注重科學(xué)方法教學(xué) 培養(yǎng)創(chuàng)新人才——“無機(jī)及分析化學(xué)”課程教學(xué)初探

李 強(qiáng) 楊今朝 廖蓉蘇

(北京林業(yè)大學(xué)理學(xué)院,北京 100083)

當(dāng)前世界經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展,科學(xué)技術(shù)的日新月異,迫切呼喚培養(yǎng)出一批批的創(chuàng)新人才,以滿足“十七大”報(bào)告中提出的建設(shè)“創(chuàng)新型國家”的宏偉目標(biāo)的需要[1]。高等學(xué)校作為培養(yǎng)人才的搖籃,義不容辭地肩負(fù)著培養(yǎng)創(chuàng)新人才的歷史使命,因此,開展創(chuàng)新教育,大力培養(yǎng)學(xué)生具有較強(qiáng)的創(chuàng)新意識(shí)、創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力,是目前高校教育的根本任務(wù)[2]。

科學(xué)方法是人們在認(rèn)識(shí)和改造自然的實(shí)踐活動(dòng)中所遵循的正確的思維方式和行為方式,是科學(xué)研究與解決問題過程中所遵循的途徑以及使用的手段。一般來講,科學(xué)方法包括普遍的方法,如觀察、分析 、歸納、演繹 、比較 、分類 、綜合 、假設(shè)、抽象等一般的方法;同時(shí),由于研究對象的特性,還有其特殊的研究方法[3-4]。無論是對科學(xué)知識(shí)的理解、掌握和應(yīng)用方面,還是學(xué)生學(xué)習(xí)能力和整體素質(zhì)的提高,以及學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)、創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)等方面,科學(xué)方法都具有重要的作用。因此,科學(xué)方法的教學(xué)對科學(xué)研究的發(fā)展和人才培養(yǎng),特別是創(chuàng)新人才的培養(yǎng)具有重要的意義。

“無機(jī)及分析化學(xué)”是北京林業(yè)大學(xué)環(huán)境工程、林化、草業(yè)、水保、保護(hù)區(qū)等專業(yè)一年級學(xué)生必修的重要基礎(chǔ)課程之一,也是大學(xué)生進(jìn)入大學(xué)學(xué)習(xí)的第一門化學(xué)基礎(chǔ)課程。本課程涵蓋了無機(jī)化學(xué)和分析化學(xué)兩個(gè)二級學(xué)科,包含了物質(zhì)結(jié)構(gòu)、化學(xué)熱力學(xué)、化學(xué)動(dòng)力學(xué)、化學(xué)平衡等基礎(chǔ)理論和知識(shí),以及化學(xué)分析和儀器分析的基本方法等較多的教學(xué)內(nèi)容。筆者認(rèn)為,加強(qiáng)科學(xué)方法的教學(xué),對培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素質(zhì)和創(chuàng)新能力大有裨益。

