蘇教版-必修一-專題1 化學家眼中的物質(zhì)世界-第一單元 豐富多彩的化學物質(zhì) 優(yōu)秀獎

中學理科教育中的創(chuàng)新教育問題王夔一、在科技領域中未來向過去的繼承和批判人類進步依賴科技進步，科技進步依賴創(chuàng)新。創(chuàng)新包括三方面：發(fā)現(xiàn)存在的和曾經(jīng)存在過的事物，創(chuàng)造不存在的和從未存在的事物以及把存在的事物革新成為新事物。這三者都是在已有的認識基礎上實現(xiàn)的。因此，繼承與創(chuàng)新是人類文化發(fā)展的根本，是人類戰(zhàn)勝客觀困難得以存在和進步的根本，也是培育人才的根本。要使學生學會繼承和創(chuàng)新，才能使人盡其才。一個民族的興衰要看它的人民是否向往未來新事物和新世界。“一個民族可以犧牲一切以達到目標，就這一點精神造就了世界的知識分子、科學家和音樂家。一個民族如果除去到處游蕩什么事情也不想做，從來也不想今天以后的事，他們那里就一直是一片沙漠?！保跰achine］。我們需要歷史，需要繼承，但是更重要的是創(chuàng)造未來，創(chuàng)造歷史。這可能是我們教育者的最主要的職責，因為我們的學生能否擔負起他們的歷史使命，要看我們能否教育他們繼往開來。20世紀科技進步的確創(chuàng)造了輝煌的人類現(xiàn)代文明。化學之所以被看作是核心科學，就是因為它創(chuàng)造了不可勝數(shù)的物質(zhì)和材料，從分子水平打開了認識和控制許多許多變化過程（如生命過程）的途徑，今后它還將在這些方面為人類進步作出貢獻。科技必然要進步，人類也必然要進步，但是從個別情況來說，并非科技進步必然推動人類進步。當我們展望21世紀之時，我們應當從正反兩方面來回顧20世紀的進步。20世紀的確有推動人類進步的幾方面的成就。在科學哲學方面，從唯心論和形而上學到唯物論辯證法，到現(xiàn)代科學思想，如系統(tǒng)論、控制論、災變論等等。在科學界，建立了統(tǒng)治20世紀科學界，指導科技發(fā)展的大理論，如牛頓力學、達爾文學說、熱力學和量子力學等等，它們也會繼續(xù)推動下一個世紀的科技進步。此外，推動20世紀科技發(fā)展的還有一系列科學方法：如理想化和模型化處理，動態(tài)過程的靜態(tài)處理，非線性關(guān)系的線性化分析等處理方法，使我們得以在當時那個條件下對復雜事物進行近似的局部的研究。另外，還不能忽視20世紀技術(shù)進步對科學的推動，如現(xiàn)代測試觀察儀器、高效計算機技術(shù)以及仿真、模擬等等。在20世紀以前，科學研究大部分是在科學家本人興趣推動下進行的，而在工業(yè)化之后，大規(guī)模生產(chǎn)促進了資本的集中和大量增值。另外，現(xiàn)代國家機器的形成與發(fā)展越來越依賴科學與技術(shù)。于是國家利益和各種來源的資本成為科學技術(shù)的強大后盾，來自國家和企業(yè)的科研基金與資助，國家下達的和企業(yè)委托的科研任務向科學研究提供大量經(jīng)費，出現(xiàn)了大批專業(yè)研究人員，并且為了提高科研人員的工作效率，建立了研究所制度。這是20世紀科學研究繁榮的主要原因。也是在這期間，人類能夠克服糧食、能源、資源短缺，克服疾病威脅，減少各種天災而發(fā)展進步的原因。這是人所共知的。但是不能忽視上述幾種推動力也可成為科學進步的障礙和限制。我們從科研工作中所走的彎路、所付出的代價以及科研的浪費中，一方面可以看到那些在知識的新陳代謝中由于理性認識的退化和方法學的錯誤與不足所起的副作用。它們往往限制了創(chuàng)新。另一方面還應看到在資本和市場的國際化和全球競爭激烈之時，龐大的資本推動力有時會使科研被推向偏離實際需要的方向，有時被逼入歧途?？萍己孟襁M步了，但是人類未必由此進步。