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中学理科教育中的创新教育问题
发布时间:2017-12-06  信息发布人:管理员  

一、在科技领域中未来向过去的继承和批判

人类进步依赖科技进步,科技进步依赖创新。创新包括三方面:发现存在的和曾经存在过的事物,创造不存在的和从未存在的事物以及把存在的事物革新成为新事物。这三者都是在已有的认识基础上实现的。因此,继承与创新是人类文化发展的根本,是人类战胜客观困难得以存在和进步的根本,也是培育人才的根本。要使学生学会继承和创新,才能使人尽其才。

一个民族的兴衰要看它的人民是否向往未来新事物和新世界。“一个民族可以牺牲一切以达到目标,就这一点精神造就了世界的知识分子、科学家和音乐家。一个民族如果除去到处游荡什么事情也不想做,从来也不想今天以后的事,他们那里就一直是一片沙漠。”[S.K.Wolf,Mackinnon’s Machine]。我们需要历史,需要继承,但是更重要的是创造未来,创造历史。这可能是我们教育者的最主要的职责,因为我们的学生能否担负起他们的历史使命,要看我们能否教育他们继往开来。

20世纪科技进步的确创造了辉煌的人类现代文明。化学之所以被看作是核心科学,就是因为它创造了不可胜数的物质和材料,从分子水平打开了认识和控制许多许多变化过程(如生命过程)的途径,今后它还将在这些方面为人类进步作出贡献。科技必然要进步,人类也必然要进步,但是从个别情况来说,并非科技进步必然推动人类进步。当我们展望21世纪之时,我们应当从正反两方面来回顾20世纪的进步。20世纪的确有推动人类进步的几方面的成就。在科学哲学方面,从唯心论和形而上学到唯物论辩证法,到现代科学思想,如系统论、控制论、灾变论等等。在科学界,建立了统治20世纪科学界,指导科技发展的大理论,如牛顿力学、达尔文学说、热力学和量子力学等等,它们也会继续推动下一个世纪的科技进步。此外,推动20世纪科技发展的还有一系列科学方法:如理想化和模型化处理,动态过程的静态处理,非线性关系的线性化分析等处理方法,使我们得以在当时那个条件下对复杂事物进行近似的局部的研究。另外,还不能忽视20世纪技术进步对科学的推动,如现代测试观察仪器、高效计算机技术以及仿真、模拟等等。在20世纪以前,科学研究大部分是在科学家本人兴趣推动下进行的,而在工业化之后,大规模生产促进了资本的集中和大量增值。另外,现代国家机器的形成与发展越来越依赖科学与技术。于是国家利益和各种来源的资本成为科学技术的强大后盾,来自国家和企业的科研基金与资助,国家下达的和企业委托的科研任务向科学研究提供大量经费,出现了大批专业研究人员,并且为了提高科研人员的工作效率,建立了研究所制度。这是20世纪科学研究繁荣的主要原因。也是在这期间,人类能够克服粮食、能源、资源短缺,克服疾病威胁,减少各种天灾而发展进步的原因。这是人所共知的。

但是不能忽视上述几种推动力也可成为科学进步的障碍和限制。我们从科研工作中所走的弯路、所付出的代价以及科研的浪费中,一方面可以看到那些在知识的新陈代谢中由于理性认识的退化和方法学的错误与不足所起的副作用。它们往往限制了创新。另一方面还应看到在资本和市场的国际化和全球竞争激烈之时,庞大的资本推动力有时会使科研被推向偏离实际需要的方向,有时被逼入歧途。科技好像进步了,但是人类未必由此进步。我们可以从未来科技对现代化学的挑战和希望中看出未来科技对20世纪科技的批判。首先,科技进步并不一定能推动人类进步。因为科技成果的评价应该是全面的,包括它对现在和未来,局部和全球的人文、环境、经济和人类的持续发展的作用。因此今后的化学工作者面对的责任和过去有根本的不同。我们在设计一项研究或工程时,需要自始至终考虑以下几方面问题:

