分析化學課程中的“量”與科學素養(yǎng)教育漫談

毛 杰，王 邃，戴靜波，周俊惠，張 斌

(1.浙江醫(yī)藥高等?？茖W?；A學院，浙江 寧波 315100；寧波大學 材料科學與化學工程學院，浙江 寧波 315211)

科技在現(xiàn)代社會的重要性與日俱增，也無處不在，更是大國競爭力的核心之一。國內外社會環(huán)境正在發(fā)生著深刻變革，一輪又一輪的科技革命不僅給科技創(chuàng)新和產業(yè)結構帶來了巨大挑戰(zhàn)，同時也帶來了千載難逢的機遇。核心科技不僅體現(xiàn)在芯片、航母、高鐵、醫(yī)藥等高技術領域，也體現(xiàn)在廣大民用產品的生產制造領域。這就意味著國家發(fā)展不僅需要大量優(yōu)秀的科研人才，也需要廣大的普通公民具備基本的科學素養(yǎng)。據最新報道，2018年我國公民具備科學素養(yǎng)比例達到8.47%，京滬兩地均已突破20%；而在2005年《全民科學素養(yǎng)行動計劃(2006-2010-2020)》頒布之前，這個比例僅為1.6%。雖然我國取得了巨大的進步，然而和部分西方國家相比還有較大差距：2016年美國28%，2005年瑞典35%，2014年加拿大42%。雖然各個國家因為采用的測評標準(如新舊兩種米勒體系)不同，會對測試結果帶來一些影響，但不會導致逆轉性的結果。

我國的高等教育從精英教育走入了大眾教育階段，毛入學率已經超過四成。大學生作為國家科技發(fā)展的后備軍和未來的主力軍，對其科學素養(yǎng)的要求肯定遠遠超過普通公民。2000年開始，每三年開展一次的國際學生測評項目(后簡稱PISA)，在2015版中指出“科學素養(yǎng)是一個具有反思能力的公民，運用科學觀念，參與科學事務的能力”。這種科學能力又可以進一步細分為“科學地解釋現(xiàn)象”、“評估與設計科學探究”、“科學解讀數(shù)據和證據”三種核心能力。盡管PISA測評是直接面向15歲學生的，但其所倡導的科學教學理念及發(fā)展新動向仍然可以為我國科學教育的改革和發(fā)展提供一些重要啟示。

分析化學(包含化學分析和儀器分析)是化學專業(yè)的核心課程之一，隸屬于自然科學。同時，分析化學的主要任務和目標是利用化學方法和手段完成實際樣品中化學成份種類和含量的測定，因此，其技術性和應用性特征也非常明顯。恰好符合科學素養(yǎng)中的科學(Science)、技術(Technology)、社會(Society)及其相互關系的認知維度，因此，在分析化學的教學過程引入STS教育理念非常方便，對于提升大學生的科學素養(yǎng)非常有利。

1 分析化學中的“量”與科學素養(yǎng)

本文作者均從事分析化學類課程教學多年，教授過化學、應用化學、材料科學、化學工程、食品工程、海洋科學、環(huán)境工程等多個專業(yè)的分析化學類課程。雖然不同專業(yè)在課程名稱、教學內容上有不同的側重點，但在培養(yǎng)學生科學素養(yǎng)方面的核心共性就是分析化學中“量”的概念的引入和深刻理解。這是因為“量”不僅是學好分析化學類課程的關鍵，也是區(qū)分科學與偽科學的一個重要標志，對于學生今后從事科學研究、技術和產品開發(fā)、以及破除迷信和謠言都有非常重要的幫助。下面結合分析化學教學內容和生活實例談談對于“量”的認識以及對于科學素質教育的意義。

