为什么化学是一门中心学科?

为什么化学是一门中心学科?
为什么化学是一门中心学科?

为什么化学是一门中心学科?
摘要：讨论了如何开展我国化学教育研究,促进化学教育转型.我国的化学教育研究需要对化学教育恰当定位,把握好发展方向,采用综合集成法,并注意形成化学学科特色. 关键词：化学教育 学科教育研究 定位 转型 20世纪80年代以来,我国化学教育及化学教育研究有了巨大的发展,成绩喜人.但是,跟一些国家比,跟相近学科比,在一些方面的差距很明显.我国的化学教育研究亟需克服浮躁,认真地、踏踏实实地总结,思考,探索,改进和突破.一、化学教育研究需要恰当地定位 要弄清化学教育的恰当定位,就要排除盲目自大和学科情结的影响.为此,首先需要弄清化学是不是一门中心学科.1、要弄清化学是不是一门中心学科 常常听到有人说“化学是一门中心学科”.姑且不说事实如何,让我们先看看是谁说的. 1985年皮门特尔（pimentel）首次提出化学是一门中心学科,化学处于自然科学的中心位置.[1]同年,美国国家研究理事会在其一份报告中正式地把化学称为“中心科学”（central science）.[2].此后,不少人引用或者提出了类似的看法,例如,日本化学家福井谦一说：“在古老的物理学-化学-生物学的排序中,化学注定是中心位置的占有者.”[3]原美国化学会主席布里斯罗（r.breslow）在其1997年编著的《化学的今天和明天》中提出：“化学是一门中心的、实用的、创造性的学科”,他还用 “一门中心的、实用的、创造性的学科”作为该书的副标题.[4]不过,引用或者提出类似看法的几乎都是从事化学研究或教学的人士,几乎没有其他学科有影响的人士这么说（作者只看到一位医学界人士这么说的报道）. 为什么说“化学是一门中心学科”?归纳主要有下面几方面的理由： 化学与社会多方面的需求有关,能满足人们衣、食、住、行和增进健康、战胜疾病的需要,是现代社会中国民经济的重要支柱.[5] 化学是一门承上启下的科学,能在相关学科的发展中起基础、牵头、带动和推动的作用.[6]徐光宪院士指出：“科学可按照它的研究对象由简单到复杂的程度分为上游、中游和下游.数学、物理学是上游,化学是中游,生命、材料、环境等朝阳科学是下游.上游科学研究的对象比较简单,但研究的深度很深.下游科学的研究对象比较复杂,除了用本门科学的方法以外,如果借用上游科学的理论和方法,往往可收事半功倍之效.化学是中心科学,是从上游到下游的必经之地”；“化学与生命、材料等八大朝阳科学有非常密切的联系,产生了许多重要的交叉学科”[7],以至化学成了有关学科群的中心. 化学“埋没在自己的成功之下”,面临着自己的学科声望问题：化学失去自己的光辉形象,在社会经济资源和人才的优化配置方面得不到应有的支持,存在着被遗忘和被忽视的危险5,有必要引起学生、媒体和公众的重视. 可见,化学是一门中心学科,其本意是指其他门类的自然科学之间,或者自然科学与工程技术之间的联系都需要以化学为中间媒介.例如,现代的生命科学和材料科学,如果缺少化学的介入,就不能达到高的水平；数学和物理科学,也需要通过化学的中介,才能在生物和材料科学中发挥较好的作用.[8] 说“化学是一门中心学科”,并不是说化学在所有学科中最重要,只不过是说明它在社会和科学系统中的多边关系和地位而已.我们不要只说“化学是一门中心学科”而不做解释,务必不要断章取义,错误理解,盲目自大. 唐有祺院士在评论“化学是一门中心学科”时就曾经提出,“更全面的提法是化学和物理一起是当代自然科学的轴心”.[9]这是值得思考和采纳的.2、要抛弃“小学科情结” 盲目自大是表,学科情结是实.所谓,就是囿于本学科,忽视其他学科,包括上位学科,就是满足于、陶醉于已经取得的成绩,或者不顾全局地争课时、争地位.小学科情结危害很大,因为它会导致视野窄小、短浅,导致小打小闹；导致把化学教育跟科学教育对立,导致化学教育“自边缘化”而孤立于科学教育之外,不能及时吸收科学教育和其他相关学科研究和发展的成果. 