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1、现代化学进展简介 及对中学化学教育 改革的看法清华大学化学系 宋心琦2007年7月 哈尔滨对中学化学教育改革的认识学科的现状与发展趋势及社会需求 是教育改革的基础和推动力 要学习并重视现代教育学和学科教 学研究所提供的新理念和方法论 探究性学习仍然是教育改革的突破 口 要区分职业性要求和素质性要求 学段的衔接更着重于能力什么是化学的大问题Ball,Philip: Nature 422(3) August 2006 物理学家始终没有放弃探索宇宙起源，或 者是什么在主宰着从原子到宇宙的整个范 畴内时间、空间和物质的行为的大问题 生物学家一直注视着什么是生命的大问题 ，并试图通过对DNA的解旋以及蛋
2、白质的结 构和相互作用来获得解答 什么是化学家的Big Questions?重视化学学科中大问题的呼吁 极强的合成特色使得化学不同于其他的“ 发现”学科，如物理、生物、天文、地学 。正如1860年法国化学家M.Berthelot所说 ：“Chemistry creates its object”,不 少化学家仍然以此自豪 目前，化学的问题不在于是否应该重视应 用和工业化学，而在于过分重视我们能够 做什么，和过分忽视我们能够知道什么,从 而淡化了自然科学的本色，甚至迷失了自 然科学的基本任务什么是化学的大问题 怎样设计具有特定功能和动态特征的分子 细胞的化学基础是什么 如何制造在未来的能源、航天
3、和医药等科 技领域所需要的材料 思维和记忆的化学基础是什么 地球上的生命起源以及在其他星球上出现 生命的条件 元素间可能存在的所有组合的答案什么是化学的大问题 Zare：只有了解了有关的化学，才能真正 了解生命过程 Whitesides：“细胞的本质问题基本上属 于分子层次的问题”。例如：对蛋白质折 叠、基因标记、高选择性分子识别、信号 传递等的化学本质的了解 J-M.Lehn:“自组织是如何发生的，和宇宙 生命起源有关吗？”如何设计不仅能够程 序化，而且可以训练的化学学习体系 ？自组织过程是一种智能化的复制和放大 过程什么是化学的大问题 Barton认为，有了答案后，就可以设计新的思 维和记
4、忆器件，和学会如何恢复旧有的思维记忆 如何使得分子去到我们希望它去的地方？例如某 个细胞、器官或组织？目前对结构功能关系的 了解太粗浅了。 Zewail认为，分子的动态对其活性的影响和结构 一样重要。锁钥模型过于简单，还要考虑生物分 子在能面上的运动轨迹 Whiteside指出，把计算机装入大脑，好像是神 经科学家和电子工程师的事，但是神经元之间的 信号传递是靠化学来完成的。什么是化学的大问题 即使解决了分子设计的原理问题，如何使 产率达到100？所以如何使原子按照预期 路线形成分子是一个大问题。化学不仅了 解世界，而且试图了解所有可能的世界。 据估算，由常见元素可能合成的一般大小 的分子数在
5、1014的量级，目前只完成约1 化学的任务在于无限分子的合成。分子的 结构和功能问题是难以穷尽的。 ”不拒绝小问题，但是保持开放的目光”20世纪化学留下的悬念稀有气体化合物的合成惰气结构和化合价理论？高温超导陶瓷的合成固态物质导电机制？ C60与无机富勒烯的合成弯曲键理论和晶体缺陷理论？稀有气体化合物的零的突破 1962年，29岁的N.Bartlett实现了稀 有气体化合物的零的突破。从O2+PtF6-到Xe+PtF6-的设想是如 何形成的？ 这一重大发现给我们的启示 基础的重要性 一切理论都存在着不确定性C60和无机富勒烯以色列化学家用电弧法处理层状类 石墨结构的MoS2和WS2得到了类似于
