大學自然科學通識課的教學體會

周健

摘要：通識教育在現代大學教育中起到重要作用。以“元素的故事”為例，本文對大學文科學生自然科學通識課的教學內容和教學方法進行了深入思考，有助于激發學生思考興趣，提高學生科學素養。

關鍵詞：通識教育；自然科學；科學素養

中圖分類號：G642.3 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）01-0121-02

一、引言

通識教育是教育的一種，這種教育的目標是：在現代多元化的社會中，為受教育者提供通行于不同人群之間的知識和價值觀[1]。通識教育本身源于19世紀，當時有不少歐美學者有感于現代大學的學術分科太過專門、知識被嚴重割裂，于是創造出通識教育，目的是培養學生能獨立思考、且對不同的學科有所認識，以至能將不同的知識融會貫通，最終目的是培養出完全、完整的人。20世紀以后，通識教育已廣泛成為歐美大學的必修科目。通識教育實際上是素質教育最有效的實現方式，鼓勵學生結合自己實際跨學科、跨專業自由選課，充分發展個性，增強學生學習主動性，全面提高素質。通識教育的性質決定了通識教育存在的合理性，我國高校長期實行的專業化教育模式迫切呼喚大學通識教育的出現。專業化教育模式是我國高等教育在特定時期、特定社會背景中的選擇。過分強調專業劃分，把學生的學習限制在一個狹窄知識領域，不利于學生全面發展[2]。推行大學通識教育，不僅是我國高等教育與世界先進教育理念接軌的要求，也是我國教育改革與發展的需要。通識教育作為大學教育的重要一部分，是對高等教育專門化、功利化導致的人的片面發展的一種矯正和超越，是高等教育本質和大學使命的回歸。如何教好通識課程，培養高素質人才是教育工作者應當認真思考的問題。筆者在為大學文科學生講授自然科學通識課“元素的故事”時，積累了一定的經驗，下面談談幾點教學體會。

二、教學內容的思考

文科學生大多具有初中和高中的物理、化學基礎，對大學的物理和化學了解不多，在基本概念和基本術語的理解上可能存在困難。因此，在教學內容方面應考慮到他們的知識特點，選取合適的參考書籍和參考資料，力求盡可能少的專業知識，增強趣味性、易懂性，貼近現實生活和學生的感性認識。筆者選取了蘇聯的科普讀物《元素的故事》[3]一書作為參考書籍，向學生們介紹了自18世紀中期到近年有關化學元素的重大發明和發展，如：18世紀中期瑞典化學家舍勒怎樣發現了空氣不是單一的物質而是氧、氮兩種氣體的混合物；接著法國化學家拉瓦錫怎樣否定了燃素說，把氧、氮以及磷、碳、氫等列為世界上第一張元素名單；19世紀初期，英國化學家戴維利用電流怎樣分解了當時普遍認作是元素的兩種苛性堿和八種堿土金屬，而發現了鉀、鈉兩種堿金屬和八種堿土金屬；19世紀中期，在元素名單上已經有了57種，當時認為再難找到新元素的時候，德國科學家本生和基爾霍夫怎樣利用光的性質，造成了分光鏡，發明了化學元素的光譜分析術，使元素名單再行擴大；19世紀下半期俄國化學家門捷列夫怎樣總結了數百年來化學家們研究的成果，創造了元素周期表；19世紀末期英國的科學家怎樣發現了惰性氣體，充實了元素周期表。最后，20世紀初期，居里夫婦怎樣發現了釙和鐳，推翻了元素永恒不變，原子不可再分的舊觀念，掀起了一場化學上的大革命。通過這門課程的學習，使學生對元素發現的方法和歷史有了大致的了解。

