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1、高中化学课程标准指导下的理论教学问题高中化学课程标准指导下的理论教学问题宋心琦【专题名称专题名称】中学化学教与学中学化学教与学【专专 题题 号号】G37】G37【复印期号复印期号】2010】2010 年年 1010 期期【原文出处原文出处】化学教学化学教学(沪沪)2010)2010 年年 6 6 期第期第 1 15 5 页页【作者简介作者简介】宋心琦，清华大学化学系（北京宋心琦，清华大学化学系（北京 100084100084）。）。【关关 键键 词词】EEUUEEUU系统地讲述元素化学，并辅以相关的大量化学实验，是上个世纪 40 年代前后高中化学教材普遍采用的呈现方式，也是化学教学采用的主要形
2、式。其后，随着物质结构实验研究成果的积累和相应理论的发展，对化学物质的研究，逐渐由“见著而知微”的传统认知方式，转而成为兼有“见著而知微”和“见微而知著”相结合的方式，也就是现在常说的由宏观和微观两个层面来探究物质世界的认知方式，从而促进了 20 世纪中后期高中化学（包括大学基础化学）教材和教学要求的变革。显著的标志之一，是以物质结构为中心的有关理论和以化学热力学为基础的有关理论的引入，并被认为是化学课程的两根主线。量子化学和理论化学成为化学中新生领域之后，借助于计算机技术的发展和应用软件的不断问世，促使化学学科的面貌产生了很大的变化。关于化学已经理论化和化学已经从定性科学转化为定量科学一类见
3、解，影响甚广，对中学化学的学科面貌和相应的教学理论有着深刻的影响。一、什么是初等化学的核心理论和化学专业教育不同，中学化学教学学时较少，教学目标也较侧重于全面科学素质的培育。为了能够反映出化学学科的发展现状，特别是相关理论的发展现状，只能在少而精原则的指导下，对内容极其丰富的元素化学进行精简（现行课程中只保留了一些代表性比较突出的典型元素和它们的主要性质），从而使得物质结构理论知识和粗浅的化学热力学理论得以引进初等化学的教材和教学之中。从科学教育的基本任务来看，这种改变应当认为是一种进步，因为有利于扩展和深化人们对物质世界的认识水平，也可以视为对基础性和时代性原则的一种体现。随着科学技术和化学
4、学科本身的不断发展，尽管初等化学的教学目标不会有太大的变化，但是教学内容的改变却是不可避免的，特别是现代化学实验技术的引入，更是迫在眉睫。列入高中化学课程标准中的三种谱学技术就是一个明证，虽然这部分内容目前尚处于常识性介绍的阶段，一旦条件许可，必将逐步成为中学化学实验技术的重要组成部分，否则所谓从宏观和微观两个方面来认识物质世界的学科特点，将无法真正落实。值得认真研讨的是，初等化学的理论是否只限于初等物质结构理论和粗浅的热力学理论？为什么在这种认识的指导下，人们会感到初等化学的面貌和特点变得越来越模糊不清？就目前的中学化学教材和教学来看，似乎除去有限的几个化学元素和与之相关的几类基本反应、几种
5、常见的有机化合物之外，剩下的就是所谓的化学语言、简单的化学结构式和命名规则，重点却变成形形色色的以化学计算为特征的“原理”了。在这种认识的指导下，化学的学习过程似乎变成了化学语言教学（其呈现形式类似于语法规则）和以少数化学物质为载体的应用数学。虽然在课程标准中已经明确提出要通过联系实际、联系生活来提高学生对化学的认识，而且在教材和实际教学中也力求有所体现，可是即便学生接受了这种“处处有化学物质、时时离不开化学物质及其变化”的说法，同意化学“有用”，却不能代表他们对于作为自然科学之一的化学有了真正的认识，既无助于形成正确的价值观，对培育科学素养的贡献也不可能达到设立这门课程时的初衷。以至于相当数