1.节能、节约和洁净生产;

2.缩短研究周期;

3.缩短研究结果的“库存量”和“库存期”;

4.减少投入,提高研究的命中率。

以节能、节约和洁净的化学合成为例,我们的化学品的确为人类生存与进步做出了极大贡献,但是为什么公众对化学心怀疑虑?因为化工生产中有许多浪费能源和资源,并且给人类带来对环境和生态平衡影响的近忧和远虑。因此必须彻底改造化学品的选择、使用和生产方法,这必将引起一个大变革。例如,我们正处于传统合成化学向未来合成化学转化的时期,未来的化学合成必须向以下几个方向发展:

1.提高原子利用率;

2.提高转化率;

3.提高合成精度,减少副产物;

4.避免把本来固定在岩石圈里的元素活动化;

5.避免把化学惰性物质变成活性物质;

6.少使用有机溶剂;

7.减少使用和排放有毒的和对生态环境有影响的物质;

8.避免高温及深冷,尤其是高温与深冷的连续操作;

9.尽量使过程可循环,可再生;

10.减少步骤。

达到这些目的,必须从根本上创新。例如一个好几步的合成路线,浪费资源和能源,污染环境,但是改用酶法合成就变成一个洁净节约的工艺。这就要搞合成化学的人重新定下自己的坐标,重新整理自己的知识。我们好像突然发现不是我们过去所教的和所学的内容不对,而是考虑问题的基础要转变,传统的观点要改变,一二百年以来解决问题的惯用途径要改变。那么,我们现在教学生什么,培养成什么样的人才才能使他们适应未来的这种要求呢?

二、要求积极创新的科技与传统中学理科教育的矛盾

我们的有机合成路线,不论在课堂中教的还是从书本上学的,大都是由那些历史上的传统反应组成的。在工作中设计一个合成路线时,也用了一些在学生时期学到的反应。而实际上这些反应以及组合反应的思路不少是数十年上百年前纯学术研究的结果,它们不计较成本,不考虑浪费,更不想环境,不想未来。要想根本改变就必须开创新路。所以,要使学生具有解决这些问题的愿望、素质和能力,而其中主要是创新。

为此,我们的教育者要认识科技进步与传统理科教育之间的矛盾。

1.科技进步要求创新,而传统教育是以知识积累为主的。

2.科技进步要求多样化,而传统教育教给学生的和要求学生接收的是单一的,而且是统一的观点和理论。

3.科技进步日益依赖多学科多方面多途径的综合研究,而传统理科教育体系导致学习领域狭窄,从中学到研究生到博士后越来越变成一个专门家,并只在弹丸之地打洞。

4.科学进步要求动态思维和适应不断变化的问题和不断更新的工作方法,而传统教育强调巩固的、万无一失的常规方法。

5.计算机存储加工信息的能力猛增,使以记忆为主的描述性知识教育失去它的大部分作用。

6.高效计算机技术加上人工智能能够代替人进行大部分的程序性的思维,使得以推导、演绎、标准方法训练为主的理科教育失去意义。

这些矛盾是知识与智慧的内容和它们之间关系不断改变的表现。人要有知识,更需要有智慧,随着科技进步,过去的智慧变成今天的知识;过去的尖端科研变成今天的常规。例如,DNA合成、X射线晶体结构分析、蛋白质测序等都已自动化,或者说“傻瓜化”,而不再需要多少智慧来完成的了。因此,培养学生的创新精神和能力才能使他们成为走在科技进步前头的人。要培养创新的心态、素质和能力,必须而且能够从中学教学开始。如前面讨论的,我们在教育学生时要时刻注意培养他们以下几个素质:

1.多样性;

2.综合性;

3.相对性;

4.想象力;

5.动态思考;

