基于課程思政的化學(xué)課程教學(xué)融入化學(xué)史的重要性

董麗敏，單連偉，吳澤

[摘 要] “無機(jī)化學(xué)”課程為化學(xué)學(xué)科里的鼻祖，它也伴隨著化學(xué)史的發(fā)展而發(fā)展，化學(xué)史中的一些經(jīng)典案例值得在“無機(jī)化學(xué)”課程教學(xué)中被重點(diǎn)引用。實(shí)踐教學(xué)表明，化學(xué)史可以極大地激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣，加深學(xué)生對(duì)相關(guān)知識(shí)的理解，有助于課程思政，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)精神、科學(xué)的研究方法和創(chuàng)造性。

[關(guān)鍵詞] 化學(xué)史;無機(jī)化學(xué);教學(xué);課程思政

[基金項(xiàng)目] 2018年度黑龍江省高等教育教學(xué)改革項(xiàng)目“專業(yè)認(rèn)證背景下材料類專業(yè)人才培養(yǎng)模式創(chuàng)新研究與實(shí)踐”（SJGY20180201）;2019年度黑龍江省高等教育教學(xué)改革項(xiàng)目“工程認(rèn)證背景下本科課堂教學(xué)質(zhì)量保障機(jī)制研究”（SJGY20190274）;2017年度黑龍江省教育科學(xué)十三五規(guī)劃課題項(xiàng)目“工程認(rèn)證背景下以學(xué)習(xí)者為中心的人才培養(yǎng)模式研究——以‘無機(jī)化學(xué)為例”（GBC1317191）

[作者簡介] 董麗敏（1973—），女，黑龍江海倫人，博士，哈爾濱理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院院長，教授（通信作者），主要從事無機(jī)功能材料開發(fā)研究。

[中圖分類號(hào)] G642.0? ?[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A? ?[文章編號(hào)] 1674-9324（2021）44-0142-04? ? [收稿日期] 2021-03-06

化學(xué)科學(xué)的發(fā)展有很長的歷史。整個(gè)化學(xué)史既是研究人員逐漸理解物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)、變化的歷史，科學(xué)家又將其智慧、態(tài)度和科學(xué)方法貫穿化學(xué)的發(fā)展歷史。“無機(jī)化學(xué)”是化學(xué)學(xué)科里的鼻祖[1]。材料、化學(xué)類專業(yè)屬于理工類專業(yè)，是對(duì)實(shí)踐能力要求較高的專業(yè)[2，3]。“無機(jī)化學(xué)”作為一門基礎(chǔ)課，它是大學(xué)生進(jìn)入專業(yè)領(lǐng)域首先要學(xué)習(xí)的。通過“無機(jī)化學(xué)”的學(xué)習(xí)，學(xué)生可將高中化學(xué)知識(shí)進(jìn)一步延伸，架起與相關(guān)化學(xué)課程的橋梁，能為專業(yè)中的其他課程（如基礎(chǔ)化學(xué)課程和專業(yè)基礎(chǔ)課程等）的進(jìn)一步學(xué)習(xí)和理解打下較好的基礎(chǔ)[4]。在化學(xué)學(xué)科形成、發(fā)展和前進(jìn)的歷史中，出現(xiàn)了一批善于思考的科學(xué)家。這些科學(xué)家在科學(xué)探索過程中通過搭建理想的研究對(duì)象[5]，如理想模型、理想過程和理想實(shí)驗(yàn)等，再將實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及結(jié)果等進(jìn)行對(duì)比、觀察[6]。歷史上許多經(jīng)典的化學(xué)案例都采用了科學(xué)的研究思路及研究方法。

