数字时代化学教育创新能力的培养

原文作者：Mario Pagliaro

单位：Istituto per lo Studio dei Materiali Nanostrutturati;

CNR via U. La Malfa 153 90146 Palermo Italy;

摘要：更新化学本科教育，利用研究、可视化和融合性资源培养创造力有很大的好处，但需要课程和教学方法以及学术教学和传统人力资源政策的变化。

关键词：化学教育； 数字化时代； 科学技能； 化学创新

1 介绍

许多问题影响着当今世界的科学技术教育，包括科学技术专业的学生人数下降，不受欢迎的太阳能教育，化学、物理、工程、生命与计算机科学等领域的博士生对学术生涯的兴趣下降，以及向公众传播科学的困难。

此外，与其他学科相比，化学在公共研究支出中所占份额正在下降。

矛盾的是，尽管据报道，学校和学院很难让年轻人对学习科学、技术和工程学科产生兴趣，但是工业却依赖于此，技术和工程遭遇“技能危机”，同时公司“通过各种方法招募新的技术和研究人员”。

2010年，在美国的中国化学博士生对学术生涯感兴趣的比例，被认为是所有科学学科中最低的(60%)，可能是由于化学工业的存在，仅仅三年以后的博士学位数量就减半至原来的30%。

最近对来自学术界和工业界的具有代表性的化学专业人员进行的一项调查发现，“化学有一个突出的问题”，78%参与调查人员认为化学专业学生数量下降是由于“与其他科学学科相比，化学缺乏lsquo;有新闻价值rsquo;的创新”。

这是令人惊讶的想法，例如，化学的创新已经通过提供低成本氢燃料电池和锂离子电池（即解决能源和环境相关危机的关键储能技术）发挥了重要作用。

在本研究中，我们认为，解决上述化学“突出问题”和在数字化时代释放化学的全部创新潜力的关键是改变化学学科的本科教育，利用最新的研究发现、可视化和数字连接工具培养创造力。

此外，大学也被要求改变其传统的人力资源政策，这些政策几乎总是重视研究而不是教学。

运用化学不同领域的例子，我们在下面展示了如何使用最新的研究成果、可视化和数字连接工具来实际加强化学教育。许多其他研究领域，如健康和环境，化学一直并将继续发挥决定性的作用，这些领域并没有包括在这些例子中。但是，这些结论涉及到化学的所有领域。

2 化学教育的变革

罗森布鲁姆和他的同事研究了1990年至2009年间研究和发展资金对学术化学生产力的影响，他们发现化学知识生产的快速增长“不能用任何可测量的投入变量包括财政支出来解释”。

换句话说，这个团队发现了“与过去经验背离”的结果，这表明化学研究与20世纪90年代初刚开始实践的方式发生了根本性的变化。

化学学术研究实践的这种转变，是由于研究已经成为跨学科、跨国界的合作。与来自其他学科和其他国家的学者共事已经成为一种常态，而不是例外，今天的化学研究论文中有很大一部分是来自不同学科背景和国家的作者。

然而，正如国际纯粹与应用化学联合会(IUPAC)前化学教育委员会主席最近强调的那样，“我们的许多教科书和教学方法都停留在过去，在过去的30-50年里没有太大的变化。在前沿领域，化学知识的增长如此之多，以至于跨学科的知识都被我们的学生丢失了”。

对化学教育50年的研究结果表明，建议在本科化学课程、教材和教学方法上发生改变。然而，引用化学教育研究领域的一位学者的话，化学教育实践的变化“极其缓慢”。

促进变革的一个方法是将当代研究成果纳入化学教育。另一个方法，如上所述，是使用新的可视化工具。

2.1研究型教育

法国阿维尼翁大学的Farid Chemat教授要求他的学生使用新的微波流体扩散和重力技术来提取精油、维生素、染料、生物酚抗氧化剂和其他生物制品，以教授当今绿色天然产品提取的基本概念（图1）。

学生们在实验室中直接将新的提取方法与传统的水蒸馏法或正己烷索氏提取法进行比较。

Chemat建议，“这样的教育”体现了绿色化学和工程的概念和原则，然而未来课堂教育需要明天的化学实践者们有效地向最终消费者传达绿色产品的好处。

在美国马歇尔大学(Marshall University)，肯尼思J·奥康纳教授(Kenneth J.OConnor)讲授的有机化学专业的学生们使用一种新型的固体钯催化剂来实践和更紧密地理解当今的绿色合成有机化学。

