化学科学和化学教学

化学科学和化学教学 胡 英（华东理工大学化学与分子工程学院教授，中国科学院院士） 中国大学教学2008（1）9-10 一、化学的学科发展趋势 化学的学科发展，可以提到许多方面，如飞秒化学，化学向生物学和医学、材料设计、能源、大气和环境化学、国家安全与个人安全等领域的拓展等。在本文中，要着重说的是：化学与化学工程的重新融合。20世纪初，化学工程从应用化学中脱胎而出。经历了单元操作和三传一反，形成了化学工程学，从以经验为主过渡到有一定预测功能的较完整的理论，从而导致化学与化学工程的分离。这种情况在20世纪90年代发生了变化，基础化学研究与化学工程之间发生了空前的交叠和渗透。化学家越来越多地介入复杂系统的构造、分析和使用中，这些自然而然与工程学中的系统方法有关。化学工程师正曰益进入越来越多的化学基础领域，在一些情况下甚至处于领导地位。在2003年美国出版的《超越分子前沿——化学与化学工程面临的挑战》一书中，开始使用化学科学来代表所有化学家和化学工程师的工作范围。 化学是一个多尺度的科学。微观尺度是从电子和原子核到分子，例如分子设计。宏观尺度，例如实验室合成、生产装置、化学和物理操作、产品包装和运输。现在大家更关注介观尺度。从化学方面来说，人们关注超越分子的层次，进入超分子、分子集团、大分子、活性 中心、器件的作用域，可以说从微观跨越到介观以至宏观层次。从化学工程来说，人们也不再满足于宏观的三传一反，而是逐步深入到颗粒、液滴、气泡、微孔、界面等介观行为，并对微观的机理也表现了浓厚的兴趣。化学由底向上，化学工程由顶向下，在介观层次相遇， 互相借鉴，对于化学科学及其理论的发展，形成了巨大的推动。 二、介观尺度的研究 通常化学以量子力学或量子化学为理论基础，用以研究物质的微观结构、化学键和对称等，现在正逐步重视随时间发展的动态演变。在唯象地说明宏观现象时，则应用热力学。进入介观层次后，要采用平衡态和非平衡态的统计力学，后者需要综合应用流体力学的原理。化学工程通常以流体力学和热力学为理论基础，特别重视湍流理论、多相流和不可逆过程的热力学，计算流体力学有很大的发展。在研究湍流的强相关机理以及涉及介观层次时，统计力学原理起着重要的作用。而在为特征参数找出规律时，则需要量子力学的帮助。化学科学理论的发展，进入到综合运用量子力学、统计力学、热力学和流体力学的时代，目标是解决多尺度时空结构与宏观平衡和速率的关系。进行多尺度时空结构研究，有两个重要方面：„是由下向E的预测。从分子结构逐级预测介观层次的各种结构及其随时间的演变，并进而预测宏观层次的结构、反应和分离的特性，以至在反应器和分离装置中的行为，目标是形成无缝的从微观到宏观的链接。要做到这一点，先要搞清楚各个相邻层次的时空结构是如何相互关联的。研究这种关联，首先要有实验的观察，总结经验的规律，然后是理论的建立和推导，作为过渡步骤，也常常是采用模型的半经验方法。二是由上向下的控制。用宏观的手段，逐级控制各级时空结构的形成。这两个方面有着紧密的联系，有相辅相成的关系。 三、对化学教学的启示 为了适应不断变化的新形势，化学教学要做好以下几点： 第一要打好基础。最重要的是，对于本学科的框架结构，通过教学，应使学生有一个系统的完整的初步认识。新的现象、规律和方法不断出现，要善于在学科的框架结构中找到它的位置。 对于物理化学，我们认识到的学科框架包括： 两大类研究对象：平衡和速率。 三个层次：宏观层次，由微观到宏观的过渡层次，微观层次。 两个方面：普遍规律和物质特性。两者结合，可以解决实际问题。 