一、講授化學(xué)史能增加學(xué)生學(xué)習(xí)的趣味性

“無機(jī)化學(xué)”中涉及的教學(xué)內(nèi)容具有較深的理論性。大量理論性較深的內(nèi)容易使學(xué)生在課程學(xué)習(xí)過程中感到索然無味，興趣性嚴(yán)重不足，使學(xué)習(xí)動(dòng)力缺乏[7]。因此，要在教學(xué)過程中靈活地穿插融入典型化學(xué)史，深入淺出地論述一些代表性理論的歷史淵源及演化過程。通過在晦澀難懂的化學(xué)理論中融入有趣味的化學(xué)史，一方面可提高學(xué)生對(duì)化學(xué)的學(xué)習(xí)熱情，另一方面還能充分調(diào)動(dòng)學(xué)生探索未知世界的動(dòng)力。在授課教師的指導(dǎo)下，對(duì)理論知識(shí)的“排斥”就會(huì)轉(zhuǎn)化成學(xué)習(xí)化學(xué)知識(shí)的動(dòng)力，從而促進(jìn)學(xué)生對(duì)化學(xué)學(xué)科知識(shí)的掌握。例如，沉淀反應(yīng)中，涉及的反應(yīng)較為孤立，實(shí)際講授中適當(dāng)與生物醫(yī)學(xué)相結(jié)合，如結(jié)石形成的化學(xué)過程，這樣更貼近生活[8]。在教授配合物的內(nèi)容時(shí)，應(yīng)適當(dāng)增加與配位化學(xué)聯(lián)系密切的現(xiàn)代先進(jìn)藥物的合成的知識(shí)。在介紹鹵族元素中的氟元素時(shí)，適當(dāng)引入莫氏發(fā)現(xiàn)氟的成果，及其在1906年獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)的故事。因此，學(xué)習(xí)和講授“無機(jī)化學(xué)”不是對(duì)相關(guān)定義、理論和應(yīng)用的機(jī)械學(xué)習(xí)，而是要以目標(biāo)為導(dǎo)向，在學(xué)生的思想里形成一個(gè)基本的輪廓[9]，增加基本知識(shí)與其他事物的關(guān)聯(lián)。

二、增強(qiáng)大學(xué)生對(duì)化學(xué)知識(shí)的理解

人們對(duì)物質(zhì)、現(xiàn)象的理解經(jīng)常受到生產(chǎn)力水平、時(shí)代思想、科學(xué)方法等很多因素的影響，所以人類對(duì)外界的理解在某一階段往往體現(xiàn)出一定的合理性和正確性。然而，在生產(chǎn)力逐步提高的過程中，合理性和正確性往往是相對(duì)的，而不是絕對(duì)的，這一點(diǎn)在課堂上要特別地給予提示，具有重要意義。例如，人類對(duì)物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的理解和認(rèn)識(shí)經(jīng)歷了數(shù)千年，中國古代哲人墨子曾提出“端”學(xué)說，古希臘德莫克利特提出了“原子”學(xué)說。隨著科技水平的逐步提升，1808年，道爾頓（John Dalton）提出原子具有不可分割性，原子是組成物質(zhì)的最小微粒。每個(gè)時(shí)代都有自己的局限性，道爾頓在“原子不可再分”的觀點(diǎn)上非常固執(zhí)。1897年，著名的科學(xué)家湯姆生（英國）在實(shí)驗(yàn)中觀測到陰極射線發(fā)生了偏折。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，偏折的陰極射線為帶負(fù)電荷的粒子流。他還發(fā)現(xiàn)了一個(gè)有趣的現(xiàn)象，當(dāng)放電管的氣體種類發(fā)生變化或者更換放電管內(nèi)的陰極材料時(shí)，實(shí)驗(yàn)得到的陰極射線的性質(zhì)并沒有變化。這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果能夠確定陰極產(chǎn)生的粒子具有共性，而所有原子中都包含這種有共性的組分。湯姆生將帶負(fù)電荷的粒子稱為“電子”。隨著電子概念的逐步被認(rèn)識(shí)和理解，1904年，他提出了著名的葡萄干布丁原子模型。湯姆生認(rèn)為整個(gè)原子為電中性，原子中存在著正電荷（均勻分布在原子中），原子中帶負(fù)電荷的電子以平衡位置埋藏并連續(xù)分布在原子的正電荷中，他在1906年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

