基于科學(xué)史的研究生《化學(xué)動力學(xué)與催化》教學(xué)改革與實踐

＊石美 丁可可* 何亞群 路瑤 周蕊

（1.中國礦業(yè)大學(xué)化工學(xué)院 江蘇 221116 2.中國礦業(yè)大學(xué)現(xiàn)代分析與計算中心 江蘇 221116）

《化學(xué)動力學(xué)與催化》課程是中國礦業(yè)大學(xué)面向化學(xué)類及其它相關(guān)專業(yè)的碩士研究生開設(shè)的核心課程，內(nèi)容涵蓋唯象動力學(xué)及其延伸內(nèi)容，并將催化的基本理論、研究方法拓展至光催化與酶催化。碩士研究生經(jīng)過本科理論和實踐歷練，已經(jīng)具備了較為扎實的專業(yè)基礎(chǔ)知識和學(xué)習(xí)方法和能力。教育部于2020年9月發(fā)布《關(guān)于加快新時代研究生教育改革發(fā)展的意見》指出：“全面提升研究生知識創(chuàng)新和實踐創(chuàng)新能力；……加快構(gòu)建優(yōu)質(zhì)高效開放的研究生教育體系……”[1]，因此作者推進(jìn)《化學(xué)動力學(xué)與催化》課程改革，目的在于，有效將理論知識與科學(xué)史兩者緊密結(jié)合，確保在傳授知識時，也向?qū)W生展示本學(xué)科特有的思維方式、解決問題的邏輯以及他們?yōu)榕实强茖W(xué)高峰付出的卓絕努力，進(jìn)而培養(yǎng)出具有能源資源特色和創(chuàng)新能力的科研人才。

1.融合科學(xué)史的課程改革

著名教育家杜威認(rèn)為：“一個人如果不了解科學(xué)史，就無法理解人類是如何從迷信屈服于自然之力，變?yōu)槠孥E般地利用自然直至冷靜自律地進(jìn)行種種抗?fàn)帯盵2]，因此科學(xué)史與課程內(nèi)容結(jié)合，包含了科學(xué)思維方式和學(xué)科之間的比較，還體現(xiàn)了科學(xué)與人類、科學(xué)與歷史之間的聯(lián)系，可加深學(xué)生對科學(xué)問題本質(zhì)的認(rèn)識。國內(nèi)外有不少學(xué)者從事科學(xué)史與教學(xué)效果關(guān)系的理論研究工作。Stinner在選定某一科學(xué)主題后，以故事線索指引，將與主題有關(guān)的假說、觀念、理論自然呈現(xiàn)[3]。Kipnis以重現(xiàn)科學(xué)史上著名實驗與理論的教學(xué)方法，加深學(xué)生對知識、科學(xué)認(rèn)識過程的理解[4]。Monk和Osboren[5]因?qū)嵤┝丝茖W(xué)史和哲學(xué)融入課程的教育法而廣泛受到關(guān)注。Osboren和Freyberg提出準(zhǔn)備、集體討論、質(zhì)疑和應(yīng)用4個階段進(jìn)行科學(xué)教學(xué)，不少教育工作者推崇這一模式[6]。因此將科學(xué)史與理論教學(xué)結(jié)合，它對教學(xué)效果的提升有積極的推進(jìn)作用?！痘瘜W(xué)動力學(xué)與催化》綜合運用數(shù)學(xué)、物理和化學(xué)知識，因其涉及3個學(xué)科，因此與科學(xué)史聯(lián)系緊密，若將二者有機融合，可達(dá)成“興趣引領(lǐng)—能力提高—使命擔(dān)當(dāng)”的教育理念，有助于學(xué)生科研思維、探索創(chuàng)新精神、科學(xué)精神與品德以及愛國熱忱的培養(yǎng)。

(1)科學(xué)史融入理論教學(xué)的改革思路

《化學(xué)動力學(xué)與催化》伴隨物理和化學(xué)研究成果和方法的不斷發(fā)展，該課程理論體系快速更新，學(xué)科跨度大使本課程有豐富的科學(xué)史內(nèi)容。但是在授課時，需將課程內(nèi)容與科學(xué)史恰當(dāng)、適度地融合，體現(xiàn)科學(xué)家們在“發(fā)現(xiàn)現(xiàn)象—質(zhì)疑舊理論—解決問題—發(fā)展新理論”的過程中逐步推進(jìn)學(xué)科體系的建立。因此，本課程改革思路采用Monk和Osbore的融科學(xué)史于理論教學(xué)的模式，主要內(nèi)容如圖1所示。

圖1 理論教學(xué)與科學(xué)史結(jié)合的教學(xué)改革內(nèi)容與思路

融合型教學(xué)模式強化了以實驗為基礎(chǔ)的化學(xué)學(xué)科與科學(xué)理論之間的相互促進(jìn)作用，突出學(xué)生運用已有的知識和科學(xué)經(jīng)驗參與科學(xué)理論和假說的評判。評判過程不是感性地判定對錯，而是以實驗設(shè)計為基礎(chǔ)的邏輯推理。學(xué)生在討論過程中養(yǎng)成思辨的習(xí)慣，認(rèn)識到科學(xué)理論的正確性并非一成不變，隨著學(xué)科的發(fā)展，將被新研究成果和理論替代，確立科學(xué)精神的思辨性和懷疑性，明確實驗驗證是檢驗真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)。