图1 阿维尼翁大学硕士生进行绿色和传统天然产物提取技术研究

该催化剂成功地介导了主要的碳-碳交叉偶联反应，也是一种高选择性的加氢介质，在温和的条件下可使多种烯烃和炔烃饱和，且实验产率在60-95%之间。

具体来说，教师给学生们提供催化剂和三种烯烃（富马酸二甲酯、反式肉桂酸和反式肉桂酸甲酯）中的一种，并被要求在氢气球条件下进行2-甲基四氢呋喃氢化反应（图2）。

研究进一步指出，2-甲基四氢呋喃是一种绿色溶剂，其沸点高于常用的甲醇，这将在工业上获得更高的溶剂回收率。

实验结束时，过滤出的溶液和蒸发的溶剂可以产生饱和酯。通过核磁共振谱图和红外光谱与文献谱的比较，从而确定产物的结构。

图2 硅胶Pd(0)催化肉桂酸甲酯加氢薄层色谱研究发展

学生通过一个个单一的实验学习如何使用定性薄层色谱(TLC)的光谱法来跟踪反应过程。

最后，他们计算绿色化学指标E因子（废物与期望产物的质量比）并评估反应的原子经济性，从而学习如何将绿色化学原理（表1）转化为实际有用的数字。

表1 非均相钯(0)催化肉桂酸甲酯加氢反应

1.你怎么知道你的反应已经完成了？

2.假设你的产率不是100%，你认为这个实验中最大的损失发生在哪里？

3.烯烃在过渡金属催化下加氢的机理是什么？

4.在本实验中，哪种试剂对E因子的影响最大？如果这个反应是在溶剂回收率远高于你实验的工业环境中进行的，那么E因子会发生什么变化？

5.分离出产品后，如何用光谱法确定反应已经完成？

6.计算反应的产率、原子经济性和E因子。解释这些值对于反应的价值。

2.2可视化教育

“现在我要用另一种方式来看待分子。对称和非对称之间没有明显的区别——这中间有很多层次”——2010年，以色列一名高中化学教师在使用分子对称在线可视化工具从三维角度查看分子及其对称元素后评论道（图3）。

与一组经验丰富的化学教师一起，学校的化学教育者们进行了连续对称测量（CSM，一个介于0和100之间的数字），它定量地描述了一个特定结构到完全对称的距离。这其中强调的是化学而不是数学。

图3 以色列开放大学管理的分子对称在线网站主页

教师团队发现，可视化工具扩展了他们对分子三维结构的形象，提高了他们对分子内部运动（振动和旋转）的理解，从而开辟了思考和看待分子的新途径。

这表明，他们的经验可以为教师教育、Tuvi-Arad和连续对称性测量（CSM，一个介于0-100之间的数字）的课程选择提供帮助，并得出结论：“高度先进的内容可以影响教师的思考、理解和最终的教学方式”。

化学方法指导生产新的有用的物质确实需要基于化学模块的可视化和关联，特别是原子和分子。

在20世纪20年代引入量子力学之后，由于量子力学和启发式化学概念的相互作用而产生的不可互通理论的使用，扩展了上述方法论。

结果是一些规则和模型，比如那些基于反应过程中电子对重排的化学反应，都是非常有用的预测工具。

在数字时代，可视化是将数据转换成图形结构，在计算机的帮助下变得交互式。然而，数据的可视化目标至今没有实现：扩大对正在研究的现象的理解，因为“理解往往来自于观察”。

“计算机支持，而不是基于计算机”，此建议来自于瓦莱，因为“可视化不与机器说话，它与人类说话”和“如果没有人类模式的识别和人类开放性的发现和创造，是不可能实现的”。

同一位科学可视化学者认为，在量子化学中更广泛地使用可视化的历程上，主要的障碍是“将可视化作为一种产生漂亮图像的方法，而不是一种数据处理过程”。

例如，这种可视化过程解释了温特兰在20世纪90年代初提出的有机化学教与学的反应机理方法的成功（“带来许多大学生对有机化学更深入的理解和欣赏，这一点已经被听过我课的学生证实”）最近，奥格尔维和弗林以及加拿大其他有机化学教授对内容进行了精简和扩充。

后一种方法自2012年初在渥太华大学成功应用以来，使学生具有根据电子流识别反应模式的能力，同时预测他们还不知道的反应结果。

用弗林的话说，这样一来，学生在成为“有机化学语言流利者”时，就不必记忆大量的反应了。

这门学科不是围绕结构来组织学科，而是围绕反应性来组织学科（图4），从简单的反应（如酸碱反应）发展到更复杂的反应。

图4 渥太华大学的Flynn、Ogilvie和同事开发的根据有机化学反应的控制机制和反应模式组织有机化学反应的教育方法

在学生学习任何反应之前，先在第一学期讲授最简单的反应，然后再在第一学期讲授稍微复杂的反应，以难度梯度的方式讲授电子推进形式主义机制和反应机制的原理。在有机化学的第一和第二学期，主要的有机化学反应是根据它们的控制机制的模式而不是通过官能团来讲授的。

