注重科学方法教学 培养创新人才——“无机及分析化学”课程教学初探

李 强 杨今朝 廖蓉苏

(北京林业大学理学院,北京 100083)

当前世界经济的高速发展,科学技术的日新月异,迫切呼唤培养出一批批的创新人才,以满足“十七大”报告中提出的建设“创新型国家”的宏伟目标的需要[1]。高等学校作为培养人才的摇篮,义不容辞地肩负着培养创新人才的历史使命,因此,开展创新教育,大力培养学生具有较强的创新意识、创新精神和创新能力,是目前高校教育的根本任务[2]。

科学方法是人们在认识和改造自然的实践活动中所遵循的正确的思维方式和行为方式,是科学研究与解决问题过程中所遵循的途径以及使用的手段。一般来讲,科学方法包括普遍的方法,如观察、分析 、归纳、演绎 、比较 、分类 、综合 、假设、抽象等一般的方法;同时,由于研究对象的特性,还有其特殊的研究方法[3-4]。无论是对科学知识的理解、掌握和应用方面,还是学生学习能力和整体素质的提高,以及学生创新意识、创新精神和创新能力的培养等方面,科学方法都具有重要的作用。因此,科学方法的教学对科学研究的发展和人才培养,特别是创新人才的培养具有重要的意义。

“无机及分析化学”是北京林业大学环境工程、林化、草业、水保、保护区等专业一年级学生必修的重要基础课程之一,也是大学生进入大学学习的第一门化学基础课程。本课程涵盖了无机化学和分析化学两个二级学科,包含了物质结构、化学热力学、化学动力学、化学平衡等基础理论和知识,以及化学分析和仪器分析的基本方法等较多的教学内容。笔者认为,加强科学方法的教学,对培养学生的科学素质和创新能力大有裨益。

一、基本知识和科学方法教育并重,构筑“无机及分析化学”的教学内容

每一门学科的发展其实都包括理论知识和科学方法两个方面,化学学科的发展也不例外。化学的相关概念、规律、原理等内容构成了化学学科的理论知识,而这些理论知识的产生无不是通过观察与实验、抽象与概括、分析与综合等科学方法获得的。传统上,人们总是重视取得的科学知识和科研成果,而对获取这些知识和成果的方法却重视不够。大学“无机及分析化学”课程教学同样也是以理论知识为主来设计教学内容的,基本上就是单纯的知识传播,科学方法教育常被放在次要的位置,科学方法的教学未得到足够的重视。历史上无数的事实证明,只有运用良好的科学方法才能获得创新性的成果。当然,知识的教学在人才培养中也同等重要。这就需要教师在“无机及分析化学”课程教学中妥善处理这两个方面的教学内容,精心设计,合理取舍,充分调动学生学习的兴趣和积极性,合理使用各种教学方法,重点突出科学方法的讲解,使课堂教学真正做到所谓“授之以鱼,不如授之以渔”。在课堂教学上除了讲解一般的科学方法,主要有辩证法、唯物论、认识论、系统论、科学模型方法、逻辑归纳演绎、推理类比等方法之外,还要讲授无机及分析化学中常用的科学方法,如化学平衡法、状态函数法、副反应系数方法、分类法和近似处理法等。在讲解方式上一般先提出科学方法,再通过知识的介绍,让学生体验和总结出一定的科学方法。同时,通过习题和课外学习,让学生在学习和实践中充分应用科学方法,使学生的天赋得到创造性的发挥,大力提高学生的创造力。总之,在教学中必须注重科学方法教育的地位,知识教学和科学方法教育并重,以科学方法为主线来组织知识教学的内容,让知识教学成为科学方法教育的载体。

