化學課程中經典內容教學的現代化問題

趙明

(北京大學藥學院化學生物學系 北京 100191)

無論化學科學怎樣發展,總會有一些以往的教學內容被保留下來,像一些以前發現的元素的性質及其化學反應、經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，這些內容在化學教育課程中被稱為經典內容。現代化學教學中應該怎樣處理這些經典的內容呢？是完全不保留，還是建立一個全新的化學教學體系,將這些內容有選擇地保留在新的體系中呢？本文將就此問題進行探討。

1 什么是化學課程中的經典內容

化學科學史對于經典化學時期與現代化學時期的分期問題存在著兩種不同的觀點。一種觀點認為，以原子序為基礎的元素周期系建立以后的化學是現代化學，之前的化學是經典化學，這種觀點是以20世紀初盧瑟福的原子核結構實驗作為基礎；另一種觀點認為，現代化學與經典化學的分期以鮑林出版《化學鍵的本質》一書作為分界線。但是鮑林等人的理論是以量子力學作為基礎的[1]，量子力學理論的形成也是在20世紀初。因此，這兩種觀點從時間上講，時期的劃分相距不遠。 從學術觀點上看，二者都是以現代原子、分子結構理論的建立時間作為基礎的分期。

從以上的分期來看，現在大學里講授的化學課程中許多都是經典化學的內容，而且地位非常重要。如無機化學中的元素化學部分，分析化學課程中經典的容量和重量分析方法，有機化學中很多重要經典合成反應、手性化合物分離方法、布特列洛夫的化學結構學說、凱庫勒苯環結構，以及物理化學中的化學熱力學理論、電離學說、絡合物熱力學理論、氧化還原理論等都是經典內容。

2 重新評價經典化學內容在現代化學教育中的地位

盡管現代化學科學已出現了諸多新的理論和實驗方法，應用了現代儀器分析和信息與計算機技術，經典化學的方法仍然在現代化學科學體系中占有舉足輕重的地位，主要表現在以下幾個方面：

(1) 經典化學實驗的方法被作為現代方法的標準，很多現代大型化學分析儀器的化學基準物是用經典的化學實驗方法分離提純和分析之后才作為標準的，在判斷很多新的化學分析實驗方法是否準確時，也是通過與經典方法進行比較后才得到結論。

(2) 有些現代的理論和方法中整合了經典的理論和方法,有些是對經典理論和方法的修正和擴展。例如，現代的量熱方法，雖然更智能化，卻應用了經典化學熱力學的原理和量熱學方法;又如,現在合成一個有機化合物，其中一些步驟是經典的有機合成反應。還可以發現,有些物理化學的定律在修正之后可以擴大應用范圍，甚至適用于其他的化學科學領域；合成化學家將一些經典的化學合成方法改進之后，使其用途更廣泛。

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

(4) 現代化學理論并非十全十美,現時無法解決的問題，還要從經典理論和方法中尋求智慧。

同時,應該告訴學生經典理論和方法的局限性及其適用范圍。經典理論為了簡化解決問題步驟，物質結構以及化學反應模型忽略了很多真實存在的相互作用，有些是經驗型的，缺乏定量的邏輯關系，其理論缺乏普適性。經典實驗方法一般適用于高的反應物用量，不適用于微量物質的化學反應。

3 經典化學教學內容的取舍與講授課時的確定

隨著化學科學的發展，有些經典教學內容應被淘汰，有些內容仍然重要，應該保留。現在化學教學中取舍的原則是什么？經典內容教學課時應該怎樣確定呢？

首先，應該保留那些在化學科學發展歷史過程中不可忽略的部分，告訴學生這些內容對于現代化學科學的影響。

還有一些內容是無論在科學研究，還是在產業界以及社會服務機構都已不再采用的方法，可是教師認為這些方法的教學可以用來培養學生的科學思維能力。在20世紀80年代，大學化學教科書中還使用硫化氫體系定性分析18種陽離子的實驗教學[2]，而當時的化學工業界、醫藥、商檢和司法界已開始廣泛使用光譜學分析方法，那時的化學教師之所以保留這個體系，是由于他們認為，雖然這個體系很經典，卻可以幫助學生學會應用簡單的化學反應將無機離子分組分離的邏輯思維方法，熟悉常見的化學試劑和儀器的使用方法，而不是簡單地僅僅知道使用現代化學分析儀器進樣和輸出數據結果。后來，由于污染和毒性的原因，這個體系被淘汰掉了。對于這部分內容，可以尋找其他可以使學生得到類似的思維訓練的體系代替，同時能夠克服以往方法的缺陷。

