(chǔ)的[1]，量子力學(xué)理論的形成也是在20世紀(jì)初。因此，這兩種觀點(diǎn)從時(shí)間上講，時(shí)期的劃分相距不遠(yuǎn)。 從學(xué)術(shù)觀點(diǎn)上看，二者都是以現(xiàn)代原子、分子結(jié)構(gòu)理論的建立時(shí)間作為基礎(chǔ)的分期。

從以上的分期來看，現(xiàn)在大學(xué)里講授的化學(xué)課程中許多都是經(jīng)典化學(xué)的內(nèi)容，而且地位非常重要。如無機(jī)化學(xué)中的元素化學(xué)部分，分析化學(xué)課程中經(jīng)典的容量和重量分析方法，有機(jī)化學(xué)中很多重要經(jīng)典合成反應(yīng)、手性化合物分離方法、布特列洛夫的化學(xué)結(jié)構(gòu)學(xué)說、凱庫勒苯環(huán)結(jié)構(gòu)，以及物理化學(xué)中的化學(xué)熱力學(xué)理論、電離學(xué)說、絡(luò)合物熱力學(xué)理論、氧化還原理論等都是經(jīng)典內(nèi)容。

2 重新評(píng)價(jià)經(jīng)典化學(xué)內(nèi)容在現(xiàn)代化學(xué)教育中的地位

盡管現(xiàn)代化學(xué)科學(xué)已出現(xiàn)了諸多新的理論和實(shí)驗(yàn)方法，應(yīng)用了現(xiàn)代儀器分析和信息與計(jì)算機(jī)技術(shù)，經(jīng)典化學(xué)的方法仍然在現(xiàn)代化學(xué)科學(xué)體系中占有舉足輕重的地位，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

(1) 經(jīng)典化學(xué)實(shí)驗(yàn)的方法被作為現(xiàn)代方法的標(biāo)準(zhǔn)，很多現(xiàn)代大型化學(xué)分析儀器的化學(xué)基準(zhǔn)物是用經(jīng)典的化學(xué)實(shí)驗(yàn)方法分離提純和分析之后才作為標(biāo)準(zhǔn)的，在判斷很多新的化學(xué)分析實(shí)驗(yàn)方法是否準(zhǔn)確時(shí)，也是通過與經(jīng)典方法進(jìn)行比較后才得到結(jié)論。

(2) 有些現(xiàn)代的理論和方法中整合了經(jīng)典的理論和方法,有些是對(duì)經(jīng)典理論和方法的修正和擴(kuò)展。例如，現(xiàn)代的量熱方法，雖然更智能化，卻應(yīng)用了經(jīng)典化學(xué)熱力學(xué)的原理和量熱學(xué)方法;又如,現(xiàn)在合成一個(gè)有機(jī)化合物，其中一些步驟是經(jīng)典的有機(jī)合成反應(yīng)。還可以發(fā)現(xiàn),有些物理化學(xué)的定律在修正之后可以擴(kuò)大應(yīng)用范圍，甚至適用于其他的化學(xué)科學(xué)領(lǐng)域；合成化學(xué)家將一些經(jīng)典的化學(xué)合成方法改進(jìn)之后，使其用途更廣泛。

(3) 在現(xiàn)代化學(xué)分析方法的樣品預(yù)處理方法中，很多都是經(jīng)典方法，或者借鑒了經(jīng)典方法的原理。而有機(jī)化合物在進(jìn)行波譜分析前，樣品先要用經(jīng)典元素分析方法確定最簡式。

(4) 現(xiàn)代化學(xué)理論并非十全十美,現(xiàn)時(shí)無法解決的問題，還要從經(jīng)典理論和方法中尋求智慧。

同時(shí),應(yīng)該告訴學(xué)生經(jīng)典理論和方法的局限性及其適用范圍。經(jīng)典理論為了簡化解決問題步驟，物質(zhì)結(jié)構(gòu)以及化學(xué)反應(yīng)模型忽略了很多真實(shí)存在的相互作用，有些是經(jīng)驗(yàn)型的，缺乏定量的邏輯關(guān)系，其理論缺乏普適性。經(jīng)典實(shí)驗(yàn)方法一般適用于高的反應(yīng)物用量，不適用于微量物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)。

3 經(jīng)典化學(xué)教學(xué)內(nèi)容的取舍與講授課時(shí)的確定

隨著化學(xué)科學(xué)的發(fā)展，有些經(jīng)典教學(xué)內(nèi)容應(yīng)被淘汰，有些內(nèi)容仍然重要，應(yīng)該保留?，F(xiàn)在化學(xué)教學(xué)中取舍的原則是什么？經(jīng)典內(nèi)容教學(xué)課時(shí)應(yīng)該怎樣確定呢？