6.比较和批判。

若以这几方面的素质教育为目标来看当前化学教育,就会看出许多问题。学生把反应、性质、定义、计算方法当做唯一的绝对的东西背下来,甚至有的教师要求学生从文字上吃透化学反应的精神,遵循课本的文字叙述回答问题,按照例题计算问题。中学这样考,大学入学考试也这样考,学生丧失了他原先还有的想像力和怀疑精神。这样培养出的人很难有创新的要求、意愿和素质。

三、正确处理理性认识间的相互作用是在中学教学中培育创新素质的最重要步骤

我们强调从中学开始培养上述素质是必要的。因为一个人从中学开始他越来越多地通过学习掌握理性认识,并且越来越多地依赖理性认识去进一步观察、解释和认识事物。以指数速度增加的理论和概念可以成为他们创新的基础,但是理性认识之间的相互作用既有促进也有排斥。把理论和概念绝对化,把解决一个问题的方法唯一化,使他们拒绝接收新理论新方法,便丧失了创新的和进步的前提,反而限制创新和进步。所以我今天首先就理性认识的相互作用来谈一谈为什么和如何在中学化学教育中培养创新精神和能力。有人觉得创造力是伟大科学家所具有的天赋素质 ,事实上,决非如此。人从小就有创造活动能力,如果这种初始的创造力一直不被抑制,而不断发展,会有许多许多科学家、工程师出现,当然也有画家、医生出现,他们也要创新。可惜的是,在许多情况下,学习所得本应完全成为创造的基础,却被不恰当的教育变成限制创造力发展的框框,例如把一个一个定义、定律、关系式绝对化,把本来依附于化学问题的数学手段变成化学问题的实质,把由部分事实推想出来的假设、假说、模型当成客观存在等等。

先入为主和绝对化会给人们设置极限或界限,使人们不敢超越,也不想思考某个极限或界限本身的条件以及本质。举深海潜水为例,在公元前3世纪,靠常压潜钟,可以下潜到20~30米,但由于空气耗竭只能维持很短的时间。1691年,发明了连续输气的潜函,只解决了空气供应问题,极限还在20~30米。后来认识到不能再下潜的原因是静压过高以后,19世纪时,发明了加压潜水服把极限下推很多,但又不能再下潜更深了,原因是减压症。20世纪初,发明了高压舱解决了减压症,又把极限推到56米。后来发现这个新极限是由于稀有气体麻醉造成,到1939年,采用氦加氧气代替空气以减少稀有气体在细胞膜上的溶解,一下子,又把极限推到200米这个新极限。但是再下潜就出现高压神经综合症。后来,发现了产生的原因,改用氮+氧+氦三联气,并且分级慢加压,再把极限推到700米,再深又出现类神经紊乱。目前正在研究其机理,一旦明了,或许又可以推进一大步。回顾这些事实,可以看出如果人们把极限看成是绝对的,不敢越雷池一步,这样的进步是不可能的。

我们在中学化学教学中教给学生的内容有许多是把复杂问题做简单化处理后所得的结果。例如把一个过程简单化为一个化学反应,忽略副反应,忽略在全过程中发生的其他事件。例如铝片在稀硝酸中发生了什么?一般只讲一个反应,实际上是好几个事件组成的过程。牛顿力学的精粹之一就在于把复杂问题简单化。过去百年间物理学的辉煌使人认为数学和物理是解释一切的终极依据,就是因为它的简化处理。电子被当做点电荷,小分子也当做点。一切物质从单质到蛋白质,到细胞,到人体,其中一切活动都可以用数学和物理来描述和表达。但是复杂问题简单化仅仅是一种认识问题的方法,甚至是一时的方法。在我们教给学生一个反应、一个概念、一个理论、一个方法时,非常需要教他们知道这是一种方法,是简化的方法,由它得到的结论是相对正确的。要逐渐教学生知道不能把简化处理得到的结果绝对化,因为无论如何我们对复杂事物的认识还是要向探索其复杂性上发展。以理想化处理为例,在化学里讲了一些理想状态:理想气体、理想溶液等等,如果没让学生明白这些只适用于那些并不存在的、分子间没有一点相互作用的体系,他们就会把它绝对化。后来的发展说明理想气体状态方程式所描述的只是理想的气体状态,它与真实气体有不同程度的距离,由van der Waal方程到认识分子间力,再由分子间力去解释胶束和膜,才有可能在后来认识到弱相互作用以及其在分子组装中的作用,其后出现的冠醚穴醚又把弱相互作用提高到主客体化学来认识。直到最近,Lehn得了Nobel化学奖,研究由分子间弱相互作用构筑的超分子的化学才成为当前一个热点。如果不突破理想气体方程式的框框,就发现不了分子间力,如果不能突破只有强相互作用才会形成结构,就发现不了也解释不了自然界许多现象,特别是生物学现象,就不会出现超分子化学以及有关的概念:自组装、分子识别、高级有序结构等等。

