现代化学进展简介
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现代化学进展简介 及对中学化学教育改革的看法. 清华大学化学系 宋心琦. 2007 年 7 月 哈尔滨. 对中学化学教育改革的认识. 学科的现状与发展趋势及社会需求是教育改革的基础和推动力 要学习并重视现代教育学和学科教学研究所提供的新理念和方法论 探究性学习仍然是教育改革的突破口 要区分职业性要求和素质性要求 学段的衔接更着重于能力. 什么是化学的大问题. Ball,Philip: Nature 422 (3) August 2006

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现代化学进展简介 及对中学化学教育改革的看法

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现代化学进展简介及对中学化学教育改革的看法

清华大学化学系 宋心琦

2007年7月 哈尔滨


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对中学化学教育改革的认识

  • 学科的现状与发展趋势及社会需求是教育改革的基础和推动力

  • 要学习并重视现代教育学和学科教学研究所提供的新理念和方法论

  • 探究性学习仍然是教育改革的突破口

  • 要区分职业性要求和素质性要求

  • 学段的衔接更着重于能力


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什么是化学的大问题

Ball,Philip: Nature422(3) August 2006

  • 物理学家始终没有放弃探索宇宙起源,或者是什么在主宰着从原子到宇宙的整个范畴内时间、空间和物质的行为的大问题

  • 生物学家一直注视着什么是生命的大问题,并试图通过对DNA的解旋以及蛋白质的结构和相互作用来获得解答

  • 什么是化学家的Big Questions?


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重视化学学科中大问题的呼吁

  • 极强的合成特色使得化学不同于其他的“发现”学科,如物理、生物、天文、地学。正如1860年法国化学家M.Berthelot所说:“Chemistry creates its object”,不少化学家仍然以此自豪

  • 目前,化学的问题不在于是否应该重视应用和工业化学,而在于过分重视我们能够做什么,和过分忽视我们能够知道什么,从而淡化了自然科学的本色,甚至迷失了自然科学的基本任务


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什么是化学的大问题

  • 怎样设计具有特定功能和动态特征的分子

  • 细胞的化学基础是什么

  • 如何制造在未来的能源、航天和医药等科技领域所需要的材料

  • 思维和记忆的化学基础是什么

  • 地球上的生命起源以及在其他星球上出现生命的条件

  • 元素间可能存在的所有组合的答案


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什么是化学的大问题

  • Zare:只有了解了有关的化学,才能真正了解生命过程

  • Whitesides:“细胞的本质问题基本上属于分子层次的问题”。例如:对蛋白质折叠、基因标记、高选择性分子识别、信号传递等的化学本质的了解

  • J-M.Lehn:“自组织是如何发生的,和宇宙生命起源有关吗?”如何设计不仅能够程序化,而且可以训练的化学’学习体系’?自组织过程是一种智能化的复制和放大过程


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什么是化学的大问题

  • Barton认为,有了答案后,就可以设计新的思维和记忆器件,和学会如何恢复旧有的思维记忆

  • 如何使得分子去到我们希望它去的地方?例如某个细胞、器官或组织?目前对结构-功能关系的了解太粗浅了。

  • Zewail认为,分子的动态对其活性的影响和结构一样重要。锁钥模型过于简单,还要考虑生物分子在能面上的运动轨迹

  • Whiteside指出,把计算机装入大脑,好像是神经科学家和电子工程师的事,但是神经元之间的信号传递是靠化学来完成的。


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什么是化学的大问题

  • 即使解决了分子设计的原理问题,如何使产率达到100%?所以如何使原子按照预期路线形成分子是一个大问题。化学不仅了解世界,而且试图了解所有可能的世界。

  • 据估算,由常见元素可能合成的一般大小的分子数在1014的量级,目前只完成约1%

  • 化学的任务在于无限分子的合成。分子的结构和功能问题是难以穷尽的。

  • ”不拒绝小问题,但是保持开放的目光”


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20世纪化学留下的悬念

  • 稀有气体化合物的合成

    惰气结构和化合价理论?

  • 高温超导陶瓷的合成

    固态物质导电机制?

  • C60与无机富勒烯的合成

    弯曲键理论和晶体缺陷理论?


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稀有气体化合物的零的突破

  • 1962年,29岁的N.Bartlett实现了稀有气体化合物的零的突破。

    从O2+[PtF6]-到Xe+[PtF6]-的设想是如

    何形成的?

  • 这一重大发现给我们的启示

     基础的重要性

     一切理论都存在着不确定性


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C60和无机富勒烯

  • 以色列化学家用电弧法处理层状类石墨结构的MoS2和WS2得到了类似于C60的呈封闭球形的MoS2和WS2,被称为无机富勒烯

  • 数学家欧拉早已证明了正多边形和封闭几何形状之间的数学关系

  • C60和金刚石、石墨能并列吗?


