利用化学史料提高科学素养的一点看法:化学科学素养

　　文章编号：1005－6629(2010)11－0001－04 中图分类号：G633.8 文献标识码：B 　　 　　化学史本身就是一个相对独立的研究领域。研究的主要方面，除去发掘曾经被遗漏和纠正曾经被误解的重要史实之外，通常以事件发生时间的先后为线索，旨在揭示化学领域内研究目标、方法、概念和理论的发展轨迹，以及某些主要化学家在化学发展的进程中所起的作用（也包括他们对化学相邻学科或技术的影响），从而对在化学领域的认知过程形成比较符合客观实际同时也合乎逻辑的历史描述。因研究者兴趣和工作条件的不同，化学史的编纂与呈现形式各不相同。或从学科的发展着眼，或侧重于人物的成长历程及对科学事业的贡献，也可以编年史的形式展现该学科或其中的某个领域的发展进程。但是所有这些研究，和人文、社会、政治及其他科技领域的历史研究一样，所涉及的历史人物和重要事件，对于后人都能够起到“以史为鉴”的作用，这是史学受到学术界以及教育界普遍关注的原因之一。此前的化学教材和课堂教学中广泛引用科学史料的做法曾经风靡一时，而且这个传统一直延续至今，由中外中学化学教材中一直保留着的对18世纪和19世纪的部分重要化学史实及有关化学家简介可以得到证实。但是在现行教材和教学中，由于受到课程学时的限制和应试为主的影响，化学史料的选取，存在着随意性较大、教育价值取向狭窄等不尽人意之处。少数以提高兴趣为由编撰出来的明显带有“戏说”痕迹的化学故事，则存在着偏离原定教育目标的问题。尽管它们并不以正文形式呈现于教材中，但是由于内容比较生动，容易受到学生的喜爱，而且从中可能获得学科知识之外的某些启示或暗示，亦即影响并非都是正面的。如果能够做到以正面影响为主，则可以成为素质教育的一个平台，为此不可不认真地进行研讨和改进。
　　1不可为了所谓“有趣”，忽视了其中包含的负面影响，使史实沦为“戏说”
　　在教学中引用化学史料时，除去尽可能选取和学科基本概念密切相关者外，必须注重所选科学史素材本身的真实性和叙述（或评论）的科学性。不能为了增加趣味性而采取类似于“戏说”的方式任意添加甚至编造某些情节。因为“戏说”不但模糊了真实性，还可能隐含着某些违反科学教育的因素。例如所谓的“玻尔的金质奖章”一事，就存在上述的问题。且不论所叙述的故事是否虚构（玻尔是一位理论物理学家，不可能使用化学方法溶解金，再用化学方法把金从溶液中提取出来的专业训练，何况这个过程要用到腐蚀性极强的王水，并且会产生大量有毒气体！），退一步讲，即使玻尔可以在化学界朋友的帮助下完成金的溶解和回收，但是用得到的金为原料自己重铸一个奖章的做法，却是典型的“违法”行为！就和公民遗失了身份证或信用卡之后，不是向有关部门申请注销和补发，而是自己（或找人）仿造一个一样，这类行为在法治社会中是绝对不能允许的。 其中包含的在“某种情况下，违法是合理的”的隐喻，有悖于科学史教育的初衷，应当引以为戒。
　　2应当着重弘扬科学精神，不以科学人物对新理论的支持与否为评价依据
　　另一类化学史故事，涉及对科学家的评价问题。例如在介绍阿伏伽德罗提出的分子假说历时半个世纪才为科学界所接受的史实时，有一个对当时主要持异议者（包括道尔顿在内）的评价问题。认为道尔顿等人所持的怀疑态度对科学的进步起了阻碍作用的看法比较普遍，并有不少资料还特别强调因为道尔顿是一位学术权威，所以他在此事件中所起负面影响更是责无旁贷等评论。表面上看，由此引发的批判或遗憾情绪，似乎有利于提高学生对科学的热爱和对科学进步的紧迫感，实际上却忽略了对青少年来说，更重要的应当是从中获得对科学精神的进一步认识。因为在那个时期，阿伏伽德罗所提出的作为物质存在基本形式之一的分子，还只是一个假说，它是为了克服道尔顿原子论无法完善地解释气体反应体积的简比定律而提出来的，并没有更能令人信服的其他证明。对于一个新的假说，特别是存在某种新物质微粒的假设，采取怀疑的态度，要求提供更多更有力的证据而不轻信，正是严谨求实的科学精神的精髓。因为只有这样，才能够促进科学的持续发展。不能简单地用最终结论的是或非来评价科学家，因为这样的评价标准不利于弘扬追求真实和真知的科学精神[1]。