6、量的非化学相关人士，会在类似于只要加入少量“神秘的催化剂”水就能变成油的信息面前莫衷一是；甚至于相信水的结构和性质可以通过千里之外的某些“超人”的意念而发生变化的所谓“科学实验”！二、化学元素论仍然是化学的最基本的理论化学是通过组成、结构、性质（反应和应用可以包含其中）来研究物质的自然科学。不仅如此，和其他“发现”科学如物理学、生物学、天文学以及地球科学相比，化学合成一直被认为是化学的最独特之处，而且是无可代替的。所以，美国加州理工学院的核酸化学家 J.Barton 一再强调：“化学是惟一能够制备前所未有的物质的科学”1。既然研究物质的组成（结构）和制备前所未有的新物质是化学学科的基本任务，所
7、以“元素论”才应当是化学的核心理论。因此不难理解，为什么使得元素从一种哲学概念转变为以原子质量及其差异为核心概念的道尔顿原子学说，会被公认为是现代化学的基石。当人们进而认识到元素在物质中存在时的形态，包括它的价态、所处的微环境以及和相邻原子或分子间的相互作用等，是宇宙万物之间存在着千差万别的原因时，展现在人们面前的才是一个有着科学内涵的五光十色和日新月异的物质世界！所以，初等化学的第一任务，就是要求学生通过实验和课堂教学（包括学习用以描述元素所处形态的化学符号系统）逐步领会和学会运用元素论。只有这样，才能够说是初步形成了化学视角。由此出发，对初等化学课程标准、教学大纲和教材的基本思路就不难理解
8、了。组成决定性质的认识，融汇于所有的演示实验和学生实验之中，所以，仅仅重视实验方法和基本操作是远远不够的，只有在学生通过实验切实地体会到：诸如钠和钠离子的巨大差别，仅仅由于 1 个电子之差；之不同，只和组成中增加了 1 个 O 有关！仅仅相差 1 个元素，但是有的性质差别不很大，有的却差之甚远等化 学现象的出现，都是以元素论为基础的组成决定性质的体现！因此，当某种物质的某些性质不能符合实际需要时，化学家想到的第一对策，往往就是改变它的组成，包括更换其中的组成元素或者变更组成元素的比率等。例如，在考虑解决含砷杀虫剂毒性太大的问题时，用磷取代砷的方案就理所当然地成为二种有效的选择；当锗的半导体性能
9、不够理想时，首先想到的替代物是硅，然后再发展为二元或多元半导体。除去纯净物外，形成混合物也是一种比较常用的方法。它也是立足于改变整个体系的组成，例如，合金钢的特性是由添加的合金元素的种类和比率所决定的，着眼于提高治疗效果和减轻药物副作用的复方药剂更是比比皆是。改变溶液的浓度（即改变体系中溶质和溶剂的配比）以调节它们的性质等措施，都可以归因于组成（扩展为体系的元素组成）决定性质这一基本认识。由此可以看出，以元素的化学符号为基础的化学式、结构式，以及化学反应式等，不仅在形式的简洁明了方面，毫不逊色于数学和物理学中的符号系统，并且和所论及的物质直接相关，一一对应，具体而微，跃然纸上。在此基础上，化学
10、结构式（在初等化学中，除对有机物分子外，只对为数不多的无机化合物，如以及以 ROH 为代表的含氧 酸和金属氢氧化物有所要求）成为由元素论过渡到化学结构理论的重要一环。在介绍同分异构现象之后，其重要性和所包含的化学信息将进一步扩展，成为进行化学研究工作和学术交流时的重要依据之一。三、初等化学中化学结构理论的着眼点和着重点由化学式到化学结构式或结构简式，是元素论扩展为化学结构理论的结果。物质结构理论的出发点是，物质所以持有确定的性质，源于“微粒”在组成分子时具有确定的结构，从而发展成为研究和展示物质的分子中组成元素（核）间的相对位置和相互作用的理论和实验方法，并形成了以化学结构式为表述形式的化学结
11、构式。它不仅包含分子的元素组成，同时呈现出每个元素和相邻元素及非邻近元素的几何学关系。如果附上相邻元素间的距离（键长）和夹角（键角），从中可以获得更为精确的结构信息。用平面或立体方式呈现的化学结构式，特别是那些具有较高对称性的分子的结构图形，不仅是化学家认识物质世界，以及设计与创造新物质时的“理论”依据，而且图形本身也是一种美学教育的元素（球形的受到偏爱，图形被多个领域的教材或科普 图书收入，是一个很好的证明）。所以，在初等化学教学中，充分重视元素论，把物质结构理论当成是元素论的深化和发展，会对学生了解什么是化学、什么是化学视角、化学符号和化学语言的特点有所帮助。实验和典型元素教学的基本任务明
