為什麽化學是中心學科？

本文就如何開展我國化學教育的研究，促進化學教育的變革進行了探討。我國化學教育研究需要正確定位化學教育，把握發展方向，采用綜合集成的方法，註重化學學科特色的形成。關鍵詞:化學教育研究的取向轉變20世紀80年代以來，我國化學教育和化學教育研究取得了長足的進步，取得了可喜的成果。但與壹些國家和同類學科相比，某些方面的差距是明顯的。中國的化學教育研究需要克服浮躁，認真踏實地總結、思考、探索、提高、突破。第壹，化學教育研究需要恰當的定位。要找準化學教育的定位，必須排除盲目自大和學科情結的影響。為此，首先需要弄清楚化學是否是壹門中心學科。1.要搞清楚化學是不是中心學科，經常聽到“化學是中心學科”。先不說事實，先看看是誰說的。1985年，皮門特爾首次提出化學是壹門中心學科，化學處於自然科學的中心。[1]同年，美國國家研究委員會在壹份報告中正式將化學稱為“中心科學”。[2]。此後，許多人引用或提出了類似的觀點。比如日本化學家福井健壹說，“在古代的物理-化學-生物學的排序中，化學註定是中心位置的占有者。”[3]美國化學會前會長r.breslow在1997主編的《化學的今天和明天》中提出“化學是壹門中心的、實踐的、創造性的學科”，他還用“壹門中心的、實踐的、創造性的學科”作為該書的副標題。[4]然而，幾乎所有引用或提出類似觀點的人都是從事化學研究或教學的，幾乎沒有其他學科有影響力的人這麽說(筆者只看到壹篇報道，壹位醫學人士這麽說)。為什麽說“化學是中心學科”？歸納起來有幾個原因:化學與各種社會需求有關，可以滿足人們的衣食住行，增進健康，戰勝疾病，是現代社會國民經濟的重要支柱。[5]化學是壹門承上啟下的科學，對相關學科的發展能起到基礎性、先導性、帶動性和促進性的作用。[6]徐光憲院士指出:“科學根據其研究對象由簡單到復雜的程度，可分為上遊、中遊和下遊。數學和物理是上遊，化學是中遊，生命、材料、環境等朝陽科學是下遊。上遊科研的對象比較簡單，但是研究的深度很深。下遊科學的研究對象更加復雜。除了運用這門科學的方法，如果借用上遊科學的理論和方法，往往可以事半功倍。化學是中心科學，是從上遊到下遊的必經之地”；“化學與生命、材料等八門朝陽科學的關系非常密切，產生了許多重要的交叉學科”[7]，以至於化學成為相關學科的中心。化學被“埋在自己的成功之下”，面臨著自己的學科聲望問題:化學失去了光輝的形象，在社會經濟資源和人才的優化配置中沒有得到應有的支持，有被遺忘和忽視的危險。5.有必要引起學生、媒體和公眾的關註。可見，化學是壹門中心學科，其本意是指其他自然科學之間或者自然科學與工程技術之間的聯系需要以化學為中介。比如，現代生命科學和材料科學，沒有化學的介入，不可能達到很高的水平；數學和物理科學也需要化學的中介，才能更好地發揮生物學和材料學的作用。[8]說“化學是壹門中心學科”，並不意味著化學是所有學科中最重要的，而只是表明了它在社會和科學體系中的多邊關系和地位。不要只說“化學是中心學科”而不做解釋。壹定不能斷章取義，誤解，盲目自大。唐有祺院士曾提出“化學是壹門中心學科”，“更全面的提法是化學和物理壹起是當代自然科學的軸心”。[9]這是值得思考和采納的。2、要摒棄“小課題情結”盲目自大是表，課題情結是實。所謂的，就是局限於本學科，忽視其他學科，包括上層學科，滿足於、陶醉於成績，或者不顧大局地爭階級、爭地位。小題材的情結是很有害的，因為會導致視野狹隘淺薄，導致小打小鬧；導致化學教育與科學教育的對立，導致化學教育的“自我邊緣化”和與科學教育的隔絕，不能及時吸收科學教育及其他相關學科的研發成果。化學教育是科學教育的重要組成部分。化學教育者首先是科學教育者。只有明確了這種歸屬，才能拋棄小學科的情結，真正把提高學生乃至公民的科學素養作為自己的首要責任。3.