首先，應(yīng)該保留那些在化學(xué)科學(xué)發(fā)展歷史過程中不可忽略的部分，告訴學(xué)生這些內(nèi)容對(duì)于現(xiàn)代化學(xué)科學(xué)的影響。

還有一些內(nèi)容是無論在科學(xué)研究，還是在產(chǎn)業(yè)界以及社會(huì)服務(wù)機(jī)構(gòu)都已不再采用的方法，可是教師認(rèn)為這些方法的教學(xué)可以用來培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力。在20世紀(jì)80年代，大學(xué)化學(xué)教科書中還使用硫化氫體系定性分析18種陽離子的實(shí)驗(yàn)教學(xué)[2]，而當(dāng)時(shí)的化學(xué)工業(yè)界、醫(yī)藥、商檢和司法界已開始廣泛使用光譜學(xué)分析方法，那時(shí)的化學(xué)教師之所以保留這個(gè)體系，是由于他們認(rèn)為，雖然這個(gè)體系很經(jīng)典，卻可以幫助學(xué)生學(xué)會(huì)應(yīng)用簡單的化學(xué)反應(yīng)將無機(jī)離子分組分離的邏輯思維方法，熟悉常見的化學(xué)試劑和儀器的使用方法，而不是簡單地僅僅知道使用現(xiàn)代化學(xué)分析儀器進(jìn)樣和輸出數(shù)據(jù)結(jié)果。后來，由于污染和毒性的原因，這個(gè)體系被淘汰掉了。對(duì)于這部分內(nèi)容，可以尋找其他可以使學(xué)生得到類似的思維訓(xùn)練的體系代替，同時(shí)能夠克服以往方法的缺陷。

主張多講授經(jīng)典內(nèi)容的教師認(rèn)為：除非學(xué)生畢業(yè)后專業(yè)從事經(jīng)典內(nèi)容的教學(xué)、科研工作，或者他們?cè)诋a(chǎn)業(yè)界和社會(huì)服務(wù)機(jī)構(gòu)的工作恰恰與這些內(nèi)容相關(guān)，他們可能終身都不會(huì)再有機(jī)會(huì)接觸到這些內(nèi)容。對(duì)于他們來講，這些內(nèi)容是第一次學(xué)習(xí)也是最后一次學(xué)習(xí)，那么，經(jīng)典部分的教學(xué)就非常重要。

主張少講授的教師有另外的觀點(diǎn)：學(xué)生畢業(yè)以后需要就業(yè)，因?yàn)楫a(chǎn)業(yè)界及政府機(jī)構(gòu)會(huì)很快更新技術(shù)，過多地學(xué)習(xí)經(jīng)典課程似乎是多余的，甚至成為教育與現(xiàn)實(shí)脫節(jié)的一個(gè)原因。高等教育正在出現(xiàn)高等基礎(chǔ)教育與高等職業(yè)教育一體化的趨勢(shì)，高等教育課程的內(nèi)容更實(shí)用、更適應(yīng)人才市場(chǎng)需求也是評(píng)價(jià)大學(xué)教育水準(zhǔn)的一個(gè)重要方面。

教師在教育學(xué)生時(shí)，應(yīng)該給予他們一個(gè)完整的科學(xué)體系，而不是為了實(shí)用只去告訴學(xué)生這個(gè)體系的一些部分。設(shè)計(jì)現(xiàn)代的化學(xué)教學(xué)體系時(shí)，是僅僅考慮很快謀得職業(yè)，還是考慮為學(xué)生開辟更廣闊的發(fā)展前景，這是決定化學(xué)課程中經(jīng)典內(nèi)容取舍和教學(xué)課時(shí)時(shí)應(yīng)該思考的問題。

4 重新系統(tǒng)化

無論是波義耳出版《懷疑的化學(xué)家》的時(shí)代，還是門捷列夫發(fā)現(xiàn)化學(xué)元素周期律的時(shí)代，以及20世紀(jì)初由原子結(jié)構(gòu)理論和量子力學(xué)推動(dòng)的化學(xué)科學(xué)革命的時(shí)代，化學(xué)科學(xué)曾多次重新系統(tǒng)化，化學(xué)教育也跟隨化學(xué)科學(xué)的發(fā)展多次重新系統(tǒng)化。今天的化學(xué)科學(xué)出現(xiàn)了很多新的理論和實(shí)驗(yàn)方法，如納米科學(xué)、單分子光譜學(xué)、新的有機(jī)合成方法等；化學(xué)教育的注意力也在轉(zhuǎn)移，更趨向生物體系以及能源和環(huán)境問題。所以，化學(xué)教學(xué)也在面臨重新系統(tǒng)化的問題。我認(rèn)為，對(duì)教科書，以及理論和實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法的重新系統(tǒng)化應(yīng)該考慮以下原則。