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无机富勒烯的应用前景

  • 固体润滑剂体系,可望具有纳米轴承的特性

  • 长尺寸(mm)WS2及WSe2纳米管,绳材和带材用于增强纤维,超轻质材料和容器制造;STM用针尖等

  • 层状NiCl2也属于此类,层数为奇时,为纳米磁体,可以提高磁性存贮器的容量


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20世纪化学留下的悬念

  • 组合化学的应用成功

    经典的反应通道理论受到质疑

  • 超分子化合物的稳定性和普遍存在

    分子间作用力的性质;决定分子识别过程的信息是什么?


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组合化学方法示例


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分子机器理论的困惑

  • 分子机器- 由确定数量的分子部件构成,在外界指令下完成类似于机器动作(功能)的工作系统

  • 名为EcoRI的阻旋酶在切割DNA的5’GAATTC3’硷基对时,要从4096个硷基对中选择其1,却准确无误!

  • EcoRI在DNA上的4.7106个硷基中选择2600个结合点时的动作约11次。相当于log2(4.7106/2600)=10.8

  • 1994年Schneider和Shanon提出的分子机器理论-方合模型


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20世纪化学留下的悬念

  • “一锅法”(one pot process)工艺的实现

    有机反应机理遭遇挑战

  • 有机大环分子的光化学合成

    质疑有效碰撞模型的普适性

  • 纳米科学和技术

    摩尔量级和“纳米”量级之间的“空白区”


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铑催化串联反应一锅法之一例


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化学教育改革研究的重点

  • 新课标提出和强调的新理念

  • 教材在教学活动中的作用

  • 教学中如何全面落实三维教育目标

  • 探究性学习仍然是教学改革的突破口


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“基础性和时代性”的关系

学科基础的陈述方式和教育价值

是可变的

例如:

  • 对原子的认识

  • 外语教学重点的改变

  • 投影几何课程的消失

  • 计算技术功能的变化

  • 建筑物基础的改变


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化学基础的价值

  • 化学学科定义是学科的灵魂。化学以认识和识别物质为学科特征,着重物质的个性

  • 化学学科定义是教材和教学设计的基点

  • 化学基本概念的教与学应当贴近学科,帮助学生了解化学,形成化学观点,并成为基本素质的组成部分

  • 分类法、模型法、归纳法、演绎法的学习要通过教学和学习过程从不同角度、通过练习、思辨和研讨来完成。要引导学生结合实际扩展认识。


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中学化学实验的大致分类

  • 以了解或熟悉基本仪器、常用装置、操作技术为主者

  • 以了解某些纯净物的基本性质为目的者

  • 通过分离、分析、提纯或合成学习对已知物质的性质及变化等知识的应用

  • 以验证原理为主者

  • 探究性实验-对未知物质体系的有目标的探究活动,发现或创建(对探究者)新知识(包括新现象、新规律、新性质、新物质、新结论等)。


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探究性化学实验体系的三要素

符合探究目标而且不确定因素最

少的化学反应体系

合理的实验装置,包括安全措 施等

合理的实验步骤和合乎规范的操作技术


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实验与探究式学习

  • 案例1: 拉瓦西测定空气组成的实验

    步骤1 2Hg +O2→2HgO

    步骤2 2HgO →2Hg + O2

    步骤3 步骤2得到的O2和步骤1剩余的N2混合,得到“原来”的空气

  • 学习要点:

    1。为什么选择Hg?

    2。为什么3个步骤都有必要性?

    3。还能想到些什么?


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实验与探究式学习

  • 案例2:空气组成测定体系的选择

    4 P + 5O2→2P2O5

    1。已知S、C、Mg、Na、蜡烛等都可以满足和空气中的O2发生燃烧反应的条件,为什么P是最佳选择?

    2。对这个探究性实验来说,为什么以Hg方案最为理想?

    3。 实施“磷”方案时,最重要的前提假设是什么?

    4。采用“磷”方案时,除去经典的体积测定法外,还能想到哪些方法?


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值得进一步思考的问题

  • 选择这类实验体系来探究类似于空气组成问题时,共同的前提假设是什么-同名分子间的不可区分性

  • 用气体分压或分体积的改变来提供有关气态化学物质变化的信息时,理论依据是什么-气体摩尔体积;气态物质的PVT之间的关系

  • 某些单质或化合物和氧发生反应的条件和氧化物的组成与性质(在水中的溶解度,是否和氮也能反应等)-化学物质体系的物理性质和化学性质

    • 氧能否全部耗尽-化学反应进行程度

  • 如果希望提高实验所得数据的精确程度,除去改进装置外,还应当考虑哪些问题


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更多的化学教育内容

  • 进一步认识和区分物质的化学变化和物理变化

  • 进一步认识和区分纯净物和混合物

  • 对物质性质的了解,在思考与构成最佳实验探究方案时极其重要

  • 加深对化学学科定义和思维特点的了解

  • 科学精神和科学方法是化学课程的精髓


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推动探究性学习的策略

  • 实验设计时的原则-定性型实验应当设立参比系;定量型实验应当有公认的基准

  • 以探究推进探究性思维和实践,例如:

    ☻在 H2O2→H2O+O2反应中MnO2起催化作用的结论,值得探究

    ☻在反应C2H5OH→CH3CHO中CuO起催化作用的结论,值得探究

    结论1:催化剂对反应具有选择性

    结论2: 对给定反应有催化作用的物质有限


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经典化学实验也应更新

更新实验方法的探究值得重视,例如:

☻ H2O2的反应可否改用氧化还原指示剂或氧化还原染料的变色代替观察气泡多少的方法?