　　在论及为了减少高炉废气中的CO比率一事时，对当时的冶金工程师们因为不懂得化学平衡原理，因而采用了不断加高高炉的方法时频频出现的讥讽心态，是另一个类似的例子。讲述者忽视了正是因为有了这些“错误的假设”和实验的一次次失败，才起着促使人们持续地思索和不断地实践，从而逐步认清科学现象本质的作用。正是可敬的前辈冶金工程师们在探究中积累下来的大量实验数据以及经验和教训，最后促成了化学平衡理论的形成和广泛应用。这段史实同时表明了科学和技术之间的差别和密不可分的关系。所以正确评价这类事件和人物，对提高学生的学习兴趣和探究意识应该能够起到很好的作用，同时也是体现情感、态度、价值观的教育目标的应有之义。
　　3充分发掘中外教材中经常选用的经典史实中包含的教育元素，做到以史为鉴
　　史料用作素质教育的载体时，着重点在于阐明科学精神的核心理念和科学方法所应体现的基本特征。所以在选择与评价时，除确保事件的真实性外，并不要求完整地呈现事件的全部过程。评价时可以用最新的科学知识和技术水准作为参比系，而不受事件发生及关键人物存在时间和地域带来的时空限制，同时也不一定要求把握有关科学技术知识的细节。兹举数例如下：
　　拉瓦锡测定空气组成的实验，是一个完成于两个多世纪之前的经典实验，至今仍然入选于初中教材之中（为了避免汞对环境和人体带来的危害，现行教材中多改以磷、蜡烛[注1]等代替汞用于课堂或学生实验）。假如仅限于介绍人类对空气组成的认识来源于科学实验的史实，以及培养学生在模仿中提高所谓实验动手能力，显然不能充分发挥它所具有的科学教育作用。如果在实验时同时，对科学实验的基本要素和如何评价和欣赏前人的科学活动进行介绍，更能体现以培养科学素质为目标的任务。譬如就技术条件而言，拉瓦锡所用仪器设备显然极其简陋（因而所得实验数据精度不够高），但是作为一个“发现性质”的实验来看，应当认为这个实验从化学反应体系的选择到实验方案的设计都做到了近乎完美的程度。不仅因为汞的沸点较低（356.58 ℃），汞蒸汽和曲颈甑内空气中的氧气之间可以气态进行反应，因而反应速度较快；而且持续蒸发的汞可以使容器中的氧气耗尽，即反应比较完全；产物氧化汞的密度低于汞，且不溶于汞，因此易于分离；还有氧化汞的分解温度不高（约为500 ℃），在同一装置中就能实现等优点。此外，在拉瓦锡的实验方案中还包括了证明了由氧化汞分解所得气体不但是氧气，而且就是使汞转化为氧化汞时从甑内空气中用去的那部分氧气。因为当它回到没有和汞发生反应的剩余气体（主要是氮气）中去时，得到的混合气体与原来取样时的空气完全一致。这样细致而严密的设计，堪称科学实验的典范！故而实验结论的可信度极高。
　　有关科学实验设计的优劣和运用基础知识与方法水平的分析与评价，对于初学者可以起到示范的作用。从而可以得出如下的认识：寻找影响因素最少的化学体系、选取适当的仪器设备和确定与探究思路相关的实验步骤是进行探究性学习，特别是探究性实验设计的重要组成部分。它的质量决定了探究活动是否安全有序和能否获得不确定性较少的结论。原子、分子从假说、学说到理论的发展过程，以及原子结构模型在科学实验事实的“逼迫”下，不断修正的历史，其中所包含的教育元素也都并非仅限于科学知识本身。所以，充分发掘这类化学史料所包含的教育元素，对于提高学生的科学素质将能够起到“潜移默化”和“循循然善诱人”的作用。
　　注1. 就实验设计的严谨性而言，这些替代汞的方案都不如原来的汞方案。其中的蜡烛方案更是一个错误的方案，因为燃烧产物中有无法确定的微溶于水的CO2、难溶于水的CO和石蜡裂解时产生的小分子烃等气态物质，容器中气体体积的变化不能完全归因于氧气的消耗。何况当氧气浓度很低时，蜡烛已不再燃烧，即氧气不能全部耗尽。
　　勒夏忒里原理是另一个值得提及的例子。这是一个通过对大量实验研究得到的分散信息进行整合而得到的科学原理，不仅对当时哈伯合成氨工艺的成功开发起了很大的作用，而且这个原理被陆续地证实可以适用于绝大多数与化学相关的包含有可逆过程的平衡体系，例如溶质和溶剂间的溶解平衡、弱电解质的电离平衡、水的解离、难溶电解质的溶解电离平衡等等，在化学工艺设计、化学分析、电化学等领域的探究和实验现象分析中，应用极为广泛。这个形成于19世纪80年代中后期的化学原理，至今仍然保持着它的预见有效性和结论的可信度。它所阐发的有关科学知识的来源和科学知识对人类物质文明的贡献的认识，应当有利于提高学生的科学素质。