主張多講授經典內容的教師認為：除非學生畢業后專業從事經典內容的教學、科研工作，或者他們在產業界和社會服務機構的工作恰恰與這些內容相關，他們可能終身都不會再有機會接觸到這些內容。對于他們來講，這些內容是第一次學習也是最后一次學習，那么，經典部分的教學就非常重要。

主張少講授的教師有另外的觀點：學生畢業以后需要就業，因為產業界及政府機構會很快更新技術，過多地學習經典課程似乎是多余的，甚至成為教育與現實脫節的一個原因。高等教育正在出現高等基礎教育與高等職業教育一體化的趨勢，高等教育課程的內容更實用、更適應人才市場需求也是評價大學教育水準的一個重要方面。

教師在教育學生時，應該給予他們一個完整的科學體系，而不是為了實用只去告訴學生這個體系的一些部分。設計現代的化學教學體系時，是僅僅考慮很快謀得職業，還是考慮為學生開辟更廣闊的發展前景，這是決定化學課程中經典內容取舍和教學課時時應該思考的問題。

4 重新系統化

無論是波義耳出版《懷疑的化學家》的時代，還是門捷列夫發現化學元素周期律的時代，以及20世紀初由原子結構理論和量子力學推動的化學科學革命的時代，化學科學曾多次重新系統化，化學教育也跟隨化學科學的發展多次重新系統化。今天的化學科學出現了很多新的理論和實驗方法，如納米科學、單分子光譜學、新的有機合成方法等；化學教育的注意力也在轉移，更趨向生物體系以及能源和環境問題。所以，化學教學也在面臨重新系統化的問題。我認為，對教科書，以及理論和實驗教學方法的重新系統化應該考慮以下原則。

(1)基于現代的化學結構和化學反應的理論。

基于經典部分同現代化學科學的聯系，用現代化學科學的觀點去重新審視經典內容，建立新的化學教育體系，將保留的經典內容整合在新體系中。例如,現代有機化學在講授苯的性質、結構和化學反應時，仍舊保留了凱庫勒苯環結構以及很早以前就已發現的苯的化學反應等經典內容，用分子軌道理論去闡述問題。

(2)基于教育的規律。

不僅僅是化學科學在發展，教育科學在近20年也在發展，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教學體系中，化學教師要與教育心理學、教育社會學專家合作研究建立新體系。

在化學教學中，闡述問題的先后次序往往與科學發現的歷史順序不同。例如，講授元素化學部分是根據化學元素周期表的順序，而不是根據元素發現的歷史順序；因為這樣講授學生更容易理解，同時不違背科學規律。

1998年，聯合國教科文組織在《21世紀世界高等教育宣言：愿景與行動》中提出：創新教育的方法是具有批評能力的思考和創造力。宣言肯定了以學生為導向的教學方法，并且指出：新的教育方法還意味著新的教學內容，以及與之相應的新的教學試驗方法，不僅僅發展學生的記憶力，還要發展他們的理解力、實際工作技能和創造力。如果采用建構主義[4]的學習方法，告訴學生一些建構的原則和方法，把用于建構的理論和實驗的模塊給他們，把經典的和現代的化學知識模塊給他們，讓他們自己去建構新的化學科學大廈，然后用他們的大廈跟前輩大師的大廈去比較，他們會發現自己應該向大師學習什么，他們也可能還會發現大師的缺陷，無論是在知識模塊里，還是在由模塊構成的體系中，以及構造的方法，可能都存在問題。當學生能夠提出問題[5]，并且懂得為了給出問題的答案如何重新學習時，這才標志著達到了教學的目的。

(3)基于國際標準化原則。

現在有些化學教師在教學中并沒有使用IUPAC最新頒布的化學原子量數據；有些化學教師沒有訪問過IUPAC的網站，去認真閱讀過跟自己教學的專業有關的專業術語和名詞的文章；很多大學化學教學實驗室的實驗條件數據(T、p、……)和實驗儀器(天平、容量儀器……)未作過國際標準化的校正。教科書中經典內容的編纂和教學應該采用新的名詞術語和國際標準數據。

(4)基于智能化原則。

化學教師不應該重復勞動,應該更有創造性地從事教學工作。如建立智能化互聯網教學答疑系統，把學生提問率高的問題和答案放在教學網絡上，使學生可以自己搜索提問和獲得答案。這樣，教師可以有更多時間與學生討論一些有爭議的問題。又如在互聯網上開辟化學科學教育社區，使教師和學生可以更自由地在不同的時間和空間討論問題。