1.1 化學分析中的0.1%

任何的分析檢測過程都會有誤差，這是無法消除的。在不同的應用領域，對于誤差的可接受限度是不同的。對于化學分析而言，通用的可接受標準是相對誤差小于0.1%，所有的設計和要求均圍繞這個“量”的要求而展開。主要包括：基準物質的純度要求大于99.9%，滴定反應進行的完全程度大于99.9%，滴定突躍范圍是在化學計量點的正負0.1%之內，選擇指示劑時其變色點要落在滴定突躍范圍之內，分析天平稱量的樣品質量要大于0.2 g，滴定體積要大于20 mL，滴定終點附近的半滴操作，近似計算處理時需要滿足的條件，測量和計算結果的有效數(shù)字要保留4位，化學分析中實驗中的溶液配置和轉移要使用容量瓶、移液管，等等。化學分析中的每一個環(huán)節(jié)都要滿足上述要求才能保證最終結果的誤差是允許范圍的，也就是結果是準確可靠的。

根據本文作者多年教學經驗來看，不僅學習分析化學類課程的本科生，甚至包括部分任課教師都很難真正領悟這個“量”。這種情況從滴定分析實驗操作過程的細節(jié)非常容易體現(xiàn)出來，也是實驗指導教師最痛苦的事，反復糾正，收效甚微，本質上都是學生對“量”的概念沒有真正理解，也就不夠重視。由于不能真正領悟0.1%這個“量”而導致的常見錯誤操作實例，已經有很多文獻進行過總結，此文不再贅述。作者借此機會分享另外3個案例：

(1)用基準物質鄰苯二甲酸氫鉀標定NaOH溶液濃度時，需要加入適量去離子水溶解基準物質再行滴定，此處的“適量”常常對學生造成困擾，不知道多少體積才算適量，即使部分指導教師也不甚明了。實際上，加入適量水溶解的根本目的是為了保證后續(xù)滴定反應在液相中更快的進行，水量多點或少點不會影響基準物質的摩爾數(shù)，也就是不會影響最終定量分析結果。如果水太少難以完全溶解或溶解太慢，水太多則會影響滴定過程中的“搖瓶子”操作，導致不容易快速搖勻，也會使變色太淺增加終點誤差。教師往往簡單參照部分教材或講義建議的20～30 mL執(zhí)行，對于學生經常出現(xiàn)使用移液管移取溶解用水的操作視若無睹。這種現(xiàn)象的背后根源就是沒有真正懂“量”的含義，沒有做到該粗則粗、該細則細，沒有做到合理選擇量器。

(2)規(guī)范嚴謹?shù)慕滩幕蛑v義中對于“量”的準確性的明確要求往往能夠從文字描述或有效數(shù)字的寫法上反映出來，例如：稱取0.2 g樣品和準確稱取(或精密稱定等類似描述)0.2 g樣品，前者采用精度0.0 g或0.00 g的一般天平即可，而后者則必須采用分析天平。再如：加入20 mL水溶解和移取20.00 mL樣品溶液，前者可以采用量筒或者小燒杯量取，甚至直接用洗瓶大概加一些水即可，而后者則必須采用能夠準確量取體積的移液管或滴定管才行。

(3)由于教師和學生沒有真正理解0.1%的含義，導致實驗條件或應用對象發(fā)生改變時不能做到靈活處理。例如：滴定分析普遍采用的是50 mL滴定管，隨著綠色環(huán)保的要求日益加強，實驗微型化深入人心，現(xiàn)在使用25 mL和10 mL滴定管越來越普遍，而教材或講義不可能也沒必要立即跟著進行更改。滴定管體積減小以后，是不是實驗中其他對應的“量”進行相應比例的減小呢？該如何重新計算？前述0.1%這個量實際是活的，大多數(shù)教材理論計算和實驗設計雖然以此為核心標準進行，但實際工作中對于滴定分析誤差的要求一般在0.2%以內即可，有些則允許0.3%甚至0.5%亦能接受?？茖W的做法應該是：首先明確實際分析對象的最大允許滴定誤差，然后根據所用規(guī)格滴定管的等級和精度計算出由滴定管帶來的合理誤差范圍，再以此為標準計算其他“量”的合理范圍。

