基于科學史的研究生《化學動力學與催化》教學改革與實踐

＊石美 丁可可* 何亞群 路瑤 周蕊

（1.中國礦業大學化工學院 江蘇 221116 2.中國礦業大學現代分析與計算中心 江蘇 221116）

《化學動力學與催化》課程是中國礦業大學面向化學類及其它相關專業的碩士研究生開設的核心課程，內容涵蓋唯象動力學及其延伸內容，并將催化的基本理論、研究方法拓展至光催化與酶催化。碩士研究生經過本科理論和實踐歷練，已經具備了較為扎實的專業基礎知識和學習方法和能力。教育部于2020年9月發布《關于加快新時代研究生教育改革發展的意見》指出：“全面提升研究生知識創新和實踐創新能力；……加快構建優質高效開放的研究生教育體系……”[1]，因此作者推進《化學動力學與催化》課程改革，目的在于，有效將理論知識與科學史兩者緊密結合，確保在傳授知識時，也向學生展示本學科特有的思維方式、解決問題的邏輯以及他們為攀登科學高峰付出的卓絕努力，進而培養出具有能源資源特色和創新能力的科研人才。

1.融合科學史的課程改革

著名教育家杜威認為：“一個人如果不了解科學史，就無法理解人類是如何從迷信屈服于自然之力，變為奇跡般地利用自然直至冷靜自律地進行種種抗爭”[2]，因此科學史與課程內容結合，包含了科學思維方式和學科之間的比較，還體現了科學與人類、科學與歷史之間的聯系，可加深學生對科學問題本質的認識。國內外有不少學者從事科學史與教學效果關系的理論研究工作。Stinner在選定某一科學主題后，以故事線索指引，將與主題有關的假說、觀念、理論自然呈現[3]。Kipnis以重現科學史上著名實驗與理論的教學方法，加深學生對知識、科學認識過程的理解[4]。Monk和Osboren[5]因實施了科學史和哲學融入課程的教育法而廣泛受到關注。Osboren和Freyberg提出準備、集體討論、質疑和應用4個階段進行科學教學，不少教育工作者推崇這一模式[6]。因此將科學史與理論教學結合，它對教學效果的提升有積極的推進作用?！痘瘜W動力學與催化》綜合運用數學、物理和化學知識，因其涉及3個學科，因此與科學史聯系緊密，若將二者有機融合，可達成“興趣引領—能力提高—使命擔當”的教育理念，有助于學生科研思維、探索創新精神、科學精神與品德以及愛國熱忱的培養。

(1)科學史融入理論教學的改革思路

《化學動力學與催化》伴隨物理和化學研究成果和方法的不斷發展，該課程理論體系快速更新，學科跨度大使本課程有豐富的科學史內容。但是在授課時，需將課程內容與科學史恰當、適度地融合，體現科學家們在“發現現象—質疑舊理論—解決問題—發展新理論”的過程中逐步推進學科體系的建立。因此，本課程改革思路采用Monk和Osbore的融科學史于理論教學的模式，主要內容如圖1所示。

圖1 理論教學與科學史結合的教學改革內容與思路

融合型教學模式強化了以實驗為基礎的化學學科與科學理論之間的相互促進作用，突出學生運用已有的知識和科學經驗參與科學理論和假說的評判。評判過程不是感性地判定對錯，而是以實驗設計為基礎的邏輯推理。學生在討論過程中養成思辨的習慣，認識到科學理論的正確性并非一成不變，隨著學科的發展，將被新研究成果和理論替代，確立科學精神的思辨性和懷疑性，明確實驗驗證是檢驗真理的唯一標準。

(2)課程改革實例

實施改革前，教師應充分了解本課程的科學史，而不是簡單、生硬地將科學史移植到課程內容里，它應包括教師思考如何運用科學史料詮釋理論體系的建立，理解科學家如何從龐大的實驗數據和結論中尋找出抽象的模型，并經過加工反映在教學過程中。同時理清學科體系與本課程的關系，抓住影響深遠的科學事件，防止無序羅列瑣碎的細節，從而邏輯化導出理論觀點。如表1所示的化學反應動力學理論的建立為例，在近400年的時間跨度中，化學動力學理論建立與其他學科的發展歷程相輔相成，從宏觀唯相動力學，逐漸發展將統計熱力學的方法融入化學動力學和量子力學理論用于解讀化學動力學理論和實驗現象。

表1 化學動力學理論的爭議與發展

續表

閱讀教師提供的材料后，學生將總結出化學動力學中的科學觀點。教師補充未被學生發現的重要觀點后，由學生根據已學的知識和實驗方法設計實驗，并論述設計實驗的合理性和驗證內容。該實驗設計可涉及不同學科的知識，提高學生全面、綜合運用所學知識的能力。教師的角色則是總結和評價學生的實驗設計內容是否能有效達到驗證理論的目標，并幫助學生分析該實驗設計優缺點，完善設計方案。這一過程不僅因科學史的融入使理論內容變得生動，也讓學生理解學科的建立與發展需要長時間的積累與沉淀，短平快建立的理論體系往往經不起事實的考驗。進而言之，科學爭議表現出復雜性，如“親和力”理論的提出、繁盛到衰落，直至被“化學力”雛形取代，經過幾代科學家的努力，逐步形成了質量作用定律。使學生通曉每一次科學爭議得以解決都是人們逐步接近真理不可或缺的步驟，學生在完成研究生的學業時也需要這樣的品質。

2.改革成效

多年來將科學史融入《化學動力學與催化》教學，學生的學習熱情和積極性均有不同程度的提高，且在科學理論案例分析過程中，學生普遍反映學會了通過實驗設計驗證假說和理論的方法，提升了去偽存真的辨別能力，形成了正確的科研態度，對科學的態度衍化成尊重科學、邏輯嚴密、具有批判和超越精神的科研入門人?？茖W史向學生展示了科學進步是在不斷解決問題的過程中形成，因此，科研工作不是形而上學的片面理論研究，而是知行合一的解決實際問題。再則，科學史是從人文角度潛移默化地影響學生，并非單個知識點的考察，因此重在幫助學生建構學科發展的全局觀。另外，教師在選擇科學史案例時的主導性既可避免學生在探究過程中因過度關注奇聞異事沖淡理論教學內容，每個案例后教師的總結與評價可幫助學生建構個人的知識框架和體系，提高對學科背景知識的認知。

3.結論

科學史與《化學動力學與催化》課程交融統一的最終落腳于提高教學質量的邏輯起點。學生在實例剖析的過程中，逐漸建立個人良好的科學素質，深入理解科學知識內涵，掌握不同學科的研究方法，形成正確的科學理念和科學精神。學生在設計實驗驗證科學理論和假說的過程中與教師的溝通與交流，使學生由科研活動被動的參與者變為主動的發現者?？茖W史的融入讓學生通過生動的歷史人物和事跡掌握科學知識和物質世界本質，掌握科學家的思維方式、吃苦耐勞的科研精神和敢于革新的勇氣，提高自身的科研能力和水平，積極參與解決我國科研短板的科研活動。

感謝中國礦業大學化工學院教學辦公室朱清老師多年來的幫助與支持。