大學(xué)自然科學(xué)通識課的教學(xué)體會

周健

摘要：通識教育在現(xiàn)代大學(xué)教育中起到重要作用。以“元素的故事”為例，本文對大學(xué)文科學(xué)生自然科學(xué)通識課的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法進(jìn)行了深入思考，有助于激發(fā)學(xué)生思考興趣，提高學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：通識教育；自然科學(xué)；科學(xué)素養(yǎng)

中圖分類號：G642.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）01-0121-02

一、引言

通識教育是教育的一種，這種教育的目標(biāo)是：在現(xiàn)代多元化的社會中，為受教育者提供通行于不同人群之間的知識和價(jià)值觀[1]。通識教育本身源于19世紀(jì)，當(dāng)時(shí)有不少歐美學(xué)者有感于現(xiàn)代大學(xué)的學(xué)術(shù)分科太過專門、知識被嚴(yán)重割裂，于是創(chuàng)造出通識教育，目的是培養(yǎng)學(xué)生能獨(dú)立思考、且對不同的學(xué)科有所認(rèn)識，以至能將不同的知識融會貫通，最終目的是培養(yǎng)出完全、完整的人。20世紀(jì)以后，通識教育已廣泛成為歐美大學(xué)的必修科目。通識教育實(shí)際上是素質(zhì)教育最有效的實(shí)現(xiàn)方式，鼓勵學(xué)生結(jié)合自己實(shí)際跨學(xué)科、跨專業(yè)自由選課，充分發(fā)展個性，增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)主動性，全面提高素質(zhì)。通識教育的性質(zhì)決定了通識教育存在的合理性，我國高校長期實(shí)行的專業(yè)化教育模式迫切呼喚大學(xué)通識教育的出現(xiàn)。專業(yè)化教育模式是我國高等教育在特定時(shí)期、特定社會背景中的選擇。過分強(qiáng)調(diào)專業(yè)劃分，把學(xué)生的學(xué)習(xí)限制在一個狹窄知識領(lǐng)域，不利于學(xué)生全面發(fā)展[2]。推行大學(xué)通識教育，不僅是我國高等教育與世界先進(jìn)教育理念接軌的要求，也是我國教育改革與發(fā)展的需要。通識教育作為大學(xué)教育的重要一部分，是對高等教育專門化、功利化導(dǎo)致的人的片面發(fā)展的一種矯正和超越，是高等教育本質(zhì)和大學(xué)使命的回歸。如何教好通識課程，培養(yǎng)高素質(zhì)人才是教育工作者應(yīng)當(dāng)認(rèn)真思考的問題。筆者在為大學(xué)文科學(xué)生講授自然科學(xué)通識課“元素的故事”時(shí)，積累了一定的經(jīng)驗(yàn)，下面談?wù)剮c(diǎn)教學(xué)體會。

二、教學(xué)內(nèi)容的思考

文科學(xué)生大多具有初中和高中的物理、化學(xué)基礎(chǔ)，對大學(xué)的物理和化學(xué)了解不多，在基本概念和基本術(shù)語的理解上可能存在困難。因此，在教學(xué)內(nèi)容方面應(yīng)考慮到他們的知識特點(diǎn)，選取合適的參考書籍和參考資料，力求盡可能少的專業(yè)知識，增強(qiáng)趣味性、易懂性，貼近現(xiàn)實(shí)生活和學(xué)生的感性認(rèn)識。筆者選取了蘇聯(lián)的科普讀物《元素的故事》[3]一書作為參考書籍，向?qū)W生們介紹了自18世紀(jì)中期到近年有關(guān)化學(xué)元素的重大發(fā)明和發(fā)展，如：18世紀(jì)中期瑞典化學(xué)家舍勒怎樣發(fā)現(xiàn)了空氣不是單一的物質(zhì)而是氧、氮兩種氣體的混合物；接著法國化學(xué)家拉瓦錫怎樣否定了燃素說，把氧、氮以及磷、碳、氫等列為世界上第一張?jiān)孛麊危?9世紀(jì)初期，英國化學(xué)家戴維利用電流怎樣分解了當(dāng)時(shí)普遍認(rèn)作是元素的兩種苛性堿和八種堿土金屬，而發(fā)現(xiàn)了鉀、鈉兩種堿金屬和八種堿土金屬；19世紀(jì)中期，在元素名單上已經(jīng)有了57種，當(dāng)時(shí)認(rèn)為再難找到新元素的時(shí)候，德國科學(xué)家本生和基爾霍夫怎樣利用光的性質(zhì)，造成了分光鏡，發(fā)明了化學(xué)元素的光譜分析術(shù)，使元素名單再行擴(kuò)大；19世紀(jì)下半期俄國化學(xué)家門捷列夫怎樣總結(jié)了數(shù)百年來化學(xué)家們研究的成果，創(chuàng)造了元素周期表；19世紀(jì)末期英國的科學(xué)家怎樣發(fā)現(xiàn)了惰性氣體，充實(shí)了元素周期表。最后，20世紀(jì)初期，居里夫婦怎樣發(fā)現(xiàn)了釙和鐳，推翻了元素永恒不變，原子不可再分的舊觀念，掀起了一場化學(xué)上的大革命。通過這門課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生對元素發(fā)現(xiàn)的方法和歷史有了大致的了解。