盧瑟福（英國著名的物理學(xué)家）利用經(jīng)典的粒子散射實(shí)驗(yàn)明確了在原子內(nèi)部有原子核，以觀測到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)在1911年提出了“行星模型”，顛覆了湯姆生提出的“棗糕原子模型”。通過在課堂上講授人類對(duì)原子結(jié)構(gòu)認(rèn)知的動(dòng)態(tài)演化過程，一方面可以使學(xué)生全角度地深刻理解相關(guān)的化學(xué)理論，另一方面可以使學(xué)生養(yǎng)成用前瞻性的視角去審視化學(xué)的歷史、現(xiàn)在和未來。

三、有助于學(xué)生科學(xué)態(tài)度與科學(xué)思維方法的形成

科學(xué)態(tài)度是科學(xué)素質(zhì)的核心。化學(xué)史體現(xiàn)了人類對(duì)自然規(guī)律認(rèn)識(shí)的長期性和艱巨性，體現(xiàn)了人類堅(jiān)持實(shí)踐、不斷追求新觀點(diǎn)的科學(xué)精神。在“無機(jī)化學(xué)”教學(xué)中增加化學(xué)史資料，有利于大學(xué)生養(yǎng)成辯證唯物主義思想，對(duì)大學(xué)生化學(xué)知識(shí)的儲(chǔ)備和思維的發(fā)展有潛在的作用。盧瑟福（Ernest Rutherford）在1871年降生在新西蘭的一個(gè)工人家庭。1895年，盧瑟福在劍橋大學(xué)攻讀博士學(xué)位，發(fā)現(xiàn)了α和β射線。在27歲時(shí)，盧瑟福擔(dān)任了麥吉爾大學(xué)（加拿大）的教授職位。在麥吉爾大學(xué)，他繼續(xù)開展射線方面的研究工作。1908年（37歲），盧瑟福因“元素蛻變及其放射化學(xué)方面的研究”而榮獲諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。歷史學(xué)家認(rèn)為，盧瑟福一直扮演著兩個(gè)重要角色（科學(xué)家和教育學(xué)家）。為什么這么說呢？我們知道，盧瑟福的學(xué)生和助手中有10多人摘取過諾貝爾獎(jiǎng)，這在諾貝爾獎(jiǎng)史上是空前絕后的，因此盧瑟福是實(shí)至名歸的科學(xué)家和教育學(xué)家。這與他注重培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維方法密切相關(guān)。1911年，盧瑟福在英國曼徹斯特大學(xué)進(jìn)行了“物理最美實(shí)驗(yàn)”之一的著名的“α粒子散射實(shí)驗(yàn)”。大多數(shù)α粒子穿透金箔之后繼續(xù)遵循著已有的方向前進(jìn)，少量的α粒子的運(yùn)動(dòng)方向有較大的變化，極少數(shù)α粒子的偏轉(zhuǎn)角度要大于90°，有的乃至接近180°，像是受到金箔的反彈作用。基于上述實(shí)驗(yàn)，盧瑟福提出原子內(nèi)部大部分是空洞，原子核是原子質(zhì)量和正電荷的主要來源，帶負(fù)電的電子散布在原子核的外部，以原子核為中心圍繞原子核運(yùn)動(dòng)。盧瑟福認(rèn)為，原子的中心為一個(gè)帶正電且質(zhì)量很大的核，原子核的半徑很小，其尺寸介于10-5～10-6nm之間，是整個(gè)原子半徑的1/1000至1/100000。盧瑟福的理論為原子科學(xué)的前進(jìn)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。盧瑟福偉大的成就主要表現(xiàn)在兩大方面：一是在科學(xué)研究上取得了舉世矚目的成果，二是在培養(yǎng)高水平科研人員方面也成績斐然。這得益于他本人的科學(xué)態(tài)度。