我們可以從未來科技對現(xiàn)代化學的挑戰(zhàn)和希望中看出未來科技對20世紀科技的批判。首先，科技進步并不一定能推動人類進步。因為科技成果的評價應該是全面的，包括它對現(xiàn)在和未來，局部和全球的人文、環(huán)境、經(jīng)濟和人類的持續(xù)發(fā)展的作用。因此今后的化學工作者面對的責任和過去有根本的不同。我們在設計一項研究或工程時，需要自始至終考慮以下幾方面問題：1.節(jié)能、節(jié)約和潔凈生產(chǎn)；2.縮短研究周期；3.縮短研究結(jié)果的“庫存量”和“庫存期”；4.減少投入，提高研究的命中率。以節(jié)能、節(jié)約和潔凈的化學合成為例，我們的化學品的確為人類生存與進步做出了極大貢獻，但是為什么公眾對化學心懷疑慮？因為化工生產(chǎn)中有許多浪費能源和資源，并且給人類帶來對環(huán)境和生態(tài)平衡影響的近憂和遠慮。因此必須徹底改造化學品的選擇、使用和生產(chǎn)方法，這必將引起一個大變革。例如，我們正處于傳統(tǒng)合成化學向未來合成化學轉(zhuǎn)化的時期，未來的化學合成必須向以下幾個方向發(fā)展：1.提高原子利用率；2.提高轉(zhuǎn)化率；3.提高合成精度，減少副產(chǎn)物；4.避免把本來固定在巖石圈里的元素活動化；5.避免把化學惰性物質(zhì)變成活性物質(zhì)；6.少使用有機溶劑；7.減少使用和排放有毒的和對生態(tài)環(huán)境有影響的物質(zhì)；8.避免高溫及深冷，尤其是高溫與深冷的連續(xù)操作；9.盡量使過程可循環(huán)，可再生；10.減少步驟。達到這些目的，必須從根本上創(chuàng)新。例如一個好幾步的合成路線，浪費資源和能源，污染環(huán)境，但是改用酶法合成就變成一個潔凈節(jié)約的工藝。這就要搞合成化學的人重新定下自己的坐標，重新整理自己的知識。我們好像突然發(fā)現(xiàn)不是我們過去所教的和所學的內(nèi)容不對，而是考慮問題的基礎要轉(zhuǎn)變，傳統(tǒng)的觀點要改變，一二百年以來解決問題的慣用途徑要改變。那么，我們現(xiàn)在教學生什么，培養(yǎng)成什么樣的人才才能使他們適應未來的這種要求呢？二、要求積極創(chuàng)新的科技與傳統(tǒng)中學理科教育的矛盾我們的有機合成路線，不論在課堂中教的還是從書本上學的，大都是由那些歷史上的傳統(tǒng)反應組成的。在工作中設計一個合成路線時，也用了一些在學生時期學到的反應。而實際上這些反應以及組合反應的思路不少是數(shù)十年上百年前純學術(shù)研究的結(jié)果，它們不計較成本，不考慮浪費，更不想環(huán)境，不想未來。要想根本改變就必須開創(chuàng)新路。所以，要使學生具有解決這些問題的愿望、素質(zhì)和能力，而其中主要是創(chuàng)新。為此，我們的教育者要認識科技進步與傳統(tǒng)理科教育之間的矛盾。1.科技進步要求創(chuàng)新，而傳統(tǒng)教育是以知識積累為主的。2.科技進步要求多樣化，而傳統(tǒng)教育教給學生的和要求學生接收的是單一的，而且是統(tǒng)一的觀點和理論。3.科技進步日益依賴多學科多方面多途徑的綜合研究，而傳統(tǒng)理科教育體系導致學習領域狹窄，從中學到研究生到博士后越來越變成一個專門家，并只在彈丸之地打洞。4.科學進步要求動態(tài)思維和適應不斷變化的問題和不斷更新的工作方法，而傳統(tǒng)教育強調(diào)鞏固的、萬無一失的常規(guī)方法。5.計算機存儲加工信息的能力猛增，使以記憶為主的描述性知識教育失去它的大部分作用。6.高效計算機技術(shù)加上人工智能能夠代替人進行大部分的程序性的思維，使得以推導、演繹、標準方法訓練為主的理科教育失去意義。