　　类似的原理或理论的发现与形成过程，在有关分子结构理论特别是有机化学教学中也可以找到，从范霍夫的以碳原子为中心的正四面体结构理论，凯库勒的苯的正六边形结构理论，到20世纪莱恩（J-M Lehn）[2]用于解释超分子化合物分子结构的锁钥模型等等，都可以从中体会到科学知识的形成和科学实验及科学思维方法的关系，并不仅限于具体的科学知识本身。
　　４从化学学科的新进展中选择新的科学教育素材
　　作为课程教学的一个组成部分，化学史料的选择不仅应当着重于它们是否和课程密切相关，而且应当着眼于其中包含的其他教育元素，籍以体现多维的教育目标。应当重视那些一直为中外教材所选用的史料，但是也应该根据学科发展的现状，不断补充一些新的内容，其中以能够体现初等化学课程中所学知识和方法的基础性者为首选。因为这有利于提高学生对学习基础知识与技能的认识，也有利于激励学生的创新意识和学习潜力。
　　从学科的新进展中选择某些内容新颖、发现过程具有趣味性和启迪作用的事件作为新的化学史料收入新编或改编教材中的做法，已经受到普遍关注。例如C60的发现史、能起示踪作用的发光水母蛋白、形状记忆合金、可燃冰等等，在现行教材中都可以见到。这些史料对于提高学生的学习兴趣起了很好的作用。但是在发掘其中包含的更多的教育元素，使之更加有利于提高科学素质的研究和实践等方面，还有待于进一步探索。谨就个人一得之见试以C60的发现和发展史为例，阐明以史实为基础和以基础知识为依据而提出思辨和疑问的方法与过程，应当对提高所谓“问题意识”并学会发现问题和提出问题有所帮助，从而孕育着为分析与解决问题而萌生的科学兴趣及学习动力。
　　1985年，H.Kroto, R.Smalley和R.Curl三位教授，在一项用高功率脉冲红外激光轰击石墨的实验研究中，利用质谱仪检测轰击后由氦气带入质谱仪的气体产物时，发现谱图上出现了一个质量数为720 的新峰，亦即产物中存在一个由60个碳原子组成的新物质。但是真正确定这个新物质的分子结构却并非一帆风顺，几经曲折，最后才确定这是一个由12个正五边形和20个正六边形构成的由32个面组成的空心多面体，外形和人们所熟知的足球极为相似（所以曾经命名为足球烯），并获得1996年诺贝尔化学奖。这是已为大家所熟知的C60的发现史故事。这项科学发现以它富有传奇性色彩的故事和具有高度对称性的球形结构为绝大多数教材所钟爱，很多教材对此都有或繁或简的介绍。但是对这个故事中隐含的富有教育价值的元素关注者不多，亦即对该教育资源的开发和利用工作的不足，是目前在研究与落实高中化学新课程标准过程中另一个值得重视的问题。
　　继富勒烯之后于1991年首次发现的碳纳米管（最初所用制备方法和发现富勒烯时几乎相同），后续的研究表明，碳纳米管具有更为稳定和多种优异电学性能等特点，是一种非常理想的新型材料[3]， 研究热情远远超过一度令人们爱不释手的C60及其族群。关于它的研究进展和科技新闻，不绝于专业文献和报刊电视新闻，大有后来者居上的态势，已成为纳米科技领域的重要成员之一。随之产生的第一个问题应当是，在1985年发现C60等的同时，碳纳米管也应当存在于产物之中 (因为它比富勒烯更为稳定)。可是为什么当时没有发现？这个事件和稀有气体发现史有某些相似之处，但是原因并不相同。稀有气体的“遗漏”，可以认同和它们的惰性及在空气中含量过低有关，但是在制备富勒烯时的产物中，碳纳米管的产率并不低，甚至超过富勒烯（因为它们更稳定）。可是它的发现却整整推迟了6年！这里隐含着的教训，难道不值得我们汲取吗？
　　教训之一是，据估计化合物种类的量级至少在1013左右（目前已知者仍未超过107的量级）[4]， 随着制备方法的不断更新，大量新化合物、新结构和新物种的问世，将成为新世纪化学的一个显著特点。因此，在研究某个过程产生的新产物时，应当对产物进行尽可能全面地检测和识别，以免某些意想不到的新物种的失之交臂。
　　尽管现时的化学键理论和物质结构理论可以适用于数以千万计的化合物，但是相对于有待发现和合成的超过千万量级达百万倍的新化合物而言，“千万”犹如沧海一粟！化学作为一门实验性的自然科学，面对的是浩如烟海的物质世界，理论的滞后和不完备性应当是这门学科的常态。
　　教训之二是，因为富勒烯的发现者在检测产物时，仅仅用了检测由氦气携带的气态产物的质谱方法，如果用电镜对余下的产物进行检测，碳纳米管是可以同时发现的。所以，过分关注部分产物，以及检测手段过于单一（在科学技术高度发展，检测手段琳琅满目的今天，应当认为是一次令人遗憾的失误），是另一个值得汲取的教训。