一、基本知識(shí)和科學(xué)方法教育并重,構(gòu)筑“無機(jī)及分析化學(xué)”的教學(xué)內(nèi)容

每一門學(xué)科的發(fā)展其實(shí)都包括理論知識(shí)和科學(xué)方法兩個(gè)方面,化學(xué)學(xué)科的發(fā)展也不例外。化學(xué)的相關(guān)概念、規(guī)律、原理等內(nèi)容構(gòu)成了化學(xué)學(xué)科的理論知識(shí),而這些理論知識(shí)的產(chǎn)生無不是通過觀察與實(shí)驗(yàn)、抽象與概括、分析與綜合等科學(xué)方法獲得的。傳統(tǒng)上,人們總是重視取得的科學(xué)知識(shí)和科研成果,而對獲取這些知識(shí)和成果的方法卻重視不夠。大學(xué)“無機(jī)及分析化學(xué)”課程教學(xué)同樣也是以理論知識(shí)為主來設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容的,基本上就是單純的知識(shí)傳播,科學(xué)方法教育常被放在次要的位置,科學(xué)方法的教學(xué)未得到足夠的重視。歷史上無數(shù)的事實(shí)證明,只有運(yùn)用良好的科學(xué)方法才能獲得創(chuàng)新性的成果。當(dāng)然,知識(shí)的教學(xué)在人才培養(yǎng)中也同等重要。這就需要教師在“無機(jī)及分析化學(xué)”課程教學(xué)中妥善處理這兩個(gè)方面的教學(xué)內(nèi)容,精心設(shè)計(jì),合理取舍,充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和積極性,合理使用各種教學(xué)方法,重點(diǎn)突出科學(xué)方法的講解,使課堂教學(xué)真正做到所謂“授之以魚,不如授之以漁”。在課堂教學(xué)上除了講解一般的科學(xué)方法,主要有辯證法、唯物論、認(rèn)識(shí)論、系統(tǒng)論、科學(xué)模型方法、邏輯歸納演繹、推理類比等方法之外,還要講授無機(jī)及分析化學(xué)中常用的科學(xué)方法,如化學(xué)平衡法、狀態(tài)函數(shù)法、副反應(yīng)系數(shù)方法、分類法和近似處理法等。在講解方式上一般先提出科學(xué)方法,再通過知識(shí)的介紹,讓學(xué)生體驗(yàn)和總結(jié)出一定的科學(xué)方法。同時(shí),通過習(xí)題和課外學(xué)習(xí),讓學(xué)生在學(xué)習(xí)和實(shí)踐中充分應(yīng)用科學(xué)方法,使學(xué)生的天賦得到創(chuàng)造性的發(fā)揮,大力提高學(xué)生的創(chuàng)造力?？傊?在教學(xué)中必須注重科學(xué)方法教育的地位,知識(shí)教學(xué)和科學(xué)方法教育并重,以科學(xué)方法為主線來組織知識(shí)教學(xué)的內(nèi)容,讓知識(shí)教學(xué)成為科學(xué)方法教育的載體。

二、結(jié)合化學(xué)史教學(xué),開展一般科學(xué)方法的教學(xué)

在“無機(jī)及分析化學(xué)”課的緒論及物質(zhì)結(jié)構(gòu)部分,需要向?qū)W生講述化學(xué)發(fā)展史和物質(zhì)結(jié)構(gòu)理論的發(fā)展歷程,從而激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣。這也是進(jìn)行科學(xué)方法教學(xué)的良好契機(jī)。

縱觀化學(xué)學(xué)科的發(fā)展,正是由于科學(xué)方法的發(fā)展和應(yīng)用,才推進(jìn)了化學(xué)的發(fā)展,使零散的化學(xué)知識(shí)發(fā)展成為了科學(xué)。在化學(xué)發(fā)展的歷史中,許多偉大的科學(xué)家正是較好地利用了觀察、分析、歸納、演繹、比較、分類、綜合、假設(shè)、抽象等一般的科學(xué)方法,通過假說、驗(yàn)證、分析、推理等研究方法,創(chuàng)立了許多著名的理論、定律。例如,在介紹元素周期律發(fā)現(xiàn)的歷史時(shí),首先介紹在科學(xué)研究中經(jīng)常采用的類比、分類和推理等研究的科學(xué)方法。在簡單介紹元素周期律發(fā)展的歷程的基礎(chǔ)上,指出在門捷列夫之前的許多科學(xué)家盡管已經(jīng)提出了許多假說,但正是應(yīng)用的方法不正確,沒能發(fā)現(xiàn)正確的元素周期律。隨后詳細(xì)陳列出大量的歷史事實(shí),以及門捷列夫準(zhǔn)備的63張記有化學(xué)元素的名稱、原子量、氧化物、物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)等的卡片,說明門捷列夫正是反復(fù)利用分類法、比較法,最終才發(fā)現(xiàn)了元素周期律[5]。而在介紹物質(zhì)結(jié)構(gòu)理論的發(fā)展中,同樣也是先介紹理論形成的過程,即建立模型、假說、驗(yàn)證、分析、推理等科學(xué)方法,然后結(jié)合實(shí)例闡述科學(xué)方法的應(yīng)用和理論的創(chuàng)立。如在介紹原子結(jié)構(gòu)和化學(xué)鍵理論的發(fā)展過程中,可以看出量子論的創(chuàng)立正是普朗克的創(chuàng)新能力和綜合的科學(xué)方法的產(chǎn)物。而玻爾理論(氫原子結(jié)構(gòu))也是運(yùn)用分析、綜合和聯(lián)想法的科學(xué)方法,通過收集、整理、建立模型、假說、計(jì)算、驗(yàn)證、分析、推理、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證等科學(xué)研究的過程,創(chuàng)建了氫原子結(jié)構(gòu)理論。海特勒和倫敦運(yùn)用移植的科學(xué)方法,把量子力學(xué)的理論和方法發(fā)展到化學(xué),從而創(chuàng)立了量子化學(xué)。鮑林更是充分應(yīng)用了假說、模型、實(shí)驗(yàn)、理論、移植、交叉、融合等科學(xué)方法,創(chuàng)造性地提出了共價(jià)鍵理論、雜化軌道理論,成為了一代結(jié)構(gòu)化學(xué)大師。數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)等方法在化學(xué)鍵理論中的應(yīng)用,創(chuàng)立了分子軌道理論,更是說明了科學(xué)從定性到定量發(fā)展的歷程[6]。

