分析化學(xué)課程中的“量”與科學(xué)素養(yǎng)教育漫談

毛 杰，王 邃，戴靜波，周俊惠，張 斌

(1.浙江醫(yī)藥高等專科學(xué)校基礎(chǔ)學(xué)院，浙江 寧波 315100；寧波大學(xué) 材料科學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院，浙江 寧波 315211)

科技在現(xiàn)代社會的重要性與日俱增，也無處不在，更是大國競爭力的核心之一。國內(nèi)外社會環(huán)境正在發(fā)生著深刻變革，一輪又一輪的科技革命不僅給科技創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)帶來了巨大挑戰(zhàn)，同時也帶來了千載難逢的機遇。核心科技不僅體現(xiàn)在芯片、航母、高鐵、醫(yī)藥等高技術(shù)領(lǐng)域，也體現(xiàn)在廣大民用產(chǎn)品的生產(chǎn)制造領(lǐng)域。這就意味著國家發(fā)展不僅需要大量優(yōu)秀的科研人才，也需要廣大的普通公民具備基本的科學(xué)素養(yǎng)。據(jù)最新報道，2018年我國公民具備科學(xué)素養(yǎng)比例達(dá)到8.47%，京滬兩地均已突破20%；而在2005年《全民科學(xué)素養(yǎng)行動計劃(2006-2010-2020)》頒布之前，這個比例僅為1.6%。雖然我國取得了巨大的進(jìn)步，然而和部分西方國家相比還有較大差距：2016年美國28%，2005年瑞典35%，2014年加拿大42%。雖然各個國家因為采用的測評標(biāo)準(zhǔn)(如新舊兩種米勒體系)不同，會對測試結(jié)果帶來一些影響，但不會導(dǎo)致逆轉(zhuǎn)性的結(jié)果。

我國的高等教育從精英教育走入了大眾教育階段，毛入學(xué)率已經(jīng)超過四成。大學(xué)生作為國家科技發(fā)展的后備軍和未來的主力軍，對其科學(xué)素養(yǎng)的要求肯定遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過普通公民。2000年開始，每三年開展一次的國際學(xué)生測評項目(后簡稱PISA)，在2015版中指出“科學(xué)素養(yǎng)是一個具有反思能力的公民，運用科學(xué)觀念，參與科學(xué)事務(wù)的能力”。這種科學(xué)能力又可以進(jìn)一步細(xì)分為“科學(xué)地解釋現(xiàn)象”、“評估與設(shè)計科學(xué)探究”、“科學(xué)解讀數(shù)據(jù)和證據(jù)”三種核心能力。盡管PISA測評是直接面向15歲學(xué)生的，但其所倡導(dǎo)的科學(xué)教學(xué)理念及發(fā)展新動向仍然可以為我國科學(xué)教育的改革和發(fā)展提供一些重要啟示。

分析化學(xué)(包含化學(xué)分析和儀器分析)是化學(xué)專業(yè)的核心課程之一，隸屬于自然科學(xué)。同時，分析化學(xué)的主要任務(wù)和目標(biāo)是利用化學(xué)方法和手段完成實際樣品中化學(xué)成份種類和含量的測定，因此，其技術(shù)性和應(yīng)用性特征也非常明顯。恰好符合科學(xué)素養(yǎng)中的科學(xué)(Science)、技術(shù)(Technology)、社會(Society)及其相互關(guān)系的認(rèn)知維度，因此，在分析化學(xué)的教學(xué)過程引入STS教育理念非常方便，對于提升大學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)非常有利。

1 分析化學(xué)中的“量”與科學(xué)素養(yǎng)