三、教學(xué)方法的思考

如何提高教學(xué)效果是教師們經(jīng)常討論的問題。在課堂上，好的教學(xué)思路能夠激發(fā)學(xué)生的好奇心，激起學(xué)生進(jìn)行思考的欲望，能夠極大地調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動性，從而提升教學(xué)效果。筆者在一節(jié)“光譜學(xué)與元素的發(fā)現(xiàn)”課堂中，首先拋出了這樣一個問題：科學(xué)家們是怎樣知道太陽的化學(xué)元素組成的？這一問題立刻引起了學(xué)生們的興趣。太陽距離我們非常遙遠(yuǎn)而且溫度極高，無法直接檢測太陽的化學(xué)組成。科學(xué)家們用了什么方法呢？答案是光譜分析法。說起光譜，學(xué)生可能覺得陌生。其實(shí)在中學(xué)物理里面大家就已經(jīng)知道了牛頓的著名的三棱鏡色散實(shí)驗(yàn)，將一束太陽光經(jīng)一塊三角形的玻璃棱鏡折射后，形成了紅﹑橙﹑黃﹑綠﹑藍(lán)﹑靛﹑紫等七色的彩色光帶，牛頓將這種彩虹色帶命名為光譜，現(xiàn)在我們知道不同顏色的光具有不同的波長。接下來學(xué)生會問光譜與化學(xué)元素分析有什么關(guān)系呢？那么首先回顧一下初中化學(xué)學(xué)習(xí)過的焰色反應(yīng)：許多金屬鹽類在燃燒時(shí)會產(chǎn)生特殊的焰色，如鉀鹽的焰色是紫色的，鈉鹽的焰色是黃色的，銅鹽的焰色是翠綠色的，鋇鹽的焰色是草綠色的，鈣鹽的焰色是橘紅色的，而鍶鹽和鋰鹽一樣都是鮮紅色的。在衍射光柵的分光術(shù)發(fā)明以后，英國的物理學(xué)家泰爾包特于1825年制造了一種可以研究焰色光譜的儀器，然后將燈蕊浸在各種不同鹽類的溶液中，曬干后點(diǎn)燃，觀察其光譜，發(fā)現(xiàn)各種金屬鹽類的火焰分光后所得的光譜，都是不連續(xù)的幾條亮線，各出現(xiàn)在其對應(yīng)的顏色光區(qū)內(nèi)，其中他注意到，鍶鹽和鋰鹽盡管焰色幾乎完全相同，但呈現(xiàn)的光譜卻迥然不同。他是意識到每種元素都有自己的一組特征光譜的第一位科學(xué)家。到1852年，瑞典的物理學(xué)家Angstrom指出每一種特征光譜就是某一種元素的特定標(biāo)志，光譜正像人類的指紋一樣，各種金屬元素所發(fā)射的光譜線的數(shù)目﹑強(qiáng)度和位置都不一樣，因此可以由光譜的分析來檢驗(yàn)金屬元素的種類，更可由各元素譜線的相對強(qiáng)度來判斷混合物中各種元素的相對含量。至此，光譜學(xué)的應(yīng)用進(jìn)入了一個嶄新的時(shí)代，成為化學(xué)元素分析的一項(xiàng)利器。知道了光譜法可以分析元素之后，我們來回答最初提出的問題：太陽上有哪些化學(xué)元素？早在1802年，英國的化學(xué)家伍拉斯頓就用分光棱鏡仔細(xì)觀察了太陽光譜。他注意到表面看來是連續(xù)的彩色光帶中，夾雜著不少的垂直暗線，在不明原因的情況下，只好把這些暗線的出現(xiàn)歸咎于棱鏡的缺陷。1814年，德國的物理學(xué)家弗朗和斐用他的衍射光柵試驗(yàn)太陽光譜時(shí)，也發(fā)現(xiàn)了伍拉斯頓所看見的暗線。他仔細(xì)地?cái)?shù)一數(shù)所能辨識的暗線，竟有576條，把它們一一標(biāo)記下來，其中最主要的幾條，根據(jù)明顯程度，依次標(biāo)以英文字母A﹑B﹑C﹑...G的代號，當(dāng)做描述用的固定點(diǎn)或參考點(diǎn)。后世即把這些暗線稱為“弗朗和斐線”。有一天，弗朗和斐把他的分光儀一器二用，將光線入口處分成兩半，上半以陽光入射，下半以燃燒的鈉焰入射，于是得到了上下兩幅平行的光譜。他發(fā)現(xiàn)發(fā)出強(qiáng)烈黃光的鈉焰在光譜中有兩條很接近的明亮黃線，恰巧與太陽光譜中他標(biāo)示為D的兩條暗線在同一位置上（此即今日我們所稱的著名的“鈉-D雙線”），這意味著什么？他知道其中一定蘊(yùn)藏有重大的玄機(jī)，只是不知道答案在哪里！到了基爾霍夫和本生手里，這個秘密才被徹底揭穿。他們重做了四十年前弗朗和斐所做的鈉焰實(shí)驗(yàn)。這次他倆讓連續(xù)光譜透過鈉焰的上方，那里有未燃燒的鈉蒸氣，結(jié)果在一片連續(xù)的彩色光帶中竟然就出現(xiàn)了兩條明顯的D暗線。顯然，是鈉蒸氣將連續(xù)光譜中屬于D線波長的輻射給吸收掉了！于是他們在1859年發(fā)表了兩條有名的“基爾霍夫輻射定律”。第一定律是每種化學(xué)元素都各有其特殊的光譜，第二是每種元素所吸收的電磁輻射波長與所發(fā)出的波長相等，即當(dāng)某元素在高熱燃燒時(shí)若能發(fā)射某種波長的光，則在較低溫時(shí)其蒸氣就會吸收相同波長的光。第二條輻射定律就解釋了四十多年來一直不知其所以然的“弗朗和斐暗線”問題。本生與基爾霍夫認(rèn)為高溫的太陽表面原來會發(fā)出含有各種頻率的連續(xù)光譜，然而緊貼著太陽表面的大氣層，因?yàn)闇囟缺忍柟馇虻臏囟鹊停渲兴恼魵獬煞郑瑫榔浠瘜W(xué)元素特性而選擇吸收其特征波長的輻射，所以太陽光譜中的各條弗朗和斐暗線都是其大氣成分元素吸收部分陽光波長所造成的。像暗線中的D線為什么恰與鈉焰的雙黃線位置﹑波長一樣，就是因?yàn)樘柎髿庵泻锈c成分，吸收了陽光中的這種波長之故，也就是說D暗線的存在正是太陽大氣中含有鈉成分的明證！他們就用這種方法比較太陽光譜中的弗朗和斐暗線與各元素的特性光譜，而后在1859年宣布，太陽大氣層中含有鈉﹑鐵﹑鈣和鎳而沒有鋰，但其中含量最多的則是氫。他們的發(fā)現(xiàn)立刻轟動了整個科學(xué)界，光憑一臺簡單的分光鏡居然能在地球上檢定出一億五千萬公里外的太陽的化學(xué)元素組成，真是太神奇了！從此，太陽在人類的心目中，就失去了它的大部分神秘性。跟著，星球的神秘性也大部分消失了。通過這樣一節(jié)課，筆者講述了光譜、光譜分析法和用光譜分析法發(fā)現(xiàn)太陽上化學(xué)元素的故事，循序漸進(jìn)地誘導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行思考，收到了良好的效果。

