利用化學史料提高科學素養的一點看法

文章編號：1005－6629(2010)11－0001－04 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

化學史本身就是一個相對獨立的研究領域。研究的主要方面，除去發掘曾經被遺漏和糾正曾經被誤解的重要史實之外，通常以事件發生時間的先后為線索，旨在揭示化學領域內研究目標、方法、概念和理論的發展軌跡，以及某些主要化學家在化學發展的進程中所起的作用（也包括他們對化學相鄰學科或技術的影響），從而對在化學領域的認知過程形成比較符合客觀實際同時也合乎邏輯的歷史描述。因研究者興趣和工作條件的不同，化學史的編纂與呈現形式各不相同。或從學科的發展著眼，或側重于人物的成長歷程及對科學事業的貢獻，也可以編年史的形式展現該學科或其中的某個領域的發展進程。但是所有這些研究，和人文、社會、政治及其他科技領域的歷史研究一樣，所涉及的歷史人物和重要事件，對于后人都能夠起到“以史為鑒”的作用，這是史學受到學術界以及教育界普遍關注的原因之一。此前的化學教材和課堂教學中廣泛引用科學史料的做法曾經風靡一時，而且這個傳統一直延續至今，由中外中學化學教材中一直保留著的對18世紀和19世紀的部分重要化學史實及有關化學家簡介可以得到證實。但是在現行教材和教學中，由于受到課程學時的限制和應試為主的影響，化學史料的選取，存在著隨意性較大、教育價值取向狹窄等不盡人意之處。少數以提高興趣為由編撰出來的明顯帶有“戲說”痕跡的化學故事，則存在著偏離原定教育目標的問題。盡管它們并不以正文形式呈現于教材中，但是由于內容比較生動，容易受到學生的喜愛，而且從中可能獲得學科知識之外的某些啟示或暗示，亦即影響并非都是正面的。如果能夠做到以正面影響為主，則可以成為素質教育的一個平臺，為此不可不認真地進行研討和改進。

1不可為了所謂“有趣”，忽視了其中包含的負面影響，使史實淪為“戲說”

在教學中引用化學史料時，除去盡可能選取和學科基本概念密切相關者外，必須注重所選科學史素材本身的真實性和敘述（或評論）的科學性。不能為了增加趣味性而采取類似于“戲說”的方式任意添加甚至編造某些情節。因為“戲說”不但模糊了真實性，還可能隱含著某些違反科學教育的因素。例如所謂的“玻爾的金質獎章”一事，就存在上述的問題。且不論所敘述的故事是否虛構（玻爾是一位理論物理學家，不可能使用化學方法溶解金，再用化學方法把金從溶液中提取出來的專業訓練，何況這個過程要用到腐蝕性極強的王水，并且會產生大量有毒氣體！），退一步講，即使玻爾可以在化學界朋友的幫助下完成金的溶解和回收，但是用得到的金為原料自己重鑄一個獎章的做法，卻是典型的“違法”行為！就和公民遺失了身份證或信用卡之后，不是向有關部門申請注銷和補發，而是自己（或找人）仿造一個一樣，這類行為在法治社會中是絕對不能允許的。 其中包含的在“某種情況下，違法是合理的”的隱喻，有悖于科學史教育的初衷，應當引以為戒。