我们在中学化学里讲了一些本来只是某种模型的概念,它们仅仅是理论研究的推理结果。为了描述和表达看不见、测不了的事物,科学家在头脑中可以构成概念模型,推出数学模型,甚至用木头或塑料做成看得见摸得着的形态模型。它们在一定范围内可以成为认识事物的拐棍,但是它们不是客观实际。例如,量子力学推理结果使我们接受了一系列概念:电子云,波函数,轨道等等。如果教师在用一个哑铃给学生讲解电子云而不教学生知道这仅仅是那些量子化学家打个比方所展示出来的模型,学生就会把它当成真有什么电子云。我们把分子或原子当成刚性球,讲述碰撞理论,解释反应动力学表现,如果学生从此把分子当成刚性球,撞在一起会弹开,怎样解释一个小分子和一个大分子相撞时这么快的找到特定的作用位点?由量子力学推出的另一个概念模型是共振论,它把苯的结构描述为两个或几个共振结构的总和。经典化学家常常用经典热力学思路把变化中的体系用始态和终态来描述,事实上,从始态到终态变化过程中有多少状态?这种变化是跳跃的吗?多少年来,在教学中,我们常常把它绝对化了。在大学化学中会认识反应机理中有一种或一两种中间态。再后,或许还能进一步了解从始态到终态有若干条途径,催化剂的神奇就在于用它的魔杖引导反应沿着某一条快捷的途径达到终态。但是为什么不能同时叫学生去想象那些从始态到终态的连续改变过程呢?甚至叫学生去想象在诸如生物体系中有什么始态又有什么终态呢?我们不该叫学生建立一个非此即彼的思考方法,有时它是创造性地解决实际问题的障碍。

我举以上各例不是说不能教给学生那些简化的概念模型,相反,对于中学生,只能学习这些概念和理论的基本思想。而且我们仍然使用这些方法,或许永远要使用这些方法。问题在于我们不能把这些东西极端化、绝对化,那样会使学生把这样学来的东西死死记住,成为排斥新概念的障碍。