1.2 “量”是科學的一個重要標志

“沒有統(tǒng)計數(shù)據就是耍流氓”，“沒有量化談毒性就是耍流氓”，這些類似的表述充分體現(xiàn)了人們對于科學的正確認識，也是體現(xiàn)科學素養(yǎng)水平的一個標志?？茖W有目的、精神、方法三個要素，其中科學方法又可分為邏輯化、定量化和實證化三個方面的內容。分析化學中的“量”就是科學的一個重要標志，沒有真正理解并能夠應用“量”，就沒有真正懂分析化學，而掌握了“量”不僅意味著科學素養(yǎng)的提升，而且意味著掌握了一個破除迷信和謠言的利器，也能夠有效幫助人們理性對待廣告宣傳。

分析化學的許多教學內容都與社會生活的方方面面密切相關，例如，化學分析中的酸堿理論是正確認識人體血液和消化系統(tǒng)的酸堿平衡的科學基礎，配位滴定可以解決飲用水和食品中鈣離子含量的測定需要；儀器分析中的原子吸收光譜可以完成藥品中Cr元素的測定，離子選擇性電極可以測定飲用水和食品中的F元素含量，氣相色譜可以測定空氣和食品中甲醛含量，等等。這些與人們日常生活息息相關的實例，可以有效激發(fā)學生的學習興趣，促進學生對于“量”的理解和應用能力，顯著提升學生的科學素養(yǎng)水平。下面就以上述內容為例，從“量”的角度進行一些科學分析(注：以下實例的分析僅僅是從“量”的角度進行一些科學上的解讀，不涉及法律法規(guī)、社會倫理、生活習慣等其他方面)。

(1)酸堿體質和酸堿食品。2018年11月2日，美國圣地亞哥法庭判處“酸堿體質理論”的創(chuàng)始人羅伯特歐陽(Robert O. Young)，賠償一名癌癥患者 1.05億美元，這對國內近些年廣為流傳的“酸堿理論”偽科學是一個沉重的打擊。前些年許多飲用水廣告也常常以“天然弱堿性水有利健康”為噱頭吸引普通消費者，包括酵素在內的許多保健品常常宣稱其產品包含“堿性因子”有利于平衡人體酸堿性從而起到保健作用，擁躉者無數(shù)，從一個側面說明國人的科學素養(yǎng)亟待提高。實際上，人體自身不存在酸堿性之說，人體血液的pH值基本恒定在7.35～7.45的弱堿性，而人體的消化系統(tǒng)則為酸性環(huán)境，胃中下部的pH值甚至可以到1.0～2.0的強酸性。由于人體體液本身就是一個巨大的酸堿緩沖系統(tǒng)，正常情況下，任何食物和飲水都不會產生實質性影響，即使特別喜歡吃醋的人群也不會讓血液變成酸性。否則就會引發(fā)極其嚴重的代謝紊亂，乃至生病甚至死亡。

(2)食物相生相克。民間流傳著許多食物相生相克的說法，作者雖然不能一一驗證這些說法的科學性，但至少能夠保持一種合理的懷疑，而不是盲目相信。在此僅舉一例加以說明：一些養(yǎng)生專家提出牛奶不能與酸性飲料和含酸較多的水果同食的說法，其理由是這些飲料和水果中的酸性物質能夠與牛奶中的蛋白質結合導致蛋白質凝結影響消化，這對于普通民眾來說確實存在很大的欺騙性，使用了貌似科學的一些解釋，讓缺乏一定科學知識的民眾難以辨別真?zhèn)?。實際上，酸性飲料和水果的pH值一般在4～6之間，而胃中下部的酸性更強，另外，在體外能夠導致蛋白質凝結的因素除了酸以外，溫度和鹽分同樣可以使之凝結。因此，上述解釋本身非?；奶?，對其說法的可信性也就打折扣了。