三种方法：研究物质特性，有实验方法、半经验方法和理论方法。从理论上研究物质特性，将进入下一个更深的层次。 例如生物膜中的促进传递和耦合传递。属于宏观层次的速率过程，具体来说是界面中的速率过程。对于普遍规律，要学教材中“传递过程”的内容(当然还有些特殊的地方)。为得到某一个生物膜的传递特性，要采用实验测定，或半经验方法。而要从理论上得到这种特性，必须应用统计力学。 又如耗散颗粒动态学DPD，它是一种介观层次的模拟，实质上它就是分子动态学模拟MD，属于从微观到宏观的过渡层次的普遍规律范畴。特殊之处是应用了粗粒化，引入更低的介观层次，相应还采用了耗散力和随机力。第二要强调开放。框架是开放的，可以不断更新和充实。内容是开放的，可以经常介绍新的进展。 对于如此丰富的介观层次，上述框架的精神依旧。微观和宏观之间，可以加入各种由低到高的介观层次之间的过渡层次。研究某一介观层次的特性，仍然有实验、半经验、理论这三种方法。理论方法主要采用平衡态和非平衡态的统计力学，相应进入了下一个层次，即从更低的介观层次到该介观层次的过渡层次。 第三要善用类比。类比永远不会完美，却几乎常常有用。物理学是一个由于类比而兴旺的领域，例如，基于借自超导的概念，我们可以至少部分理解超流的氦。物理化学中类比于由理想气体到实际气体，在研究混合物时，我们由理想混合物到实际混合物。上面提到的耦合传递，可以和耦合反应进行类比。又如密度泛函理论DFT，则是以密度分布反r)代替传统的位能函数芒(r)为基本变量构筑泛函。变分原理则等价子最概然分布原理或熵最大原理。 当前的薄弱环节是：从微观到宏观的过渡层次；传递速率；进展。要加强教学资源建设，包括教材、系列参考书、电子教材、网站建设等。 四、教学方法 要做大改革。要以自学为主，讲课首先介绍框架结构，重点讲授难点和进展，并开展课堂讨论。教学一定要少而精，这样才能为今后做到博而通打下坚实的基础。

下一篇： 曹凤云.高职应用化学项目教学阐释[J]. 黑龙江高教研究，2009（11）128-129 （基金项目：黑龙江省教育厅2008年度高职高专科研项目(编号：11535029)。 作者简介：曹风云，黑龙江农业工程职业学院动物科学系副教授．从事高职化学教学与研究工作。）

摘要：以市场需求为导向，以化学检验岗位为依托，提炼典型工作任务并转化为学习项目，探索高职应用化学项目教学；通过完成典型的工作任务引领构建项目课程，融理论与实践为一体，强化技能培养，提升学生的综合素质，为企业打造“成品”人才。 关键词：市场导向；应用化学；项目教学；综合素质 一、以化学检验岗位为依托，构建应用化学项目内容 所渭项目教学，是将某门专业课程按类别分为若干技术或技术单元，每个技术或技能单元作为一个教学项目，实行理论、实践一体的单元教学，每个单元教学都以应用该项技术或技能完成一个作业来结束。并进行下一个项目的教学；即师生为完成某一具体的工作任务而展开的教学行动„。教高[2004]12号文件颁布后，黑龙江农业工程职业学院对专业基础课程实施了改革，将其中的无机及分析化学、有机化学整合为应用化学。整合后的应用化学课程，理论内容注重化学学科自身的系统性、完整性；实验教学注重感性认识。是对理论课程的验证和延伸。随着高职教育教学改革的深入。一方面是专业基础课的授课时间大为缩减，另一方面是用人单位对毕业生的技能要求又大幅提高，因此，必须重构应用化学理论教学内容与实践环节，适应高技能人才培养的需求，提高就业竞争力。 