本文作者均從事分析化學(xué)類課程教學(xué)多年，教授過化學(xué)、應(yīng)用化學(xué)、材料科學(xué)、化學(xué)工程、食品工程、海洋科學(xué)、環(huán)境工程等多個專業(yè)的分析化學(xué)類課程。雖然不同專業(yè)在課程名稱、教學(xué)內(nèi)容上有不同的側(cè)重點，但在培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)方面的核心共性就是分析化學(xué)中“量”的概念的引入和深刻理解。這是因為“量”不僅是學(xué)好分析化學(xué)類課程的關(guān)鍵，也是區(qū)分科學(xué)與偽科學(xué)的一個重要標(biāo)志，對于學(xué)生今后從事科學(xué)研究、技術(shù)和產(chǎn)品開發(fā)、以及破除迷信和謠言都有非常重要的幫助。下面結(jié)合分析化學(xué)教學(xué)內(nèi)容和生活實例談?wù)剬τ凇傲俊钡恼J(rèn)識以及對于科學(xué)素質(zhì)教育的意義。

1.1 化學(xué)分析中的0.1%

任何的分析檢測過程都會有誤差，這是無法消除的。在不同的應(yīng)用領(lǐng)域，對于誤差的可接受限度是不同的。對于化學(xué)分析而言，通用的可接受標(biāo)準(zhǔn)是相對誤差小于0.1%，所有的設(shè)計和要求均圍繞這個“量”的要求而展開。主要包括：基準(zhǔn)物質(zhì)的純度要求大于99.9%，滴定反應(yīng)進(jìn)行的完全程度大于99.9%，滴定突躍范圍是在化學(xué)計量點的正負(fù)0.1%之內(nèi)，選擇指示劑時其變色點要落在滴定突躍范圍之內(nèi)，分析天平稱量的樣品質(zhì)量要大于0.2 g，滴定體積要大于20 mL，滴定終點附近的半滴操作，近似計算處理時需要滿足的條件，測量和計算結(jié)果的有效數(shù)字要保留4位，化學(xué)分析中實驗中的溶液配置和轉(zhuǎn)移要使用容量瓶、移液管，等等。化學(xué)分析中的每一個環(huán)節(jié)都要滿足上述要求才能保證最終結(jié)果的誤差是允許范圍的，也就是結(jié)果是準(zhǔn)確可靠的。

根據(jù)本文作者多年教學(xué)經(jīng)驗來看，不僅學(xué)習(xí)分析化學(xué)類課程的本科生，甚至包括部分任課教師都很難真正領(lǐng)悟這個“量”。這種情況從滴定分析實驗操作過程的細(xì)節(jié)非常容易體現(xiàn)出來，也是實驗指導(dǎo)教師最痛苦的事，反復(fù)糾正，收效甚微，本質(zhì)上都是學(xué)生對“量”的概念沒有真正理解，也就不夠重視。由于不能真正領(lǐng)悟0.1%這個“量”而導(dǎo)致的常見錯誤操作實例，已經(jīng)有很多文獻(xiàn)進(jìn)行過總結(jié)，此文不再贅述。作者借此機會分享另外3個案例：

(1)用基準(zhǔn)物質(zhì)鄰苯二甲酸氫鉀標(biāo)定NaOH溶液濃度時，需要加入適量去離子水溶解基準(zhǔn)物質(zhì)再行滴定，此處的“適量”常常對學(xué)生造成困擾，不知道多少體積才算適量，即使部分指導(dǎo)教師也不甚明了。實際上，加入適量水溶解的根本目的是為了保證后續(xù)滴定反應(yīng)在液相中更快的進(jìn)行，水量多點或少點不會影響基準(zhǔn)物質(zhì)的摩爾數(shù)，也就是不會影響最終定量分析結(jié)果。如果水太少難以完全溶解或溶解太慢，水太多則會影響滴定過程中的“搖瓶子”操作，導(dǎo)致不容易快速搖勻，也會使變色太淺增加終點誤差。教師往往簡單參照部分教材或講義建議的20～30 mL執(zhí)行，對于學(xué)生經(jīng)常出現(xiàn)使用移液管移取溶解用水的操作視若無睹。這種現(xiàn)象的背后根源就是沒有真正懂“量”的含義，沒有做到該粗則粗、該細(xì)則細(xì)，沒有做到合理選擇量器。

