大学自然科学通识课的教学体会

周健

摘要：通识教育在现代大学教育中起到重要作用。以“元素的故事”为例，本文对大学文科学生自然科学通识课的教学内容和教学方法进行了深入思考，有助于激发学生思考兴趣，提高学生科学素养。

关键词：通识教育；自然科学；科学素养

中图分类号：G642.3 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2017）01-0121-02

一、引言

通识教育是教育的一种，这种教育的目标是：在现代多元化的社会中，为受教育者提供通行于不同人群之间的知识和价值观[1]。通识教育本身源于19世纪，当时有不少欧美学者有感于现代大学的学术分科太过专门、知识被严重割裂，于是创造出通识教育，目的是培养学生能独立思考、且对不同的学科有所认识，以至能将不同的知识融会贯通，最终目的是培养出完全、完整的人。20世纪以后，通识教育已广泛成为欧美大学的必修科目。通识教育实际上是素质教育最有效的实现方式，鼓励学生结合自己实际跨学科、跨专业自由选课，充分发展个性，增强学生学习主动性，全面提高素质。通识教育的性质决定了通识教育存在的合理性，我国高校长期实行的专业化教育模式迫切呼唤大学通识教育的出现。专业化教育模式是我国高等教育在特定时期、特定社会背景中的选择。过分强调专业划分，把学生的学习限制在一个狭窄知识领域，不利于学生全面发展[2]。推行大学通识教育，不仅是我国高等教育与世界先进教育理念接轨的要求，也是我国教育改革与发展的需要。通识教育作为大学教育的重要一部分，是对高等教育专门化、功利化导致的人的片面发展的一种矫正和超越，是高等教育本质和大学使命的回归。如何教好通识课程，培养高素质人才是教育工作者应当认真思考的问题。笔者在为大学文科学生讲授自然科学通识课“元素的故事”时，积累了一定的经验，下面谈谈几点教学体会。

二、教学内容的思考

文科学生大多具有初中和高中的物理、化学基础，对大学的物理和化学了解不多，在基本概念和基本术语的理解上可能存在困难。因此，在教学内容方面应考虑到他们的知识特点，选取合适的参考书籍和参考资料，力求尽可能少的专业知识，增强趣味性、易懂性，贴近现实生活和学生的感性认识。笔者选取了苏联的科普读物《元素的故事》[3]一书作为参考书籍，向学生们介绍了自18世纪中期到近年有关化学元素的重大发明和发展，如：18世纪中期瑞典化学家舍勒怎样发现了空气不是单一的物质而是氧、氮两种气体的混合物；接着法国化学家拉瓦锡怎样否定了燃素说，把氧、氮以及磷、碳、氢等列为世界上第一张元素名单；19世纪初期，英国化学家戴维利用电流怎样分解了当时普遍认作是元素的两种苛性碱和八种碱土金属，而发现了钾、钠两种碱金属和八种碱土金属；19世纪中期，在元素名单上已经有了57种，当时认为再难找到新元素的时候，德国科学家本生和基尔霍夫怎样利用光的性质，造成了分光镜，发明了化学元素的光谱分析术，使元素名单再行扩大；19世纪下半期俄国化学家门捷列夫怎样总结了数百年来化学家们研究的成果，创造了元素周期表；19世纪末期英国的科学家怎样发现了惰性气体，充实了元素周期表。最后，20世纪初期，居里夫妇怎样发现了钋和镭，推翻了元素永恒不变，原子不可再分的旧观念，掀起了一场化学上的大革命。通过这门课程的学习，使学生对元素发现的方法和历史有了大致的了解。