二、结合化学史教学,开展一般科学方法的教学

在“无机及分析化学”课的绪论及物质结构部分,需要向学生讲述化学发展史和物质结构理论的发展历程,从而激发学生学习化学的兴趣。这也是进行科学方法教学的良好契机。

纵观化学学科的发展,正是由于科学方法的发展和应用,才推进了化学的发展,使零散的化学知识发展成为了科学。在化学发展的历史中,许多伟大的科学家正是较好地利用了观察、分析、归纳、演绎、比较、分类、综合、假设、抽象等一般的科学方法,通过假说、验证、分析、推理等研究方法,创立了许多著名的理论、定律。例如,在介绍元素周期律发现的历史时,首先介绍在科学研究中经常采用的类比、分类和推理等研究的科学方法。在简单介绍元素周期律发展的历程的基础上,指出在门捷列夫之前的许多科学家尽管已经提出了许多假说,但正是应用的方法不正确,没能发现正确的元素周期律。随后详细陈列出大量的历史事实,以及门捷列夫准备的63张记有化学元素的名称、原子量、氧化物、物理性质、化学性质等的卡片,说明门捷列夫正是反复利用分类法、比较法,最终才发现了元素周期律[5]。而在介绍物质结构理论的发展中,同样也是先介绍理论形成的过程,即建立模型、假说、验证、分析、推理等科学方法,然后结合实例阐述科学方法的应用和理论的创立。如在介绍原子结构和化学键理论的发展过程中,可以看出量子论的创立正是普朗克的创新能力和综合的科学方法的产物。而玻尔理论(氢原子结构)也是运用分析、综合和联想法的科学方法,通过收集、整理、建立模型、假说、计算、验证、分析、推理、实验验证等科学研究的过程,创建了氢原子结构理论。海特勒和伦敦运用移植的科学方法,把量子力学的理论和方法发展到化学,从而创立了量子化学。鲍林更是充分应用了假说、模型、实验、理论、移植、交叉、融合等科学方法,创造性地提出了共价键理论、杂化轨道理论,成为了一代结构化学大师。数学、计算机等方法在化学键理论中的应用,创立了分子轨道理论,更是说明了科学从定性到定量发展的历程[6]。

总之,一般的科学方法是在所有的科学研究中经常使用的手段,化学学科的发展和完善离不开科学方法。同样,学生创新能力的培养也离不开科学方法。在重视学生知识、能力、素质培养的同时,加强科学方法的培养。注意在教学过程中的每一个环节与科学方法教学联系起来,把科学方法的教学与教学改革有机结合,大力发展教师“导”的作用,培养学生的探索精神,按照一般的科学方法自主学习,在学习中培养和锻炼学生的创新能力。

三、在化学平衡相关计算中强化数学的科学方法

在科学研究过程中,由于研究对象具有不同的特性,因此其研究方法也具有不同的特色。在“无机及分析化学”中,有关化学热力学和化学动力学中的科学方法,在以后的“物理化学”课程中还会讲述,故仅介绍化学平衡计算中的数学的科学方法。

伟大的革命导师马克思曾经指出:一种科学只有在成功地运用了数学之后才算达到了完善的地步。由此可见,数学的科学方法在其他学科发展中的重要作用。在中学的化学学习的基础上,“无机及分析化学”课程的任务之一,就是让学生对化学的认识完成从定性到定量的转变,特别是通过化学平衡的相关计算来研究化学平衡移动的方向、反应进行的程度等,这些问题的解决都需要数学的方法和手段。化学平衡问题中的科学方法,主要包括模型的方法、代数的方法、近似的方法等。一般需根据实际问题建立模型,即数学关系的建立,然后求解方程,得到合理的解,再通过与实际问题验证,从而得出正确的结论。在计算中,同时还应注意适当采用近似的方法来简化问题。下面以溶液pH值的计算为例来说明。

溶液pH值的计算是“无机及分析化学”课程中酸碱平衡部分的重要内容,学生在学习过程中普遍感到公式多,记忆比较困难,在具体计算实践中容易出错。笔者认为,主要原因就是数学的科学方法的教学未得到重视,公式是“天上掉下来”的。在教学中,笔者注意加强数学方法的教学。在化学平衡问题的计算中,其一般的科学方法是:首先根据研究(计算)对象,建立模型,确定数学关系(方程)。研究(计算)对象的确定主要是搞清楚溶液中各个物相的形态,数学关系可以根据化学平衡中的基本关系,如物料平衡关系、电荷平衡关系获得;也可以根据质子平衡关系直接得到。然后应用代数的方法求解。其他未知的物相浓度,根据化学平衡常数用c(H+)表示,即转化为一个关于c(H+)的一元多次方程。在求解关于c(H+)的一元多次方程中,注意近似方法,获得近似公式[7]。

例如,计算0.1mol◦L-1NaHS水溶液的c(H+)。方法如下:

①据研究(计算)对象,建立模型,确定数学关系(方程)。

建立PBE方程:c(H+)+c(H2S)=c(OH-)+c(S2-)

②各共轭酸碱的平衡关系式,求出所需型体的浓度,代入质子平衡方程

③解关于 c(H+)一元多次方程,注意近似方法,获得近似公式。

对上式进行整理,得精确式:

近似方法:

①考虑到酸式盐NaHS的酸式解离和碱式解离都是二级解离,解离度很小。

故假设c(HS-)=c0

②计算误差≤5%,即c0K⊖a2≥20K⊖w,即可忽略K⊖w;同时,c0≥20K⊖a1,原方程的解可近似为:

即得两性物质酸度计算公式(最简式)。若以上近似条件不满足,则推导出其他近似式。

总之,在计算不同物质pH时,从基本概念入手,由浅入深,让学生理解和掌握解决问题的关键,即数学方法的应用,举一反三,可取得良好的教学效果。

四、以问题为中心,进行实验的科学方法教学

化学是一门实验的学科,无论是物质性质的研究、新产品的开发,还是新的化学反应、规律和定律的发现及验证等都需要实验的方法。在化学实验中,不仅可以学习相关的化学知识,而且由于实验现象的直观、生动,有助于学生对知识的理解和掌握。同时,在实验中还可以进行观察、分析、比较、归纳等科学方法的训练,培养严肃、认真、实事求是的良好习惯,树立实践是检验真理的唯一标准的科学观。从而达到发展学生的探索能力,提高学生的动手能力,拓展其创新能力的目的。因此,在“无机及分析化学”课程中,应加强实验的教学。

但是,由于学时的限制,许多实验的教学在课内就不能进行。我们采用分段进行实验教学的方法[8],以问题为中心,设计实验教学的内容。具体做法是:

①先提出问题。在绪论课中,主要结合林业相关专业的实际,凝练出学生感兴趣的、专业需要的一些问题,如水的硬度、COD、BOD、草坪草中硫含量、土壤中有机质含量、鸡蛋壳中钙含量分析等,布置相关任务,让学生带着问题进行理论课的学习,学期结束时获得解决问题的方案。

②在有限的实验课中,进行分析化学基本技能、操作等方面的训练,使学生掌握仪器的洗涤、溶液的配制与标定、分析天平的使用、滴定管的使用等基本定量分析的实验技能。

③实验室开放。让学生利用假期或课余时间,到实验室完成自己感兴趣的研究课题。可以是一人一组,也可以是多人一组。在实验前,由指导教师组织学生进行方案讨论,以及仪器、药品的准备。整个实验过程以学生为主,让学生独立开展工作。本实验阶段也可结合目前在学校开展的大学生创新计划项目进行。整个实验教学,从问题的提出、知识的学习、方案的设计、实验的完成贯穿整个“无机及分析化学”课程。最后让学生完成报告或论文,培养学生的创新能力。

总之,科学方法对创新人才的培养意义重大。因此,我们应在各门课程中大力开展科学方法的教学研究,在传播科学知识的同时,培养学生的科学精神,训练其科学思维,掌握科学方法。我们在课程教学中要把握好科学知识和科学方法这两个方面,做到知识与方法有机融合,为培养创新人才而不懈努力。

[1]周济.创新是高水平大学建设的灵魂[J].中国高等教育,2006(3/4):9-13.

[2]周济.注重培养创新人才 增强高水平大学创新能力[J].中国高等教育,2006(15/16):4-8.

[3]王尚芝,韩静,孟双明,等.大学化学教学中应重视科学方法教育[J].科技信息,2007(33):95.

[4]刘元亮,姚慧华,冠世琪,等.科学认识论和方法论[M].北京:清华大学出版杜,1987.

[5]孟献华,李广洲.结合化学史实进行科学方法教学的实践分析[J].中小学教师培训,2005(8):44-46.

[6]张季爽.在结构化学课程教学中进行素质教育的体会[J].化工高等教育,2003(1):29-30.

[7]武汉大学.分析化学(第二版)[M].北京:高等教育出版社,1984.

[8]王英华,魏士刚,程新民,等.分析化学实验课程的改革与实践[J].大学化学,2006,21(4):22-24.