(2)規(guī)范嚴(yán)謹(jǐn)?shù)慕滩幕蛑v義中對于“量”的準(zhǔn)確性的明確要求往往能夠從文字描述或有效數(shù)字的寫法上反映出來，例如：稱取0.2 g樣品和準(zhǔn)確稱取(或精密稱定等類似描述)0.2 g樣品，前者采用精度0.0 g或0.00 g的一般天平即可，而后者則必須采用分析天平。再如：加入20 mL水溶解和移取20.00 mL樣品溶液，前者可以采用量筒或者小燒杯量取，甚至直接用洗瓶大概加一些水即可，而后者則必須采用能夠準(zhǔn)確量取體積的移液管或滴定管才行。

(3)由于教師和學(xué)生沒有真正理解0.1%的含義，導(dǎo)致實驗條件或應(yīng)用對象發(fā)生改變時不能做到靈活處理。例如：滴定分析普遍采用的是50 mL滴定管，隨著綠色環(huán)保的要求日益加強，實驗微型化深入人心，現(xiàn)在使用25 mL和10 mL滴定管越來越普遍，而教材或講義不可能也沒必要立即跟著進(jìn)行更改。滴定管體積減小以后，是不是實驗中其他對應(yīng)的“量”進(jìn)行相應(yīng)比例的減小呢？該如何重新計算？前述0.1%這個量實際是活的，大多數(shù)教材理論計算和實驗設(shè)計雖然以此為核心標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，但實際工作中對于滴定分析誤差的要求一般在0.2%以內(nèi)即可，有些則允許0.3%甚至0.5%亦能接受。科學(xué)的做法應(yīng)該是：首先明確實際分析對象的最大允許滴定誤差，然后根據(jù)所用規(guī)格滴定管的等級和精度計算出由滴定管帶來的合理誤差范圍，再以此為標(biāo)準(zhǔn)計算其他“量”的合理范圍。

1.2 “量”是科學(xué)的一個重要標(biāo)志

“沒有統(tǒng)計數(shù)據(jù)就是耍流氓”，“沒有量化談毒性就是耍流氓”，這些類似的表述充分體現(xiàn)了人們對于科學(xué)的正確認(rèn)識，也是體現(xiàn)科學(xué)素養(yǎng)水平的一個標(biāo)志。科學(xué)有目的、精神、方法三個要素，其中科學(xué)方法又可分為邏輯化、定量化和實證化三個方面的內(nèi)容。分析化學(xué)中的“量”就是科學(xué)的一個重要標(biāo)志，沒有真正理解并能夠應(yīng)用“量”，就沒有真正懂分析化學(xué)，而掌握了“量”不僅意味著科學(xué)素養(yǎng)的提升，而且意味著掌握了一個破除迷信和謠言的利器，也能夠有效幫助人們理性對待廣告宣傳。

分析化學(xué)的許多教學(xué)內(nèi)容都與社會生活的方方面面密切相關(guān)，例如，化學(xué)分析中的酸堿理論是正確認(rèn)識人體血液和消化系統(tǒng)的酸堿平衡的科學(xué)基礎(chǔ)，配位滴定可以解決飲用水和食品中鈣離子含量的測定需要；儀器分析中的原子吸收光譜可以完成藥品中Cr元素的測定，離子選擇性電極可以測定飲用水和食品中的F元素含量，氣相色譜可以測定空氣和食品中甲醛含量，等等。這些與人們?nèi)粘Ｉ钕⑾⑾嚓P(guān)的實例，可以有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，促進(jìn)學(xué)生對于“量”的理解和應(yīng)用能力，顯著提升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)水平。下面就以上述內(nèi)容為例，從“量”的角度進(jìn)行一些科學(xué)分析(注：以下實例的分析僅僅是從“量”的角度進(jìn)行一些科學(xué)上的解讀，不涉及法律法規(guī)、社會倫理、生活習(xí)慣等其他方面)。