(1)基于現(xiàn)代的化學(xué)結(jié)構(gòu)和化學(xué)反應(yīng)的理論。

基于經(jīng)典部分同現(xiàn)代化學(xué)科學(xué)的聯(lián)系，用現(xiàn)代化學(xué)科學(xué)的觀點(diǎn)去重新審視經(jīng)典內(nèi)容，建立新的化學(xué)教育體系，將保留的經(jīng)典內(nèi)容整合在新體系中。例如,現(xiàn)代有機(jī)化學(xué)在講授苯的性質(zhì)、結(jié)構(gòu)和化學(xué)反應(yīng)時(shí)，仍舊保留了凱庫勒苯環(huán)結(jié)構(gòu)以及很早以前就已發(fā)現(xiàn)的苯的化學(xué)反應(yīng)等經(jīng)典內(nèi)容，用分子軌道理論去闡述問題。

(2)基于教育的規(guī)律。

不僅僅是化學(xué)科學(xué)在發(fā)展，教育科學(xué)在近20年也在發(fā)展，考慮接受教育的主體在變化[3]，新的教育方法要融合在新的化學(xué)教學(xué)體系中，化學(xué)教師要與教育心理學(xué)、教育社會(huì)學(xué)專家合作研究建立新體系。

在化學(xué)教學(xué)中，闡述問題的先后次序往往與科學(xué)發(fā)現(xiàn)的歷史順序不同。例如，講授元素化學(xué)部分是根據(jù)化學(xué)元素周期表的順序，而不是根據(jù)元素發(fā)現(xiàn)的歷史順序；因?yàn)檫@樣講授學(xué)生更容易理解，同時(shí)不違背科學(xué)規(guī)律。

1998年，聯(lián)合國教科文組織在《21世紀(jì)世界高等教育宣言：愿景與行動(dòng)》中提出：創(chuàng)新教育的方法是具有批評(píng)能力的思考和創(chuàng)造力。宣言肯定了以學(xué)生為導(dǎo)向的教學(xué)方法，并且指出：新的教育方法還意味著新的教學(xué)內(nèi)容，以及與之相應(yīng)的新的教學(xué)試驗(yàn)方法，不僅僅發(fā)展學(xué)生的記憶力，還要發(fā)展他們的理解力、實(shí)際工作技能和創(chuàng)造力。如果采用建構(gòu)主義[4]的學(xué)習(xí)方法，告訴學(xué)生一些建構(gòu)的原則和方法，把用于建構(gòu)的理論和實(shí)驗(yàn)的模塊給他們，把經(jīng)典的和現(xiàn)代的化學(xué)知識(shí)模塊給他們，讓他們自己去建構(gòu)新的化學(xué)科學(xué)大廈，然后用他們的大廈跟前輩大師的大廈去比較，他們會(huì)發(fā)現(xiàn)自己應(yīng)該向大師學(xué)習(xí)什么，他們也可能還會(huì)發(fā)現(xiàn)大師的缺陷，無論是在知識(shí)模塊里，還是在由模塊構(gòu)成的體系中，以及構(gòu)造的方法，可能都存在問題。當(dāng)學(xué)生能夠提出問題[5]，并且懂得為了給出問題的答案如何重新學(xué)習(xí)時(shí)，這才標(biāo)志著達(dá)到了教學(xué)的目的。

(3)基于國際標(biāo)準(zhǔn)化原則。

現(xiàn)在有些化學(xué)教師在教學(xué)中并沒有使用IUPAC最新頒布的化學(xué)原子量數(shù)據(jù)；有些化學(xué)教師沒有訪問過IUPAC的網(wǎng)站，去認(rèn)真閱讀過跟自己教學(xué)的專業(yè)有關(guān)的專業(yè)術(shù)語和名詞的文章；很多大學(xué)化學(xué)教學(xué)實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)條件數(shù)據(jù)(T、p、……)和實(shí)驗(yàn)儀器(天平、容量儀器……)未作過國際標(biāo)準(zhǔn)化的校正。教科書中經(jīng)典內(nèi)容的編纂和教學(xué)應(yīng)該采用新的名詞術(shù)語和國際標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)。