三、教學方法的思考

如何提高教學效果是教師們經常討論的問題。在課堂上，好的教學思路能夠激發學生的好奇心，激起學生進行思考的欲望，能夠極大地調動學生學習的積極性和主動性，從而提升教學效果。筆者在一節“光譜學與元素的發現”課堂中，首先拋出了這樣一個問題：科學家們是怎樣知道太陽的化學元素組成的？這一問題立刻引起了學生們的興趣。太陽距離我們非常遙遠而且溫度極高，無法直接檢測太陽的化學組成。科學家們用了什么方法呢？答案是光譜分析法。說起光譜，學生可能覺得陌生。其實在中學物理里面大家就已經知道了牛頓的著名的三棱鏡色散實驗，將一束太陽光經一塊三角形的玻璃棱鏡折射后，形成了紅﹑橙﹑黃﹑綠﹑藍﹑靛﹑紫等七色的彩色光帶，牛頓將這種彩虹色帶命名為光譜，現在我們知道不同顏色的光具有不同的波長。接下來學生會問光譜與化學元素分析有什么關系呢？那么首先回顧一下初中化學學習過的焰色反應：許多金屬鹽類在燃燒時會產生特殊的焰色，如鉀鹽的焰色是紫色的，鈉鹽的焰色是黃色的，銅鹽的焰色是翠綠色的，鋇鹽的焰色是草綠色的，鈣鹽的焰色是橘紅色的，而鍶鹽和鋰鹽一樣都是鮮紅色的。在衍射光柵的分光術發明以后，英國的物理學家泰爾包特于1825年制造了一種可以研究焰色光譜的儀器，然后將燈蕊浸在各種不同鹽類的溶液中，曬干后點燃，觀察其光譜，發現各種金屬鹽類的火焰分光后所得的光譜，都是不連續的幾條亮線，各出現在其對應的顏色光區內，其中他注意到，鍶鹽和鋰鹽盡管焰色幾乎完全相同，但呈現的光譜卻迥然不同。他是意識到每種元素都有自己的一組特征光譜的第一位科學家。到1852年，瑞典的物理學家Angstrom指出每一種特征光譜就是某一種元素的特定標志，光譜正像人類的指紋一樣，各種金屬元素所發射的光譜線的數目﹑強度和位置都不一樣，因此可以由光譜的分析來檢驗金屬元素的種類，更可由各元素譜線的相對強度來判斷混合物中各種元素的相對含量。至此，光譜學的應用進入了一個嶄新的時代，成為化學元素分析的一項利器。知道了光譜法可以分析元素之后，我們來回答最初提出的問題：太陽上有哪些化學元素？早在1802年，英國的化學家伍拉斯頓就用分光棱鏡仔細觀察了太陽光譜。他注意到表面看來是連續的彩色光帶中，夾雜著不少的垂直暗線，在不明原因的情況下，只好把這些暗線的出現歸咎于棱鏡的缺陷。1814年，德國的物理學家弗朗和斐用他的衍射光柵試驗太陽光譜時，也發現了伍拉斯頓所看見的暗線。他仔細地數一數所能辨識的暗線，竟有576條，把它們一一標記下來，其中最主要的幾條，根據明顯程度，依次標以英文字母A﹑B﹑C﹑...G的代號，當做描述用的固定點或參考點。后世即把這些暗線稱為“弗朗和斐線”。有一天，弗朗和斐把他的分光儀一器二用，將光線入口處分成兩半，上半以陽光入射，下半以燃燒的鈉焰入射，于是得到了上下兩幅平行的光譜。他發現發出強烈黃光的鈉焰在光譜中有兩條很接近的明亮黃線，恰巧與太陽光譜中他標示為D的兩條暗線在同一位置上（此即今日我們所稱的著名的“鈉-D雙線”），這意味著什么？他知道其中一定蘊藏有重大的玄機，只是不知道答案在哪里！到了基爾霍夫和本生手里，這個秘密才被徹底揭穿。他們重做了四十年前弗朗和斐所做的鈉焰實驗。這次他倆讓連續光譜透過鈉焰的上方，那里有未燃燒的鈉蒸氣，結果在一片連續的彩色光帶中竟然就出現了兩條明顯的D暗線。顯然，是鈉蒸氣將連續光譜中屬于D線波長的輻射給吸收掉了！于是他們在1859年發表了兩條有名的“基爾霍夫輻射定律”。第一定律是每種化學元素都各有其特殊的光譜，第二是每種元素所吸收的電磁輻射波長與所發出的波長相等，即當某元素在高熱燃燒時若能發射某種波長的光，則在較低溫時其蒸氣就會吸收相同波長的光。第二條輻射定律就解釋了四十多年來一直不知其所以然的“弗朗和斐暗線”問題。本生與基爾霍夫認為高溫的太陽表面原來會發出含有各種頻率的連續光譜，然而緊貼著太陽表面的大氣層，因為溫度比太陽光球的溫度低，其中所含的蒸氣成分，會依其化學元素特性而選擇吸收其特征波長的輻射，所以太陽光譜中的各條弗朗和斐暗線都是其大氣成分元素吸收部分陽光波長所造成的。像暗線中的D線為什么恰與鈉焰的雙黃線位置﹑波長一樣，就是因為太陽大氣中含有鈉成分，吸收了陽光中的這種波長之故，也就是說D暗線的存在正是太陽大氣中含有鈉成分的明證！他們就用這種方法比較太陽光譜中的弗朗和斐暗線與各元素的特性光譜，而后在1859年宣布，太陽大氣層中含有鈉﹑鐵﹑鈣和鎳而沒有鋰，但其中含量最多的則是氫。他們的發現立刻轟動了整個科學界，光憑一臺簡單的分光鏡居然能在地球上檢定出一億五千萬公里外的太陽的化學元素組成，真是太神奇了！從此，太陽在人類的心目中，就失去了它的大部分神秘性。跟著，星球的神秘性也大部分消失了。通過這樣一節課，筆者講述了光譜、光譜分析法和用光譜分析法發現太陽上化學元素的故事，循序漸進地誘導學生進行思考，收到了良好的效果。

四、結論

在大學自然科學通識教育中，針對文科學生的知識特點，精心選擇教學內容和設計教學方法，努力做到趣味性、易懂性、啟發性和循序漸進性，提高了學生的科學素養，培養了學生的獨立思考能力，取得了顯著的教學成效。

參考文獻：

[1]哈佛委員會.哈佛通識教育紅皮書（2010年12月版中譯本）[M].李曼麗，譯.北京大學，2010：45.

[2]赫欽斯的高等教育思想對大學通識教育的啟示[Z].中國信息大學，2016-06-25.

[3]依.尼查葉夫.元素的故事[M].滕砥平，譯.上海：少年兒童出版社，1978.

Thoughts on Teaching of Natural Science of General Education in University

ZHOU Jian

（College of Materials Sciences and Engineering，Beihang University，Beijing 100191，China）

Abstract：General education plays an important role in modern university education. Aiming at liberal arts students，we discussed the teaching content and methodology of natural science courses taking the "story of elements" for instance. This is helpful to stimulating scientific thinking and science literacy of students.

Key words：general education；natural science；science literacy