理解化學的本質特征，所有的科學教育都有義務和責任進行科學素養教育，這就引出了發揮各自優勢，相互配合的問題。所以要了解各個學科的本質特征。只有通過比較，才能區分和理解化學的特點。物理和生物最接近化學，都是“基礎自然學科”。比較和區分它們，可以使我們快速接近化學的本質特征。壹般認為，物理學是研究基本存在形式、基本結構、相互作用、最基本和最普遍的運動形式(機械運動、熱運動、電磁運動、微觀粒子運動等)的科學。)的宇宙物質及其相互轉化規律；生物學是研究各級生物的種類、結構、功能、行為、發育、起源和進化以及生物與周圍環境關系的科學。化學是研究物質的性質、組成、結構、變化和應用的科學。看起來化學和物理都屬於材料科學，研究對象相似，但實際上是不同的。兩者的主要區別在於化學研究中的物質運動與物理研究中的不同。物質的化學運動主要表現為物質轉化為其他物質，即產生新物質的運動形式。其本質是物質由於化學鍵狀態的變化而產生新的物質，導致宏觀物質分解、結合或重組，物質分子組成和結構發生變化的壹種特殊運動形式。物理學中研究的物理現象壹般不包括物質的化學運動。化學所研究的物質的廣度不同於物理學。化學研究物質。實物是狹義上的物質，具有靜態質量，占有空間。化學物體是具有特定物理和化學性質的簡單物質、化合物或混合物。物理學研究物理對象和場。實物通常是指由物質形成的，以壹定的形狀、體積、大小和質量為特征的物體。物理學不把研究物理對象的具體組成、結構和相互轉化作為任務。化學研究的問題也不同於哲學研究的問題。哲學上的物質壹般是指具有客觀實在性，能作用於人的感官，引起感覺的東西。它是人們感受到的客觀現實，它的外延很廣。化學研究物質的深度(層次)也和物理學不同。物理學在研究物質的存在方式、結構、相互作用、運動形式及其相互轉化時，只研究基本的、普遍的特征。化學對物質的研究比物理更具體，但不那麽普遍。這壹特點使得化學的內容如此豐富，成為壹門龐大的學科，無法被其他學科所兼並。化學、物理學和生物學在解釋宇宙物質演化的不同階段有不同的作用。化學、物理和生物在解釋宇宙演化歷史中物質演化的不同階段時，明顯表現出不同的作用。“實時時空”，各種基本粒子和原子在宇宙的創造期、極早期、早期和近期都已形成。解釋和說明這些過程是物理學的任務。然後元素的進化、星際小分子的合成、生物小分子的合成、生物大分子的合成相繼發生，宇宙物質從簡單的分子逐漸演化為生物小分子，再逐漸演化形成生命的基本物質。說明這些過程只能依靠化學。隨後，生命體由簡單到復雜，由低級到高級的過程，逐漸形成了生命體，而這些過程的解釋和說明都不是生物性的。總之，化學的研究對象不同於物理和生物的研究對象，化學科學也不同於物理科學和生物科學，但不可能在兩者之間劃出絕對嚴格清晰的界限。壹般來說，化學有以下特點:化學研究物質的性質、組成、結構、變化和應用，其基本問題是組成、結構和反應及其與物質性質的關系。化學研究的對象是泛分子[10]層次，泛分子下層粒子之間的相互作用非常復雜，使得其整體性質各異，難以用演繹的方式簡明描述，這就決定了化學研究的個體化特征。在研究方法上，物理方法註重分析，本質上是機械論(或還原論)；生物學方法關註整體，本質上是目的論(或有機論、自主論)；化學方法壹方面把研究對象分解成若幹組分，另壹方面把研究對象的結構作為由壹些復雜程度不同於生物體的粒子(或部分)組成的系統來研究，研究對象之間的關系，這與物理學和生物學都有相似之處。但是，化學不同於物理和生物，表現出自身的特殊性。化學的這些特點應該在科學素養教育的實施中得到更好的體現。第二，化學教育的未來研究需要把握方向。化學教育要把握方向，就要自覺服從科學教育的目的、任務、規律等總體規定。20世紀以來，科學教育指導思想的變化有以下特點:從關註科學知識和技能、關註個體認知發展，到關註個性或個性、關註個體全面發展；然後演變為突出重點，關註個人科學素養；然後演變為關註更多人的發展，提出科學是為了所有人，關註公民的科學素養；然後演變到關註人類的和諧發展，關註人類在科技領域發展的背景環境，關註環境教育和sts教育。