總之,一般的科學(xué)方法是在所有的科學(xué)研究中經(jīng)常使用的手段,化學(xué)學(xué)科的發(fā)展和完善離不開科學(xué)方法。同樣,學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)也離不開科學(xué)方法。在重視學(xué)生知識(shí)、能力、素質(zhì)培養(yǎng)的同時(shí),加強(qiáng)科學(xué)方法的培養(yǎng)。注意在教學(xué)過程中的每一個(gè)環(huán)節(jié)與科學(xué)方法教學(xué)聯(lián)系起來,把科學(xué)方法的教學(xué)與教學(xué)改革有機(jī)結(jié)合,大力發(fā)展教師“導(dǎo)”的作用,培養(yǎng)學(xué)生的探索精神,按照一般的科學(xué)方法自主學(xué)習(xí),在學(xué)習(xí)中培養(yǎng)和鍛煉學(xué)生的創(chuàng)新能力。

三、在化學(xué)平衡相關(guān)計(jì)算中強(qiáng)化數(shù)學(xué)的科學(xué)方法

在科學(xué)研究過程中,由于研究對象具有不同的特性,因此其研究方法也具有不同的特色。在“無機(jī)及分析化學(xué)”中,有關(guān)化學(xué)熱力學(xué)和化學(xué)動(dòng)力學(xué)中的科學(xué)方法,在以后的“物理化學(xué)”課程中還會(huì)講述,故僅介紹化學(xué)平衡計(jì)算中的數(shù)學(xué)的科學(xué)方法。

偉大的革命導(dǎo)師馬克思曾經(jīng)指出:一種科學(xué)只有在成功地運(yùn)用了數(shù)學(xué)之后才算達(dá)到了完善的地步。由此可見,數(shù)學(xué)的科學(xué)方法在其他學(xué)科發(fā)展中的重要作用。在中學(xué)的化學(xué)學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上,“無機(jī)及分析化學(xué)”課程的任務(wù)之一,就是讓學(xué)生對化學(xué)的認(rèn)識(shí)完成從定性到定量的轉(zhuǎn)變,特別是通過化學(xué)平衡的相關(guān)計(jì)算來研究化學(xué)平衡移動(dòng)的方向、反應(yīng)進(jìn)行的程度等,這些問題的解決都需要數(shù)學(xué)的方法和手段?；瘜W(xué)平衡問題中的科學(xué)方法,主要包括模型的方法、代數(shù)的方法、近似的方法等。一般需根據(jù)實(shí)際問題建立模型,即數(shù)學(xué)關(guān)系的建立,然后求解方程,得到合理的解,再通過與實(shí)際問題驗(yàn)證,從而得出正確的結(jié)論。在計(jì)算中,同時(shí)還應(yīng)注意適當(dāng)采用近似的方法來簡化問題。下面以溶液pH值的計(jì)算為例來說明。