举两个例子来说明先入为主的影响。先“掌握”的概念会排除异己,对于人,会使他面对新概念表现出傲慢与偏见。例如对于配合物的认识,在18世纪人们就制备了亚铁氰化钾,但是无法兼顾矛盾的事实:虽然写成复盐,Fe(CN)2·4KCN·3H2O符合价键理论,但不能解释为什么溶液中很少CN-离子。后来合成出越来越多的类似化合物,如CoCl36NH3,都不能用价键理论解释。就在100年中人们想出许多办法去“补台”,教材中教的是不能自圆其说的东西,可是学生把它当绝对正确,从来也不去问问那些说不清的地方。如此者,直到19世纪末,Werner提出配位理论才算了此公案,前后经历了100多年。另一个例子是有关惰性气体是不是惰性的问题。18世纪90年代连续发现五种惰性气体,当时的研究表明它们不与任何物质作用,所以称为惰性气体。恰好那时刚刚提出八隅律,认为价电子层有8个电子时最稳定,由此“圆满”地解释了惰性气体的惰性,反过来又以事实论证了八隅律的正确。尤其是Ramsay把氩的样品送给发现氟的Moissan,请他用当时认为最活泼的氟试试惰性气体的惰性,结果不出意料,氩没有与氟化合。于是八隅律和惰性气体十分完善地相互支持,达到普遍公认,写入教材。直到1933年出了个Pauling,他预测惰性气体并非惰性,虽然当时有人试图合成惰性气体化合物,但都失败了,这一企图的失败更证明八隅律的正确和惰性气体的惰性,如此者又30年,Bartlett在1963年终于合成了个别惰性气体的氟化物,13年后,才证明八隅律只适用于C,N,O,F和Ne。若干年后,惰性气体不得不改名稀有气体。从1864年八隅律的提出到1963年Bartlett的成功,又是整整经过100年,在这100年中不知有多少学生被培养成为化学家,但是他们中很少有人问过一些破绽。例如,Moissan当年只做了Ramsay送给他的氩的实验,为什么由此就认为惰性气体都不能与氟作用呢?为什么就不去试试其他?尤其是Pauling 预计原子量越大越容易作用之后,虽然开始有人失败,但是为什么不去研究实验方法上的问题,而只是反过来死守八隅律呢?由此我们应该获得一个教训,继承与创新是矛盾双方对立的统一,只有在教学生具体知识的同时培养他们的批判和怀疑的态度,才能培养他们创新精神。

在中学和大学低年级的化学教学中,习惯于教给学生解决某种问题的一种方法、一种思路,甚至连溶解度都只能用一种单位、一种表示方法。慢慢地,这些学生只知道一种方法,不去想改变它。固然多数人反对照猫画虎,但是未必有人反对举一反三。按照原有思路或别人走了一大步,我们走一小步成为我们研究工作中的一个极大浪费。为什么不能离开主流另立门户?近年来异军突起的组合化学可以说给传统合成化学当头一棒。传统合成化学一向是以取得一定目标物纯品为目的,上百年来新药筛选就依赖合成若干化合物,进行药理筛选的。由于筛选命中率仅有万或十万分之几,传统合成化学拖了新药研究的后腿。组合化学方法一反传统,它不以取得单一化合物为目的,而以建立包含所有可能化合物的“库”为目的。这个库可以包含数以万计,或十万计的结构相关的化合物,但是所得的是混合物。例如,可以在几个月之中,合成3 200 000种由五种氨基酸组成的所有五肽,每份样品只有一滴但含有成千上万的化合物。他们发展了特殊的方法从中“钓”出有活性的化合物。这不仅是方法革新,在概念上提出诸如缓和条件下合成、同条件合成、同步合成、等摩尔合成等新问题,并且促进合成子合成的发展。我们应该从这一例子看出培养学生的替换思维和反向思维是十分重要的,而我们的中学化学教育恰恰缺少这方面的要求。

四、培养创新心态和想像力

能否创新,是否愿意并敢于创新在很大程度上依赖于人的心态。无论是科学研究,还是一般科技工作,都要求创新,但是有很多人不愿、不敢、不能创新。他们不是能力问题而是心理状态问题,我愿在这里引用Nobel物理奖获得者Esaki的一段有益的话。他说,你想得Nobel奖吗?有5条规律:第一,不要让你被自己过去的经验所束缚;第二,不要过分追随你的领域中的任何一个权威;第三,不要抱着你不需要的东西不放,要严格地筛选信息;第四,不要回避对抗,如果有合理的观点,就去辩论;第五,不要忘记童年时的好奇精神,它是想象所表现的。但是我们的学生在学习期间缺少这种心态和精神的培育,我们的各级教育都不能使学生有这种精神。