2應當著重弘揚科學精神，不以科學人物對新理論的支持與否為評價依據

另一類化學史故事，涉及對科學家的評價問題。例如在介紹阿伏伽德羅提出的分子假說歷時半個世紀才為科學界所接受的史實時，有一個對當時主要持異議者（包括道爾頓在內）的評價問題。認為道爾頓等人所持的懷疑態度對科學的進步起了阻礙作用的看法比較普遍，并有不少資料還特別強調因為道爾頓是一位學術權威，所以他在此事件中所起負面影響更是責無旁貸等評論。表面上看，由此引發的批判或遺憾情緒，似乎有利于提高學生對科學的熱愛和對科學進步的緊迫感，實際上卻忽略了對青少年來說，更重要的應當是從中獲得對科學精神的進一步認識。因為在那個時期，阿伏伽德羅所提出的作為物質存在基本形式之一的分子，還只是一個假說，它是為了克服道爾頓原子論無法完善地解釋氣體反應體積的簡比定律而提出來的，并沒有更能令人信服的其他證明。對于一個新的假說，特別是存在某種新物質微粒的假設，采取懷疑的態度，要求提供更多更有力的證據而不輕信，正是嚴謹求實的科學精神的精髓。因為只有這樣，才能夠促進科學的持續發展。不能簡單地用最終結論的是或非來評價科學家，因為這樣的評價標準不利于弘揚追求真實和真知的科學精神[1]。

在論及為了減少高爐廢氣中的CO比率一事時，對當時的冶金工程師們因為不懂得化學平衡原理，因而采用了不斷加高高爐的方法時頻頻出現的譏諷心態，是另一個類似的例子。講述者忽視了正是因為有了這些“錯誤的假設”和實驗的一次次失敗，才起著促使人們持續地思索和不斷地實踐，從而逐步認清科學現象本質的作用。正是可敬的前輩冶金工程師們在探究中積累下來的大量實驗數據以及經驗和教訓，最后促成了化學平衡理論的形成和廣泛應用。這段史實同時表明了科學和技術之間的差別和密不可分的關系。所以正確評價這類事件和人物，對提高學生的學習興趣和探究意識應該能夠起到很好的作用，同時也是體現情感、態度、價值觀的教育目標的應有之義。

3充分發掘中外教材中經常選用的經典史實中包含的教育元素，做到以史為鑒

史料用作素質教育的載體時，著重點在于闡明科學精神的核心理念和科學方法所應體現的基本特征。所以在選擇與評價時，除確保事件的真實性外，并不要求完整地呈現事件的全部過程。評價時可以用最新的科學知識和技術水準作為參比系，而不受事件發生及關鍵人物存在時間和地域帶來的時空限制，同時也不一定要求把握有關科學技術知識的細節。茲舉數例如下：

拉瓦錫測定空氣組成的實驗，是一個完成于兩個多世紀之前的經典實驗，至今仍然入選于初中教材之中（為了避免汞對環境和人體帶來的危害，現行教材中多改以磷、蠟燭[注1]等代替汞用于課堂或學生實驗）。假如僅限于介紹人類對空氣組成的認識來源于科學實驗的史實，以及培養學生在模仿中提高所謂實驗動手能力，顯然不能充分發揮它所具有的科學教育作用。如果在實驗時同時，對科學實驗的基本要素和如何評價和欣賞前人的科學活動進行介紹，更能體現以培養科學素質為目標的任務。譬如就技術條件而言，拉瓦錫所用儀器設備顯然極其簡陋（因而所得實驗數據精度不夠高），但是作為一個“發現性質”的實驗來看，應當認為這個實驗從化學反應體系的選擇到實驗方案的設計都做到了近乎完美的程度。不僅因為汞的沸點較低（356.58 ℃），汞蒸汽和曲頸甑內空氣中的氧氣之間可以氣態進行反應，因而反應速度較快；而且持續蒸發的汞可以使容器中的氧氣耗盡，即反應比較完全；產物氧化汞的密度低于汞，且不溶于汞，因此易于分離；還有氧化汞的分解溫度不高（約為500 ℃），在同一裝置中就能實現等優點。此外，在拉瓦錫的實驗方案中還包括了證明了由氧化汞分解所得氣體不但是氧氣，而且就是使汞轉化為氧化汞時從甑內空氣中用去的那部分氧氣。因為當它回到沒有和汞發生反應的剩余氣體（主要是氮氣）中去時，得到的混合氣體與原來取樣時的空氣完全一致。這樣細致而嚴密的設計，堪稱科學實驗的典范！故而實驗結論的可信度極高。