(3)純凈水與天然礦物質水之爭。有一則某品牌瓶裝飲用水的電視廣告，其中呈現(xiàn)了在不同水里飼養(yǎng)斑馬魚的對比結果，純凈水飼養(yǎng)的斑馬魚不如礦物質水飼養(yǎng)的好，暗示給觀眾的是天然礦物質水更有營養(yǎng)的結論。從分析化學中“量”的角度來分析一下：此品牌飲用水標注的鈣含量≥400 μg/100 mL，按照正常人每天飲用2 L水計算出通過飲水攝入的鈣為8 mg，只占每日鈣推薦攝入量(800 mg)的1%，都趕不上喝一口牛奶所攝入的鈣多(一般牛奶中鈣含量大約為100 mg/100 mL)。那么廣告中的實驗是不是不真實呢？其實不然，真正的問題在于廣告中的實驗只用純凈水和天然礦物質水作為斑馬魚的唯一生存條件，而人每天是要吃飯的，飲食是人生存所需攝入礦物質的最主要來源，通過飲水所攝入的礦物質量是可以忽略不計的。

(4)毒膠囊事件。2012年4月15日，央視《每周質量報告》曝光國內部分企業(yè)涉嫌用皮革廢料生產藥用膠囊，9家藥廠的13個批次藥品所用膠囊重金屬Cr含量超標。中國藥典規(guī)定不超過2 mg/kg，當時報道Cr元素含量最高達83 mg/kg，一個空膠囊的質量一般在40～120 mg，常規(guī)每天服用膠囊藥顆粒數(shù)6～12粒，均按上限計算出最高攝入量也只有0.12 μg/d，也遠低于一般人群78～106 μg/d的攝入水平，并不會因為吃了Cr超標的“毒膠囊”造成實質性傷害。

(5)氟斑牙與含氟牙膏。氟是人體必需元素，主要參與構建牙釉質和骨，但是人體攝入F元素過量又會導致氟斑牙、氟骨癥等許多疾病。因此，在環(huán)境監(jiān)測和食品安全等領域的相關國家標準中都涉及了F元素的檢測指標。同時，氟元素又是預防齲齒的有效手段，這正是許多牙膏通過添加含氟化合物達到預防齲齒的功效。美國50個大城市中有42個在飲用水中添加氟元素來防止齲齒。對于飲用水中氟元素的含量，中國規(guī)定的限量為1.0 mg/L，WHO規(guī)定為1.5 mg/L。

(6)“我們恨化學”廣告。2015年11月，國產本土化妝品品牌法蘭琳卡因為一段“我們恨化學”的15 s廣告，受到輿論討伐。各類鋪天蓋地的包括食品、化妝品、中藥、保健品等在內的各類廣告中，明示或暗示純天然產品更好的例子不勝枚舉。以食品為例，許多天然食物自身都是含有對人體有害的物質，例如：梨中含甲醛，西葫蘆中含葫蘆苦素E，土豆中含龍葵素，蘋果籽中含苦杏仁苷，等。日常生活中人們對于甲醛的關注程度非常高，尤其是裝修、家具、汽車等，甚至到了人們談虎色變的程度。實際上，甲醛在水果、蔬菜、水產品、牛奶等平時攝取的食品中普遍存在，世界衛(wèi)生組織發(fā)表的公開資料顯示，蘋果的甲醛含量17.3 ppm，洋白菜 4.7 ppm，鮮牛奶0.027 ppm，加工牛奶0.164 ppm，等。但因這些有害物質的含量很低，并不會對人體造成任何實質性傷害。

2 結語

分析化學的學習不僅僅是學習知識本身，更核心的內容是培養(yǎng)學生正確理解“量”這一重要的科學要素，對于學生提升科學素養(yǎng)至關重要。本文結束生活中的實例，運用分析化學的知識，特別是從“量”的角度進行了科學分析。在媒體極為發(fā)達的今天，各種信息充斥著人們的日常生活，只有具備了較好的科學素養(yǎng)才能進行科學理性的分析，減少迷信和盲從。正如2018年2月“水煮驢皮”事件之后，東阿阿膠掌門人秦玉峰3月份在答記者問時的表述“量化是為了呈現(xiàn)中醫(yī)藥的科學性，是中醫(yī)藥現(xiàn)代化的必然途徑”。其實不僅中醫(yī)藥如此，社會的各行各業(yè)都需要通過量化體現(xiàn)科學性，這同時也是中國特色社會主義新時代下建設創(chuàng)新型社會，提高國際競爭力的有力保障。