化学课程中经典内容教学的现代化问题

赵明

(北京大学药学院化学生物学系 北京 100191)

无论化学科学怎样发展,总会有一些以往的教学内容被保留下来,像一些以前发现的元素的性质及其化学反应、经典的容量和重量分析方法、元素及化合物的分离和提纯方法等，这些内容在化学教育课程中被称为经典内容。现代化学教学中应该怎样处理这些经典的内容呢？是完全不保留，还是建立一个全新的化学教学体系,将这些内容有选择地保留在新的体系中呢？本文将就此问题进行探讨。

1 什么是化学课程中的经典内容

化学科学史对于经典化学时期与现代化学时期的分期问题存在着两种不同的观点。一种观点认为，以原子序为基础的元素周期系建立以后的化学是现代化学，之前的化学是经典化学，这种观点是以20世纪初卢瑟福的原子核结构实验作为基础；另一种观点认为，现代化学与经典化学的分期以鲍林出版《化学键的本质》一书作为分界线。但是鲍林等人的理论是以量子力学作为基础的[1]，量子力学理论的形成也是在20世纪初。因此，这两种观点从时间上讲，时期的划分相距不远。 从学术观点上看，二者都是以现代原子、分子结构理论的建立时间作为基础的分期。

从以上的分期来看，现在大学里讲授的化学课程中许多都是经典化学的内容，而且地位非常重要。如无机化学中的元素化学部分，分析化学课程中经典的容量和重量分析方法，有机化学中很多重要经典合成反应、手性化合物分离方法、布特列洛夫的化学结构学说、凯库勒苯环结构，以及物理化学中的化学热力学理论、电离学说、络合物热力学理论、氧化还原理论等都是经典内容。

2 重新评价经典化学内容在现代化学教育中的地位

尽管现代化学科学已出现了诸多新的理论和实验方法，应用了现代仪器分析和信息与计算机技术，经典化学的方法仍然在现代化学科学体系中占有举足轻重的地位，主要表现在以下几个方面：

(1) 经典化学实验的方法被作为现代方法的标准，很多现代大型化学分析仪器的化学基准物是用经典的化学实验方法分离提纯和分析之后才作为标准的，在判断很多新的化学分析实验方法是否准确时，也是通过与经典方法进行比较后才得到结论。

(2) 有些现代的理论和方法中整合了经典的理论和方法,有些是对经典理论和方法的修正和扩展。例如，现代的量热方法，虽然更智能化，却应用了经典化学热力学的原理和量热学方法;又如,现在合成一个有机化合物，其中一些步骤是经典的有机合成反应。还可以发现,有些物理化学的定律在修正之后可以扩大应用范围，甚至适用于其他的化学科学领域；合成化学家将一些经典的化学合成方法改进之后，使其用途更广泛。

(3) 在现代化学分析方法的样品预处理方法中，很多都是经典方法，或者借鉴了经典方法的原理。而有机化合物在进行波谱分析前，样品先要用经典元素分析方法确定最简式。

(4) 现代化学理论并非十全十美,现时无法解决的问题，还要从经典理论和方法中寻求智慧。

同时,应该告诉学生经典理论和方法的局限性及其适用范围。经典理论为了简化解决问题步骤，物质结构以及化学反应模型忽略了很多真实存在的相互作用，有些是经验型的，缺乏定量的逻辑关系，其理论缺乏普适性。经典实验方法一般适用于高的反应物用量，不适用于微量物质的化学反应。

3 经典化学教学内容的取舍与讲授课时的确定

随着化学科学的发展，有些经典教学内容应被淘汰，有些内容仍然重要，应该保留。现在化学教学中取舍的原则是什么？经典内容教学课时应该怎样确定呢？

首先，应该保留那些在化学科学发展历史过程中不可忽略的部分，告诉学生这些内容对于现代化学科学的影响。

还有一些内容是无论在科学研究，还是在产业界以及社会服务机构都已不再采用的方法，可是教师认为这些方法的教学可以用来培养学生的科学思维能力。在20世纪80年代，大学化学教科书中还使用硫化氢体系定性分析18种阳离子的实验教学[2]，而当时的化学工业界、医药、商检和司法界已开始广泛使用光谱学分析方法，那时的化学教师之所以保留这个体系，是由于他们认为，虽然这个体系很经典，却可以帮助学生学会应用简单的化学反应将无机离子分组分离的逻辑思维方法，熟悉常见的化学试剂和仪器的使用方法，而不是简单地仅仅知道使用现代化学分析仪器进样和输出数据结果。后来，由于污染和毒性的原因，这个体系被淘汰掉了。对于这部分内容，可以寻找其他可以使学生得到类似的思维训练的体系代替，同时能够克服以往方法的缺陷。