有關科學實驗設計的優劣和運用基礎知識與方法水平的分析與評價，對于初學者可以起到示范的作用。從而可以得出如下的認識：尋找影響因素最少的化學體系、選取適當的儀器設備和確定與探究思路相關的實驗步驟是進行探究性學習，特別是探究性實驗設計的重要組成部分。它的質量決定了探究活動是否安全有序和能否獲得不確定性較少的結論。原子、分子從假說、學說到理論的發展過程，以及原子結構模型在科學實驗事實的“逼迫”下，不斷修正的歷史，其中所包含的教育元素也都并非僅限于科學知識本身。所以，充分發掘這類化學史料所包含的教育元素，對于提高學生的科學素質將能夠起到“潛移默化”和“循循然善誘人”的作用。

注1. 就實驗設計的嚴謹性而言，這些替代汞的方案都不如原來的汞方案。其中的蠟燭方案更是一個錯誤的方案，因為燃燒產物中有無法確定的微溶于水的CO2、難溶于水的CO和石蠟裂解時產生的小分子烴等氣態物質，容器中氣體體積的變化不能完全歸因于氧氣的消耗。何況當氧氣濃度很低時，蠟燭已不再燃燒，即氧氣不能全部耗盡。

勒夏忒里原理是另一個值得提及的例子。這是一個通過對大量實驗研究得到的分散信息進行整合而得到的科學原理，不僅對當時哈伯合成氨工藝的成功開發起了很大的作用，而且這個原理被陸續地證實可以適用于絕大多數與化學相關的包含有可逆過程的平衡體系，例如溶質和溶劑間的溶解平衡、弱電解質的電離平衡、水的解離、難溶電解質的溶解電離平衡等等，在化學工藝設計、化學分析、電化學等領域的探究和實驗現象分析中，應用極為廣泛。這個形成于19世紀80年代中后期的化學原理，至今仍然保持著它的預見有效性和結論的可信度。它所闡發的有關科學知識的來源和科學知識對人類物質文明的貢獻的認識，應當有利于提高學生的科學素質。

類似的原理或理論的發現與形成過程，在有關分子結構理論特別是有機化學教學中也可以找到，從范霍夫的以碳原子為中心的正四面體結構理論，凱庫勒的苯的正六邊形結構理論，到20世紀萊恩（J-M Lehn）[2]用于解釋超分子化合物分子結構的鎖鑰模型等等，都可以從中體會到科學知識的形成和科學實驗及科學思維方法的關系，并不僅限于具體的科學知識本身。

４從化學學科的新進展中選擇新的科學教育素材

作為課程教學的一個組成部分，化學史料的選擇不僅應當著重于它們是否和課程密切相關，而且應當著眼于其中包含的其他教育元素，籍以體現多維的教育目標。應當重視那些一直為中外教材所選用的史料，但是也應該根據學科發展的現狀，不斷補充一些新的內容，其中以能夠體現初等化學課程中所學知識和方法的基礎性者為首選。因為這有利于提高學生對學習基礎知識與技能的認識，也有利于激勵學生的創新意識和學習潛力。

從學科的新進展中選擇某些內容新穎、發現過程具有趣味性和啟迪作用的事件作為新的化學史料收入新編或改編教材中的做法，已經受到普遍關注。例如C60的發現史、能起示蹤作用的發光水母蛋白、形狀記憶合金、可燃冰等等，在現行教材中都可以見到。這些史料對于提高學生的學習興趣起了很好的作用。但是在發掘其中包含的更多的教育元素，使之更加有利于提高科學素質的研究和實踐等方面，還有待于進一步探索。謹就個人一得之見試以C60的發現和發展史為例，闡明以史實為基礎和以基礎知識為依據而提出思辨和疑問的方法與過程，應當對提高所謂“問題意識”并學會發現問題和提出問題有所幫助，從而孕育著為分析與解決問題而萌生的科學興趣及學習動力。