　　教训之三是，虽然和C60结构几乎一样的足球和类似的建筑结构早已问世，至于由正多边形组合成为密闭的空心多面体结构的几何条件，早在18世纪欧拉（L.Euler,1707-1783）就已经提出了V-E+F=2的著名公式(式中，V-顶点；E-边；F-面)[5]。但是C60的结构问题却使科学家困扰多日，久久不能确定。这是因为在这之前，有机化学结构理论中对于碳原子价电子的杂化方式只确定有sp、sp2和sp3三种，无法使得60个碳原子组成类似于传统有机物结构的分子（现在认为，C60中碳原子价电子的杂化方式为sp2.28）。
　　我们应当尊重科学理论的预见性与指导作用，这是常说的“知识就是力量”的根据；但是也应当承认科学理论在发展过程中必然存在着不同程度的不确定性或不完备性，只有这样，才能够最大限度地发挥理论的作用，并在实践中不断推动理论的完善和更新。所以后者是科学精神的核心理念、创新思维的原动力，也是科学素养的最重要的特征。由上面举到的稀有气体化合物和发现C60的事件中不难形成这个认识。
　　还可以顺便提及与富勒烯有关的另一桩有趣的科学发现。当科学界为出乎意外发现的富勒烯而忙于为它命名和讨论是否可以算作碳的第三种同素异形体时，以色列化学家R. Tenne却更关注石墨转变为富勒烯时的机制问题。他从几何学的基本知识出发，认为实现转变的基本条件应当是，在激光或电弧的轰击下，片状石墨的六元环中有一部分变成了五元环、四元环等等（他用织毛衣时收针可以使织物平面变为拱形来比喻这个过程）。为了证实这个设想，他选择了晶体结构和石墨相似的硫化钨和硫化钼为轰击对象，成功地从这类由密集六元环构成的无机硫化物层状晶体为原料的轰击产物中分离出预期的空心多面体，即所谓的无机富勒烯。并证实当用作润滑剂时，其作用类似于一个个纳米尺度的“滚珠”，性能优于原来的鳞片状润滑剂（滚动摩擦系数通常低于滑动摩擦）。虽然后继研究者络绎不绝，近年来实用专利成果累累，但是这项研究成果却一直受到科学界的冷落！因为科学界认为这项发明不过是C60的推衍而已。我们应当认同这种评价，它体现了评价科学成果时对研究工作原创性水平的严格要求。另一方面，我们也应当看到，这个由跟化学似乎相去甚远的几何学概念出发而做出创新成果的事例，和人们已经熟知的1962年巴特勒（N. Bartlett）从物理概念出发（根据O2和Xe的第一电离能以及O2+[[PtF6]-和Xe+[[PtF6]-晶格能数值相近的事实）成功地合成了第一个稀有气体化合物的事例，有异曲同工之妙。值得我们深思之处在于，这些事例有助于我们进一步地确认以下的理念，即广泛而且扎实的基础更有利于提高学生的科学素养。
　　仁者见仁,智者见智。也许从中还可以找到更多有益的经验教训。通过类似的思辨可以认为，科学史料的教育作用，不应该仅限于励志，更应当着眼于科学素质的培育和提高。对前辈科学家的尊重和钦慕，应当体现在学习他们的创造精神和战胜困惑时表现出的极大智慧和勇气。在学习和赞赏新的科学成就时，也应当努力从中获得更多的启示和教诲。只有这样，才能够真正体现出“以史为鉴”的应有之义，并有助于高素质人才的培养。
　　
　　参考文献：
　　[1]E.B.Sparberg: Hindsight and the history of chemistry[J]. Chem.Edu., 73 (3), 1946 199～202.
　　[2]Jean-Marie: From superamolecular chemistry toward constitutional dynamic chemistry and adaptivechemistry[J].Chem. Soc.Rev., 2007,36, 151～160.
　　[3]黄可龙等：无机化学[M]. 科学出版社，北京, 2007:431～432.
　　[4]P.Ball:What chemists want to know [J]. Nature, 442,(3): 500～502, Aug. 2006.
　　[5]I. Hargittai and M.Hargittai :Symmetry through the eyes of a chemist p.81Plenum Press,New York1995.

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