主张多讲授经典内容的教师认为：除非学生毕业后专业从事经典内容的教学、科研工作，或者他们在产业界和社会服务机构的工作恰恰与这些内容相关，他们可能终身都不会再有机会接触到这些内容。对于他们来讲，这些内容是第一次学习也是最后一次学习，那么，经典部分的教学就非常重要。

主张少讲授的教师有另外的观点：学生毕业以后需要就业，因为产业界及政府机构会很快更新技术，过多地学习经典课程似乎是多余的，甚至成为教育与现实脱节的一个原因。高等教育正在出现高等基础教育与高等职业教育一体化的趋势，高等教育课程的内容更实用、更适应人才市场需求也是评价大学教育水准的一个重要方面。

教师在教育学生时，应该给予他们一个完整的科学体系，而不是为了实用只去告诉学生这个体系的一些部分。设计现代的化学教学体系时，是仅仅考虑很快谋得职业，还是考虑为学生开辟更广阔的发展前景，这是决定化学课程中经典内容取舍和教学课时时应该思考的问题。

4 重新系统化

无论是波义耳出版《怀疑的化学家》的时代，还是门捷列夫发现化学元素周期律的时代，以及20世纪初由原子结构理论和量子力学推动的化学科学革命的时代，化学科学曾多次重新系统化，化学教育也跟随化学科学的发展多次重新系统化。今天的化学科学出现了很多新的理论和实验方法，如纳米科学、单分子光谱学、新的有机合成方法等；化学教育的注意力也在转移，更趋向生物体系以及能源和环境问题。所以，化学教学也在面临重新系统化的问题。我认为，对教科书，以及理论和实验教学方法的重新系统化应该考虑以下原则。

(1)基于现代的化学结构和化学反应的理论。

基于经典部分同现代化学科学的联系，用现代化学科学的观点去重新审视经典内容，建立新的化学教育体系，将保留的经典内容整合在新体系中。例如,现代有机化学在讲授苯的性质、结构和化学反应时，仍旧保留了凯库勒苯环结构以及很早以前就已发现的苯的化学反应等经典内容，用分子轨道理论去阐述问题。

(2)基于教育的规律。

不仅仅是化学科学在发展，教育科学在近20年也在发展，考虑接受教育的主体在变化[3]，新的教育方法要融合在新的化学教学体系中，化学教师要与教育心理学、教育社会学专家合作研究建立新体系。

在化学教学中，阐述问题的先后次序往往与科学发现的历史顺序不同。例如，讲授元素化学部分是根据化学元素周期表的顺序，而不是根据元素发现的历史顺序；因为这样讲授学生更容易理解，同时不违背科学规律。

1998年，联合国教科文组织在《21世纪世界高等教育宣言：愿景与行动》中提出：创新教育的方法是具有批评能力的思考和创造力。宣言肯定了以学生为导向的教学方法，并且指出：新的教育方法还意味着新的教学内容，以及与之相应的新的教学试验方法，不仅仅发展学生的记忆力，还要发展他们的理解力、实际工作技能和创造力。如果采用建构主义[4]的学习方法，告诉学生一些建构的原则和方法，把用于建构的理论和实验的模块给他们，把经典的和现代的化学知识模块给他们，让他们自己去建构新的化学科学大厦，然后用他们的大厦跟前辈大师的大厦去比较，他们会发现自己应该向大师学习什么，他们也可能还会发现大师的缺陷，无论是在知识模块里，还是在由模块构成的体系中，以及构造的方法，可能都存在问题。当学生能够提出问题[5]，并且懂得为了给出问题的答案如何重新学习时，这才标志着达到了教学的目的。

(3)基于国际标准化原则。

现在有些化学教师在教学中并没有使用IUPAC最新颁布的化学原子量数据；有些化学教师没有访问过IUPAC的网站，去认真阅读过跟自己教学的专业有关的专业术语和名词的文章；很多大学化学教学实验室的实验条件数据(T、p、……)和实验仪器(天平、容量仪器……)未作过国际标准化的校正。教科书中经典内容的编纂和教学应该采用新的名词术语和国际标准数据。

(4)基于智能化原则。

化学教师不应该重复劳动,应该更有创造性地从事教学工作。如建立智能化互联网教学答疑系统，把学生提问率高的问题和答案放在教学网络上，使学生可以自己搜索提问和获得答案。这样，教师可以有更多时间与学生讨论一些有争议的问题。又如在互联网上开辟化学科学教育社区，使教师和学生可以更自由地在不同的时间和空间讨论问题。