化学教育是科学教育的重要组成部分,化学教育工作者首先是科学教育工作者,明确了这个归属,才可能抛弃小学科情结,真正把提高学生乃至公民的科学素养作为自己的首要责任.3、要弄清化学学科的本质特点 所有的理科教育都有实施科学素养教育的义务和责任,这就有了发挥各自优势,相互配合的问题.为此,需要弄清各学科的本质特点.有比较才能有鉴别,才能弄清化学的特点.跟化学最为接近的是物理学和生物学,它们同是“基础的自然学科”,对他们进行比较、区分,可以使我们迅速地接近化学的本质特点. 通常认为,物理学是研究宇宙中物质的基本存在形式、基本结构、相互作用和最基本、最普遍的运动形式（机械运动、热运动、电磁运动、微观粒子运动等）及其相互转化规律的科学；生物学是研究生物各层次的种类、结构、功能、行为、发育和起源进化以及生物与周围环境的关系的科学；化学是研究物质的性质、组成、结构、变化和应用的科学.看起来,化学和物理学同属于物质科学,它们的研究对象差不多,其实两者是有差别的.它们的差别主要在于： 化学研究的物质运动不同于物理学研究的物质运动. 物质的化学运动主要表现为物质转变成其他物质,即产生新物质的运动形式,其实质乃是由于化学键合状况改变,引起宏观物质分解、化合或重组,导致物质分子组成和结构变化而产生新物质的特殊的物质运动形式.物理学研究的物理现象一般不包括物质的化学运动. 化学研究物质的广度不同于物理学. 化学研究的是实物（substance）.实物是狭义的物质,是具有静止质量、占有空间的物质.化学实物是具有特定物理性质和化学性质的单质、化合物或者混合物.而物理学研究的是实物和场（field）,物理实物通常是指由物质形成的,以一定的形状、体积、大小、质量等为特征的物体.物理学不以研究实物具体的组成、结构和相互转化为任务. 化学所研究的物质也不同于哲学中的物质.哲学中的物质（matter）泛指具有客观实在性,能作用于人的感官而引起感觉的东西,是人感觉到的客观实在,其外延十分宽泛. 化学研究物质的深度（层次）也不同于物理学. 在对物质的存在方式、结构、相互作用、运动形式及其相互转化的研究上,物理学只是针对基本的、普遍的特点来开展研究.而化学对物质的研究比物理学具体,但概括性不及物理学.这个特点造成化学的内容十分丰富,以至于它成为一个庞大的学科,不能被其他学科兼并. 在解释宇宙物质进化的不同阶段时,化学、物理学和生物学具有不同的功能. 在解释宇宙演化史中物质进化的不同阶段时,化学、物理学和生物学鲜明地表现了不同的功能.在宇宙的创生期、极早期、早期和近期,先后形成“实时空”、各种基本粒子和原子,解释、说明这些过程是物理学的任务.然后,相继发生元素进化、星际小分子合成、生物小分子合成、生物大分子合成,宇宙物质由简单分子逐步进化为生物小分子,再逐步进化形成生命基础物质.解释、说明这些过程只能靠化学.随后,生命物质由简单到复杂、由低级到高级,逐步形成具有生命的生物的过程,这些过程的解释、说明则非生物学不可. 总之,化学的研究对象既不同于物理的研究对象也不同于生物学的研究对象,化学科学既不同于物理科学也不同于生物科学,然而又不可能在它们之间划出一条绝对严格分明的界限. 概括地说,化学学科有下列特点： 化学研究物质的性质、组成、结构、变化和应用,其基本问题是组成、结构和反应以及它们跟物质性质的关系. 化学研究的对象是泛分子[10]层次,构成泛分子的较低层次的微粒之间的相互作用十分复杂,使其整体的性质各不相同,很难用用演绎的方式简洁地描述,这就决定了化学研究的个别化特点. 在研究方法方面,物理学方法注重分析,在本质上是机械论（或称还原论）的；生物学方法注重整体,在本质上是目的论（或有机体论、自主论）的；化学方法一方面把研究对象分解为若干组成成分,另一方面又把研究对象作为由某些微粒（或部分）组成的、复杂性不同于生物体的系统来研究其结构,研究实物的相互关系,既有跟物理学相似之处,又有跟生物学相似之处.但是,化学又具有跟物理学和生物学不同之处,表现出自己的特殊性. 化学的这些特征,应该在科学素养教育的实施中较好地得到反映.二、未来的化学教育研究需要把握好方向 为了把握好方向,化学教育要自觉地服从科学教育的目的、任务、规律等整体规定. 