《中学理科教育中的创新教育问题.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《中学理科教育中的创新教育问题.docx（18页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、 中学理科教育中的创新教育问题 王 夔一、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，
2、他们那里就一直是一片沙漠。”,Mackinnons 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
3、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
4、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
5、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
6、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；
7、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
8、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
9、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，DN
10、A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
11、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
12、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
13、3世纪，靠常压潜钟，可以下潜到2030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2030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
14、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
15、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 d
16、er 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
