化学动力学与催化教学改革与实践

摘要：本文将科学史与《化学动力学与催化》教学相结合。通过查阅历史材料，甄别该课程学科领域里程碑式理论，并设计实验考察该理论的正确性，从中不仅获取理论知识、还提升了知识的综合运用能力、锤炼了科学思维方式和敢于创新的的勇气。以化学动力学理论体系建立过程为实例，讨论了如何实施科学史与课程理论教学相结合的教学改革方案。结果表明该教学方法提高了研究生对课程的学习热情，为学生独立从事科研工作奠定了必要的理论基础和科研方法。

关键词：化学动力学与催化；科学史；教学改革；科学思维

《化学动力学与催化》课程是中国矿业大学面向化学类及其它相关专业的硕士研究生开设的核心课程，内容涵盖唯象动力学及其延伸内容，并将催化的基本理论、研究方法拓展至光催化与酶催化。硕士研究生经过本科理论和实践历练，已经具备了较为扎实的专业基础知识和学习方法和能力。教育部于2020年9月《关于加快新时代研究生教育改革发展的意见》指出：“全面提升研究生知识创新和实践创新能力；……加快构建优质高效开放的研究生教育体系……”[1]，因此作者推进《化学动力学与催化》课程改革，目的在于，有效将理论知识与科学史两者紧密结合，确保在传授知识时，也向学生展示本学科特有的思维方式、解决问题的逻辑以及他们为攀登科学高峰付出的卓绝努力，进而培养出具有能源资源特色和创新能力的科研人才。

1.融合科学史的课程改革

著名教育家杜威认为：“一个人如果不了解科学史，就无法理解人类是如何从迷信屈服于自然之力，变为奇迹般地利用自然直至冷静自律地进行种种抗争”[2]，因此科学史与课程内容结合，包含了科学思维方式和学科之间的比较，还体现了科学与人类、科学与历史之间的联系，可加深学生对科学问题本质的认识。国内外有不少学者从事科学史与教学效果关系的理论研究工作。Stinner在选定某一科学主题后，以故事线索指引，将与主题有关的假说、观念、理论自然呈现[3]。Kipnis以重现科学史上著名实验与理论的教学方法，加深学生对知识、科学认识过程的理解[4]。Monk和Osboren[5]因实施了科学史和哲学融入课程的教育法而广泛受到关注。Osboren和Freyberg提出准备、集体讨论、质疑和应用4个阶段进行科学教学，不少教育工作者推崇这一模式[6]。因此将科学史与理论教学结合，它对教学效果的提升有积极的推进作用。《化学动力学与催化》综合运用数学、物理和化学知识，因其涉及3个学科，因此与科学史联系紧密，若将二者有机融合，可达成“兴趣引领—能力提高—使命担当”的教育理念，有助于学生科研思维、探索创新精神、科学精神与品德以及爱国热忱的培养。(1)科学史融入理论教学的改革思路《化学动力学与催化》伴随物理和化学研究成果和方法的不断发展，该课程理论体系快速更新，学科跨度大使本课程有丰富的科学史内容。但是在授课时，需将课程内容与科学史恰当、适度地融合，体现科学家们在“发现现象—质疑旧理论—解决问题—发展新理论”的过程中逐步推进学科体系的建立。因此，本课程改革思路采用Monk和Osbore的融科学史于理论教学的模式，主要内容如图1所示。融合型教学模式强化了以实验为基础的化学学科与科学理论之间的相互促进作用，突出学生运用已有的知识和科学经验参与科学理论和假说的评判。评判过程不是感性地判定对错，而是以实验设计为基础的逻辑推理。学生在讨论过程中养成思辨的习惯，认识到科学理论的正确性并非一成不变，随着学科的发展，将被新研究成果和理论替代，确立科学精神的思辨性和怀疑性，明确实验验证是检验真理的唯一标准。实施改革前，教师应充分了解本课程的科学史，而不是简单、生硬地将科学史移植到课程内容里，它应包括教师思考如何运用科学史料诠释理论体系的建立，理解科学家如何从庞大的实验数据和结论中寻找出抽象的模型，并经过加工反映在教学过程中。同时理清学科体系与本课程的关系，抓住影响深远的科学事件，防止无序罗列琐碎的细节，从而逻辑化导出理论观点。如表1所示的化学反应动力学理论的建立为例，在近400年的时间跨度中，化学动力学理论建立与其他学科的发展历程相辅相成，从宏观唯相动力学，逐渐发展将统计热力学的方法融入化学动力学和量子力学理论用于解读化学动力学理论和实验现象。阅读教师提供的材料后，学生将总结出化学动力学中的科学观点。教师补充未被学生发现的重要观点后，由学生根据已学的知识和实验方法设计实验，并论述设计实验的合理性和验证内容。该实验设计可涉及不同学科的知识，提高学生全面、综合运用所学知识的能力。教师的角色则是总结和评价学生的实验设计内容是否能有效达到验证理论的目标，并帮助学生分析该实验设计优缺点，完善设计方案。这一过程不仅因科学史的融入使理论内容变得生动，也让学生理解学科的建立与发展需要长时间的积累与沉淀，短平快建立的理论体系往往经不起事实的考验。进而言之，科学争议表现出复杂性，如“亲和力”理论的提出、繁盛到衰落，直至被“化学力”雏形取代，经过几代科学家的努力，逐步形成了质量作用定律。使学生通晓每一次科学争议得以解决都是人们逐步接近真理不可或缺的步骤，学生在完成研究生的学业时也需要这样的品质。

2.改革成效

多年来将科学史融入《化学动力学与催化》教学，学生的学习热情和积极性均有不同程度的提高，且在科学理论案例分析过程中，学生普遍反映学会了通过实验设计验证假说和理论的方法，提升了去伪存真的辨别能力，形成了正确的科研态度，对科学的态度衍化成尊重科学、逻辑严密、具有批判和超越精神的科研入门人。科学史向学生展示了科学进步是在不断解决问题的过程中形成，因此，科研工作不是形而上学的片面理论研究，而是知行合一的解决实际问题。再则，科学史是从人文角度潜移默化地影响学生，并非单个知识点的考察，因此重在帮助学生建构学科发展的全局观。另外，教师在选择科学史案例时的主导性既可避免学生在探究过程中因过度关注奇闻异事冲淡理论教学内容，每个案例后教师的总结与评价可帮助学生建构个人的知识框架和体系，提高对学科背景知识的认知。

3.结论

科学史与《化学动力学与催化》课程交融统一的最终落脚于提高教学质量的逻辑起点。学生在实例剖析的过程中，逐渐建立个人良好的科学素质，深入理解科学知识内涵，掌握不同学科的研究方法，形成正确的科学理念和科学精神。学生在设计实验验证科学理论和假说的过程中与教师的沟通与交流，使学生由科研活动被动的参与者变为主动的发现者。科学史的融入让学生通过生动的历史人物和事迹掌握科学知识和物质世界本质，掌握科学家的思维方式、吃苦耐劳的科研精神和敢于革新的勇气，提高自身的科研能力和水平，积极参与解决我国科研短板的科研活动。感谢中国矿业大学化工学院教学办公室朱清老师多年来的帮助与支持。

作者：石美 丁可可 何亚群 路瑶 周蕊 单位：中国矿业大学化工学院 中国矿业大学现代分析与计算中心