這些矛盾是知識與智慧的內(nèi)容和它們之間關(guān)系不斷改變的表現(xiàn)。人要有知識，更需要有智慧，隨著科技進步，過去的智慧變成今天的知識；過去的尖端科研變成今天的常規(guī)。例如，DNA合成、X射線晶體結(jié)構(gòu)分析、蛋白質(zhì)測序等都已自動化，或者說“傻瓜化”，而不再需要多少智慧來完成的了。因此，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神和能力才能使他們成為走在科技進步前頭的人。要培養(yǎng)創(chuàng)新的心態(tài)、素質(zhì)和能力，必須而且能夠從中學教學開始。如前面討論的，我們在教育學生時要時刻注意培養(yǎng)他們以下幾個素質(zhì)：1.多樣性；2.綜合性；3.相對性；4.想象力；5.動態(tài)思考；6.比較和批判。若以這幾方面的素質(zhì)教育為目標來看當前化學教育，就會看出許多問題。學生把反應、性質(zhì)、定義、計算方法當做唯一的絕對的東西背下來，甚至有的教師要求學生從文字上吃透化學反應的精神，遵循課本的文字敘述回答問題，按照例題計算問題。中學這樣考，大學入學考試也這樣考，學生喪失了他原先還有的想像力和懷疑精神。這樣培養(yǎng)出的人很難有創(chuàng)新的要求、意愿和素質(zhì)。三、正確處理理性認識間的相互作用是在中學教學中培育創(chuàng)新素質(zhì)的最重要步驟我們強調(diào)從中學開始培養(yǎng)上述素質(zhì)是必要的。因為一個人從中學開始他越來越多地通過學習掌握理性認識，并且越來越多地依賴理性認識去進一步觀察、解釋和認識事物。以指數(shù)速度增加的理論和概念可以成為他們創(chuàng)新的基礎，但是理性認識之間的相互作用既有促進也有排斥。把理論和概念絕對化，把解決一個問題的方法唯一化，使他們拒絕接收新理論新方法，便喪失了創(chuàng)新的和進步的前提，反而限制創(chuàng)新和進步。所以我今天首先就理性認識的相互作用來談一談為什么和如何在中學化學教育中培養(yǎng)創(chuàng)新精神和能力。有人覺得創(chuàng)造力是偉大科學家所具有的天賦素質(zhì)，事實上，決非如此。人從小就有創(chuàng)造活動能力，如果這種初始的創(chuàng)造力一直不被抑制，而不斷發(fā)展，會有許多許多科學家、工程師出現(xiàn)，當然也有畫家、醫(yī)生出現(xiàn)，他們也要創(chuàng)新?？上У氖牵谠S多情況下，學習所得本應完全成為創(chuàng)造的基礎，卻被不恰當?shù)慕逃兂上拗苿?chuàng)造力發(fā)展的框框，例如把一個一個定義、定律、關(guān)系式絕對化，把本來依附于化學問題的數(shù)學手段變成化學問題的實質(zhì)，把由部分事實推想出來的假設、假說、模型當成客觀存在等等。先入為主和絕對化會給人們設置極限或界限，使人們不敢超越，也不想思考某個極限或界限本身的條件以及本質(zhì)。舉深海潛水為例，在公元前3世紀，靠常壓潛鐘，可以下潛到20～30米，但由于空氣耗竭只能維持很短的時間。1691年，發(fā)明了連續(xù)輸氣的潛函，只解決了空氣供應問題，極限還在20～30米。后來認識到不能再下潛的原因是靜壓過高以后，19世紀時，發(fā)明了加壓潛水服把極限下推很多，但又不能再下潛更深了，原因是減壓癥。20世紀初，發(fā)明了高壓艙解決了減壓癥，又把極限推到56米。后來發(fā)現(xiàn)這個新極限是由于稀有氣體麻醉造成，到1939年，采用氦加氧氣代替空氣以減少稀有氣體在細胞膜上的溶解，一下子，又把極限推到200米這個新極限。但是再下潛就出現(xiàn)高壓神經(jīng)綜合癥。