6、 C60的呈封闭球形的MoS2和WS2，被称 为无机富勒烯 数学家欧拉早已证明了正多边形和 封闭几何形状之间的数学关系 C60和金刚石、石墨能并列吗？无机富勒烯的应用前景固体润滑剂体系,可望具有纳米轴 承的特性 长尺寸(mm)WS2及WSe2纳米管,绳材 和带材用于增强纤维,超轻质材料 和容器制造;STM用针尖等 层状NiCl2也属于此类,层数为奇时, 为纳米磁体,可以提高磁性存贮器 的容量20世纪化学留下的悬念组合化学的应用成功经典的反应通道理论受到质疑超分子化合物的稳定性和普遍存 在分子间作用力的性质；决定分子 识别过程的信息是什么？组合化学方法示例AB1C1C4C3C2AB1C4D1AB
7、1C4D3AB1C4D2AB1C1D1AB1C1D3AB1C1D2AB1C3D1AB1C3D3AB1C3D2AB1C2D1AB1C2D3AB!C2D2B4B3B2分子机器理论的困惑 分子机器 由确定数量的分子部件构成， 在外界指令下完成类似于机器动作（功能 ）的工作系统 名为EcoRI的阻旋酶在切割DNA的 5GAATTC3硷基对时，要从4096个硷基 对中选择其1，却准确无误！ EcoRI在DNA上的4.7106个硷基中选择2600 个结合点时的动作约11次。相当于 log2(4.7106/2600)=10.8 1994年Schneider和Shanon提出的分子机器 理论方合模型20世纪化
8、学留下的悬念“一锅法”(one pot process)工艺的 实现有机反应机理遭遇挑战 有机大环分子的光化学合成质疑有效碰撞模型的普适性 纳米科学和技术摩尔量级和“纳米”量级之间的“空白区 ”铑催化串联反应 一锅法之一例化学教育改革研究的重点 新课标提出和强调的新理念 教材在教学活动中的作用 教学中如何全面落实三维教 育目标 探究性学习仍然是教学改革 的突破口“基础性和时代性”的关系例如： 对原子的认识 外语教学重点的改变 投影几何课程的消失 计算技术功能的变化 建筑物基础的改变学科基础的陈述方式和教育价值 是可变的化学基础的价值 化学学科定义是学科的灵魂。化学以认识 和识别物质为学科特征，
9、着重物质的个性 化学学科定义是教材和教学设计的基点 化学基本概念的教与学应当贴近学科，帮 助学生了解化学，形成化学观点，并成为 基本素质的组成部分 分类法、模型法、归纳法、演绎法的学习 要通过教学和学习过程从不同角度、通过 练习、思辨和研讨来完成。要引导学生结 合实际扩展认识。中学化学实验的大致分类 以了解或熟悉基本仪器、常用装置、操作 技术为主者 以了解某些纯净物的基本性质为目的者 通过分离、分析、提纯或合成学习对已知 物质的性质及变化等知识的应用 以验证原理为主者 探究性实验对未知物质体系的有目标的 探究活动，发现或创建（对探究者）新知 识（包括新现象、新规律、新性质、新物 质、新结论等）
10、。探究性化学实验体系的三要素符合探究目标而且不确定因素 最 少的化学反应体系 合理的实验装置，包括安全措 施等 合理的实验步骤和合乎规范的 操作技术实验与探究式学习 案例1: 拉瓦西测定空气组成的实验步骤1 2Hg O2 2HgO步骤2 2HgO 2Hg O2步骤3 步骤2得到的O2和步骤1剩余的N2混 合，得到“原来”的空气 学习要点：1。为什么选择Hg？2。为什么3个步骤都有必要性？3。还能想到些什么？实验与探究式学习 案例2：空气组成测定体系的选择4 P 5O2 2P2O51。已知S、C、Mg、Na、蜡烛等都可以满足和空 气中的O2发生燃烧反应的条件，为什么P是最佳 选择？2。对这个探究