(4)基于智能化原則。

化學(xué)教師不應(yīng)該重復(fù)勞動(dòng),應(yīng)該更有創(chuàng)造性地從事教學(xué)工作。如建立智能化互聯(lián)網(wǎng)教學(xué)答疑系統(tǒng)，把學(xué)生提問率高的問題和答案放在教學(xué)網(wǎng)絡(luò)上，使學(xué)生可以自己搜索提問和獲得答案。這樣，教師可以有更多時(shí)間與學(xué)生討論一些有爭(zhēng)議的問題。又如在互聯(lián)網(wǎng)上開辟化學(xué)科學(xué)教育社區(qū)，使教師和學(xué)生可以更自由地在不同的時(shí)間和空間討論問題。

智能化教學(xué)不僅僅是學(xué)生自己編寫計(jì)算機(jī)程序去處理經(jīng)典化學(xué)的計(jì)算問題，使用像EXCEL這樣的軟件,更重要的是,要將經(jīng)典的化學(xué)知識(shí)模塊化,整合在化學(xué)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)庫中,設(shè)計(jì)出虛擬的解決化學(xué)問題的程序,這種程序可以判斷化學(xué)反應(yīng)的可能性，預(yù)言反應(yīng)產(chǎn)物和動(dòng)力學(xué)途徑，以及是不是生態(tài)化的反應(yīng)，還可以控制自動(dòng)化和機(jī)器視覺化化學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。總之，應(yīng)用智能化技術(shù)可以令經(jīng)典化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)更具有吸引力，而且還可以縮短實(shí)驗(yàn)時(shí)間，得到更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，為學(xué)生將來在科研和產(chǎn)業(yè)界就職打下基礎(chǔ)[6]。

應(yīng)該注意的問題是，智能化教學(xué)系統(tǒng)是為幫助學(xué)生建立正確的科學(xué)概念設(shè)計(jì)的。有些教師在PPT中使用了動(dòng)漫技術(shù)、FLASH技術(shù)幫助學(xué)生理解一些化學(xué)科學(xué)概念，但是這些技術(shù)表達(dá)的圖像有時(shí)與真實(shí)的物質(zhì)結(jié)構(gòu)和化學(xué)反應(yīng)相去甚遠(yuǎn)，容易給學(xué)生造成錯(cuò)誤的印象。所以，教學(xué)使用的圖像應(yīng)與真實(shí)的化學(xué)反應(yīng)圖像越接近越好。如果圖像是示意的，一定要向?qū)W生說明。

(5)基于生態(tài)化原則。

生態(tài)化的觀點(diǎn)認(rèn)為：如果化學(xué)反應(yīng)過程的反應(yīng)物和產(chǎn)物以及化學(xué)反應(yīng)能量與自然體系的交換方式，不對(duì)自然物種及其食物鏈構(gòu)成破壞，不影響生態(tài)體系平衡，就可以認(rèn)為是生態(tài)化的化學(xué)反應(yīng)。

現(xiàn)在化學(xué)教科書中敘述的一些經(jīng)典化學(xué)分析方法，以及一些高產(chǎn)率的經(jīng)典有機(jī)合成反應(yīng)，使用對(duì)人體有害的試劑，產(chǎn)物也污染環(huán)境，這些方法將來可能被淘汰[7]。作為化學(xué)科學(xué)史的部分，這些方法都曾有過很重要的作用,這些方法的原理對(duì)于建立新方法可能作為借鑒和參考。如果課程中保留這些內(nèi)容，也只是保留原理，同時(shí)應(yīng)告訴學(xué)生方法中存在的生態(tài)問題，將來應(yīng)用這些方法時(shí)，化學(xué)反應(yīng)要根據(jù)生態(tài)化要求重新設(shè)計(jì)。

1) 對(duì)于幫助學(xué)生理解原理和學(xué)習(xí)方法的實(shí)驗(yàn)，應(yīng)盡量選擇生態(tài)化試劑，考慮產(chǎn)物是不是生態(tài)化，比如堿標(biāo)定實(shí)驗(yàn)選用草酸作為基準(zhǔn)物比鄰苯二甲酸氫鉀更符合生態(tài)化要求，因?yàn)榍罢呤翘烊划a(chǎn)物，它的降解產(chǎn)物也很容易步入自然循環(huán)中，不至于對(duì)自然生態(tài)造成破壞。