四、結(jié)論

在大學(xué)自然科學(xué)通識教育中，針對文科學(xué)生的知識特點(diǎn)，精心選擇教學(xué)內(nèi)容和設(shè)計(jì)教學(xué)方法，努力做到趣味性、易懂性、啟發(fā)性和循序漸進(jìn)性，提高了學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，培養(yǎng)了學(xué)生的獨(dú)立思考能力，取得了顯著的教學(xué)成效。

參考文獻(xiàn)：

[1]哈佛委員會.哈佛通識教育紅皮書（2010年12月版中譯本）[M].李曼麗，譯.北京大學(xué)，2010：45.

[2]赫欽斯的高等教育思想對大學(xué)通識教育的啟示[Z].中國信息大學(xué)，2016-06-25.

[3]依.尼查葉夫.元素的故事[M].滕砥平，譯.上海：少年兒童出版社，1978.

Thoughts on Teaching of Natural Science of General Education in University

ZHOU Jian

（College of Materials Sciences and Engineering，Beihang University，Beijing 100191，China）

Abstract：General education plays an important role in modern university education. Aiming at liberal arts students，we discussed the teaching content and methodology of natural science courses taking the "story of elements" for instance. This is helpful to stimulating scientific thinking and science literacy of students.

Key words：general education；natural science；science literacy