溶液pH值的計(jì)算是“無機(jī)及分析化學(xué)”課程中酸堿平衡部分的重要內(nèi)容,學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中普遍感到公式多,記憶比較困難,在具體計(jì)算實(shí)踐中容易出錯(cuò)。筆者認(rèn)為,主要原因就是數(shù)學(xué)的科學(xué)方法的教學(xué)未得到重視,公式是“天上掉下來”的。在教學(xué)中,筆者注意加強(qiáng)數(shù)學(xué)方法的教學(xué)。在化學(xué)平衡問題的計(jì)算中,其一般的科學(xué)方法是:首先根據(jù)研究(計(jì)算)對象,建立模型,確定數(shù)學(xué)關(guān)系(方程)。研究(計(jì)算)對象的確定主要是搞清楚溶液中各個(gè)物相的形態(tài),數(shù)學(xué)關(guān)系可以根據(jù)化學(xué)平衡中的基本關(guān)系,如物料平衡關(guān)系、電荷平衡關(guān)系獲得;也可以根據(jù)質(zhì)子平衡關(guān)系直接得到。然后應(yīng)用代數(shù)的方法求解。其他未知的物相濃度,根據(jù)化學(xué)平衡常數(shù)用c(H+)表示,即轉(zhuǎn)化為一個(gè)關(guān)于c(H+)的一元多次方程。在求解關(guān)于c(H+)的一元多次方程中,注意近似方法,獲得近似公式[7]。

例如,計(jì)算0.1mol?L-1NaHS水溶液的c(H+)。方法如下:

①據(jù)研究(計(jì)算)對象,建立模型,確定數(shù)學(xué)關(guān)系(方程)。

建立PBE方程:c(H+)+c(H2S)=c(OH-)+c(S2-)

②各共軛酸堿的平衡關(guān)系式,求出所需型體的濃度,代入質(zhì)子平衡方程

③解關(guān)于 c(H+)一元多次方程,注意近似方法,獲得近似公式。

對上式進(jìn)行整理,得精確式:

近似方法:

①考慮到酸式鹽NaHS的酸式解離和堿式解離都是二級解離,解離度很小。

故假設(shè)c(HS-)=c0

②計(jì)算誤差≤5%,即c0K?a2≥20K?w,即可忽略K?w;同時(shí),c0≥20K?a1,原方程的解可近似為:

即得兩性物質(zhì)酸度計(jì)算公式(最簡式)。若以上近似條件不滿足,則推導(dǎo)出其他近似式。

總之,在計(jì)算不同物質(zhì)pH時(shí),從基本概念入手,由淺入深,讓學(xué)生理解和掌握解決問題的關(guān)鍵,即數(shù)學(xué)方法的應(yīng)用,舉一反三,可取得良好的教學(xué)效果。

四、以問題為中心,進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的科學(xué)方法教學(xué)

化學(xué)是一門實(shí)驗(yàn)的學(xué)科,無論是物質(zhì)性質(zhì)的研究、新產(chǎn)品的開發(fā),還是新的化學(xué)反應(yīng)、規(guī)律和定律的發(fā)現(xiàn)及驗(yàn)證等都需要實(shí)驗(yàn)的方法。在化學(xué)實(shí)驗(yàn)中,不僅可以學(xué)習(xí)相關(guān)的化學(xué)知識(shí),而且由于實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的直觀、生動(dòng),有助于學(xué)生對知識(shí)的理解和掌握。同時(shí),在實(shí)驗(yàn)中還可以進(jìn)行觀察、分析、比較、歸納等科學(xué)方法的訓(xùn)練,培養(yǎng)嚴(yán)肅、認(rèn)真、實(shí)事求是的良好習(xí)慣,樹立實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)的科學(xué)觀。從而達(dá)到發(fā)展學(xué)生的探索能力,提高學(xué)生的動(dòng)手能力,拓展其創(chuàng)新能力的目的。因此,在“無機(jī)及分析化學(xué)”課程中,應(yīng)加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)。