2) 化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)該減少試劑用量。現(xiàn)在經(jīng)典常量化學(xué)實(shí)驗(yàn)使用試劑量過多，與實(shí)際工作要求有很大差距，過高的試劑使用量也造成過多的廢棄物。但是試劑減量也會(huì)帶來一些問題，原來的方法可以觀察到的現(xiàn)象可能會(huì)觀察不到，原來的方法可以得到的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)也可能得不到了，所以經(jīng)典方法的實(shí)驗(yàn)化學(xué)反應(yīng)和觀察計(jì)量用的實(shí)驗(yàn)儀器都要重新設(shè)計(jì)。

3) 現(xiàn)實(shí)工作中，很多環(huán)境、醫(yī)藥的分析工作要分析和處理毒物和污染物，而生態(tài)化的替代試劑和方法還沒有出現(xiàn)，決定了實(shí)驗(yàn)體系還不可能是生態(tài)化的。但是為了培養(yǎng)學(xué)生的工作能力又不得不保留這些實(shí)驗(yàn)方法。因此，要有標(biāo)準(zhǔn)化的防護(hù)和處理廢棄物的方法。

4) 經(jīng)典化學(xué)實(shí)驗(yàn)室的設(shè)備要及時(shí)更新。應(yīng)將汞溫度計(jì)換成數(shù)字式的；將直接排放水的舊式回流冷凝水管換成電動(dòng)循環(huán)冷凝裝置，以節(jié)約大量凈化過的水；要更換含有毒金屬的實(shí)驗(yàn)設(shè)備和高耗能設(shè)備，以節(jié)約實(shí)驗(yàn)成本，并使實(shí)驗(yàn)過程更安全。

5) 化學(xué)工作者要與生態(tài)學(xué)專家合作，建立化學(xué)實(shí)驗(yàn)室的生態(tài)評(píng)估體系，請(qǐng)生態(tài)學(xué)專家對(duì)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室作出生態(tài)化評(píng)估[8]。因?yàn)榛瘜W(xué)產(chǎn)業(yè)的生態(tài)化的革命是從實(shí)驗(yàn)室開始的，大學(xué)化學(xué)教學(xué)應(yīng)該幫助學(xué)生建立這樣的理念。

5 小結(jié)

現(xiàn)在的化學(xué)教師可能是化學(xué)教育史上最為辛苦的化學(xué)教師。因?yàn)樗麄儾粌H要懂得化學(xué)的歷史——經(jīng)典和現(xiàn)代的化學(xué)科學(xué)概念的發(fā)展沿革，精通化學(xué)科學(xué)的方法——懂得理論分析、實(shí)驗(yàn)技術(shù)和數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)的處理方法，清晰地知道化學(xué)科學(xué)在整個(gè)科學(xué)體系中的位置以及化學(xué)與自然及社會(huì)的關(guān)系，學(xué)會(huì)用經(jīng)典的和現(xiàn)代的哲學(xué)觀念去思考化學(xué)問題，還要懂得全新的教育心理學(xué)和教育方法學(xué)，懂得藝術(shù)和美學(xué)，精通獲得化學(xué)資訊的方法，懂得知識(shí)產(chǎn)權(quán)的保護(hù)，懂得怎樣把化學(xué)知識(shí)市場(chǎng)化等等。由于他們正處在一個(gè)化學(xué)教育理念和方法轉(zhuǎn)折的時(shí)代，他們必須比以往的化學(xué)教師付出更多的勞動(dòng)。

[1] Pedro J S G,Fernado M,ChemistryEducation:ResearchandPractice，2003,4(2):131

[2] 北京大學(xué)化學(xué)系普通化學(xué)教研室.普通化學(xué)實(shí)驗(yàn).北京:北京大學(xué)出版社,1981

[3] 趙明.大學(xué)化學(xué),1990,5(1):51

[4] 萊斯利·P·斯特弗,杰里·蓋爾.教育中的建構(gòu)主義.高文,徐斌艷,程可拉,等譯.上海：華東師范大學(xué)出版社,2002

[5] Philip B.Nature,2006,442(7102):500

[6] Jens J,Agnieszka K K.ChemistryEducation:ResearchandPractice,2006,7(4):266

[7] 李發(fā)美.分析化學(xué).第6版.北京:人民衛(wèi)生出版社,2007

[8] Manahan S E.Industrial Ecology: Environmental Chemistry and Hazardous Waste.Boca Raton,Fla:Lewis Publishers,c1999