分析化学课程中的“量”与科学素养教育漫谈

毛 杰，王 邃，戴静波，周俊惠，张 斌

(1.浙江医药高等专科学校基础学院，浙江 宁波 315100；宁波大学 材料科学与化学工程学院，浙江 宁波 315211)

科技在现代社会的重要性与日俱增，也无处不在，更是大国竞争力的核心之一。国内外社会环境正在发生着深刻变革，一轮又一轮的科技革命不仅给科技创新和产业结构带来了巨大挑战，同时也带来了千载难逢的机遇。核心科技不仅体现在芯片、航母、高铁、医药等高技术领域，也体现在广大民用产品的生产制造领域。这就意味着国家发展不仅需要大量优秀的科研人才，也需要广大的普通公民具备基本的科学素养。据最新报道，2018年我国公民具备科学素养比例达到8.47%，京沪两地均已突破20%；而在2005年《全民科学素养行动计划(2006-2010-2020)》颁布之前，这个比例仅为1.6%。虽然我国取得了巨大的进步，然而和部分西方国家相比还有较大差距：2016年美国28%，2005年瑞典35%，2014年加拿大42%。虽然各个国家因为采用的测评标准(如新旧两种米勒体系)不同，会对测试结果带来一些影响，但不会导致逆转性的结果。

我国的高等教育从精英教育走入了大众教育阶段，毛入学率已经超过四成。大学生作为国家科技发展的后备军和未来的主力军，对其科学素养的要求肯定远远超过普通公民。2000年开始，每三年开展一次的国际学生测评项目(后简称PISA)，在2015版中指出“科学素养是一个具有反思能力的公民，运用科学观念，参与科学事务的能力”。这种科学能力又可以进一步细分为“科学地解释现象”、“评估与设计科学探究”、“科学解读数据和证据”三种核心能力。尽管PISA测评是直接面向15岁学生的，但其所倡导的科学教学理念及发展新动向仍然可以为我国科学教育的改革和发展提供一些重要启示。

分析化学(包含化学分析和仪器分析)是化学专业的核心课程之一，隶属于自然科学。同时，分析化学的主要任务和目标是利用化学方法和手段完成实际样品中化学成份种类和含量的测定，因此，其技术性和应用性特征也非常明显。恰好符合科学素养中的科学(Science)、技术(Technology)、社会(Society)及其相互关系的认知维度，因此，在分析化学的教学过程引入STS教育理念非常方便，对于提升大学生的科学素养非常有利。

1 分析化学中的“量”与科学素养

本文作者均从事分析化学类课程教学多年，教授过化学、应用化学、材料科学、化学工程、食品工程、海洋科学、环境工程等多个专业的分析化学类课程。虽然不同专业在课程名称、教学内容上有不同的侧重点，但在培养学生科学素养方面的核心共性就是分析化学中“量”的概念的引入和深刻理解。这是因为“量”不仅是学好分析化学类课程的关键，也是区分科学与伪科学的一个重要标志，对于学生今后从事科学研究、技术和产品开发、以及破除迷信和谣言都有非常重要的帮助。下面结合分析化学教学内容和生活实例谈谈对于“量”的认识以及对于科学素质教育的意义。

1.1 化学分析中的0.1%

任何的分析检测过程都会有误差，这是无法消除的。在不同的应用领域，对于误差的可接受限度是不同的。对于化学分析而言，通用的可接受标准是相对误差小于0.1%，所有的设计和要求均围绕这个“量”的要求而展开。主要包括：基准物质的纯度要求大于99.9%，滴定反应进行的完全程度大于99.9%，滴定突跃范围是在化学计量点的正负0.1%之内，选择指示剂时其变色点要落在滴定突跃范围之内，分析天平称量的样品质量要大于0.2 g，滴定体积要大于20 mL，滴定终点附近的半滴操作，近似计算处理时需要满足的条件，测量和计算结果的有效数字要保留4位，化学分析中实验中的溶液配置和转移要使用容量瓶、移液管，等等。化学分析中的每一个环节都要满足上述要求才能保证最终结果的误差是允许范围的，也就是结果是准确可靠的。

根据本文作者多年教学经验来看，不仅学习分析化学类课程的本科生，甚至包括部分任课教师都很难真正领悟这个“量”。这种情况从滴定分析实验操作过程的细节非常容易体现出来，也是实验指导教师最痛苦的事，反复纠正，收效甚微，本质上都是学生对“量”的概念没有真正理解，也就不够重视。由于不能真正领悟0.1%这个“量”而导致的常见错误操作实例，已经有很多文献进行过总结，此文不再赘述。作者借此机会分享另外3个案例：