后來，發(fā)現(xiàn)了產(chǎn)生的原因，改用氮+氧+氦三聯(lián)氣，并且分級慢加壓，再把極限推到700米，再深又出現(xiàn)類神經(jīng)紊亂。目前正在研究其機理，一旦明了，或許又可以推進一大步?；仡欉@些事實，可以看出如果人們把極限看成是絕對的，不敢越雷池一步，這樣的進步是不可能的。我們在中學化學教學中教給學生的內(nèi)容有許多是把復雜問題做簡單化處理后所得的結(jié)果。例如把一個過程簡單化為一個化學反應，忽略副反應，忽略在全過程中發(fā)生的其他事件。例如鋁片在稀硝酸中發(fā)生了什么？一般只講一個反應，實際上是好幾個事件組成的過程。牛頓力學的精粹之一就在于把復雜問題簡單化。過去百年間物理學的輝煌使人認為數(shù)學和物理是解釋一切的終極依據(jù)，就是因為它的簡化處理。電子被當做點電荷，小分子也當做點。一切物質(zhì)從單質(zhì)到蛋白質(zhì)，到細胞，到人體，其中一切活動都可以用數(shù)學和物理來描述和表達。但是復雜問題簡單化僅僅是一種認識問題的方法，甚至是一時的方法。在我們教給學生一個反應、一個概念、一個理論、一個方法時，非常需要教他們知道這是一種方法，是簡化的方法，由它得到的結(jié)論是相對正確的。要逐漸教學生知道不能把簡化處理得到的結(jié)果絕對化，因為無論如何我們對復雜事物的認識還是要向探索其復雜性上發(fā)展。以理想化處理為例，在化學里講了一些理想狀態(tài)：理想氣體、理想溶液等等，如果沒讓學生明白這些只適用于那些并不存在的、分子間沒有一點相互作用的體系，他們就會把它絕對化。后來的發(fā)展說明理想氣體狀態(tài)方程式所描述的只是理想的氣體狀態(tài)，它與真實氣體有不同程度的距離，由vanderWaal方程到認識分子間力，再由分子間力去解釋膠束和膜，才有可能在后來認識到弱相互作用以及其在分子組裝中的作用，其后出現(xiàn)的冠醚穴醚又把弱相互作用提高到主客體化學來認識。直到最近，Lehn得了Nobel化學獎，研究由分子間弱相互作用構(gòu)筑的超分子的化學才成為當前一個熱點。如果不突破理想氣體方程式的框框，就發(fā)現(xiàn)不了分子間力，如果不能突破只有強相互作用才會形成結(jié)構(gòu)，就發(fā)現(xiàn)不了也解釋不了自然界許多現(xiàn)象，特別是生物學現(xiàn)象，就不會出現(xiàn)超分子化學以及有關(guān)的概念：自組裝、分子識別、高級有序結(jié)構(gòu)等等。我們在中學化學里講了一些本來只是某種模型的概念，它們僅僅是理論研究的推理結(jié)果。為了描述和表達看不見、測不了的事物，科學家在頭腦中可以構(gòu)成概念模型，推出數(shù)學模型，甚至用木頭或塑料做成看得見摸得著的形態(tài)模型。它們在一定范圍內(nèi)可以成為認識事物的拐棍，但是它們不是客觀實際。例如，量子力學推理結(jié)果使我們接受了一系列概念：電子云，波函數(shù)，軌道等等。如果教師在用一個啞鈴給學生講解電子云而不教學生知道這僅僅是那些量子化學家打個比方所展示出來的模型，學生就會把它當成真有什么電子云。我們把分子或原子當成剛性球，講述碰撞理論，解釋反應動力學表現(xiàn)，如果學生從此把分子當成剛性球，撞在一起會彈開，怎樣解釋一個小分子和一個大分子相撞時這么快的找到特定的作用位點？由量子力學推出的另一個概念模型是共振論，它把苯的結(jié)構(gòu)描述為兩個或幾個共振結(jié)構(gòu)的總和。經(jīng)典化學家常常用經(jīng)典熱力學思路把變化中的體系用始態(tài)和終態(tài)來描述，事實上，從始態(tài)到終態(tài)變化過程中有多少狀態(tài)？這種變化是跳躍的嗎？多少年來，在教學中，我們常常把它絕對化了。在大學化學中會認識反應機理中有一種或一兩種中間態(tài)。