(1)酸堿體質(zhì)和酸堿食品。2018年11月2日，美國圣地亞哥法庭判處“酸堿體質(zhì)理論”的創(chuàng)始人羅伯特歐陽(Robert O. Young)，賠償一名癌癥患者 1.05億美元，這對國內(nèi)近些年廣為流傳的“酸堿理論”偽科學(xué)是一個沉重的打擊。前些年許多飲用水廣告也常常以“天然弱堿性水有利健康”為噱頭吸引普通消費者，包括酵素在內(nèi)的許多保健品常常宣稱其產(chǎn)品包含“堿性因子”有利于平衡人體酸堿性從而起到保健作用，擁躉者無數(shù)，從一個側(cè)面說明國人的科學(xué)素養(yǎng)亟待提高。實際上，人體自身不存在酸堿性之說，人體血液的pH值基本恒定在7.35～7.45的弱堿性，而人體的消化系統(tǒng)則為酸性環(huán)境，胃中下部的pH值甚至可以到1.0～2.0的強酸性。由于人體體液本身就是一個巨大的酸堿緩沖系統(tǒng)，正常情況下，任何食物和飲水都不會產(chǎn)生實質(zhì)性影響，即使特別喜歡吃醋的人群也不會讓血液變成酸性。否則就會引發(fā)極其嚴(yán)重的代謝紊亂，乃至生病甚至死亡。

(2)食物相生相克。民間流傳著許多食物相生相克的說法，作者雖然不能一一驗證這些說法的科學(xué)性，但至少能夠保持一種合理的懷疑，而不是盲目相信。在此僅舉一例加以說明：一些養(yǎng)生專家提出牛奶不能與酸性飲料和含酸較多的水果同食的說法，其理由是這些飲料和水果中的酸性物質(zhì)能夠與牛奶中的蛋白質(zhì)結(jié)合導(dǎo)致蛋白質(zhì)凝結(jié)影響消化，這對于普通民眾來說確實存在很大的欺騙性，使用了貌似科學(xué)的一些解釋，讓缺乏一定科學(xué)知識的民眾難以辨別真?zhèn)巍嶋H上，酸性飲料和水果的pH值一般在4～6之間，而胃中下部的酸性更強，另外，在體外能夠?qū)е碌鞍踪|(zhì)凝結(jié)的因素除了酸以外，溫度和鹽分同樣可以使之凝結(jié)。因此，上述解釋本身非常荒唐，對其說法的可信性也就打折扣了。

(3)純凈水與天然礦物質(zhì)水之爭。有一則某品牌瓶裝飲用水的電視廣告，其中呈現(xiàn)了在不同水里飼養(yǎng)斑馬魚的對比結(jié)果，純凈水飼養(yǎng)的斑馬魚不如礦物質(zhì)水飼養(yǎng)的好，暗示給觀眾的是天然礦物質(zhì)水更有營養(yǎng)的結(jié)論。從分析化學(xué)中“量”的角度來分析一下：此品牌飲用水標(biāo)注的鈣含量≥400 μg/100 mL，按照正常人每天飲用2 L水計算出通過飲水?dāng)z入的鈣為8 mg，只占每日鈣推薦攝入量(800 mg)的1%，都趕不上喝一口牛奶所攝入的鈣多(一般牛奶中鈣含量大約為100 mg/100 mL)。那么廣告中的實驗是不是不真實呢？其實不然，真正的問題在于廣告中的實驗只用純凈水和天然礦物質(zhì)水作為斑馬魚的唯一生存條件，而人每天是要吃飯的，飲食是人生存所需攝入礦物質(zhì)的最主要來源，通過飲水所攝入的礦物質(zhì)量是可以忽略不計的。