(1)用基准物质邻苯二甲酸氢钾标定NaOH溶液浓度时，需要加入适量去离子水溶解基准物质再行滴定，此处的“适量”常常对学生造成困扰，不知道多少体积才算适量，即使部分指导教师也不甚明了。实际上，加入适量水溶解的根本目的是为了保证后续滴定反应在液相中更快的进行，水量多点或少点不会影响基准物质的摩尔数，也就是不会影响最终定量分析结果。如果水太少难以完全溶解或溶解太慢，水太多则会影响滴定过程中的“摇瓶子”操作，导致不容易快速摇匀，也会使变色太浅增加终点误差。教师往往简单参照部分教材或讲义建议的20～30 mL执行，对于学生经常出现使用移液管移取溶解用水的操作视若无睹。这种现象的背后根源就是没有真正懂“量”的含义，没有做到该粗则粗、该细则细，没有做到合理选择量器。

(2)规范严谨的教材或讲义中对于“量”的准确性的明确要求往往能够从文字描述或有效数字的写法上反映出来，例如：称取0.2 g样品和准确称取(或精密称定等类似描述)0.2 g样品，前者采用精度0.0 g或0.00 g的一般天平即可，而后者则必须采用分析天平。再如：加入20 mL水溶解和移取20.00 mL样品溶液，前者可以采用量筒或者小烧杯量取，甚至直接用洗瓶大概加一些水即可，而后者则必须采用能够准确量取体积的移液管或滴定管才行。

(3)由于教师和学生没有真正理解0.1%的含义，导致实验条件或应用对象发生改变时不能做到灵活处理。例如：滴定分析普遍采用的是50 mL滴定管，随着绿色环保的要求日益加强，实验微型化深入人心，现在使用25 mL和10 mL滴定管越来越普遍，而教材或讲义不可能也没必要立即跟着进行更改。滴定管体积减小以后，是不是实验中其他对应的“量”进行相应比例的减小呢？该如何重新计算？前述0.1%这个量实际是活的，大多数教材理论计算和实验设计虽然以此为核心标准进行，但实际工作中对于滴定分析误差的要求一般在0.2%以内即可，有些则允许0.3%甚至0.5%亦能接受。科学的做法应该是：首先明确实际分析对象的最大允许滴定误差，然后根据所用规格滴定管的等级和精度计算出由滴定管带来的合理误差范围，再以此为标准计算其他“量”的合理范围。

1.2 “量”是科学的一个重要标志

“没有统计数据就是耍流氓”，“没有量化谈毒性就是耍流氓”，这些类似的表述充分体现了人们对于科学的正确认识，也是体现科学素养水平的一个标志。科学有目的、精神、方法三个要素，其中科学方法又可分为逻辑化、定量化和实证化三个方面的内容。分析化学中的“量”就是科学的一个重要标志，没有真正理解并能够应用“量”，就没有真正懂分析化学，而掌握了“量”不仅意味着科学素养的提升，而且意味着掌握了一个破除迷信和谣言的利器，也能够有效帮助人们理性对待广告宣传。

分析化学的许多教学内容都与社会生活的方方面面密切相关，例如，化学分析中的酸碱理论是正确认识人体血液和消化系统的酸碱平衡的科学基础，配位滴定可以解决饮用水和食品中钙离子含量的测定需要；仪器分析中的原子吸收光谱可以完成药品中Cr元素的测定，离子选择性电极可以测定饮用水和食品中的F元素含量，气相色谱可以测定空气和食品中甲醛含量，等等。这些与人们日常生活息息相关的实例，可以有效激发学生的学习兴趣，促进学生对于“量”的理解和应用能力，显著提升学生的科学素养水平。下面就以上述内容为例，从“量”的角度进行一些科学分析(注：以下实例的分析仅仅是从“量”的角度进行一些科学上的解读，不涉及法律法规、社会伦理、生活习惯等其他方面)。

(1)酸碱体质和酸碱食品。2018年11月2日，美国圣地亚哥法庭判处“酸碱体质理论”的创始人罗伯特欧阳(Robert O. Young)，赔偿一名癌症患者 1.05亿美元，这对国内近些年广为流传的“酸碱理论”伪科学是一个沉重的打击。前些年许多饮用水广告也常常以“天然弱碱性水有利健康”为噱头吸引普通消费者，包括酵素在内的许多保健品常常宣称其产品包含“碱性因子”有利于平衡人体酸碱性从而起到保健作用，拥趸者无数，从一个侧面说明国人的科学素养亟待提高。实际上，人体自身不存在酸碱性之说，人体血液的pH值基本恒定在7.35～7.45的弱碱性，而人体的消化系统则为酸性环境，胃中下部的pH值甚至可以到1.0～2.0的强酸性。由于人体体液本身就是一个巨大的酸碱缓冲系统，正常情况下，任何食物和饮水都不会产生实质性影响，即使特别喜欢吃醋的人群也不会让血液变成酸性。否则就会引发极其严重的代谢紊乱，乃至生病甚至死亡。