1985年，H.Kroto， R.Smalley和R.Curl三位教授，在一項用高功率脈沖紅外激光轟擊石墨的實驗研究中，利用質譜儀檢測轟擊后由氦氣帶入質譜儀的氣體產物時，發現譜圖上出現了一個質量數為720 的新峰，亦即產物中存在一個由60個碳原子組成的新物質。但是真正確定這個新物質的分子結構卻并非一帆風順，幾經曲折，最后才確定這是一個由12個正五邊形和20個正六邊形構成的由32個面組成的空心多面體，外形和人們所熟知的足球極為相似（所以曾經命名為足球烯），并獲得1996年諾貝爾化學獎。這是已為大家所熟知的C60的發現史故事。這項科學發現以它富有傳奇性色彩的故事和具有高度對稱性的球形結構為絕大多數教材所鐘愛，很多教材對此都有或繁或簡的介紹。但是對這個故事中隱含的富有教育價值的元素關注者不多，亦即對該教育資源的開發和利用工作的不足，是目前在研究與落實高中化學新課程標準過程中另一個值得重視的問題。

繼富勒烯之后于1991年首次發現的碳納米管（最初所用制備方法和發現富勒烯時幾乎相同），后續的研究表明，碳納米管具有更為穩定和多種優異電學性能等特點，是一種非常理想的新型材料[3]， 研究熱情遠遠超過一度令人們愛不釋手的C60及其族群。關于它的研究進展和科技新聞，不絕于專業文獻和報刊電視新聞，大有后來者居上的態勢，已成為納米科技領域的重要成員之一。隨之產生的第一個問題應當是，在1985年發現C60等的同時，碳納米管也應當存在于產物之中 (因為它比富勒烯更為穩定)。可是為什么當時沒有發現？這個事件和稀有氣體發現史有某些相似之處，但是原因并不相同。稀有氣體的“遺漏”，可以認同和它們的惰性及在空氣中含量過低有關，但是在制備富勒烯時的產物中，碳納米管的產率并不低，甚至超過富勒烯（因為它們更穩定）。可是它的發現卻整整推遲了6年！這里隱含著的教訓，難道不值得我們汲取嗎？

教訓之一是，據估計化合物種類的量級至少在1013左右（目前已知者仍未超過107的量級）[4]， 隨著制備方法的不斷更新，大量新化合物、新結構和新物種的問世，將成為新世紀化學的一個顯著特點。因此，在研究某個過程產生的新產物時，應當對產物進行盡可能全面地檢測和識別，以免某些意想不到的新物種的失之交臂。

盡管現時的化學鍵理論和物質結構理論可以適用于數以千萬計的化合物，但是相對于有待發現和合成的超過千萬量級達百萬倍的新化合物而言，“千萬”猶如滄海一粟！化學作為一門實驗性的自然科學，面對的是浩如煙海的物質世界，理論的滯后和不完備性應當是這門學科的常態。

教訓之二是，因為富勒烯的發現者在檢測產物時，僅僅用了檢測由氦氣攜帶的氣態產物的質譜方法，如果用電鏡對余下的產物進行檢測，碳納米管是可以同時發現的。所以，過分關注部分產物，以及檢測手段過于單一（在科學技術高度發展，檢測手段琳瑯滿目的今天，應當認為是一次令人遺憾的失誤），是另一個值得汲取的教訓。

教訓之三是，雖然和C60結構幾乎一樣的足球和類似的建筑結構早已問世，至于由正多邊形組合成為密閉的空心多面體結構的幾何條件，早在18世紀歐拉（L.Euler，1707-1783）就已經提出了V-E+F=2的著名公式(式中，V-頂點；E-邊；F-面)[5]。但是C60的結構問題卻使科學家困擾多日，久久不能確定。這是因為在這之前，有機化學結構理論中對于碳原子價電子的雜化方式只確定有sp、sp2和sp3三種，無法使得60個碳原子組成類似于傳統有機物結構的分子（現在認為，C60中碳原子價電子的雜化方式為sp2.28）。