智能化教學不僅僅是學生自己編寫計算機程序去處理經典化學的計算問題，使用像EXCEL這樣的軟件,更重要的是,要將經典的化學知識模塊化,整合在化學計算機數據庫中,設計出虛擬的解決化學問題的程序,這種程序可以判斷化學反應的可能性，預言反應產物和動力學途徑，以及是不是生態化的反應，還可以控制自動化和機器視覺化化學實驗系統。總之，應用智能化技術可以令經典化學實驗教學更具有吸引力，而且還可以縮短實驗時間，得到更準確的數據，為學生將來在科研和產業界就職打下基礎[6]。

應該注意的問題是，智能化教學系統是為幫助學生建立正確的科學概念設計的。有些教師在PPT中使用了動漫技術、FLASH技術幫助學生理解一些化學科學概念，但是這些技術表達的圖像有時與真實的物質結構和化學反應相去甚遠，容易給學生造成錯誤的印象。所以，教學使用的圖像應與真實的化學反應圖像越接近越好。如果圖像是示意的，一定要向學生說明。

(5)基于生態化原則。

生態化的觀點認為：如果化學反應過程的反應物和產物以及化學反應能量與自然體系的交換方式，不對自然物種及其食物鏈構成破壞，不影響生態體系平衡，就可以認為是生態化的化學反應。

現在化學教科書中敘述的一些經典化學分析方法，以及一些高產率的經典有機合成反應，使用對人體有害的試劑，產物也污染環境，這些方法將來可能被淘汰[7]。作為化學科學史的部分，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容，也只是保留原理，同時應告訴學生方法中存在的生態問題，將來應用這些方法時，化學反應要根據生態化要求重新設計。

1) 對于幫助學生理解原理和學習方法的實驗，應盡量選擇生態化試劑，考慮產物是不是生態化，比如堿標定實驗選用草酸作為基準物比鄰苯二甲酸氫鉀更符合生態化要求，因為前者是天然產物，它的降解產物也很容易步入自然循環中，不至于對自然生態造成破壞。

2) 化學實驗教學應該減少試劑用量。現在經典常量化學實驗使用試劑量過多，與實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。但是試劑減量也會帶來一些問題，原來的方法可以觀察到的現象可能會觀察不到，原來的方法可以得到的準確數據也可能得不到了，所以經典方法的實驗化學反應和觀察計量用的實驗儀器都要重新設計。

3) 現實工作中，很多環境、醫藥的分析工作要分析和處理毒物和污染物，而生態化的替代試劑和方法還沒有出現，決定了實驗體系還不可能是生態化的。但是為了培養學生的工作能力又不得不保留這些實驗方法。因此，要有標準化的防護和處理廢棄物的方法。

4) 經典化學實驗室的設備要及時更新。應將汞溫度計換成數字式的；將直接排放水的舊式回流冷凝水管換成電動循環冷凝裝置，以節約大量凈化過的水；要更換含有毒金屬的實驗設備和高耗能設備，以節約實驗成本，并使實驗過程更安全。

5) 化學工作者要與生態學專家合作，建立化學實驗室的生態評估體系，請生態學專家對化學實驗室作出生態化評估[8]。因為化學產業的生態化的革命是從實驗室開始的，大學化學教學應該幫助學生建立這樣的理念。

5 小結

現在的化學教師可能是化學教育史上最為辛苦的化學教師。因為他們不僅要懂得化學的歷史——經典和現代的化學科學概念的發展沿革，精通化學科學的方法——懂得理論分析、實驗技術和數學與計算機的處理方法，清晰地知道化學科學在整個科學體系中的位置以及化學與自然及社會的關系，學會用經典的和現代的哲學觀念去思考化學問題，還要懂得全新的教育心理學和教育方法學，懂得藝術和美學，精通獲得化學資訊的方法，懂得知識產權的保護，懂得怎樣把化學知識市場化等等。由于他們正處在一個化學教育理念和方法轉折的時代，他們必須比以往的化學教師付出更多的勞動。

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

[2] 北京大學化學系普通化學教研室.普通化學實驗.北京:北京大學出版社,1981

[3] 趙明.大學化學,1990,5(1):51

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

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

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

[7] 李發美.分析化學.第6版.北京:人民衛生出版社,2007

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