20世纪以来,科学教育的指导思想的变化有下列特征：由关注科学知识、技能,关注个体的认知发展,演变到关注人格或个性,关注个体的全面发展；再演变到突出重点,关注个体的科学素养；然后演变到关注更多人的发展,提出科学为所有人,关注公民的科学素养；再演变到关注人的和谐发展,关注人在科学技术领域发展的背景环境,注重环境教育、sts教育. 化学教育应该顺应科学教育的整体趋势,并为科学教育的进步作出自己的贡献.要真正着眼于促进学生更好地发展,重视科学文化建设,促进全社会爱科学、讲科学、学科学、用科学良好风气的形成. 当今世界,能源、资源、粮食、健康、环境等有关人类生存的重大问题的解决都离不开化学,需要更多、更优秀的化学人才.同时,向全体社会公民普及一些化学知识的必要性也日益增加,需要更多、更优秀的化学科学普及人才.对应于这种情况,未来的化学教育需求会出现“高端更高”“低端更低”的现象.未来的化学教育要努力满足“高端”“低端”两方面的需要.为避免和解决两难问题,未来的化学教育应该包括这相互协调的两翼.三、未来的化学教育研究需要采用适宜方法 化学教育系统涉及到人,是开放的复杂的巨系统.钱学森院士一再指出,研究开放的复杂的巨系统不能采用简单方法,综合集成法是研究复杂系统的有效方法. 综合集成方法的特点是：（1）以实践经验,特别是（实践）专家的经验为基础,把局部性的经验知识跟现代科学提供的系统的理论结合起来.（2）系统研究（整体研究）与分析还原相结合,获得关于系统整体的状态、特性、行为的描述.（3）历史研究与现实研究相结合,发现、揭示、检验对象的内在逻辑.（4）以经验为基础建立模型进行计算,把定性知识跟各种观测数据、统计资料结合起来,从局部的定性知识发展到整体的定量的认识.（5）充分利用现代信息技术的优势,实行人-机结合,内省思辨与观察实验结合,宏观研究与微观研究结合.（6）多种学科不同角度的研究相结合,最终产生新知识、新思想、新方法；等等. 化学教育是一种复杂性系统.研究复杂的化学教育系统,要运用综合集成法.在综合集成法的诸要素中,需要注意的是利用计算机进行建模.利用计算机来模仿系统的运行和演化,可以观察系统整体的涌现,预测系统的走向……因此,基于计算机建模成为许多领域发展很快的重要研究方法.在这方面,目前的化学教育研究还处于空白状态,亟需开展和加强. 模型是解决问题的一种十分重要的科学方法.人类对世界的探索过程,实际上就是建立各种模型表示的过程.模型是以文字、符号、图表、实物、数学式等形式对一个系统某一方面本质属性的描述、模仿或抽象.一个恰当的模型能够提供组织观察数据、资料和其他信息的框架,对原型系统的行为特征和演化规律作出解释,揭示其运行机制,预测原型系统未来的行为特性,提示按照一定目的影响和改变原型系统行为特性和进行控制的思路与方式,启示新事物、新技术的创造.通过模型的建立和研究,不但可以更好地认识、改进原型,而且可以进一步形成有关理论和实践模式. 建模的努力可以从确定系统的状态参数开始.四、未来的化学教育研究需要形成学科特色 未来的化学教育研究应该注意化学教育跟一般教育的区别,形成鲜明的学科特色,不能用一般的教育学研究、心理学研究来代替化学教育自身的研究.要形成鲜明的学科特色,就必须注意结合具体问题深入地、精细地搞好“个别化”研究. 未来的化学教育研究除了需要恰当地定位,把握好方向,采用适宜方法,形成学科特色之外,还应该关注化学教师教育的革新.未来的化学教师教育要减少空洞的、实效很差的理论内容,多结合具体内容进行实践训练. 更为重要的是,要重视改变现有的粗放的、不合理的教师教育体制.一些国家对化学教师培养采用两段制,即：取得理学士学位的大学化学系毕业生须在专门的教师教育学院接受培训,通过国家教师聘用考试后,再接受一年的教师职业培训, 取得教育硕士学位后才能被任用为教师.在教师职业培训中,除了教育理论学习和研讨外,要用相当多的时间结合中学教材具体内容的教学进行“精耕细作”式的培训.这样做有其必要性和合理性,能有效地保证化学教师的专业化,保证新教师能较快地适应实际教学、满足实际教学需要.我们应该立足于本国国情,善于取人之长,在总结以往经验教训的基础上,尽快建立有效和规范的化学教师教育体系.