再后，或許還能進一步了解從始態(tài)到終態(tài)有若干條途徑，催化劑的神奇就在于用它的魔杖引導反應沿著某一條快捷的途徑達到終態(tài)。但是為什么不能同時叫學生去想象那些從始態(tài)到終態(tài)的連續(xù)改變過程呢？甚至叫學生去想象在諸如生物體系中有什么始態(tài)又有什么終態(tài)呢？我們不該叫學生建立一個非此即彼的思考方法，有時它是創(chuàng)造性地解決實際問題的障礙。我舉以上各例不是說不能教給學生那些簡化的概念模型，相反，對于中學生，只能學習這些概念和理論的基本思想。而且我們?nèi)匀皇褂眠@些方法，或許永遠要使用這些方法。問題在于我們不能把這些東西極端化、絕對化，那樣會使學生把這樣學來的東西死死記住，成為排斥新概念的障礙。舉兩個例子來說明先入為主的影響。先“掌握”的概念會排除異己，對于人，會使他面對新概念表現(xiàn)出傲慢與偏見。例如對于配合物的認識，在18世紀人們就制備了亞鐵氰化鉀，但是無法兼顧矛盾的事實：雖然寫成復鹽，F(xiàn)e(CN)2·4KCN·3H2O符合價鍵理論，但不能解釋為什么溶液中很少CN-離子。后來合成出越來越多的類似化合物，如CoCl36NH3，都不能用價鍵理論解釋。就在100年中人們想出許多辦法去“補臺”，教材中教的是不能自圓其說的東西，可是學生把它當絕對正確，從來也不去問問那些說不清的地方。如此者，直到19世紀末，Werner提出配位理論才算了此公案，前后經(jīng)歷了100多年。另一個例子是有關(guān)惰性氣體是不是惰性的問題。18世紀90年代連續(xù)發(fā)現(xiàn)五種惰性氣體，當時的研究表明它們不與任何物質(zhì)作用，所以稱為惰性氣體。恰好那時剛剛提出八隅律，認為價電子層有8個電子時最穩(wěn)定，由此“圓滿”地解釋了惰性氣體的惰性，反過來又以事實論證了八隅律的正確。尤其是Ramsay把氬的樣品送給發(fā)現(xiàn)氟的Moissan，請他用當時認為最活潑的氟試試惰性氣體的惰性，結(jié)果不出意料，氬沒有與氟化合。于是八隅律和惰性氣體十分完善地相互支持，達到普遍公認，寫入教材。直到1933年出了個Pauling，他預測惰性氣體并非惰性，雖然當時有人試圖合成惰性氣體化合物，但都失敗了，這一企圖的失敗更證明八隅律的正確和惰性氣體的惰性，如此者又30年，Bartlett在1963年終于合成了個別惰性氣體的氟化物，13年后，才證明八隅律只適用于C，N，O，F(xiàn)和Ne。若干年后，惰性氣體不得不改名稀有氣體。從1864年八隅律的提出到1963年Bartlett的成功，又是整整經(jīng)過100年，在這100年中不知有多少學生被培養(yǎng)成為化學家，但是他們中很少有人問過一些破綻。例如，Moissan當年只做了Ramsay送給他的氬的實驗，為什么由此就認為惰性氣體都不能與氟作用呢？為什么就不去試試其他？尤其是Pauling預計原子量越大越容易作用之后，雖然開始有人失敗，但是為什么不去研究實驗方法上的問題，而只是反過來死守八隅律呢？由此我們應該獲得一個教訓，繼承與創(chuàng)新是矛盾雙方對立的統(tǒng)一，只有在教學生具體知識的同時培養(yǎng)他們的批判和懷疑的態(tài)度，才能培養(yǎng)他們創(chuàng)新精神。在中學和大學低年級的化學教學中，習慣于教給學生解決某種問題的一種方法、一種思路，甚至連溶解度都只能用一種單位、一種表示方法。慢慢地，這些學生只知道一種方法，不去想改變它。固然多數(shù)人反對照貓畫虎，但是未必有人反對舉一反三。按照原有思路或別人走了一大步，我們走一小步成為我們研究工作中的一個極大浪費。為什么不能離開主流另立門戶？近年來異軍突起的組合化學可以說給傳統(tǒng)合成化學當頭一棒。傳統(tǒng)合成化學一向是以取得一定目標物純品為目的，上百年來新藥篩選就依賴合成若干化合物，進行藥理篩選的。