我們應當尊重科學理論的預見性與指導作用，這是常說的“知識就是力量”的根據；但是也應當承認科學理論在發展過程中必然存在著不同程度的不確定性或不完備性，只有這樣，才能夠最大限度地發揮理論的作用，并在實踐中不斷推動理論的完善和更新。所以后者是科學精神的核心理念、創新思維的原動力，也是科學素養的最重要的特征。由上面舉到的稀有氣體化合物和發現C60的事件中不難形成這個認識。

還可以順便提及與富勒烯有關的另一樁有趣的科學發現。當科學界為出乎意外發現的富勒烯而忙于為它命名和討論是否可以算作碳的第三種同素異形體時，以色列化學家R. Tenne卻更關注石墨轉變為富勒烯時的機制問題。他從幾何學的基本知識出發，認為實現轉變的基本條件應當是，在激光或電弧的轟擊下，片狀石墨的六元環中有一部分變成了五元環、四元環等等（他用織毛衣時收針可以使織物平面變為拱形來比喻這個過程）。為了證實這個設想，他選擇了晶體結構和石墨相似的硫化鎢和硫化鉬為轟擊對象，成功地從這類由密集六元環構成的無機硫化物層狀晶體為原料的轟擊產物中分離出預期的空心多面體，即所謂的無機富勒烯。并證實當用作潤滑劑時，其作用類似于一個個納米尺度的“滾珠”，性能優于原來的鱗片狀潤滑劑（滾動摩擦系數通常低于滑動摩擦）。雖然后繼研究者絡繹不絕，近年來實用專利成果累累，但是這項研究成果卻一直受到科學界的冷落！因為科學界認為這項發明不過是C60的推衍而已。我們應當認同這種評價，它體現了評價科學成果時對研究工作原創性水平的嚴格要求。另一方面，我們也應當看到，這個由跟化學似乎相去甚遠的幾何學概念出發而做出創新成果的事例，和人們已經熟知的1962年巴特勒（N. Bartlett）從物理概念出發（根據O2和Xe的第一電離能以及O2+[[PtF6]-和Xe+[[PtF6]-晶格能數值相近的事實）成功地合成了第一個稀有氣體化合物的事例，有異曲同工之妙。值得我們深思之處在于，這些事例有助于我們進一步地確認以下的理念，即廣泛而且扎實的基礎更有利于提高學生的科學素養。

仁者見仁，智者見智。也許從中還可以找到更多有益的經驗教訓。通過類似的思辨可以認為，科學史料的教育作用，不應該僅限于勵志，更應當著眼于科學素質的培育和提高。對前輩科學家的尊重和欽慕，應當體現在學習他們的創造精神和戰勝困惑時表現出的極大智慧和勇氣。在學習和贊賞新的科學成就時，也應當努力從中獲得更多的啟示和教誨。只有這樣，才能夠真正體現出“以史為鑒”的應有之義，并有助于高素質人才的培養。

參考文獻：

[1]E.B.Sparberg: Hindsight and the history of chemistry[J]. Chem.Edu.， 73 (3)， 1946 199～202.

[2]Jean-Marie: From superamolecular chemistry toward constitutional dynamic chemistry and adaptivechemistry[J].Chem. Soc.Rev.， 2007，36， 151～160.

[3]黃可龍等：無機化學[M]. 科學出版社，北京， 2007:431～432.

[4]P.Ball:What chemists want to know [J]. Nature， 442，(3): 500～502， Aug. 2006.

[5]I. Hargittai and M.Hargittai :Symmetry through the eyes of a chemist p.81Plenum Press，New York1995.