(2)食物相生相克。民间流传着许多食物相生相克的说法，作者虽然不能一一验证这些说法的科学性，但至少能够保持一种合理的怀疑，而不是盲目相信。在此仅举一例加以说明：一些养生专家提出牛奶不能与酸性饮料和含酸较多的水果同食的说法，其理由是这些饮料和水果中的酸性物质能够与牛奶中的蛋白质结合导致蛋白质凝结影响消化，这对于普通民众来说确实存在很大的欺骗性，使用了貌似科学的一些解释，让缺乏一定科学知识的民众难以辨别真伪。实际上，酸性饮料和水果的pH值一般在4～6之间，而胃中下部的酸性更强，另外，在体外能够导致蛋白质凝结的因素除了酸以外，温度和盐分同样可以使之凝结。因此，上述解释本身非常荒唐，对其说法的可信性也就打折扣了。

(3)纯净水与天然矿物质水之争。有一则某品牌瓶装饮用水的电视广告，其中呈现了在不同水里饲养斑马鱼的对比结果，纯净水饲养的斑马鱼不如矿物质水饲养的好，暗示给观众的是天然矿物质水更有营养的结论。从分析化学中“量”的角度来分析一下：此品牌饮用水标注的钙含量≥400 μg/100 mL，按照正常人每天饮用2 L水计算出通过饮水摄入的钙为8 mg，只占每日钙推荐摄入量(800 mg)的1%，都赶不上喝一口牛奶所摄入的钙多(一般牛奶中钙含量大约为100 mg/100 mL)。那么广告中的实验是不是不真实呢？其实不然，真正的问题在于广告中的实验只用纯净水和天然矿物质水作为斑马鱼的唯一生存条件，而人每天是要吃饭的，饮食是人生存所需摄入矿物质的最主要来源，通过饮水所摄入的矿物质量是可以忽略不计的。

(4)毒胶囊事件。2012年4月15日，央视《每周质量报告》曝光国内部分企业涉嫌用皮革废料生产药用胶囊，9家药厂的13个批次药品所用胶囊重金属Cr含量超标。中国药典规定不超过2 mg/kg，当时报道Cr元素含量最高达83 mg/kg，一个空胶囊的质量一般在40～120 mg，常规每天服用胶囊药颗粒数6～12粒，均按上限计算出最高摄入量也只有0.12 μg/d，也远低于一般人群78～106 μg/d的摄入水平，并不会因为吃了Cr超标的“毒胶囊”造成实质性伤害。

(5)氟斑牙与含氟牙膏。氟是人体必需元素，主要参与构建牙釉质和骨，但是人体摄入F元素过量又会导致氟斑牙、氟骨症等许多疾病。因此，在环境监测和食品安全等领域的相关国家标准中都涉及了F元素的检测指标。同时，氟元素又是预防龋齿的有效手段，这正是许多牙膏通过添加含氟化合物达到预防龋齿的功效。美国50个大城市中有42个在饮用水中添加氟元素来防止龋齿。对于饮用水中氟元素的含量，中国规定的限量为1.0 mg/L，WHO规定为1.5 mg/L。

(6)“我们恨化学”广告。2015年11月，国产本土化妆品品牌法兰琳卡因为一段“我们恨化学”的15 s广告，受到舆论讨伐。各类铺天盖地的包括食品、化妆品、中药、保健品等在内的各类广告中，明示或暗示纯天然产品更好的例子不胜枚举。以食品为例，许多天然食物自身都是含有对人体有害的物质，例如：梨中含甲醛，西葫芦中含葫芦苦素E，土豆中含龙葵素，苹果籽中含苦杏仁苷，等。日常生活中人们对于甲醛的关注程度非常高，尤其是装修、家具、汽车等，甚至到了人们谈虎色变的程度。实际上，甲醛在水果、蔬菜、水产品、牛奶等平时摄取的食品中普遍存在，世界卫生组织发表的公开资料显示，苹果的甲醛含量17.3 ppm，洋白菜 4.7 ppm，鲜牛奶0.027 ppm，加工牛奶0.164 ppm，等。但因这些有害物质的含量很低，并不会对人体造成任何实质性伤害。

2 结语

分析化学的学习不仅仅是学习知识本身，更核心的内容是培养学生正确理解“量”这一重要的科学要素，对于学生提升科学素养至关重要。本文结束生活中的实例，运用分析化学的知识，特别是从“量”的角度进行了科学分析。在媒体极为发达的今天，各种信息充斥着人们的日常生活，只有具备了较好的科学素养才能进行科学理性的分析，减少迷信和盲从。正如2018年2月“水煮驴皮”事件之后，东阿阿胶掌门人秦玉峰3月份在答记者问时的表述“量化是为了呈现中医药的科学性，是中医药现代化的必然途径”。其实不仅中医药如此，社会的各行各业都需要通过量化体现科学性，这同时也是中国特色社会主义新时代下建设创新型社会，提高国际竞争力的有力保障。