智能化教学不仅仅是学生自己编写计算机程序去处理经典化学的计算问题，使用像EXCEL这样的软件,更重要的是,要将经典的化学知识模块化,整合在化学计算机数据库中,设计出虚拟的解决化学问题的程序,这种程序可以判断化学反应的可能性，预言反应产物和动力学途径，以及是不是生态化的反应，还可以控制自动化和机器视觉化化学实验系统。总之，应用智能化技术可以令经典化学实验教学更具有吸引力，而且还可以缩短实验时间，得到更准确的数据，为学生将来在科研和产业界就职打下基础[6]。

应该注意的问题是，智能化教学系统是为帮助学生建立正确的科学概念设计的。有些教师在PPT中使用了动漫技术、FLASH技术帮助学生理解一些化学科学概念，但是这些技术表达的图像有时与真实的物质结构和化学反应相去甚远，容易给学生造成错误的印象。所以，教学使用的图像应与真实的化学反应图像越接近越好。如果图像是示意的，一定要向学生说明。

(5)基于生态化原则。

生态化的观点认为：如果化学反应过程的反应物和产物以及化学反应能量与自然体系的交换方式，不对自然物种及其食物链构成破坏，不影响生态体系平衡，就可以认为是生态化的化学反应。

现在化学教科书中叙述的一些经典化学分析方法，以及一些高产率的经典有机合成反应，使用对人体有害的试剂，产物也污染环境，这些方法将来可能被淘汰[7]。作为化学科学史的部分，这些方法都曾有过很重要的作用,这些方法的原理对于建立新方法可能作为借鉴和参考。如果课程中保留这些内容，也只是保留原理，同时应告诉学生方法中存在的生态问题，将来应用这些方法时，化学反应要根据生态化要求重新设计。

1) 对于帮助学生理解原理和学习方法的实验，应尽量选择生态化试剂，考虑产物是不是生态化，比如碱标定实验选用草酸作为基准物比邻苯二甲酸氢钾更符合生态化要求，因为前者是天然产物，它的降解产物也很容易步入自然循环中，不至于对自然生态造成破坏。

2) 化学实验教学应该减少试剂用量。现在经典常量化学实验使用试剂量过多，与实际工作要求有很大差距，过高的试剂使用量也造成过多的废弃物。但是试剂减量也会带来一些问题，原来的方法可以观察到的现象可能会观察不到，原来的方法可以得到的准确数据也可能得不到了，所以经典方法的实验化学反应和观察计量用的实验仪器都要重新设计。

3) 现实工作中，很多环境、医药的分析工作要分析和处理毒物和污染物，而生态化的替代试剂和方法还没有出现，决定了实验体系还不可能是生态化的。但是为了培养学生的工作能力又不得不保留这些实验方法。因此，要有标准化的防护和处理废弃物的方法。

4) 经典化学实验室的设备要及时更新。应将汞温度计换成数字式的；将直接排放水的旧式回流冷凝水管换成电动循环冷凝装置，以节约大量净化过的水；要更换含有毒金属的实验设备和高耗能设备，以节约实验成本，并使实验过程更安全。

5) 化学工作者要与生态学专家合作，建立化学实验室的生态评估体系，请生态学专家对化学实验室作出生态化评估[8]。因为化学产业的生态化的革命是从实验室开始的，大学化学教学应该帮助学生建立这样的理念。

5 小结

现在的化学教师可能是化学教育史上最为辛苦的化学教师。因为他们不仅要懂得化学的历史——经典和现代的化学科学概念的发展沿革，精通化学科学的方法——懂得理论分析、实验技术和数学与计算机的处理方法，清晰地知道化学科学在整个科学体系中的位置以及化学与自然及社会的关系，学会用经典的和现代的哲学观念去思考化学问题，还要懂得全新的教育心理学和教育方法学，懂得艺术和美学，精通获得化学资讯的方法，懂得知识产权的保护，懂得怎样把化学知识市场化等等。由于他们正处在一个化学教育理念和方法转折的时代，他们必须比以往的化学教师付出更多的劳动。

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

[2] 北京大学化学系普通化学教研室.普通化学实验.北京:北京大学出版社,1981

[3] 赵明.大学化学,1990,5(1):51

[4] 莱斯利·P·斯特弗,杰里·盖尔.教育中的建构主义.高文,徐斌艳,程可拉,等译.上海：华东师范大学出版社,2002

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

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

[7] 李发美.分析化学.第6版.北京:人民卫生出版社,2007

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