☻ 乙醇催化氧化产生的乙醛能否改用银镜法代替嗅觉法?


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熵函数简介

  • 熵是经过理论加工后构成的状态函数

  • 热力学第一定律的中心是能量守恒;热力学第二定律的中心是能的分级,即不同形式的能做功本领不同,热能属于低级能。因而有了熵函数

  • ∆H = ∆ G + T∆S 或 ∆ G = ∆ H - T∆S

    体系的焓变=有用功+无用功

  • △mixS = R (ASAlnA+BSBlnB) >0


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熵函数简介

  • 因为混合熵>∑纯组分熵,所以气体间和溶质往溶剂中的扩散及均匀化过程,固体物质的污染、掺杂过程均具有自发性

  • 同一物质的S固>S液>S气,当产物中气体分子数多于反应物时,高温下T∆S项的贡献是火法冶金的基础。所以碳在高温下能够还原绝大多数金属氧化物3C(s) + Fe2O3(s) → 2Fe(l) +3CO(g)

  • 由∆ G = ∆ H - T∆S可知,纯物质发生相变时, ∆ G =0, ∆ H = T∆S。 ∆ H和∆S值一定,所以相变温度T(如熔点、沸点等)为一定值

  • 浓差电池能量来自T∆S,浓度梯度为过程推动力


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化学教育怎样和环境教育结合

• 过程自发性概念很重要 :气体的互相扩散,溶质溶解于溶剂形成溶液和溶液中溶质浓度的均匀化过程,包括空气和水源的污染及自净过程,均与原理:

△mixS = R (ASAlnA+BSBlnB) >0有关

•污染物属于化学物质,污染过程则归因于某些自然过程的自发性。防止污染的关键在于阻止这类自发过程的实现


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化学教育怎样和环境教育结合

绿色化学的原则不仅着眼于生产工艺,能耗、成品转化为废弃物后的归宿都应当考虑在内

因为环境污染的评价通常以生物的承受能力为依据,因此必须引入有效浓度的概念

环境教育在树立紧迫感的同时,应当强化依靠科学技术和社会进步可以克服困难的信心和责任感


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情感态度价值观教育问题

  • 学科教育的价值观是教学质量评价的基础

  • 学科教育应当服务于素质教育

  • 如何全面评价国民科学素质


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科学素养问题

  • 两种学习理论

  • “蚂蚁的智慧”

  • 非智力因素不可忽视

  • 并非寓言的寓言

  • 关于蜘蛛网和可降解塑料的讨论

  • 科学史教育中的问题

  • 科学家的特征


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与化学相关的素质

  • 以定义为纲-化学研究物质的组成、结构、性质和变化,以及变化过程中伴随发生的能量变化。这个定义体现了化学的特点、思维、探究方式-由表及里、由宏观到微观、再回到宏观;由已知到未知、由已有到创新;着重于分类法、模型法、归纳法;实验验证重于理论证明。

  • 较易入手并取得成果、理论成果的难度越来越大。最适宜于兴趣各异的广大人群、更适合于善于和乐于迎接挑战的人群


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化学和素质教育

  • 化学以单个纯净的化学物质为研究对象,在于准确地识别、有效地分离、有目的地仿制、修饰和创新。为此,必须尽可能地获得目标物性质的全部信息以及选择关键信息的思路与方法。

  • 化学对于物质的认识,以原子分子为基础,具有统计平均的特点。精确度必定与时俱进,信息遗漏将不可避免。因此化学对培育求精求新意识和细致缜密的思维与工作习惯极为有利。

  • 化学有助于公民了解现代生活、卫生保健、环境安全方面的知识、政策、法规


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素质教育任重道远

一堂小学英语课引发的思考

 审查科学教材过程中想到的问题

 几节中学化学示范课听后的感想

 参加中学社会活动总结答辩会获得的启示

•一堂高水平的小学语文课-给弱者以尊严,给强者以仁爱,给了孩子们看世界的眼睛。教育与教学,一字之差,对学生的影响可能差别很大

 环境教育中的问题


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教师和学生间的教育互动

  • 豌豆公主的垫被和蝌蚪变什么

  • 两节有趣的中学数学课

  • Gray 教授获奖时提到的对他影响至深的几位导师的话:“你的目标有多大,你的成就就有多大”;“走自己的路”;“要说得清楚,写得明白”

  • 园丁还是泥土?


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话题1:聆听大家解读化学学科的大问题,反思中学化学教学,我想大家都会有不同的感悟,写出来让我们共享。

话题2:宋先生给出的实验探究的案例给您的教学有何启示?在工作中,您也一定做了很多,写出来吧!


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谢谢大家


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