该小组编写了一本教科书，内容围绕反应原理，而不是结构（烷烃、烯烃、炔烃等）组织，其中包括作为可视化工具的一个软件(ChemWare)，该软件允许学生可视化所讲授的主要有机反应机理的动态机制。

通过分析学生考试结果，研究电子流对有机化学教学的影响，Flynn和Featherson最近报告说，学生学会电子运动和键形成/断裂的正确含义归因于反应中使用的弯曲箭头。

2.3连通性教育

当今大多数顶尖的化学学者定期更新他们的研究小组网站，并定期使用社交网络进一步传播他们的工作，促进反馈，并开始新的个人互动和合作。

同样，让学生参与数字化时代的学习，要求教授们采用新的教学方式，将学生“在数字化生活中获得的课外信息和知识”融入课堂上的讲座和讨论中。

难道今天的学生即使在课堂上也普遍使用智能手机及应用程序吗？新加坡的化学教育工作者最近开发了一种方法，使用Instagram和Snapchat社交媒体进行实验室教学，从而拓展课程中学习到的概念并促进学习。

为Instagram和Snapchat创建了一个公共帐户，以方便与学生共享实时内容。本周实验的不同图片和视频被拍摄并上传到Snapchat，并上传到Instagram。教师在“快照”中添加一个标题来解释主要观点，或提出一个问题供学生思考。

教育工作者发现，通过在两个平台上即时共享图像和视频，信息可以更快地共享和传播给学生，特别是当教师无法同时处理每个学生的问题时。例如，上传的内容有助于强调前几组学生错误地执行某一程序的步骤及其正确操作，以便其他学生能够学习并避免犯同样的错误。

在Instagram和Snapchat融入教学五周后，对75名学生进行的期中调查清楚地表明，大多数学生认为应用程序在几个方面对他们都有帮助。例如，88%的学生认为上传的图片和视频帮助学生提高了对化学知识的记忆，80%的学生认为提高了他们对每次实验后理论和实践两方面的理解，89%学生任务在学习过程中允许他们改正错误。

类似地，英国的赫斯特教授也给正在学习化学、生物化学和自然科学的大学生们发送了Snapchat上带注释的图片和视频（图5），让他们能够将现实世界中的学科知识结合起来，提高学生对化学的参与度，提供对研究环境和作为一名化学学者的生活的见解。

图5 一个Snapchat视频截图展示了约克大学的学生如何通过柱层析纯化产品，而他们的导师G.赫斯特教授则为他们提供了一个使用当地资源在偏远地区进行绿色化学的画面

图片和视频是一个由140个学生组成的账户分享的。对学生的调查（43%回答率）清楚地表明(4.32/5.00)受训者在使用社交媒体应用程序时更喜欢化学。此外，大多数学生还发现，这种方法也是一种有助于将知识语境化并理解如何应用化学来影响他们的日常生活的工具。

3 结论

为了解释1990年到2009年间化学知识生产的急剧增长，罗森布鲁姆和他的同事们提出了一个假设，把这种增长归因于自动实验室数据收集、个人电脑分析和互联网的普及，新的信息和通信技术将有助于提高化学学术的生产力。

对这一学术成果的研究将揭示其跨学科性质，因为曾经界定化学研究传统领域（反映在“无机化学”、“物理化学”和“有机化学”学术期刊上）的界限已经破裂。

自20世纪90年代中期以来，在新兴的万维网和电子邮件互联网技术的推动下，研究化学不仅开始与化学系的同事合作，而且开始与来自生物学、物理学、计算机科学、工程、医学、考古学、文化遗产和许多以前严格意义上不相关学科的学者合作。

Levy Leblond在同一年就预测到了科学研究实践的扩大，他呼吁扩大科学教育的范围，目的是培养能够进行多学科研究的学者（而不是超专业研究人员），并随后将该知识教授给明天的科学、技术还有工科学生。

“他们目前在职业中面临的任务，以及他们不能再逃避的社会责任，”Levy Leblond写道，“要求hellip;hellip;我们不能继续表现得好像科学hellip;hellip;可以独立于历史而被教学”。

因此，首先，我们需要培养新的专业化学家，使他们对科学的历史、哲学、社会学和经济学有基本的

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