(4)毒膠囊事件。2012年4月15日，央視《每周質(zhì)量報告》曝光國內(nèi)部分企業(yè)涉嫌用皮革廢料生產(chǎn)藥用膠囊，9家藥廠的13個批次藥品所用膠囊重金屬Cr含量超標(biāo)。中國藥典規(guī)定不超過2 mg/kg，當(dāng)時報道Cr元素含量最高達(dá)83 mg/kg，一個空膠囊的質(zhì)量一般在40～120 mg，常規(guī)每天服用膠囊藥顆粒數(shù)6～12粒，均按上限計算出最高攝入量也只有0.12 μg/d，也遠(yuǎn)低于一般人群78～106 μg/d的攝入水平，并不會因為吃了Cr超標(biāo)的“毒膠囊”造成實質(zhì)性傷害。

(5)氟斑牙與含氟牙膏。氟是人體必需元素，主要參與構(gòu)建牙釉質(zhì)和骨，但是人體攝入F元素過量又會導(dǎo)致氟斑牙、氟骨癥等許多疾病。因此，在環(huán)境監(jiān)測和食品安全等領(lǐng)域的相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)中都涉及了F元素的檢測指標(biāo)。同時，氟元素又是預(yù)防齲齒的有效手段，這正是許多牙膏通過添加含氟化合物達(dá)到預(yù)防齲齒的功效。美國50個大城市中有42個在飲用水中添加氟元素來防止齲齒。對于飲用水中氟元素的含量，中國規(guī)定的限量為1.0 mg/L，WHO規(guī)定為1.5 mg/L。

(6)“我們恨化學(xué)”廣告。2015年11月，國產(chǎn)本土化妝品品牌法蘭琳卡因為一段“我們恨化學(xué)”的15 s廣告，受到輿論討伐。各類鋪天蓋地的包括食品、化妝品、中藥、保健品等在內(nèi)的各類廣告中，明示或暗示純天然產(chǎn)品更好的例子不勝枚舉。以食品為例，許多天然食物自身都是含有對人體有害的物質(zhì)，例如：梨中含甲醛，西葫蘆中含葫蘆苦素E，土豆中含龍葵素，蘋果籽中含苦杏仁苷，等。日常生活中人們對于甲醛的關(guān)注程度非常高，尤其是裝修、家具、汽車等，甚至到了人們談虎色變的程度。實際上，甲醛在水果、蔬菜、水產(chǎn)品、牛奶等平時攝取的食品中普遍存在，世界衛(wèi)生組織發(fā)表的公開資料顯示，蘋果的甲醛含量17.3 ppm，洋白菜 4.7 ppm，鮮牛奶0.027 ppm，加工牛奶0.164 ppm，等。但因這些有害物質(zhì)的含量很低，并不會對人體造成任何實質(zhì)性傷害。

2 結(jié)語

分析化學(xué)的學(xué)習(xí)不僅僅是學(xué)習(xí)知識本身，更核心的內(nèi)容是培養(yǎng)學(xué)生正確理解“量”這一重要的科學(xué)要素，對于學(xué)生提升科學(xué)素養(yǎng)至關(guān)重要。本文結(jié)束生活中的實例，運用分析化學(xué)的知識，特別是從“量”的角度進(jìn)行了科學(xué)分析。在媒體極為發(fā)達(dá)的今天，各種信息充斥著人們的日常生活，只有具備了較好的科學(xué)素養(yǎng)才能進(jìn)行科學(xué)理性的分析，減少迷信和盲從。正如2018年2月“水煮驢皮”事件之后，東阿阿膠掌門人秦玉峰3月份在答記者問時的表述“量化是為了呈現(xiàn)中醫(yī)藥的科學(xué)性，是中醫(yī)藥現(xiàn)代化的必然途徑”。其實不僅中醫(yī)藥如此，社會的各行各業(yè)都需要通過量化體現(xiàn)科學(xué)性，這同時也是中國特色社會主義新時代下建設(shè)創(chuàng)新型社會，提高國際競爭力的有力保障。