卡文迪許實(shí)驗(yàn)室設(shè)在英國劍橋大學(xué)，創(chuàng)始人為麥克斯韋。波爾（Niels Bohr）為丹麥人，他在1887年出生于哥本哈根，從哥本哈根大學(xué)博士畢業(yè)后，開始在卡文迪許實(shí)驗(yàn)室（該實(shí)驗(yàn)室曾經(jīng)有許多代表性的科學(xué)成果，如發(fā)現(xiàn)電子和中子、發(fā)現(xiàn)原子核的結(jié)構(gòu)、發(fā)現(xiàn)DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)等）工作。湯姆生是當(dāng)時(shí)的第三任領(lǐng)導(dǎo)。1913年2月，基于盧瑟福提出的原子模型，波爾認(rèn)為電子在核外存在量子化軌道。通過朋友漢森，波爾了解到1885年瑞士數(shù)學(xué)教師巴耳末的巴耳末公式。巴耳末公式的內(nèi)容為波爾的進(jìn)一步突破提供了靈感，之后波爾提出了從光譜線的組合定律到定態(tài)躍遷的概念，這個(gè)過程后來被他稱為“二月轉(zhuǎn)變”。一石激起千層浪。在波爾提出原子結(jié)構(gòu)模型后，基于波爾提出的理論，對(duì)氫和類氫原子的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)方面的一些問題，海森堡、薛定諤、波恩等人找了合理的依據(jù)。現(xiàn)代量子力學(xué)的跨越式進(jìn)步離不開上述科學(xué)家的辛勤努力，而波爾原子結(jié)構(gòu)模型是人類在原子結(jié)構(gòu)上的里程碑式的認(rèn)識(shí)。1922年，波爾獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，以表彰他在原子結(jié)構(gòu)，特別是在研究原子發(fā)出的輻射方面所做的貢獻(xiàn)。客觀而言，“三代師生建立的原子結(jié)構(gòu)模型”是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維和科學(xué)態(tài)度的極好素材，使學(xué)生真切地感受到科學(xué)家探索物質(zhì)構(gòu)成奧秘是一個(gè)不斷前進(jìn)的過程。這個(gè)過程需要探究的科學(xué)性和方法的正確性。同時(shí)，也應(yīng)讓學(xué)生懂得三代師生最大的特點(diǎn)都是站在巨人的肩膀上。只有不斷繼承前人的成果，才能更好地繼承、發(fā)展、創(chuàng)新，并使學(xué)生理解它們之間的哲學(xué)辯證關(guān)系。

四、近代史經(jīng)典案例對(duì)大學(xué)生前沿思維意識(shí)的培養(yǎng)

美國《科學(xué)》雜志在創(chuàng)刊125周年之際提出了125個(gè)最具挑戰(zhàn)性的科學(xué)問題，其中一個(gè)最典型的問題是“水的結(jié)構(gòu)是什么”。氫鍵的本質(zhì)一般被看作經(jīng)典的靜電相互作用，我們知道氫原子核只有一個(gè)質(zhì)子和中子，其質(zhì)量很小，一般要考慮其本身產(chǎn)生的量子特性（量子隧穿和量子漲落），因此氫鍵也呈現(xiàn)了一定的量子特效。北京大學(xué)聯(lián)合相關(guān)單位開展了相關(guān)研究，對(duì)此，教師在教學(xué)中要及時(shí)跟進(jìn)，融入雜化軌道理論的教學(xué)中。量子力學(xué)的不確定性，使水分子中的氫原子表現(xiàn)出明顯的零點(diǎn)運(yùn)動(dòng)特性。這可以起到指示性作用，引導(dǎo)學(xué)生更好認(rèn)識(shí)可分辨水分子的拉伸、彎曲和轉(zhuǎn)動(dòng)等振動(dòng)模式（見圖1）。