12、确了，为实现多维教育目标的教学设计也就有了充实的化学内涵。“化学像是第二外语，但是没有任何用处”的误解，也随之可以得到解除了。虽然最早的化学结构理论是由化学家根据大量实验事实推定的（包括 Vant Hoff 的以碳为中心的正四面体结构理论等等），以探讨原子在分子中的几何特征为主。但是，就学科性质而言，现代物质结构理论更应当归属于物理学。随着电子和原子核的发现，人们对元素的认识和区分，逐步由道尔顿的以质量差别为主改变为由核组成中的质子数差别为主，这个基本认识一直延续至今。量子力学的问世，为从理论上认识或解释元素的形态和物质具有的基本性质提供了可能。经过半个多世纪的发展，在研究化学物质结构时，除去
13、实验方法之外，理论方法也逐渐成为化学家常用手段之一。如果承认目前的实验方法仍然侧重于“见著而知微”式的宏观范畴的话，那么研究物质结构的理论方法则侧重于“见微而知著”的微观范畴。由于后者不仅要求有较高的数学准备，而且涉及对大量的现代物理实验技术原理的理解，至少目前并不适合作为中学化学的基本要求。现代化学课程中的物质结构理论，包括原子、分子、晶体和超分子等物种的结构，除去原子结构理论已经基本成熟（核结构虽然很复杂，基本粒子的品种至今尚未穷尽，但是对于以元素论为基础的化学，目前仍然处于只需要考虑质子和中子的水平）外，晶体结构理论和相应的实验技术，也基本成熟。单质在化学中属于不可缺少的基本物种，由于组
14、成单一，原子间的相互作用比较简单，所以，国外的很多教材中，至今并不严格区分单质和元素，且共用一个术语，即“element”。化合物的种类繁多，几乎不可胜数（据 Breslow 等人估计，至少达到的量级的水平1，目前已经研究过的化学物质，尚未超过的量级）。近 年来文献中不断出现的关于某些元素在它的某个化合物中存在着“超常键型”“超常价态”的报道，说明了一个事实，那就是迄今为止已经确认了的分子结构类型和目前用于解释这些实验事实的理论，都是不完备的，必将随着实验技术和理论方法的发展而逐渐充实。何况目前的分子结构理论多以分子的基态为主，以至于学生习惯于把分子看成处于静态，而忽略了即使在一般条件下，分子
15、组成中的“原子”仍然一直处于“动态”的实际，静态结构不过是历经一段时间后的统计平均结果而已。如果考虑到在现代科学技术中已经得到广泛应用的激发态（包括电子激发态、振动激发态和振转激发态）准分子态等等，就可以看出，恰如其分地确定物质结构理论在初等化学中的地位和要求，是一项亟待启动的研究课题。初等化学中的分子结构式，是一种用来表述物质的元素组成和它们在分子中相对位置的化学符号。分子结构式不但形式简洁明了，作为化学语言，其内涵更是极其丰富。例如，在研究某个分子的化学时，把它的化学结构式中的某个原子（或该原子相邻近的一组原子）视为可能与另一分子间发生反应时的活性组分，是化学家在研究物质性质和设计验证性实
16、验时的基本思路之一2。当实验探究达到预期目标时，在积累一定数量的实验事实之后，便成为某个人名反应（如有机化学中的 Grignard 反应，黄鸣龙反应等；当反应只涉及某个原子时，这类反应常称作某原子的转移反应等等）。这也是某些具有化学特性的基团被称作“官能团”的原因，后者在初等化学中不乏这样的例子。从初等化学到大学化学，甚至包括主要的化学专业课，化学都是在这个基础上逐步扩展、逐步深入的。所以，物质的化学结构特别是分子结构理论，是化学的基础理论，但是，如果仅仅着重于物质结构理论的物理学描述和解释，只着重于制约分子体系在变化时所必须遵循的能量最低、电性匹配以及几何空间匹配等物理判据，因而忽略了结构的形成决定于元素组成和它们的结合方式及空间排布；以及分子的静态结构决定了它“所有”可能发生的动态变化2注1。从而偏离了化学，形成化学视角的目标将无法达到。这也许是学生不知道如何才能学好化学并真正产生兴趣的重要原因之一吧。注 1例如，由的化学结构式，可以推知水分子的电离和水分子的分解的不同：由的化学结构式可以推知它可能发生的酸碱