在修改后的人才培养方案中，应用化学是动物医学、畜牧兽医、食品加工等专业的技术主干课程，是理论与实际密切结合的学习领域，具有极强的实用性，在提高学生应用能力和培养学生科学素质方面起着其他课程难以替代的重要作用；应用化学课程中的主要技术是饲料检验化验员、药物制剂工、食品检验工的核心内容。通过应用化学课程学习，学生要具备化学检验、质量监控等基本知识与技能，具备独立完成工作任务的能力。严谨的科学态度，分析问题和解决问题的能力，为后续课程的学习和将来从事兽医化验、动物防疫检疫、兽药检测与分析、食品生产质量控制等岗位工作奠定基础。 1．以工作任务为载体确定应用化学项目内容 所谓项目(教学内容)是源于真实的检验、检测、质量控制等工作情景中典型的工作任务，是学生能够利用各种校内外的资源及自身的经验，通过“做中学、学中做”的方式．完成典型的工作任务，并在完成任务的过程中，在与师傅(教师)、同伴(同学)的分工协作过程中，探究式形成职业知识、职业技能和职业态度，为走向工作岗位做好准备幢。我们通过开展深入的市场需求调研和分析国家标准化学检测方法．明确了课程要服务于后续课程学习及检验、化验、监测、分析等化学检验岗位；通过对相应工作环境、工作方式、工作内容、技术标准的反复研究，确立了应用化学三个学习情境即物质提纯与定性分析技术、滴定分析技术、基本仪器分析技术，下设16个项目。通过具体项目的实施，使学生具备配制化学试剂、标定溶液、使用常规的仪器与设备测试理化性质、通过化学分析和仪器分析进行组分含量测定、进行数据处理及出具检验报告等能力，实现化学检验岗位及岗位群所需技能和自主学习能力的培养，形成必备的工作能力。 2．按照工作流程和岗位分工，整体规划项目内容 建构主义认为，知识不是通过教师传授得到，而是学习者在一定的情境即社会文化背景下，借助其他人(包括教师和学习伙伴)的帮助，利用必要的学习资料，通过意义建构的方式而获得。按照工作过程逻辑和职业成长规律，让学生主动地探索和尝试，建构所需知识、技术并用以完成工作务，履行岗位职责，是项目内容规划的原则。本课程的项目从试剂准备与粗盐提纯、溶液标定与结果分析等准备项目开始，过渡到药用硼砂的含量测定、阿司匹林片的含量测定等实用项目，最后完成标的物可溶性还原糖测定、氨基酸态氮测定等综合性项目。项目涉及的理论知识(如基准物质、误差分析、指示剂选择，羧酸、氨基酸、蛋白质的结构、变化及应用)完全融人工作过程之中，突出了知识的学习是工作过程之必需、之必要。 项目的完成，不仅是知识、能力的学习过程，而且是职业能力循序渐进培养的过程。学生通过制定项目计划、实施过程和对结果的评价，养成主动学习所需知识、训练技能的工作习惯，通过与组内成员合作、组间配合，获得了工作过程性的知识(隐性知识)；同时，通过努力完成工作，使之具有了成功的满足感和责任感，从而极大地促进了学生自主学习、探索学习的情结。项目教学的结果必然是学习效率提高、学生的职业能力逐步拓展，并为综合职业能力培养做好准备。 以此建构的应用化学项目内容，学生是技术实践和知识学习的主体，能力的形成是有序、有效地从低级阶段带入到更高的发展阶段；突破了传统化学学科的界限，解决r传统教学中理论与实践相脱离，远离工作实践的弊端。通过完成典型的职业工作任务(项目内容)，学生可以熟悉他所学专业的部分工作内容，还可以了解到课程在未来职业领域所起的作用，并检验自己能否胜任该项工作。 二、结合行业的发展实施应用化学项目教学 1．突出重点能力的培养，为专业发展奠定基础 传统的基础课教学，完全是学科体系下按部就班式的教学，注重知识的传授或基本操作技能的训练，强调打好基础，至于对专业发展是否有用、能用多少并不需要考虑。项目教学