在準(zhǔn)晶體被發(fā)現(xiàn)之前，“晶體”的定義是指數(shù)學(xué)上“有序”且呈“周期性”（periodic）排列的三度空間物質(zhì)結(jié)構(gòu)。按照教科書上的講解，我們知道晶體按其內(nèi)部結(jié)構(gòu)可分為七大晶系和14種晶格類型。就旋轉(zhuǎn)對(duì)稱（rotational symmetry）來說，一個(gè)周期性的三維晶體只能出現(xiàn)1、2、3、4和6重旋轉(zhuǎn)對(duì)稱，完全排除5重以及更高重旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的可能性。在70年間，科學(xué)家無一例外地認(rèn)為已知晶體的原子格點(diǎn)都呈周期性的排列，而且是按照上述對(duì)稱規(guī)則。Shechtman教授雖然徹底打破經(jīng)典晶體學(xué)中5重旋轉(zhuǎn)對(duì)稱不可能存在的禁錮，但從1984到1994年的整整10年間，Shechtman教授的研究（見圖2）還是遇到了大量的反對(duì)聲音。其中，最為強(qiáng)烈的反對(duì)者為兩次諾貝爾獎(jiǎng)得主Linus Carl Pauling 教授（1954年得化學(xué)獎(jiǎng)，1962年得和平獎(jiǎng)，1994年去世）。但是，Shechtman教授為什么自始至終這么自信呢？因?yàn)樗哉鎸?shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果為證據(jù)，不迷信權(quán)威，堅(jiān)信在這次晶體學(xué)論戰(zhàn)中Pauling錯(cuò)了！

Shechtman教授的堅(jiān)持是有依據(jù)的，如圖2中的右圖所示，其典型的5重對(duì)稱性特征性十分明顯。Shechtman還認(rèn)為Pauling雖然是一位偉大的（美國）化學(xué)家，卻并不是電子顯微鏡（術(shù)）專家。他斬釘截鐵地說，Pauling闖進(jìn)了自己不熟悉的學(xué)術(shù)專業(yè)領(lǐng)域。我們也知道，自然界中有大量的五次對(duì)稱情況，如圖3所示。很顯然，這部分知識(shí)在無機(jī)化學(xué)教材中是缺失的，在新教材的晶體結(jié)構(gòu)部分及時(shí)填補(bǔ)這部分內(nèi)容是非常緊迫的，它也是體現(xiàn)教材知識(shí)前沿性的重要方面。

在化學(xué)教育過程中融入化學(xué)史，在實(shí)踐教學(xué)中證明可提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、思維意識(shí)和探索能力，進(jìn)而提高大學(xué)生的學(xué)習(xí)能力，讓他們逐步具有一定的創(chuàng)造性，才不會(huì)被知識(shí)迅速更替的社會(huì)所淘汰。只有具備較強(qiáng)的思考意識(shí)，才能夠挖掘和提出有價(jià)值的化學(xué)問題，逐漸培養(yǎng)學(xué)生勇于創(chuàng)新的精神、敢于懷疑的態(tài)度。利用化學(xué)史，特別是講解近現(xiàn)代化學(xué)史中的經(jīng)典案例，可以潛意識(shí)里培養(yǎng)大學(xué)生肯于鉆研、勇于探索的創(chuàng)新品質(zhì)。

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The Importance of Integrating Chemistry History into Chemistry Course Teaching Based on Curriculum? Ideology and Politics

DONG Li-min， SHAN Lian-wei， WU Ze

（School of Material Science and Engineering， Harbin University of Science and Technology， Harbin， Heilongjiang 150040，China）

Abstract： Inorganic chemistry is the origination of the chemistry discipline. Its development has been accompanied by that of the history of chemistry. Some classic cases in the history of chemistry deserve to be cited as highlighted references in the teaching of inorganic chemistry. Teaching practice shows that chemistry history can greatly stimulate students interests in chemistry and can deepen students understanding of relevant knowledge， which is helpful for the curriculum ideology and politics， and can cultivate students scientific spirit， improve their scientific research methods and creativity.

Key words： chemistry history; inorganic chemistry; teaching; curriculum ideology and politics