第一,我们习惯于模仿。沉湎于前人的光辉之中,总是以前人为规范,例如中药必须尊古炮制,为什么我们的合成药物有97%是仿制的?为什么我们的科学研究总是按照人家的思路走?为什么我们自己的传统的产品教外国人接过去,改造了又打到国内来?我们从小就让学生学会模仿,使他们认为模仿是最有效、最保险、最省事的办法。为什么习题有标准答案?为什么教学生题路?为什么教学生背诵若干解题模式?我们在上课时讲例题,课后教学生做类似的习题,考试时考同样类型的题。大多数的习题是有规范程序的,而且有标准答案的。我们在上课时教给学生的是固定的解释和解决问题方法,学生没有机会去提出他自己的方法,更没有机会去试一试他们的想法。如果学生经常按照一定规范去做题,他们做的习题越多,越熟练,就越失去独立思考的能力,在题海里培养出的“熟练”最多可以成为技巧但不能创新,甚至妨碍创新。

第二,要引导学生敢于冒险去摆脱惯性的束缚。我们的工作,甚至研究工作有不少是由惯性所推动的。它们──

● 采用传统思路和方法,缺少根本改变;

● 跟踪世界潮流和热点,而缺少自己的创见;

● 采用刻板的方法做大同小异的事;

● 也有一些工作是被市场上不断出现的新仪器新设备所推动的。

放眼周围事物,你会发现这不是科学界所特有的。吃饭穿衣,画画唱歌,引进技术等等都有这种现象。总的来说,许多人甘心被惯性所推动,主要是缺少创新心态,缺少冒险精神。相当一部分人无论在做任何工作时,都愿意做目标明确,方法清楚,可行性强,成功率高的工作,而不愿冒风险去做前景模糊不清的和太复杂的事情。这种心态是从小受教育养成的,鼓励学生提出问题,提出教员甚至专业科学家解决不了的问题是非常必要的,这并不是要求过高,而是我们没能在他们面前打开这扇门。

第三,要使学生有机会发挥科学想象力。科学想象不是胡思乱想,它也是一种素质。现代科学重大成就中有不少是先在头脑中形成一种观念、一种结构、一种联系,甚至是一种从来没有的东西,然后再通过实验来证明它,制备它,寻找它。例如生物医学中的各种因子和受体,数学中猜想出的关系,天文学中的黑洞等等。化学中的想象成分远远低于生物学、天文学、原子物理学,或许因为化学掌握的是拿得到,看得见,测得出的这个层次的物质,而细胞中的个别分子、天体和粒子则是看不见、拿不到的东西,这样的情况培养了生物学家,天文学家,理论物理学家丰富的想象力。而化学则转而求之于实物的获得,可能因此想象力逐渐退化。实际上,化学现象中需要想象加以研究的地方很多,我们用谱学方法推测蛋白质在溶液中的构象和构象变化就是实验技术与想象的结合。在中学教学中就应该培养学生的科学想象力,近来有人提出培养中学生心里成像的素质,例如一个分子的三维结构在书本上画成平面的,要教学生能在心里把它变成三维结构;再如物体经过旋转(rotation),反射(reflection)和反转(inversion)等操作后变成什么样子?

第四,要联系学生能接触的实际问题。美国化学会理事长Breslow在1996年新年祝词中说:“有人说化学教育应该集中教化学中的核心(core)部分,可是吃苹果的人(用户)并不认为苹果核是最好的部位。自然,核也是重要的,核里包着种子,种子携带着过去的基因记忆,它是未来的基础。但是,在我们的教学中,化学教师必须教学生不只了解和掌握传统的核心,还要了解和掌握现代核心中的广泛的科学与技术。”

最后,我必须说明我不是中学化学教师,我不知道大家的难处,不免说了许多虚无飘渺的话,但是有一点是确切的,从我们历届奥林匹克化学竞赛的选拔,培训和参赛过程中,我们深深体会到,一方面中学生有潜在的创新能力,有想象力,有独立思考的能力;但另一方面很多中学生受传统教育束缚,他们的创造力,想象力和独立思考能力没有机会得到充分发挥。我们的责任就在于如何从各个方面改变这种状态。我们国家和全人类的几个重大问题,如粮食、能源、环境等等的解决要求的是富于创造性的各行各业的人才。