11、性实验来说，为什么以Hg方案最 为理想？3。 实施“磷”方案时，最重要的前提假设是什 么？4。采用“磷”方案时，除去经典的体积测定法 外，还能想到哪些方法？值得进一步思考的问题 选择这类实验体系来探究类似于空气组成问题时 ，共同的前提假设是什么同名分子间的不可区 分性 用气体分压或分体积的改变来提供有关气态化学 物质变化的信息时，理论依据是什么气体摩尔 体积；气态物质的之间的关系 某些单质或化合物和氧发生反应的条件和氧化物 的组成与性质（在水中的溶解度，是否和氮也能 反应等）化学物质体系的物理性质和化学性质 氧能否全部耗尽化学反应进行程度 如果希望提高实验所得数据的精确程度，除去改 进装置外，
12、还应当考虑哪些问题更多的化学教育内容 进一步认识和区分物质的化学变化和 物理变化 进一步认识和区分纯净物和混合物 对物质性质的了解，在思考与构成最 佳实验探究方案时极其重要 加深对化学学科定义和思维特点的了 解 科学精神和科学方法是化学课程的精 髓推动探究性学习的策略 实验设计时的原则定性型实验应当设立 参比系；定量型实验应当有公认的基准 以探究推进探究性思维和实践，例如：在 H2O2H2O+O2反应中MnO2起催化作 用的结论，值得探究在反应C2H5OHCH3CHO中CuO起催化 作用的结论，值得探究结论1：催化剂对反应具有选择性结论2: 对给定反应有催化作用的物质有限经典化学实验也应更新更
13、新实验方法的探究值得重视，例如 ： H2O2的反应可否改用氧化还原指 示剂或氧化还原染料的变色代替观 察气泡多少的方法？ 乙醇催化氧化产生的乙醛能否改 用银镜法代替嗅觉法？熵函数简介 熵是经过理论加工后构成的状态函数 热力学第一定律的中心是能量守恒； 热力学第二定律的中心是能的分级， 即不同形式的能做功本领不同，热能 属于低级能。因而有了熵函数 H = G + TS 或 G = H TS 体系的焓变有用功无用功 mixS = R (ASAlnA+BSBlnB) 0熵函数简介 因为混合熵纯组分熵，所以气体间和溶质往 溶剂中的扩散及均匀化过程,固体物质的污染、 掺杂过程均具有自发性 同一物质的S固
14、S液 S气，当产物中气体分子数 多于反应物时，高温下TS项的贡献是火法冶金 的基础。所以碳在高温下能够还原绝大多数金属 氧化物3C(s) + Fe2O3(s) 2Fe(l) +3CO(g) 由 G = H TS可知，纯物质发生相变时， G =0, H = TS。 H和S值一定，所以相 变温度T（如熔点、沸点等）为一定值 浓差电池能量来自TS，浓度梯度为过程推动力化学教育怎样和环境教育结合 过程自发性概念很重要 :气体的互相扩 散，溶质溶解于溶剂形成溶液和溶液中 溶质浓度的均匀化过程，包括空气和水 源的污染及自净过程，均与原理：mixS = R (ASAlnA+BSBlnB) 0有关 污染物属于
15、化学物质，污染过程则归 因于某些自然过程的自发性。防止污染 的关键在于阻止这类自发过程的实现化学教育怎样和环境教育结合绿色化学的原则不仅着眼于生产工艺 ，能耗、成品转化为废弃物后的归宿都 应当考虑在内因为环境污染的评价通常以生物的承 受能力为依据，因此必须引入有效浓度 的概念环境教育在树立紧迫感的同时，应当 强化依靠科学技术和社会进步可以克服 困难的信心和责任感情感态度价值观教育问题学科教育的价值观是教学质 量评价的基础 学科教育应当服务于素质教 育 如何全面评价国民科学素质科学素养问题两种学习理论 “蚂蚁的智慧” 非智力因素不可忽视 并非寓言的寓言 关于蜘蛛网和可降解塑料的讨论 科学史教育中的问题 科学家的特征与化学相关的素质 以定义为纲化学研究物质的组成、结构 、性质和变化，以及变化过程中伴随发生 的能量变化。这个定义体现了化学的特点 、思维、探究方式由表及里、由宏观到 微观、再回到宏观；由已知到未知、由已 有到创新；着重于分类法、模型法、归纳 法；实验验证重于理论证明。 较易入手并取得成果、理论成果的难度越 来越大。最适宜于兴趣各异的广大人群、 更适合于善于和乐于迎接挑战的人群化学和素质教