但是,由于學(xué)時(shí)的限制,許多實(shí)驗(yàn)的教學(xué)在課內(nèi)就不能進(jìn)行。我們采用分段進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)的方法[8],以問題為中心,設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的內(nèi)容。具體做法是:

①先提出問題。在緒論課中,主要結(jié)合林業(yè)相關(guān)專業(yè)的實(shí)際,凝練出學(xué)生感興趣的、專業(yè)需要的一些問題,如水的硬度、COD、BOD、草坪草中硫含量、土壤中有機(jī)質(zhì)含量、雞蛋殼中鈣含量分析等,布置相關(guān)任務(wù),讓學(xué)生帶著問題進(jìn)行理論課的學(xué)習(xí),學(xué)期結(jié)束時(shí)獲得解決問題的方案。

②在有限的實(shí)驗(yàn)課中,進(jìn)行分析化學(xué)基本技能、操作等方面的訓(xùn)練,使學(xué)生掌握儀器的洗滌、溶液的配制與標(biāo)定、分析天平的使用、滴定管的使用等基本定量分析的實(shí)驗(yàn)技能。

③實(shí)驗(yàn)室開放。讓學(xué)生利用假期或課余時(shí)間,到實(shí)驗(yàn)室完成自己感興趣的研究課題。可以是一人一組,也可以是多人一組。在實(shí)驗(yàn)前,由指導(dǎo)教師組織學(xué)生進(jìn)行方案討論,以及儀器、藥品的準(zhǔn)備。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程以學(xué)生為主,讓學(xué)生獨(dú)立開展工作。本實(shí)驗(yàn)階段也可結(jié)合目前在學(xué)校開展的大學(xué)生創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目進(jìn)行。整個(gè)實(shí)驗(yàn)教學(xué),從問題的提出、知識(shí)的學(xué)習(xí)、方案的設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)的完成貫穿整個(gè)“無機(jī)及分析化學(xué)”課程。最后讓學(xué)生完成報(bào)告或論文,培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

總之,科學(xué)方法對創(chuàng)新人才的培養(yǎng)意義重大。因此,我們應(yīng)在各門課程中大力開展科學(xué)方法的教學(xué)研究,在傳播科學(xué)知識(shí)的同時(shí),培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)精神,訓(xùn)練其科學(xué)思維,掌握科學(xué)方法。我們在課程教學(xué)中要把握好科學(xué)知識(shí)和科學(xué)方法這兩個(gè)方面,做到知識(shí)與方法有機(jī)融合,為培養(yǎng)創(chuàng)新人才而不懈努力。

[1]周濟(jì).創(chuàng)新是高水平大學(xué)建設(shè)的靈魂[J].中國高等教育,2006(3/4):9-13.

[2]周濟(jì).注重培養(yǎng)創(chuàng)新人才 增強(qiáng)高水平大學(xué)創(chuàng)新能力[J].中國高等教育,2006(15/16):4-8.

[3]王尚芝,韓靜,孟雙明,等.大學(xué)化學(xué)教學(xué)中應(yīng)重視科學(xué)方法教育[J].科技信息,2007(33):95.

[4]劉元亮,姚慧華,冠世琪,等.科學(xué)認(rèn)識(shí)論和方法論[M].北京:清華大學(xué)出版杜,1987.

[5]孟獻(xiàn)華,李廣洲.結(jié)合化學(xué)史實(shí)進(jìn)行科學(xué)方法教學(xué)的實(shí)踐分析[J].中小學(xué)教師培訓(xùn),2005(8):44-46.

[6]張季爽.在結(jié)構(gòu)化學(xué)課程教學(xué)中進(jìn)行素質(zhì)教育的體會(huì)[J].化工高等教育,2003(1):29-30.

[7]武漢大學(xué).分析化學(xué)(第二版)[M].北京:高等教育出版社,1984.

[8]王英華,魏士剛,程新民,等.分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程的改革與實(shí)踐[J].大學(xué)化學(xué),2006,21(4):22-24.