化學教育應順應科學教育的總體趨勢，為科學教育的進步做出自己的貢獻。要真正著眼於促進學生更好發展，重視科學文化建設，推動在全社會形成愛科學、講科學、學科學、用科學的良好氛圍。當今世界，能源、資源、食品、健康、環境等關系人類生存的重大問題都離不開化學，需要更多更好的化學人才。同時，越來越需要向全社會公民普及壹些化學知識，需要更多更好的化學科普人才。與這種情況相對應，未來化學教育的需求將是“高端更高”、“低端更低”。未來的化學教育要努力滿足“高端”和“低端”兩方面的需求。為了避免和解決這壹困境，未來的化學教育應該包括這兩個協調的翅膀。第三，未來的化學教育研究需要采用適當的方法。化學教育系統涉及到人，是壹個開放而復雜的巨系統。錢學森院士多次指出，不能用簡單的方法來研究開放的復雜巨系統，綜合集成方法是研究復雜系統的有效方法。綜合集成法的特點是:(1)以實踐經驗，特別是(實踐)專家的經驗為基礎，局部的經驗知識與現代科學提供的系統理論相結合。(2)系統研究(整體研究)與分析和還原相結合，以獲得對系統整體狀態、特征和行為的描述。(3)歷史研究與現實研究相結合，發現、揭示和檢驗對象的內在邏輯。(4)以經驗為基礎，建立模型進行計算，將定性知識與各種觀測數據和統計數據相結合，從局部定性知識到整體定量認識。(5)充分利用現代信息技術的優勢，實行人機結合、內省與觀察實驗、宏觀研究與微觀研究相結合。(6)各學科不同角度研究的結合，最終會產生新知識、新思想、新方法；等壹下。化學教育是壹個復雜的系統。研究復雜的化學教育系統，應該采用綜合集成的方法。在綜合集成方法的要素中，重要的是用計算機建模。利用計算機模擬系統的運行和演化，可以觀察整個系統的湧現，預測系統的走向...因此，基於計算機的建模已經成為壹種重要的研究方法，在許多領域得到了迅速發展。在這方面，目前的化學教育研究還處於空白狀態，亟待開展和加強。模型是解決問題的壹種非常重要的科學方法。人類探索世界的過程，其實就是建立各種模型的過程。模型是以文字、符號、圖表、對象和數學表達式的形式對系統本質屬性的描述、模仿或抽象。合適的模型可以提供壹個觀察數據、材料等信息的框架，解釋原型系統的行為特征和演化規律，揭示其運行機制，預測原型系統未來的行為特征，提示按照某種目的影響和改變行為特征和控制原型系統的思路和方式，啟發新事物和新技術的創造。通過模型的建立和研究，不僅可以更好地理解和完善原型，還可以進壹步形成相關的理論和實踐模型。建模工作可以從確定系統的狀態參數開始。第四，化學教育的未來研究需要形成學科特色。化學教育的未來研究應關註化學教育與普通教育的區別，形成鮮明的學科特色。用壹般的教育學研究和心理學研究代替化學教育本身的研究是不可能的。要形成鮮明的學科特色，必須註重結合具體問題進行深入細致的“個性化”研究。未來的化學教育研究除了正確定位、把握方向、采用恰當方法、形成學科特色外，還應關註化學教師教育的創新。今後化學教師的教育應減少空洞、無效的理論內容，結合具體內容進行實踐訓練。更重要的是，要註意改變現有的粗放的、不合理的教師教育體制。壹些國家對化學教師的培養采取兩階段制，即獲得理學學士學位的大學化學系畢業生必須在專門的教師教育學院接受培訓，通過國家教師錄用考試後，再接受壹年的教師職業培訓，獲得教育學碩士學位，才能被聘任為教師。在教師職業培訓中，除了教育理論的學習和討論，還要花大量的時間結合中學教材具體內容的教學進行強化訓練。這樣做是必要的，也是合理的，可以有效保證化學教師的專業化，保證新教師能夠迅速適應實際教學，滿足實際教學需要。我們要立足國情，善於博采眾長，在總結以往經驗教訓的基礎上，盡快建立起有效的、規範的化學教師教育體系。