三、教学方法的思考

如何提高教学效果是教师们经常讨论的问题。在课堂上，好的教学思路能够激发学生的好奇心，激起学生进行思考的欲望，能够极大地调动学生学习的积极性和主动性，从而提升教学效果。笔者在一节“光谱学与元素的发现”课堂中，首先抛出了这样一个问题：科学家们是怎样知道太阳的化学元素组成的？这一问题立刻引起了学生们的兴趣。太阳距离我们非常遥远而且温度极高，无法直接检测太阳的化学组成。科学家们用了什么方法呢？答案是光谱分析法。说起光谱，学生可能觉得陌生。其实在中学物理里面大家就已经知道了牛顿的著名的三棱镜色散实验，将一束太阳光经一块三角形的玻璃棱镜折射后，形成了红﹑橙﹑黄﹑绿﹑蓝﹑靛﹑紫等七色的彩色光带，牛顿将这种彩虹色带命名为光谱，现在我们知道不同颜色的光具有不同的波长。接下来学生会问光谱与化学元素分析有什么关系呢？那么首先回顾一下初中化学学习过的焰色反应：许多金属盐类在燃烧时会产生特殊的焰色，如钾盐的焰色是紫色的，钠盐的焰色是黄色的，铜盐的焰色是翠绿色的，钡盐的焰色是草绿色的，钙盐的焰色是橘红色的，而锶盐和锂盐一样都是鲜红色的。在衍射光栅的分光术发明以后，英国的物理学家泰尔包特于1825年制造了一种可以研究焰色光谱的仪器，然后将灯蕊浸在各种不同盐类的溶液中，晒干后点燃，观察其光谱，发现各种金属盐类的火焰分光后所得的光谱，都是不连续的几条亮线，各出现在其对应的颜色光区内，其中他注意到，锶盐和锂盐尽管焰色几乎完全相同，但呈现的光谱却迥然不同。他是意识到每种元素都有自己的一组特征光谱的第一位科学家。到1852年，瑞典的物理学家Angstrom指出每一种特征光谱就是某一种元素的特定标志，光谱正像人类的指纹一样，各种金属元素所发射的光谱线的数目﹑强度和位置都不一样，因此可以由光谱的分析来检验金属元素的种类，更可由各元素谱线的相对强度来判断混合物中各种元素的相对含量。至此，光谱学的应用进入了一个崭新的时代，成为化学元素分析的一项利器。知道了光谱法可以分析元素之后，我们来回答最初提出的问题：太阳上有哪些化学元素？早在1802年，英国的化学家伍拉斯顿就用分光棱镜仔细观察了太阳光谱。他注意到表面看来是连续的彩色光带中，夹杂着不少的垂直暗线，在不明原因的情况下，只好把这些暗线的出现归咎于棱镜的缺陷。1814年，德国的物理学家弗朗和斐用他的衍射光栅试验太阳光谱时，也发现了伍拉斯顿所看见的暗线。他仔细地数一数所能辨识的暗线，竟有576条，把它们一一标记下来，其中最主要的几条，根据明显程度，依次标以英文字母A﹑B﹑C﹑...G的代号，当做描述用的固定点或参考点。后世即把这些暗线称为“弗朗和斐线”。有一天，弗朗和斐把他的分光仪一器二用，将光线入口处分成两半，上半以阳光入射，下半以燃烧的钠焰入射，于是得到了上下两幅平行的光谱。他发现发出强烈黄光的钠焰在光谱中有两条很接近的明亮黄线，恰巧与太阳光谱中他标示为D的两条暗线在同一位置上（此即今日我们所称的著名的“钠-D双线”），这意味着什么？他知道其中一定蕴藏有重大的玄机，只是不知道答案在哪里！到了基尔霍夫和本生手里，这个秘密才被彻底揭穿。他们重做了四十年前弗朗和斐所做的钠焰实验。这次他俩让连续光谱透过钠焰的上方，那里有未燃烧的钠蒸气，结果在一片连续的彩色光带中竟然就出现了两条明显的D暗线。显然，是钠蒸气将连续光谱中属于D线波长的辐射给吸收掉了！于是他们在1859年发表了两条有名的“基尔霍夫辐射定律”。第一定律是每种化学元素都各有其特殊的光谱，第二是每种元素所吸收的电磁辐射波长与所发出的波长相等，即当某元素在高热燃烧时若能发射某种波长的光，则在较低温时其蒸气就会吸收相同波长的光。第二条辐射定律就解释了四十多年来一直不知其所以然的“弗朗和斐暗线”问题。本生与基尔霍夫认为高温的太阳表面原来会发出含有各种频率的连续光谱，然而紧贴着太阳表面的大气层，因为温度比太阳光球的温度低，其中所含的蒸气成分，会依其化学元素特性而选择吸收其特征波长的辐射，所以太阳光谱中的各条弗朗和斐暗线都是其大气成分元素吸收部分阳光波长所造成的。像暗线中的D线为什么恰与钠焰的双黄线位置﹑波长一样，就是因为太阳大气中含有钠成分，吸收了阳光中的这种波长之故，也就是说D暗线的存在正是太阳大气中含有钠成分的明证！他们就用这种方法比较太阳光谱中的弗朗和斐暗线与各元素的特性光谱，而后在1859年宣布，太阳大气层中含有钠﹑铁﹑钙和镍而没有锂，但其中含量最多的则是氢。他们的发现立刻轰动了整个科学界，光凭一台简单的分光镜居然能在地球上检定出一亿五千万公里外的太阳的化学元素组成，真是太神奇了！从此，太阳在人类的心目中，就失去了它的大部分神秘性。跟着，星球的神秘性也大部分消失了。通过这样一节课，笔者讲述了光谱、光谱分析法和用光谱分析法发现太阳上化学元素的故事，循序渐进地诱导学生进行思考，收到了良好的效果。

四、结论

在大学自然科学通识教育中，针对文科学生的知识特点，精心选择教学内容和设计教学方法，努力做到趣味性、易懂性、启发性和循序渐进性，提高了学生的科学素养，培养了学生的独立思考能力，取得了显著的教学成效。

参考文献：

[1]哈佛委员会.哈佛通识教育红皮书（2010年12月版中译本）[M].李曼丽，译.北京大学，2010：45.

[2]赫钦斯的高等教育思想对大学通识教育的启示[Z].中国信息大学，2016-06-25.

[3]依.尼查叶夫.元素的故事[M].滕砥平，译.上海：少年儿童出版社，1978.

Thoughts on Teaching of Natural Science of General Education in University

ZHOU Jian

（College of Materials Sciences and Engineering，Beihang University，Beijing 100191，China）

Abstract：General education plays an important role in modern university education. Aiming at liberal arts students，we discussed the teaching content and methodology of natural science courses taking the "story of elements" for instance. This is helpful to stimulating scientific thinking and science literacy of students.

Key words：general education；natural science；science literacy