由于篩選命中率僅有萬或十萬分之幾，傳統(tǒng)合成化學拖了新藥研究的后腿。組合化學方法一反傳統(tǒng)，它不以取得單一化合物為目的，而以建立包含所有可能化合物的“庫”為目的。這個庫可以包含數(shù)以萬計，或十萬計的結(jié)構(gòu)相關(guān)的化合物，但是所得的是混合物。例如，可以在幾個月之中，合成3200000種由五種氨基酸組成的所有五肽，每份樣品只有一滴但含有成千上萬的化合物。他們發(fā)展了特殊的方法從中“釣”出有活性的化合物。這不僅是方法革新，在概念上提出諸如緩和條件下合成、同條件合成、同步合成、等摩爾合成等新問題，并且促進合成子合成的發(fā)展。我們應該從這一例子看出培養(yǎng)學生的替換思維和反向思維是十分重要的，而我們的中學化學教育恰恰缺少這方面的要求。四、培養(yǎng)創(chuàng)新心態(tài)和想像力能否創(chuàng)新，是否愿意并敢于創(chuàng)新在很大程度上依賴于人的心態(tài)。無論是科學研究，還是一般科技工作，都要求創(chuàng)新，但是有很多人不愿、不敢、不能創(chuàng)新。他們不是能力問題而是心理狀態(tài)問題，我愿在這里引用Nobel物理獎獲得者Esaki的一段有益的話。他說，你想得Nobel獎嗎？有5條規(guī)律：第一，不要讓你被自己過去的經(jīng)驗所束縛；第二，不要過分追隨你的領域中的任何一個權(quán)威；第三，不要抱著你不需要的東西不放，要嚴格地篩選信息；第四，不要回避對抗，如果有合理的觀點，就去辯論；第五，不要忘記童年時的好奇精神，它是想象所表現(xiàn)的。但是我們的學生在學習期間缺少這種心態(tài)和精神的培育，我們的各級教育都不能使學生有這種精神。第一，我們習慣于模仿。沉湎于前人的光輝之中，總是以前人為規(guī)范，例如中藥必須尊古炮制，為什么我們的合成藥物有97%是仿制的？為什么我們的科學研究總是按照人家的思路走？為什么我們自己的傳統(tǒng)的產(chǎn)品教外國人接過去，改造了又打到國內(nèi)來？我們從小就讓學生學會模仿，使他們認為模仿是最有效、最保險、最省事的辦法。為什么習題有標準答案？為什么教學生題路？為什么教學生背誦若干解題模式？我們在上課時講例題，課后教學生做類似的習題，考試時考同樣類型的題。大多數(shù)的習題是有規(guī)范程序的，而且有標準答案的。我們在上課時教給學生的是固定的解釋和解決問題方法，學生沒有機會去提出他自己的方法，更沒有機會去試一試他們的想法。如果學生經(jīng)常按照一定規(guī)范去做題，他們做的習題越多，越熟練，就越失去獨立思考的能力，在題海里培養(yǎng)出的“熟練”最多可以成為技巧但不能創(chuàng)新，甚至妨礙創(chuàng)新。第二，要引導學生敢于冒險去擺脫慣性的束縛。我們的工作，甚至研究工作有不少是由慣性所推動的。它們──●采用傳統(tǒng)思路和方法，缺少根本改變；●跟蹤世界潮流和熱點，而缺少自己的創(chuàng)見；●采用刻板的方法做大同小異的事；●也有一些工作是被市場上不斷出現(xiàn)的新儀器新設備所推動的。放眼周圍事物，你會發(fā)現(xiàn)這不是科學界所特有的。吃飯穿衣，畫畫唱歌，引進技術(shù)等等都有這種現(xiàn)象。總的來說，許多人甘心被慣性所推動，主要是缺少創(chuàng)新心態(tài)，缺少冒險精神。相當一部分人無論在做任何工作時，都愿意做目標明確，方法清楚，可行性強，成功率高的工作，而不愿冒風險去做前景模糊不清的和太復雜的事情。這種心態(tài)是從小受教育養(yǎng)成的，鼓勵學生提出問題，提出教員甚至專業(yè)科學家解決不了的問題是非常必要的，這并不是要求過高，而是我們沒能在他們面前打開這扇門。第三，要使學生