(2)課程改革實例

實施改革前，教師應(yīng)充分了解本課程的科學(xué)史，而不是簡單、生硬地將科學(xué)史移植到課程內(nèi)容里，它應(yīng)包括教師思考如何運用科學(xué)史料詮釋理論體系的建立，理解科學(xué)家如何從龐大的實驗數(shù)據(jù)和結(jié)論中尋找出抽象的模型，并經(jīng)過加工反映在教學(xué)過程中。同時理清學(xué)科體系與本課程的關(guān)系，抓住影響深遠(yuǎn)的科學(xué)事件，防止無序羅列瑣碎的細(xì)節(jié)，從而邏輯化導(dǎo)出理論觀點。如表1所示的化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)理論的建立為例，在近400年的時間跨度中，化學(xué)動力學(xué)理論建立與其他學(xué)科的發(fā)展歷程相輔相成，從宏觀唯相動力學(xué)，逐漸發(fā)展將統(tǒng)計熱力學(xué)的方法融入化學(xué)動力學(xué)和量子力學(xué)理論用于解讀化學(xué)動力學(xué)理論和實驗現(xiàn)象。

表1 化學(xué)動力學(xué)理論的爭議與發(fā)展

續(xù)表

閱讀教師提供的材料后，學(xué)生將總結(jié)出化學(xué)動力學(xué)中的科學(xué)觀點。教師補充未被學(xué)生發(fā)現(xiàn)的重要觀點后，由學(xué)生根據(jù)已學(xué)的知識和實驗方法設(shè)計實驗，并論述設(shè)計實驗的合理性和驗證內(nèi)容。該實驗設(shè)計可涉及不同學(xué)科的知識，提高學(xué)生全面、綜合運用所學(xué)知識的能力。教師的角色則是總結(jié)和評價學(xué)生的實驗設(shè)計內(nèi)容是否能有效達(dá)到驗證理論的目標(biāo)，并幫助學(xué)生分析該實驗設(shè)計優(yōu)缺點，完善設(shè)計方案。這一過程不僅因科學(xué)史的融入使理論內(nèi)容變得生動，也讓學(xué)生理解學(xué)科的建立與發(fā)展需要長時間的積累與沉淀，短平快建立的理論體系往往經(jīng)不起事實的考驗。進(jìn)而言之，科學(xué)爭議表現(xiàn)出復(fù)雜性，如“親和力”理論的提出、繁盛到衰落，直至被“化學(xué)力”雛形取代，經(jīng)過幾代科學(xué)家的努力，逐步形成了質(zhì)量作用定律。使學(xué)生通曉每一次科學(xué)爭議得以解決都是人們逐步接近真理不可或缺的步驟，學(xué)生在完成研究生的學(xué)業(yè)時也需要這樣的品質(zhì)。

2.改革成效

多年來將科學(xué)史融入《化學(xué)動力學(xué)與催化》教學(xué)，學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和積極性均有不同程度的提高，且在科學(xué)理論案例分析過程中，學(xué)生普遍反映學(xué)會了通過實驗設(shè)計驗證假說和理論的方法，提升了去偽存真的辨別能力，形成了正確的科研態(tài)度，對科學(xué)的態(tài)度衍化成尊重科學(xué)、邏輯嚴(yán)密、具有批判和超越精神的科研入門人?？茖W(xué)史向?qū)W生展示了科學(xué)進(jìn)步是在不斷解決問題的過程中形成，因此，科研工作不是形而上學(xué)的片面理論研究，而是知行合一的解決實際問題。再則，科學(xué)史是從人文角度潛移默化地影響學(xué)生，并非單個知識點的考察，因此重在幫助學(xué)生建構(gòu)學(xué)科發(fā)展的全局觀。另外，教師在選擇科學(xué)史案例時的主導(dǎo)性既可避免學(xué)生在探究過程中因過度關(guān)注奇聞異事沖淡理論教學(xué)內(nèi)容，每個案例后教師的總結(jié)與評價可幫助學(xué)生建構(gòu)個人的知識框架和體系，提高對學(xué)科背景知識的認(rèn)知。

3.結(jié)論

科學(xué)史與《化學(xué)動力學(xué)與催化》課程交融統(tǒng)一的最終落腳于提高教學(xué)質(zhì)量的邏輯起點。學(xué)生在實例剖析的過程中，逐漸建立個人良好的科學(xué)素質(zhì)，深入理解科學(xué)知識內(nèi)涵，掌握不同學(xué)科的研究方法，形成正確的科學(xué)理念和科學(xué)精神。學(xué)生在設(shè)計實驗驗證科學(xué)理論和假說的過程中與教師的溝通與交流，使學(xué)生由科研活動被動的參與者變?yōu)橹鲃拥陌l(fā)現(xiàn)者?？茖W(xué)史的融入讓學(xué)生通過生動的歷史人物和事跡掌握科學(xué)知識和物質(zhì)世界本質(zhì)，掌握科學(xué)家的思維方式、吃苦耐勞的科研精神和敢于革新的勇氣，提高自身的科研能力和水平，積極參與解決我國科研短板的科研活動。

感謝中國礦業(yè)大學(xué)化工學(xué)院教學(xué)辦公室朱清老師多年來的幫助與支持。